气动肌肉是一种具有类似人类肌肉输出特性的柔性执行器，它是根据人类肌肉的运动原理设计而成。气动肌肉既具有清洁、质量轻、价格低、易维护等气动元件的优点，与气缸相比，还具有较大的功率／体积比和功率／质量比，并且由于其力—位移关系特性与人类肌肉特性相似而具有很好的柔顺性。并联关节机构具有承载能力强、无累积误差、精度高和反应速度快等优点。我们提出一种结构简单的气动肌肉并联关节，采用三根气动肌肉连接运动平台和基座，使用成本低的高速开关阀来控制气动肌肉的充气量实现气动肌肉收缩，从而达到多自由度的关节转角控制。该机构充分发挥气动肌肉与并联关节机构的优点，具有功率／重量比和功率／体积比大、结构紧凑、安装方便、成本低、运动平滑、自然柔顺性好、不易损害操作对象等诸多优点，在机器人、工业自动化、仿生机械等领域中具有较好的应用前景。但是，气动肌肉的强非线性和参数时变性以及并联关节的多输入多输出耦合影响和模型不确定，给气动肌肉并联关节的高精度控制带来挑战。首先，气动肌肉的收缩力、收缩位移和内部压力之间具有复杂的非线性关系，其收缩力不易精确获得；气动肌肉的摩擦力和滞回受压力、温度等多种因素影响，其特性很难获得：气动肌肉内部压力微分方程的非线性，假定气体为多变过程，这将造成模型的不准确对控制量带来干扰，而且，虽然气腔内的压力可假定为均匀的，但温度却是不均匀的。其次，经过阀口的流量计算方法都是基于稳态流量测试标准，不能测试阀口的瞬态流量，存在较大的模型误差；高速开关阀存在流量脉动、开关延迟等多种不利控制因素。再者，气动肌肉并联关节为多输入多输出且耦合的非线性系统，各种参数不易精确获得；且存在未知的外部干扰力矩。本论文以气动肌肉并联关节为研究对象，以实现高精度轨迹跟踪控制为研究目标，采用理论分析与试验研究相结合的方法，系统地且逐层深入地研究了气动肌肉并联关节位姿的高精度控制方法。针对冗余的控制自由度使得工作点时变从而导致轨迹跟踪精度一致性变差的问题，提出在基于反步法的自适应鲁棒控制中加入期望等效平均刚度约束来消除冗余的控制自由度，并根据测量噪声增益对等效平均刚度进行优化设计，既保证了高精度的位姿轨迹跟踪又减少了控制量振荡。针对无压力传感器时的参数自适应问题，提出多执行器耦合气动系统的非线性自适应压力观测方法，并与自适应鲁棒控制策略相结合将伪解耦过程中新增的不确定、压力观测误差产生的动态不确定和模型本身的不确定一起进行抑制与补偿，从而实现无压力传感器时气动肌肉并联关节的高精度位姿轨迹跟踪。针对并联关节运动方向改变时瞬态跟踪误差较大的问题，提出基于复合误差最小化准则的参数估计方法获得具有冗余特征系统动力学方程的可靠且合理的参数估计，并与自适应鲁棒控制相结合，设计了直接／间接复合自适应鲁棒控制器。此控制方法获得的稳态误差小于0.01°，正弦轨迹跟踪的平均误差小于0.1°和最大跟踪误差小于0.3°。本论文的主要研究分为九章，现分述如下：第一章，介绍了气动肌肉的发展历程、主要特点和使用形式；探讨了国内外在气动肌肉的数学模型、相关特性、控制方法和系统应用等方面的研究现状；最后概述了本课题的研究意义、研究难点以及研究内容。第二章，描述了气动肌肉并联关节系统实验装置的机构原理与硬件组成；根据数学建模的假设条件，通过建立并联关节的动力学模型、气动肌肉收缩力模型和压力微分方程、温度微分方程、平均流量方程，获得气动肌肉并联关节系统完整的非线性模型；根据附加的简化假设条件，将并联关节和执行器的动力学模型进行简化，获得气动肌肉并联关节系统简化的非线性模型以便设计非线性控制器；通过数学模型线性化、求取静平衡状态的系统工作点和进行开环控制下的系统仿真，分析系统的特性和各模型参数对系统性能的影响。第三章，根据并联关节的一般刚度定义，推导出气动肌肉并联关节的静态刚度和动态刚度，分析了不同位姿点的静态刚度和静态刚度对系统性能的影响；首次定义了气动肌肉并联关节的等效平均刚度，并给出了使用等效平均刚度作为约束来消除冗余控制自由度的原理；从等效平均刚度的可调范围、优化方法和等效平均刚度与等效平均压力的关系三个方面，分析了等效平均刚度的选取原则，并给出其应用时的注意事项。第四章，建立了气动肌肉并联关节的控制量和状态量互相伪解耦的三阶动态系统模型；构造了输出微分观测器以获取速度信号和加速度信号；分别设计了带边界层线性切换函数的全阶滑模控制器和带边界层线性或非线性切换函数的降阶滑模控制器；分析了跟踪误差与滑模切换函数、控制参数和系统不确定量之间的关系；探讨了边界层的影响和气源压力的影响。第五章，导出了参数不确定形式的系统模型；设计了基于非连续参数投影映射的自适应鲁棒控制器，通过自适应参数估计来补偿因系统模型中某些参数未知而引起的参数不确定，通过鲁棒反馈抑制系统模型中的严重非线性不确定，通过优化的等效平均刚度消除冗余控制自由度以确定系统的工作点从而解决轨迹跟踪精度的一致性变差问题和减少控制量的振荡；从理论上分析了控制器的参数对系统控制性能的影响；从实验上分析了等效平均刚度对系统控制性能特别是归一化的控制变化量的影响。第六章，为提高可靠性和降低成本而取消压力传感器，这样不仅存在气动肌肉并联关节系统的参数不确定和严重非线性不确定，而且新增了压力未知导致的动态不确定；导出了单支路的单输入单输出伪解耦模型以便构造压力观测器来估计未知的压力；设计了基于压力观测的自适应鲁棒控制器实现气动肌肉并联关节无压力传感器时的高精度轨迹跟踪；分析了气源压力对系统控制性能的影响。第七章，为获得气动肌肉并联关节系统的精确模型，将并联关节的动力学模型表示为参数线性化的修正模型以便把未建模误差表示出来；提出基于复合误差最小化准则的参数估计算法，给出离散形式的参数辨识获取修正模型参数的初始值，给出连续形式的参数辨识以便实现在线的自适应参数估计；通过单根气动肌肉收缩长度的定长控制对流量模型进行了修正。在此基础上，设计了基于参数投影映射的直接／间接复合自适应鲁棒控制器以解决气动肌肉并联关节运动方向改变时瞬态跟踪误差较大的问题，同时获得了可靠且合理的参数估计。第八章，在气动肌肉并联关节上对直接／间接复合自适应鲁棒控制器进行了各种试验测试；给出了阶跃位姿响应、正弦轨迹跟踪、任意连续轨迹跟踪的试验结果；通过施加突变干扰测试了控制器的鲁棒性；分析了气源压力、气动肌肉理论收缩力、误差准则权值和等效平均刚度对系统控制性能的影响。第九章，总结归纳了本博士论文的主要工作、研究结论和创新点，同时对气动肌肉并联关节的未来发展进行了展望与预测，为本方向的后继研究提供了参考。