气动人工肌肉,依据仿生学开发的气动产品,以其取材方便、用料简单、高环保无污染、高功率质量比等优点,在工业自动化领域受到越来越多的关注,特别是其在康复医学机器人上的良好表现引人注目。根据研究表明,装配有气动人工肌肉的仿生机器人灵巧手的质量较装配电机的仿生机器手的质量更轻,而且气动人工肌肉特有的柔性特质避免了对与其交互的人类造成伤害。然而,就气动人工肌肉驱动的仿生机器灵巧手的控制而言,气体的可压缩性,气动人工肌肉囊腔的柔性,腱传动缠绕方式带来的控制耦合以及关节自身的非线性模型等情况引起了强非线性和强扰动等控制难题。为了解决以上问题,本论文提出了如下的研究路径和解决方案。第1章,综合国际与国内机器人灵巧手的发展情况,总结关于机器人灵巧手的机械模型,运动传动,控制策略等方面的优点和不足,证明本论文研究工作的意义。第2章,关于机器人灵巧手指的机械设计:根据人体手臂,手掌及手指的解剖学结构,探究气动人工肌肉工作的基本结构,工作原理和相关的数学模型。同时,受仿生学理念启发并根据自己控制实验的需要设计双关节被执行结构和传动路径。简要介绍了实验平台及经典PID控制,将设计好的机器人灵巧手指,气动人工肌肉及其他产品组成闭环控制实验平台,并按照闭环控制信息流顺序方向逐一介绍实验平台组成元器件的型号,性能及使用方法。同时利用经典PID控制器进行控制,结果可作为笔者提出的控制器的对比。第3章,针对气动人工肌肉驱动的灵巧手指位置控制中出现的非线性和耦合问题,本文提出了基于Back-stepping原理设计的自抗扰控制器的解决方案,同时设计了跟踪微分器来抑制超调现象和扩张状态观测器来处理非线性和耦合问题,实验表明本文设计的自抗扰控制器具有极高的控制精度。第4章,Back-stepping方法适合为高阶系统设计控制器,且设计出的控制器复杂。为改进第3章所设计的自抗扰控制器多参数带来的调参困难状况和简化控制器的结构,设计基于扩张状态器的滑模控制器。实验表明该控制器能提高跟踪速度和改善自抗扰控制器第一个关节的微超调问题,而且能保证较高的跟踪精度。第5章,针对第4章所设计的滑模控制器容易出现抖震现象,为解决上述问题,本章设计了基于扩张状态观测器的经典自抗扰控制器,在提高了控制精度的基础上大大方便了控制器设计和程序实现。