本文主要通过理论分析、MATLAB仿真,对气动肌肉的静态特性及柔性夹持特性进行了研究。建立气动肌肉考虑橡胶弹性力和摩擦力的数学模型,并且使用MATLAB仿真,包括初始值模块、理想数学模型模块、弹性力模块、摩擦力仿真模块。通过MATLAB仿真数据验证气动肌肉充气过程中橡胶套筒弹性力以及橡胶套筒与编制网之间摩擦力对气动肌肉输出力的影响。

步态控制是四足机器人适应复杂地形的关键,为此对机器人步态进行规划和控制,提出一种步态控制器。针对气动肌肉驱动的四足机器人,根据机器人Denavit-Hartenberg参数建立单腿运动学模型;采用Kimura振荡器设计四足机器人步态的中枢模式发生器(CPG)网络,并改进振荡器输出与关节角度之间的映射关系;采用摆线函数规划机器人足端轨迹,基于生物神经反射机理和虚拟模型控制(VMC),以肢体摆动相位和足端触地信息为状态切换条件,建立沟壑地形自适应步态控制器;搭建Adams与MATLAB联合仿真平台和实物样机测试平台,对步态控制器进行验证。结果表明:改进的CPG步态网络可减小步态参数间的耦合,所生成信号的幅值和相位稳定;基于CPG和VMC的步态控制器能实现机器人对角步态运动,并能跨越宽度为机器人足端宽度的2.50倍沟壑。

肘关节的设计和控制是仿人手臂的研究重点。为了得到肘关节的模型,首先搭建测试平台对单根气动肌肉进行静态建模,再建立级联式肘关节的名义模型,采用最小二乘参数辨识得到模型的参数。基于Luenberger干扰观测器设计了滑模控制律。分别采用PID控制、滑模控制和基于干扰观测器的滑模控制对肘关节位置跟踪进行仿真和实验,在仿人手臂末端夹持半瓶矿泉水作为负载和外界不确定性干扰,测试3种控制算法的性能。仿真和实验结果表明,基于干扰观测器的滑模控制位置跟踪精度和鲁棒性均优于滑模控制和PID控制。

柔顺控制是共融机器人研究的重点。针对级联式气动肌肉肘关节动力学模型,建立了以滑模位置控制为内环、触力导纳控制为外环的控制结构;设计了带干扰观测器的滑模控制器(SMCDO),证明SMCDO算法的收敛性;将环境等效为弹簧模型,设计了外环导纳控制器,并给出控制律。搭建实物测试平台,分别开展阈值力、力安全阈值测试以及碰撞测试,并分析了刚度系数对修正轨迹和接触力的影响。实验结果表明:关节柔顺性与刚度系数相关;SMCDO内环导纳控制精度优于无干扰观测器的滑模控制器内环导纳控制;所设计的控制算法稳定且有效。

基于类人气动肌肉,设计了类人上肢肘关节驱动系统,旨在研究人体上肢的运动和控制规律.在该系统中,2个滑轮模拟肘关节的运动,前臂固定于模拟肘关节的滑轮上,可随滑轮一起转动;肌肉松弛时,手臂保持水平.最后,通过计算机控制实现了系统屈伸动作.

根据气动肌肉的理论模型,分析了气动肌肉初始直径和初始长度对气动肌肉特性的影响,并对气动肌肉结构设计中的参数选择与设计问题进行了研究.文中提出的思想对气动肌肉的结构参数设计具有指导意义.

气动肌肉驱动关节具有柔顺性好、容易实现开环控制等优点。但是关节的位置重复精度较差，阶跃响应存在大幅振荡，不利于实际应用。为解决这个问题，对关节的闭环控制方法进行了研究。通过引入前馈控制、输入整形及非线性PI控制，有效地提高了关节的响应速度和位置精度。

根据气动肌肉的工作原理，分析了影响气动肌肉可靠性的因素，设计并制作了气动肌肉。对自制气动肌肉进行了基本的特性测试，结果表明，所制作的气动肌肉在性能和可靠性方面能够满足要求。

设计一种由气动人工肌肉驱动，柔索传动的仿人灵巧手指。介绍了灵巧手指的结构设计及其控制系统的组成。采用模糊PID控制算法进行方波跟踪和正弦跟踪控制的研究，并对比PID控制效果实验。结果表明，选择合适的控制算法可以使手指的控制具有良好的实时性和跟踪性，为整只灵巧手的控制奠定了基础。

该文以气动肌肉为驱动器，设计了一个六自由度的仿人机械手，实现机械手的红外遥感控制，搭建机械手的实验平台，提出气动肌肉输出位移与关节转动角度的关系，得到气动肌肉仿人机械手关节的实测运动曲线，并与机械手关节运动的理论曲线进行对比分析。实验表明，该仿人机械手在气动肌肉输出位移小于41mm时能较好实现人肘关节和腕关节的柔顺运动。