仿鱼机器人是参照鱼类的游动推进机理，利用机械和电子手段以及功能材料来模拟鱼游动作，从而实现高效的水下运动的一种机械装置。与传统螺旋桨推进器相比，具有高效率、高机动性和低噪音等优点，故而成为近年来机器人研究的热点。然而，传统的仿鱼机器人研究主要采用的是自下而上的研究模式，各相关学科之间未能形成很好的交叉和互动。针对这一问题，本文尝试一种由上而下的仿鱼机器人研究模式。在对鱼类的游动机理进行深入探索的基础上，借鉴鱼类在功能、结构以及游动机理等方面给我们的启发，在ADAMS环境中设计并构建了一条在结构和功能上能够逼真地模拟真实鱼类游动的虚拟仿鱼机器人，并利用该虚拟仿鱼机器人进行了运动学、动力学仿真及优化设计等虚拟实验，为深入开展仿鱼机器人研究打下了很好的基础，也为实现各相关学科之间的交叉与互动提供了一个研究平台。本文首先对国内外仿鱼机器人研究和发展现状进行了回顾和总结。接着，从真实鱼类的结构和功能入手，在对其进行分析和综合的基础上，得到了进行仿鱼机器人设计时应遵循的一些基本原则。为了构建模拟真实鱼类游动的虚拟仿鱼机器人，本文对仿鱼机器人的运动学模型进行了深入研究，提出了一种基于序列图像的鱼游运动机理分析方法，并运用该方法对鱼游的运动机理进行了分析，探讨了相关的运动学建模问题。该方法首先利用鱼体游动时相对于背景的运动，通过图像差分等运算剔除不需要的背景、得到鱼体的轮廓，然后利用能量函数自动抽取鱼体的体干曲线。在此基础上，利用样条函数对抽取出来的体干曲线进行拟合运算以研究鱼体游动时体干曲线的变化，得到了鱼体运动的相关基础数据和各种运动学参数。相比于传统方法，本文所提出的方法无需对实验环境和对象加以限制，可以自动、有效和准确地获取用于鱼体运动学建模的相关信息，避免了各种人为的测量误差。利用上述方法，以中华鲟为实验对象对样本鱼的稳态游动、C型起动、S型起动、转弯、浮沉、直线加速及制动等动作进行了分析，并据此构建了由该类鱼的各运动学模型组成的亚鲹科鱼游运动基础动作库，为解决仿鱼机器人的运动学建模和控制问题奠定了理论基础。为了从结构和功能上实现更接近于真实鱼类的仿鱼机器人，本文对鱼类的构造和驱动方式进行了深入研究。结合鱼类生理学方面的研究成果，提炼出了鱼类骨骼肌肉的机械模型和肌肉驱动的原理和准则。相关成果对于在未来设计应力更强、应变更大、效率更高的新型驱动器驱动器具有指导意义。此外，本文还对鱼游运动基础动作库进行了动力学建模，从而使虚拟仿鱼机器人具备了进行诸如导航、运动控制和路径规划等虚拟实验的能力。在上述成果的基础上，本文在ADAMS环境中构建了一条可以逼真地模拟真实鱼类的虚拟仿鱼机器人。该虚拟仿鱼机器人以鱼类肌肉模型为驱动器，具有和实验用的真鱼一样的物理参数和运动学参数，可以像真鱼一样运动。利用该虚拟仿鱼机器人，本文还对亚鲹科鱼游运动基础动作库中的各主要动作进行了运动学和动力学仿真。仿真结果表明，所建立的鱼游运动基础动作的数学模型能够准确地描述相应的动作，可以被用于仿鱼机器人的运动控制环节。此外，仿真结果还验证了我们所设计虚拟仿鱼机器人在结构和功能方面所表现出来的准确性、合理性和有效性，它可以模拟真实鱼类，产生平滑的鱼体推进波从而保证优越的流体动力学性能。本文还讨论了基于虚拟仿鱼机器人的相关的优化设计问题，得到了在常用的几种关节数情况下各关节长度的最优比例。这个结果可以用于指导实际仿鱼机器人的设计。