在中国信息通信研究院发布的《发达国家机器人发展战略及重点方向》文章中提到,工业机器人发展至今,技术已趋渐成熟,各国加强了应用于特殊环境的特种机器人相关研制。充气型机械臂作为一种采用非电机驱动的特种机器人,凭借其可折叠性、轻便型以及良好的人机协作能力,在环境勘察、检测方面有着不可忽略的作用。本文将采用人工气动肌肉作为充气型机械臂的驱动源,通过对其结构设计以及控制策略方面的研究,建立了一个二自由度的单关节气动机械臂。通过实验检测其相关参数,为具备多关节较长充气型机械臂的研究奠定技术基础。完成了充气型机械臂的充气臂杆本体结构设计,建立关节旋转模型,并完成充气型机械臂本体制作及人工气动肌肉选型。针对臂杆充放气过程,采用有限元分析的方式进行模拟,利用ABAQUS软件进行仿真分析,并与实际实验过程相比较,使仿真模型接近实际充气型机械臂的充放气过程。针对充气材料在受拉力状态下存在形变的难点问题,对充气臂杆仿真分析之后从结构上进行优化,减小在人工气动肌肉收缩时充气臂杆产生的非线性变形。针对人工气动肌肉非线性与迟滞性的特性,将采用理论模型与实验模型相结合的方式进行研究。一方面根据Chou和Tondu教授建立的模型推导出该人工气动肌肉的数学模型,另一方面搭建气动肌肉特性试验平台,验证气动肌肉模型的正确性。最后将实验模型所得结果与理论数学模型进行对比并优化,给出单根人工气动肌肉的静力学模型,优化后的模型可适应肌肉的非线性区域。在控制方面采用降阶扩张状态观测器及非线性误差反馈控制器的方式对系统总扰动进行修正,并证明其收敛性,确定能够使实际输入气压接近期望气压。在研究输入气压与旋转角度之间的关系时,由于充气臂杆旋转时发生形变较多,难以通过建模确定其关系。本文使用Vicon动作捕捉系统对充气臂杆旋转过程进行识别,同时将用MATLAB软件对采集到的数据进行拟合,确定臂杆旋转角度与气动肌肉充入气压之间的关系,完成对旋转过程的标定。搭建基于气动肌肉驱动的充气型机械臂的实验样机,并对已制作完成的充气臂进行实验,测量其使用参数,验证充气型机械臂气路系统的稳定性。