生物骨骼肌是一个柔性变速系统,可以根据外部载荷条件调整自身形态变化,进而调整速度输出,是最简单高效的生物驱动器。同时,它可以通过运行不同的固有力学特性模式,使生物能够实现灵活、适应性强和高效的运动。因此随着先进制造技术和柔性材料技术的发展,各种仿骨骼肌柔性驱动器相继而出,并且成为柔性驱动领域的研究热点。然而,开发具有柔性可变传动机制以及固有力学特性集成的柔性驱动器,仍然是一个挑战。本文以实现具有柔性可变传动、高应力应变以及集成固有力学特性的仿生骨骼肌柔性驱动器为目标。首先深入分析生物骨骼肌的结构组成和运动原理,提出了基于人体骨骼肌的生物灵感设计策略,实现了满足柔性可变传动特性仿骨骼肌驱动器开发,并深入分析可变传动机理及其影响因素。进一步以Hill三元素模型为设计依据,实现了具备固有力学特性的仿骨骼肌柔性驱动器的设计与开发。此外,通过深入研究柔性驱动器材料体系和力传递等关键问题,开发仿肌肉-肌腱系统驱动器。实现了驱动器的高应力应变性能。文章主要研究内容如下:1、仿骨骼肌驱动器设计与可变传动特性研究。生物骨骼肌通过自身形态变化调整力和速度输出的特性称为可变传动特性。以生物骨骼肌在宏观上的结构组成为设计灵感,提出一种高度仿骨骼肌柔性驱动器（Highly imitating skeletal muscle）设计策略,设计的柔性驱动器（简称Himi SK驱动器）由主动收缩单元和被动柔性基质组成,收缩单元作为肌纤维,柔性基质作为结缔组织。通过不同气压和负载下的等张收缩实验证明,设计的仿骨骼驱动器本身是一种柔性可变传动系统,可以通过自身的形态变化,自动适应外部载荷条件调整速度输出,无需依赖传感器和控制器。2、仿骨骼驱动器可变传动机理与影响因素分析。利用有限元分析方法,深入分析不同负载条件下,驱动器如何通过自身形态变化调节速度输出,揭示柔性可变传动机理。同时,深入研究影响驱动器变形和传动比的重要因素。结果表明,柔性基质的是驱动器柔性变形的决定性因素,收缩单元排布角度和数量影响驱动器传动比。为后续仿骨骼肌驱动器收缩特性和力学特性的研究提供设计准则。3、仿骨骼肌驱动器固有力学特性研究。以人体半膜肌为仿生对象,结合半膜肌的结构组成、肌纤维构型和肌肉外轮廓简化形态,开发高度仿人体半膜肌驱动器。以Hill三元素模型为设计指导,仿半膜肌驱动器包括收缩单元,柔性基质和固定胶带。收缩单位作为主动收缩元件,柔性基质作为串联弹性元件,固定胶带作为并联弹性元件。建立了等张收缩和等长收缩实验,发现在单一的柔性驱动器中可以同时实现与人体骨骼肌非常相似的力-速度和力-长度特性。进一步对柔性驱动器进行干扰特性分析,实验结果表明驱动器在响应外部扰动时,具有内在的自稳定性和鲁棒性。4、仿骨骼肌驱动器材料体系优化与应用。基于仿半膜肌驱动器进行不同材料体系优化。依据不同材料体系驱动器的应力,应变,输出力和速度对比,得到了最优的材料体系。根据柔性驱动器的设计策略,设计准则和最优材料体系,进行收缩单元大规模并行结构的仿肌肉-肌腱系统驱动器的开发。最后驱动器应变可达11.7%,应力可达0.32 MPa,能提升自身重量220倍的负荷。实现了高应力应变和固有力学特性集成,并应用于关节转动和摆动的应用。