随着技术的高速发展以及人们对生活质量要求的提高,服务机器人越来越多的融入人们的工作和生活。人们不再满足于单纯实现服务任务的机器人,而更多需要能够实现人机交互,情感交流的服务机器人,这些功能的实现离不开完善的本体结构。仿生颈关节机器人是一种模仿人类颈关节的运动和结构的机器人。人体颈部是一个复杂的部件,它以一种非常紧凑和轻便的形式提供灵巧的机动性,起到保护头部、辅助感知、肢体交流、减少外部冲击等一系列作用。简单的机械机构很难完全模仿人体颈部,因此,研究新型仿生颈部机器人具有重要意义。本文提出了一种新型的气动肌肉驱动的仿生颈关节机器人。其结构和人体颈部机构具有极高的相似度。颈关节机器人采用并联六自由度平台模型,气动人工肌肉和弹簧连接移动平台和机器人基础平台,弹簧作为支撑辅助完成头部运动,其作用等同于颈部脊椎,为平台提供支撑的同时,可以实现伸缩与弯曲运动;气动人工肌肉产生整个机构的驱动力,驱动颈关节在各方向上运动,其作用等同于颈部肌肉。这样的设计方案,最大程度借鉴了人体关节结构,使颈部机器人同时具有柔性、轻量、紧凑、灵活等特点。首先,本文研究了气动肌肉驱动器的制备方法,手工制作了一系列气动肌肉驱动器,设计并搭建了气动肌肉性能测试实验平台,对所制备的气动肌肉进行了静态性能测试实验,建立气动肌肉的静力学和动力学模型,提出了基于滑模变结构的单根气动肌肉位置伺服控制策略,并通过仿真实验检验了方法的有效性;其次,结合人体运动数据确定了颈关节各项指标,在此基础上设计了基于气动肌肉驱动的并联仿生颈关节机构,并且对所设计的仿生颈关节进行了正逆运动学分析,进行设计出满足给定运动范围的优化最优物理参数,仿真和实验结果验证了所设计的颈关节满足工作空间需求;再次,为了摆脱PC机的限制和实现气动肌肉机构控制、感知、驱动一体化,设计和制作了嵌入式人工肌肉驱动控制器,其驱动控制器分三层布局:控制层、驱动层和感知层,本次嵌入式板设计采用了“子母板”分层模块化设计方案。一方面可以防止干扰,另一方面各功能板也可以单独使用。它的设计和使用会大大减小整个机构的体积并且使机构布线更加合理美观;最后,建立了颈关节动力学模型、静力学模型和支撑弹簧的力学模型。在此基础之上提出了 6自由度颈关节力位混合控制方案。完成了控制系统总体硬件方案、电控系统硬件、气动回路系统等模块的设计工作,并搭建了实验平台。在此基础之上开展实验研究,实验结果验证了所提出算法的有效性和准确性。