近年来,陆地资源逐渐枯竭。探索海洋湖泊将其安全合理的开发并造福于人类,成为世界各国关注的焦点。随之而来,产生了诸如深海资源勘探,海洋湖泊监控警报,水中生物研究与抢险救灾反恐爆破等科学研究和军事安全的需求。受益于这样的需求,仿生潜水机器人相关研究得到了快速的发展。青蛙为一种两栖动物,兼具水中游动和陆地跳动两种运动方式。模仿青蛙强大爆发性的后肢研制仿青蛙机器人,和现有的传统水下机器人相比,能够拥有更快的速度、爆发性以及灵活性。本文通过完成仿青蛙游动机器人的结构设计与控制系统研究,探究区别于鱼鳍摆动,水翼拍动和反冲式推进方式不同的脚蹼滑动推进方式,并解决水下机器人的关节位置伺服控制问题,为设计出一种具有青蛙两栖特性的仿生水下机器人奠定基础。首先,分析野生黑斑蛙的肌肉和骨骼结构,结合其游动姿态,抽象出仿青蛙机器人的后肢模型,对简化后的机构模型进行仿真和优化,得出最优的关节尺寸,安装角度。为了更好地模仿生物青蛙的游动姿态,针对青蛙后肢多自由度的性质,依据上述参数,设计五自由度仿青蛙机器人后肢,包含髋关节姿态调整机构,模块化仿青蛙机器人后肢和被动力检测脚蹼。设计集成在仿青蛙机器人躯干内的供气系统和硬件控制系统;设计仿青蛙机器人防水主壳体结构用于容纳高速开关阀阀岛,电池以及硬件电路;并对腿部进行密封设计,使得在水中游动时,腿部不会漏水,保证机器人能够持续游动。其次,在完成结构设计后,进行关节状态空间模型建立,针对气动肌肉分别进行实验测定外界负载、气动肌肉气压、气动肌肉收缩率对气动肌肉输出力的影响,基于实验数据和理论分析修正Tondu的气动肌肉数学模型。分析高速开关阀的输出特性,气动肌肉充放气能量方程以及关节动力学方程,建立了系统的单输入三阶仿射非线性数学模型,将输入的脉宽调制(PWM)信号和关节输出角度建立联系。利用MATLAB的S函数进行仿真分析,通过不同的输入值,获得相应的静态和动态响应输出;分析气动肌肉摩擦力,气源压力和弹簧刚度这3个主要因素对仿真模型的影响。第三,为了解决非线性系统的精确位置伺服控制问题,基于上述建立的三阶仿射非线性数学模型,针对被控系统的参数变化未建模特性以及气路的非线性,合理简化状态方程,设计等效滑模控制律,使得控制器可以通过关节反馈的角度和气动肌肉实际气压,实时解算出当前控制气动肌肉充放气量的高速开关阀的脉宽调制(PWM)信号,最终建立期望角度为输入,实际关节角度为输出的数学关系,利用李雅普诺夫稳定性判据证明其稳定性。通过MATLAB分别设置输入为动态或静态信号检测控制效果,并基于单片机设计数字式滑模变结构控制策略。接下来进行仿青蛙机器人轨迹规划研究,基于野生黑斑蛙的游动轨迹对机器人各个阶段进行轨迹规划。利用黑斑蛙的运动数据,针对最重要的伸展阶段,进行加速度规划,得到后肢末端在三维空间内的轨迹,通过运动学关系求解各关节实际的运动角度。依据关节运动角度结合实际的舵机运动速度和气动肌肉响应速度,优化最终的仿青蛙机器人运动轨迹。最后,进行仿青蛙机器人整机装配调试,基于Arduino设计机器人硬件系统,协同控制高速开关阀,力学传感器,角度编码器和总线舵机。并设计上位机交互界面,编写机器人运动控制算法。分别进行髋关节模块测试实验,单关节滑模变结构控制律测试运行实验,验证控制算法的准确性。在此基础上,进行水中游动实验,分别为直线游动实验和转向实验。验证结构设计,轨迹规划的正确性,为后期研发水陆两栖仿蛙机器人奠定基础。