末端执行器作为机器人与外界环境互相作用的最后执行部件一直受到研究人员的关注。随着服务型机器人的快速发展,柔性执行器(或驱动器)已成为机器人技术研究与开发的热点之一。除了传统的刚性驱动和执行机构以外,气动人工肌肉作为一种新型执行器(或驱动器),由于可以直接驱动、结构简单、动作灵活、易于控制、功率/重量比大,尤其是可以满足服务型机器人对安全性,柔软性和舒适性提出的更高要求的柔性性能等特点,国内外众多学者对其进行了大量的研究工作,且在机器人领域的研究和应用有了较大的进展,并取得了初步的成效。本文研究的弧形气动柔性驱动器FPA,作为柔性驱动器,可以构成各种关节。弧形气动柔性驱动器FPA构成的关节除了具有典型人工肌肉驱动器的特点外,还具有相对比较高的刚性的特点。本文提出了气动柔性关节的模块化设计,利用弧形FPA的数量和组合的不同设计并制作了各类气动柔性关节;基于弧形FPA的特性,对各类关节进行了实验研究,主要研究内容有:1、本文首先介绍了已有的气动驱动器的研究状况,针对已往的直管式基于FPA的各类关节在受到较大外力易发生变形以及球关节在运动时的存在非球面性的缺点,提出了利用弧形FPA的伸缩特性来制作气动柔性关节的方案。2、对弧形气动柔性驱动器FPA的静态模型和基本特性进行了深入的研究。通过受力平衡原理建立弧形FPA的静态模型,并基于气动系统动力学建立弧形FPA充放气过程的动态模型;通过仿真分析弧形FPA基本参数变化对弧形FPA特性的影响;制作弧形FPA,搭建实验平台,对弧形FPA的模型和基本特性进行了实验研究。3、在弧形FPA研究的基础上,提出并介绍了由两个弧形FPA构成的气动刚柔性侧摆关节的结构和工作原理;根据力矩平衡的原理建立并分析了侧摆关节的静态模型,建立关节的动态模型;通过仿真分析弧形FPA基本参数变化对弧形FPA特性的影响;制作侧摆关节,搭建实验平台,对侧摆关节进行模型和特性实验研究。4、提出并介绍了由三个弧形FPA构成的气动刚柔性球关节的结构和工作原理;根据力矩平衡的原理求解出球关节的位置逆解方程;根据并联机构的特点,利用神经网络求解了球关节位置正解,并对球关节工作空间进行分析;搭建实验平台,制作球关节进行模型和特性实验研究。5、在以上弯曲关节、侧摆关节和球关节的研究基础上,提出了三自由度手指、四自由度手指、五自由度手指以及基于弧形FPA的气动柔性灵巧手结构设计方案,并分析手指的坐标变换。6、结果表明通过对输入关节腔室的气体压力控制,各关节的运动姿态即可得到控制,各关节动作具有良好的重复性。设计制作的各类气动关节能够灵活自如地实现弯曲运动,较之现有的拟人关节更加灵活,能够很好的模拟人手指的弯曲关节、侧摆关节和腕关节的运动。接下来的研究除了对弧形FPA制作工艺、关节控制进行深入研究外,还应进一步分析采用大直径FPA和小直径FPA对关节运动的影响和输出力的特点,以便关节能够运用于人的膝关节、臂关节等力距较大的场合。实现全气动机器人的设计制作。