自然界的鱼类经过长期的自然选择，进化出许多独特的生理结构与行为方式，展现出非凡的水下运动性能和环境适应能力。然而，目前的仿生机器鱼的各方面运动性能均无法与生物鱼类相媲美，还需更为深入的探究。受自然界鱼类的启发，本文围绕线驱动机器鱼以及变刚度机器鱼的结构设计、运动建模、性能优化以及游动控制等方面开展研究，旨在实现性能更优的仿生机器鱼，主要内容如下：

一、为了模拟自然界鱼类的复杂而连续的尾部波动，设计了一种双线驱动柔性仿鱼尾推进机构，其采用双拉线模拟鱼类肌腱以实现仿鱼尾摆动，采用弹簧钢片模拟鱼类脊柱，不仅可以实现仿鱼类的能量存储与释放机制，而且规避了离散关节式仿生脊柱所存在的关节摩擦损耗问题。进一步，分析了鱼尾的机构耦合性及其运动学模型，提出了一种基于数据驱动的运动解耦控制算法和仿鱼波动控制算法，以实现仿鱼尾波动。为了评估游动性能，提出了适用于稳态分析的速度估计模型和适用于动态分析的动力学模型，通过不同频率和振幅下的仿真和实验速度对比验证了模型的准确性。最后，探究了线驱动和弹性元件相结合在机器鱼中的新优势，结果表明，相比于多关节机器鱼，基于双线驱动柔性仿鱼尾推进机构的机器鱼能够实现更平滑的舵机输出功率、更小的舵机负载、更高的摆动频率、更快的游速、更低的运输成本(Cost of Transport, COT)。

二、为了充分利用柔性鱼尾的储能机制以提升机器鱼的游动性能，需探索柔性鱼尾的刚度在宽频段内对游速、推力等游动性能的影响。为此，在双线驱动柔性机器鱼的基础上，引入了一个高效的传动机构，其能够将电机的连续旋转运动转化为仿鱼尾的往复摆动，并设计了一款能够实现高频游动的线驱动柔性机器鱼，以满足在宽频段内鱼尾刚度优化的需求。基于机器鱼的动力学模型，依次分析了鱼尾的主动段柔性和被动段柔性的储能情况以及对游动性能的影响，进一步对主动段柔性和被动段柔性的刚度进行优化，以提升机器鱼的游动性能。所设计的线驱动柔性机器鱼的最快游速达0.92 m/s (1.87 BL/s, Body Length Per Second)，最低COT为12.17 J/m/kg。

三、为了模拟鱼类的在线刚度调节机制以提升机器鱼的游动性能，提出了一种快速在线变刚度机构，其通过调节基于弹簧钢片的弹性脊柱的有效长度，实现鱼尾刚度在大范围内快速在线调节。为了探究鱼尾刚度调节对游动性能的影响，分析了鱼尾刚度模型以及刚度调节的响应时间，提出了基于凯恩法的动力学模型，利用莫里森方程和升阻力模型并结合计算流体动力学分析了水动力，并通过游速、推力等性能分析验证了所设计的变刚度机器鱼的快速且大范围的刚度调节能力以及所提模型的准确性。在此基础上，通过充分利用可调刚度的优势改善机器鱼在多阶段直游运动和快速定向运动的游动性能。对于多阶段直游运动，通过构建的动力学模型，对多阶段内的实时速度与期望速度的误差以及功率损耗同时进行优化，得到机器鱼各阶段内的最优刚度、最优频率与最优振幅。对于快速定向运动，通过结合鱼类的C转策略以及可调刚度的优势，构建闭环控制策略，并以最小化定向时间为优化目标，对策略参数进行优化。仿真和实验结果验证了多阶段直游运动策略以及快速定向运动策略的有效性。