随着世界性的人口老龄化加剧,各种辅助人类进行工作或照顾老年人的机器的需求量越来越大。这也对执行器的人机交互性能提出了更高的要求。气动执行器利用压缩空气作为动力,具有清洁、低成本等特点。由于气体具有可压缩性,气动执行器具有输出特性“软”的特点,使其更易满足“与人友好”的要求。然而,目前以位置控制主的气动系统控制方法仍不足以满足上述要求。本文选定微创胸外科手术的持镜辅助机器人作为目标应用背景,进行气动执行器柔顺控制的研究。指出医生在控制视野移动时,难以获得腔镜与人体间的接触力,在二维图像难以判断距离和视野受限的情况下,容易发生腔镜接触并破坏人体组织的情况。为了提高持镜辅助机器人的安全性,需要对执行器进行柔顺控制。本文首先针对气动柔顺控制系统的气动系统部分进行建模。分析了比例流量阀控气动系统的工作原理,并利用力平衡方程、压力微分方程和阀口流量方程建立了系统的非线性数学模型。为了获得模型的参数,对气动系统进行了实验研究。通过实验测定了气缸摩擦力;测定了阀芯位移和流量特性,获得了阀口流量方程的各项参数;利用串联节流口理论对有效节流面积进行修正。之后根据手术要求设计了持镜辅助机器人的远心机构,并进行了运动学及动力学分析。负载特性是控制策略研究的重要组成部分,为了设置合理的控制参数,本文分析了微创胸外科手术过程中腔镜的工况,选定了胸腔壁作为研究对象,指出腔镜移动过程中可能出现平动接触胸腔内壁、转动对肋骨产生过大杠杆力和转动时在视野盲区内接触胸腔内壁几种情况。选用羊排为实验对象,测定了生物组织负载的力学特性,发现生物组织的力学特性具有明显的非线性,并且具有应力松弛的特性。本文对比了几种粘弹性体模型的特点,并最终确定了一种变刚度弹簧模型和Maxwell模型的并联组合模型对肋间肌肉、肋骨等生物组织进行了建模与仿真。为了实现胸腔镜在自由空间内跟随输入位移运动,同时避免接触生物组织时产生较大的接触力,本文采用基于位置的阻抗控制作为基本控制思想。针对生物组织应力松弛的特点,对阻抗控制器做了相应的改进,可以使腔镜接触生物组织后控制接触力在较低水平并最终脱离接触,执行器平动自由度的期望刚度可达0.01N/mm。同时也指出为了保证视野,转动自由度上仍应采用普通阻抗控器,期望刚度可达0.05N·m/deg。最后,设计并搭建了气动执行器柔顺控制实验平台,利用羊排进行了柔顺控制实验,验证了本文的控制策略的控制效果。