类人机器人具有与人相似的身体结构、运动形态和触觉感知能力,能够满足协作机器人在安全性、运动柔顺性以及类人运动模式等方面的要求。因此,类人机器人具有很高的学术研究价值和工程应用价值。仿生类人机械臂的设计和控制是类人机器人研究的重要内容,对提高协作机器人的交互安全性和协作效率具有重要意义。本文围绕类人机械手臂的仿生设计和类人运动控制问题展开研究,论文的主要工作包括:(1)参照人手臂的构型和驱动方式,设计了气动肌肉拮抗驱动的7自由度类人机械臂的仿生结构,搭建了机械和电气控制系统。所设计的机械臂符合MMM(Master Motor Map)人体运动标准模型,其肩、肘和腕关节具有与人手臂相同的运动自由度和运动范围。肩关节具有3个自由度,肘、腕关节各有2个自由度,肩、肘、腕各自的多个运动自由度轴线分别相交于一点。仿照人体肌肉拮抗驱动方式,各个自由度均由1对气动肌肉拮抗驱动。气动肌肉通过鲍登线附着在关节轴上。由于各个自由度均独立驱动,关节的运动自由度互不影响,即对不同拮抗肌肉对的控制是解耦的。因此,本文所设计的仿生机械臂具有类人程度高、本质安全性好、容易实现其驱动控制的特点。(2)模仿人手指的触觉感知能力,设计了基于气压传感器的机器人手指肚柔性触觉感知系统。该触觉感知系统包括柔性触觉传感器和传感信号处理模块,可以很好地感知机械手指的接触力大小、所接触物体的粗糙度、柔软度、相对滑动等重要信息。柔性触觉传感器具有与手指肚相似的外形,安装在机械手的指端,方便机械手对于环境物体的柔性操作。柔性气囊的内部气压与接触力(0-1.6 kg)具有良好的线性关系,线性度为1.42%,可以很好地检测手指和环境中间的作用力;经过傅里叶变换和卡尔曼滤波,分析手指在物体表面上主动滑动时传感信号的频率成分,可以感知物体表面的粗糙度信息;结合手指按压物体时的关节运动信息和接触力信息,可以判断物体的柔软度;结合手指所受切向力信息和传感信号的振动信息,可以判断物体在手指间的滑动运动。因此,所设计的柔性传感系统能够感知丰富的手部触觉信息,适用于人—机器人的协作应用。(3)基于类人运动控制性能指标,设计了气动肌肉驱动机械臂关节的最优控制算法。本文将气动肌肉拮抗驱动机械臂关节的类人运动控制视为一个非线性最优控制问题。首先,建立气动肌肉拮抗驱动机械臂关节的数学模型;然后,设计扩张状态观测器,实现机械臂关节模型的状态反馈线性化,得到积分器串联标准型;最后,以最小加加速度作为性能指标,在线性化模型的基础上设计最优控制律。实验研究表明,采用本文提出的算法可以实现上述仿生机械臂关节大范围(0-120~°)的类人运动,关节运动轨迹对负载的改变(1-5 kg)不敏感,且关节运动具有较好的抗扰动能力。本文所提出的算法只有2个待整定参数,本文通过实验研究给出待整定参数值与系统控制效果之间的关系,并给出了参数的整定规则。本文提出的算法适用于气动肌肉拮抗驱动关节的类人运动控制,算法形式简洁,待整定参数少,具有较高的工程实用价值。