随着技术的发展,机器人已经广泛的应用到越来越多的领域。作为机器人的一个重要分支,机械臂在人类生产生活中扮演了重要的角色。其中,连续体机械臂因其自身的柔顺性、适应性和灵活性,近年来引起了研究人员的广泛关注。这类机械臂灵感来源于像蛇、象鼻和章鱼触手等大自然生物软体组织。该类生物组织没有特定的骨架结构,但却有灵活的运动能力和惊人的操作能力,可以在非结构环境中操作,自主适应目标的形状和尺寸,具有广阔的研究前景。本研究开发了一种基于细径Mc Kibben型气动人工肌肉的多关节连续机械臂,具有质量轻、柔顺性好、鲁棒性强等特点。首先,针对现有气动肌肉存在的诸多尺寸限制和柔顺问题,制作了一种直径为2.0 mm的Mc Kibben气动执行器,并通过试验测试了该肌肉的收缩力、收缩率等机械特性。以章鱼触手等软体生物生理结构为原理,设计了新型连续体机械臂构型。整机长度372 mm,由5个厚度为5 mm的法兰和2个双层模块法兰组成,其中双层模块可将连接的关节一体化。法兰盘采用3D打印技术制作,结合Mc Kibben执行器和弹簧组装了样机。该样机本体质量小于0.35 kg,远轻于同尺寸的传统刚性机械臂。其次,基于运动学基础理论,采用D-H法和几何分析法建立了机械臂的运动学模型,构建了肌肉气压与机械臂末端位置的数学映射关系,并根据机械臂参数仿真分析了其运动空间和姿态。在此基础上,求解了连续体机械臂的逆运动学方程,即可由软体机械臂末端位置在笛卡尔空间的坐标值求解气动人工肌肉在驱动空间的气压值。根据Mckibben型气动人工肌肉Schulte模型建立了机械臂的刚度模型。在此基础上,基于准静力学分析和机械振动二阶动力系统构建了表示机械臂气动肌肉拮抗关节柔顺性的数学模型,确定了机械臂刚度与柔顺性的映射关系,通过控制机械臂拮抗气压实现对机械臂柔顺性的精准操控。最后,搭建了试验平台,并对机械臂性能和模型有效性进行了试验验证。试验结果表明,本研究开发的机械臂能实现伸缩、弯曲、扭转等复杂的三维运动,运动模型最大误差小于7 mm。柔顺性碰撞冲击试验结果表明,连续体机械臂具有良好的柔顺性和鲁棒性。机械臂被击打后,能够依靠自身柔顺性避免由外部冲击造成损伤,并在冲击撤去后恢复到原来的位置,最大恢复误差5.08 mm。在此基础上,通过机械臂的应用案例证明该机械臂在工业应用、医疗、军事探测、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景。