自然界中的鱼类、鲸豚类等历经亿万年进化，拥有优异的运动能力。水下仿生机器人通过模仿其高速、高效的运动方式，具有广阔的应用前景。本文以仿生机器海豚的高速运动为背景，在仿生机器海豚系统设计、基于尾鳍攻角反馈的运动优化和机器海豚跃水运动建模仿真等方面开展研究，旨在为高性能自主水下航行器的设计和控制提供理论基础和技术支撑，取得的主要研究成果如下：

一、以点斑原海豚（Stenella attenuata）为仿生对象，研制了一款多关节仿生机器海豚。首先，针对高频拍动时腰关节承力超限和电机频繁急起急停的问题，提出了一种凸轮转盘和直线滑轨相结合的电机换向方案，保证了电机输出的稳定性，提高电机有效输出功率。其次，针对机器海豚运动优化任务，考虑鳍面受力应精准传导至尾电机轴的要求，提出了一种基于锥齿轮箱的尾关节设计方案，提高了尾关节的集成度，并改善了尾关节稳定性差、易产生传导误差的缺点。最后，选取中枢神经发生器（Central Pattern Generator，CPG）模型作为底层控制律，开展机器海豚多模式运动测试实验，验证了设计方案的有效性。

二、针对仿生机器海豚尾鳍后缘攻角难以获取的问题，基于霍尔效应原理研制了一款适用于水下仿生鳍面的攻角传感器。首先，针对高精度、低阻尼、小体积和防水等设计要求，从结构设计、材料选型和磁场分析等方面给出了传感器的设计方案。所设计传感器以旋转叶片结构为基本构型，使用高性能霍尔芯片检测角度偏差，显著减少了旋转阻尼。同时，定量分析了永磁体的磁场强度，为机械装配提供精确指导。其次，针对真实攻角难以获取的问题，基于牛顿-欧拉建模法与Morrison方程构建了面向多关节仿生机器人的动力学模型，并进一步推导出尾鳍后缘攻角在稳态流体中的解析解。最后，将所设计攻角传感器应用于多关节仿生机器人。仿真和实验数据均验证了所设计攻角传感器的有效性，为攻角在闭环控制中的进一步应用奠定基础。

三、针对仿生机器海豚运动性能优化问题，提出一种基于攻角反馈的尾关节闭环控制算法。首先，结合生物学观察数据和翼型升阻力模型，设计了尾鳍最优攻角控制律。其次，针对高频运动时尾部电机无法有效配合腰关节电机的问题，设计了摩擦力和乳胶蒙皮回复力补偿模型，并基于模糊推理提出一种变刚度关节角控制方法，实现尾关节在扭矩模式下跟踪期望关节角。再次，分析了尾柄与尾鳍的运动关系，并基于攻角反馈思想设计了尾关节控制律。最后，水池实验验证了所提仿生运动优化方案的有效性。

四、针对海豚跃水运动，提出了一种面向自主游动的仿生机器海豚跃水运动的数值分析方法。首先，建立了背腹式推进的跃水运动学模型。所构建模型视机器海豚为刚体而非质点，依托Morrison方程分析作用于该刚体之上的时变水动力。其次，针对高速运动要求，分析了流体阻力与速度、功率的关系，进一步分析其对推进性能的影响。最后，根据实验数据辨识模型内水动力学参数，并对跃水运动进行定量分析，探讨了出水角度、出水速度等关键参数对跃水性能的影响，为机器海豚跃水运动的设计和控制提供参考。