气动人工肌肉是一种新型的气动执行元件,它具有体积小巧、结构简单、功率重量比大、安全柔顺等优点,得到了国内外学者的广泛研究与关注。本文以Mckibben型气动人工肌肉为研究对象,介绍了气动人工肌肉的静态模型以及三元素现象模型,并进行辨识实验,将辨识后的三元素模型应用在柔性关节上。在对柔性关节控制系统特性分析的基础上,采用PID以及滑模变结构控制方法设计了控制策略,并通过仿真、实验,分析了控制器对外界输入信号的跟踪效果。首先,分析了基于能量守恒原理推导的气动人工肌肉理想静态数学模型,根据将气动人工肌肉作为变截面气缸的思想,推导其内部动态微分方程。结合气动人工肌肉动态性能分析,通过辨识实验,得到了气动人工肌肉的三元素现象模型。其次,由两根气动人工肌肉搭建拮抗型柔性关节,分析其工作原理,建立关节的静态模型,分析充气压力对关节转角的影响。根据气动人工肌肉三元素现象模型和关节的动力学方程,建立以角度、角速度为状态量的状态方程。气动人工肌肉的进排气通过比例压力阀来控制,分析了比例压力阀的流量质量方程。根据柔性关节自身的特性,搭建了用于控制柔性关节转角的实验平台,并对实验中所需的元器件选型。最后,针对已建立的柔性关节数学模型设计了 PID以及滑模控制器,并搭建柔性关节角度控制系统的仿真。然后根据仿真结果进行了实验,通过仿真与实验得出单纯的PID控制时,由于系统的非线性,容易引起系统响应的抖动,不能获得良好的动态特性,滑模控制不仅改善了系统的动态特性,而且响应平滑,超调量小。因此,对于柔性关节角度伺服系统来说,滑模控制是可行的、合理的。