气动人工肌肉是一种拉伸型的气动执行器,类似于生物肌肉,具有功率/质量比高、响应速度快、噪声小等优点,具有广泛的应用前景。由于其只能提供轴向的拉力,所以大多被使用在两根气动肌肉对拉产生一个转动自由度的结构中。本文利用气动人工肌肉类似人体肌肉的力学特性,将其运用于人体中大转动范围、高灵活性的肩部关节结构设计中。同时对仿人体上臂机构进行优化以获取更优的构型,并对该机构的控制算法进行研究,具体工作如下:首先,分析了人体上臂中骨骼、肌肉及其运动过程中肌肉对骨骼的作用机理,选定使用串并联结构作为仿人体上臂的基本结构,然后运用拓扑结构分析方法判定机构的合理性,在确定好结构之后,对该机构进行三维模型设计。其次,对气动人工肌肉驱动的仿人体上臂机构的运动学和动力学进行分析。由于串并联机构的特殊性,在求解运动学逆解时,机构的位姿具有一定的耦合性,本文解算出机构的末端位姿耦合方程。运用凯恩方法建立机构的动力学方程。由于仿人体上臂机构是冗余机器人,所以在求解它的动力学方程时会存在多解情况。本文使用线性规划来解其动力学方程来获得运动控制时机构中人工肌肉的输出力。同时分析了仿生机构的奇异位形,并且通过运动学逆解和正解混合使用计算该机构的工作空间。然后,采用加权法将仿人体上臂结构的多目标优化转变成单一目标优化,并对权重系数进行归一化处理,运用粒子群算法进行优化。为了提高优化效率,使用自适应调整权重系数的方式,实时调整优化过程中优化函数的权重系数。对比归一化处理和自适应权重两种方法的优化结果可知,加入自适应的优化效率更高,优化结果更好。最后,提出气动人工肌肉的名义收缩力的概念。根据单根肌肉测试数据,计算并绘制名义输出力和收缩率的曲线图,然后进行数据拟合以获得单根气动人工肌肉的数学模型。搭建机构控制试验平台,并编写控制程序。设计闭环PID控制和模糊PID控制两种控制器,然后分别进行两种运动的试验研究。根据这两种控制方法的试验结果对比可知,加入了模糊控制算法的运动具有更好的控制精度。