气动肌肉关节能模仿动物关节运动特性,具有本质柔顺性,可增强四足机器人环境适应能力,但气动肌肉关节转动范围小,关节力矩难以测量与控制,限制了四足机器人的运动能力。具体工作展开如下。推导机械腿地面反冲力大小与弹跳高度的关系,并建立机械腿关节力矩与弹跳高度和关节初始角度的模型,依此设计两自由度气动肌肉机械腿。对气动调压比例阀和气动肌肉进行测试,并建立比例阀输出气压模型和气动肌肉拉力模型;建立气动肌肉位移到关节角度的运动学模型,并求解气动肌肉位移逆解;进一步建立拮抗气动肌肉关节力矩模型,并设计力矩到拉力的映射关系。最后,建立机械腿摆动相拉格朗日动力学模型。采用计算力矩控制方法,设计位置外环、拉力内环的串级控制策略。位置外环采用PD控制和动力学反馈补偿,气动肌肉拉力内环采用PI控制和气动肌肉拉力逆模型前馈控制。在Matlab/Simulink中进行摆动控制仿真,实现了机械腿关节位置正弦跟踪,关节力矩和气动肌肉拉力也实现了稳定的跟踪,证明关节运动学模型和力矩模型正确,控制策略有效。实验中反馈信号由角度编码器、拉力传感器和压力传感器提供。开展机械腿摆动和弹跳控制实验,对关节角度、力矩和足底力数据进行分析。摆动实验结果进一步证明,建立的机械腿动力学模型正确,设计的串级计算力矩控制方法有效,可实现机械腿的关节位置和力矩跟踪控制。弹跳实验结果表明,机械腿关节满足转动范围和力矩要求,可实现机械腿周期性弹跳运动。