生物蛇在复杂环境中具有较好的灵活性和适应性,许多蛇形机器人被研制出来用于抢险救援、林业、军事、民用和医疗等领域。随着机器人技术的发展,机器人的驱动关节主要分为刚性驱动关节和柔性驱动关节两种。刚性驱动关节虽然具有较好的控制精度,但是降低了蛇形机器人的环境适应性。因此,本文开展了变刚度二维蛇形机器人运动控制与步态优化的研究,主要研究内容如下:首先,本文在传统刚性驱动关节的蛇形机器人运动学模型和动力学模型的基础上,结合柔性驱动关节的结构特点,建立了变刚度蛇形机器人的运动学模型和动力学模型,并通过控制变量法,分析模型参数对蛇形机器人的运动能耗和运动速度的影响,结果表明相位差和角速度对蛇形机器人的运动能耗影响较大,通过控制相位差大小可以减少能耗,而对运动速度影响较小,角速度对运动能耗和运动速度的影响均较大;刚度参数对运动能耗和运动速度的影响均较小;阻尼参数对运动能耗和运动速度基本无影响,而关节参数对蛇形机器人的运动能耗和运动速度存在最优控制点。其次,本文借鉴了串联弹性驱动器的设计理念,设计了双电机驱动的蛇形机器人柔性关节,并基于变刚度二维蛇形机器人的关节刚度控制需求,提出了一种基于双层级CPG的蛇形机器人运动控制器,双层级CPG包含节律层和模式层,利用Kuramoto非线性振荡器实现CPG神经元的建模。其中节律神经元层的CPG神经元决定关节上下两侧电机组的驱动相位关节,模式神经元层的CPG神经元决定关节上下两侧电机的相位关系、输出轨迹以及关节刚度值。最后,搭建了基于Simulink和MSC.Adams的联合仿真环境,对本文所建立的变刚度二维蛇形机器人的运动学模型和动力学模型的分析结果以及所设计双层级CPG的蛇形机器人运动控制器的控制效果进行验证,研制了一套变刚度二维蛇形机器人的原型样机。分别设计不同的联合仿真测试条件和不同的实验测试条件,分析不同角速度、刚度、振幅条件下的变刚度二维蛇形机器人的运动性能。仿真测试结果和实验测试结果表明,本文设计的控制器能够较好地实现变刚度二维蛇形机器人的运动控制,并且通过优化关节参数和控制参数能够有效降低变刚度二维蛇形机器人的运动能效,通过调节关节刚度可使机器人能耗减少30%,速度提升一倍。相比于刚性蛇形机器人能耗可减少27%。调节关节振幅可使蛇形机器人在运动能效降低65%的同时,运动速度提升4倍。调节相位差可使蛇形机器人在运动速度达到最快1.94cm/s,运动能效可降低72%。