具有多层约束结构的软气动执行器，用于简化机器人控制

《Sensors and Actuators A: Physical》：Soft pneumatic actuators with multiple constraint layers for simplified robotic control

本文提出了一种结合可折叠弹性纤维和弯曲非弹性织物条带的软气动执行器，通过分层约束层设计实现单通道压力控制下的多模式运动。设计了SPA-DCL和SPA-TCL两种执行器，开发了基于虚功原理的理论模型，验证了刚度切换机制，并展示了软爬行机器人和双模式抓取器的应用，为紧凑型控制提供了有效解决方案。

　　

姚书鹏|高双|林阳桥|李龙|张全|田英忠|金涛

上海大学智能制造与机器人技术重点实验室，中国上海200444

摘要

由于具有高灵巧性和柔顺性，软气动机器人在复杂环境中的应用展现出巨大潜力。然而，传统的单约束层软气动执行器总是表现出单调的变形，导致结构设计和控制系统变得笨重，从而影响机器人的复杂操作。本文提出了一种软气动执行器，通过将多种约束层集成到带有剪纸皮肤的执行器中来实现可编程运动。约束层的机械行为变化由弹性纤维和经过弯曲处理的非弹性织物条带来。通过战略性地排列这些约束层，该执行器实现了压力响应式的变形调节，使得一个执行器能够执行多种运动。基于这一策略设计了两种类型的执行器，分别用于实现伸长-弯曲运动和双向弯曲运动。此外，还建立了一个理论模型来定量验证刚度切换机制并预测执行器的多阶段变形。通过单通道压力控制，展示了一种能够转弯的软爬行机器人和具有双抓取模式的软夹具，以验证该设计的有效性。总体而言，所提出的执行器具有高度的可扩展性，为软机器人的紧凑和简洁控制提供了重要解决方案。

引言

软体机器人最近成为机器人领域的一个热门研究方向[1]、[2]、[3]。由于其高自由度和固有的柔顺性，软体机器人在适应复杂环境和与人类安全互动方面具有明显优势[4]、[5]、[6]。因此，它们在实际应用中展现出巨大潜力，包括康复辅助[7]、[8]、[9]、灾难救援[10]、[11]以及环境探索[12]、[13]、[14]。作为软体机器人的关键组成部分，软体执行器直接决定了运动能力、响应性能和任务多样性[15]、[16]、[17]。目前，软体执行器的主要驱动方法包括流体驱动[18]、[19]、[20]、缆绳驱动[21]、[22]和基于智能材料的驱动[23]、[24]。在这些方法中，气动驱动因响应速度快、能量密度高以及能够产生大的柔顺变形而得到广泛应用[25]、[26]、[27]。

然而，传统的软气动执行器总是只有一个约束层，并且表现出单调的变形。为了实现不同的运动（如双向弯曲和蠕虫式爬行[28]、[29]、[30]），需要多个执行器并行排列或依次激活，这导致了复杂的泵-阀系统。这导致了控制系统变得复杂，对多个独立压力源和复杂的泵-阀网络的依赖不仅增加了系统体积，还给集成和便携性带来了挑战。为了解决这个问题，研究人员最近提出了各种解决方案，如流体回路[31]、[32]、软阀[33]、[34]和软泵[35]、[36]、[37]。尽管这些解决方案在一定程度上简化了外部控制系统，但它们的柔性结构通常限制了可实现的气流和输出压力。这一限制使得难以满足涉及大变形和高负载的应用需求。因此，如何用简化的控制方法实现多种运动仍然是软气动执行器面临的关键挑战。

需要注意的是，约束层决定了执行器的变形，因为它们通过调节几何结构或材料分布来生成腔壁的刚度分布[38]、[39]。迄今为止，已经实现了多种形成约束层的方法，例如剪纸/折纸外壳[40]、[41]、受尺度启发的结构[42]、[43]和缠绕纤维[44]、[45]。同时，通过串联编程约束模式实现了单一腔室中的不同运动组合[46]、[47]。例如，金等人[48]引入了受剪纸启发的可拉伸超材料来设计在加压时可以模仿目标形状的充气装置。郭等人[49]通过不同的缝合密度编码织物，构建了具有可编程运动的软体纺织机器人。然而，这样的设计仍然仅限于单一的、预定义的运动模式，随着输入压力的增加而变化。这种固有的限制可能限制了它们在多种场景中的适用性。利用一个约束层中的不同约束模式，可变的约束关系可能提供一种潜在的解决方案，以切换执行器的运动并增强其功能[50]。因此，设计能够切换机械行为的约束层显示出其优势。

在这里，我们提出了具有多个约束层的软气动执行器，通过简化控制来实现多种运动。将具有不同机械行为的弹性纤维和经过弯曲处理的非弹性织物条集成到带有剪纸皮肤的软执行器中。该设计的关键在于，弯曲的织物条在直线状态下提供足够的阻力以阻止变形。通过战略性地排列这些约束层，由于织物条的变形，执行器实现了压力响应式的变形调节，从而使一个执行器能够进行运动编程。介绍了两种具体的实现方式，包括具有双约束层的软气动执行器（SPA-DCL）和具有三重约束层的软气动执行器（SPA-TCL），并对其性能进行了表征。此外，基于虚功原理开发了一个准静态分析模型，以准确捕捉复杂的变形行为并验证运动转换。通过基于单通道压力控制的能够转弯的软爬行机器人和具有双抓取模式的软夹具，展示了该设计的多样性。总体而言，这些能够在不同运动模式之间切换的执行器简化了控制系统，展示了提高软体机器人适应性和多样性的潜力。

多约束层执行器的设计

带有剪纸皮肤的软气动执行器表现出优异的轴向伸长性能。在之前的工作中，我们尝试更换剪纸皮肤以重复使用硅胶腔体来实现多种运动[51]。在这里，选择了这种具有线性变形的执行器来布置额外的约束层，从而可以通过单一腔体控制机械属性以实现多种运动。需要注意的是，非弹性织物条可以被处理成弯曲形状，

基于剪纸的执行器优化

基于剪纸的执行器的伸长性能决定了SPA-DCL和SPA-TCL的性能，因为它们的驱动与织物条的拉伸有关。具体来说，如果伸长不足，则无法实现约束的切换，从而无法完成预期的运动转换。同时，剪纸约束层的变形特性在调节驱动行程中起着重要作用。因此，我们对

单压力控制下的多模态运动

SPA-DCL的顺序运动表明了通过压力控制切换运动模式的潜力，表明了简化气动系统的潜力。如图8a所示，设计了一种由基于剪纸的执行器（执行器A）和SPA-DCL（具有双织物条的执行器B）组成的软爬行机器人，以实现单压力控制下的多模态运动。两个执行器并行排列，为了促进有效运动，机器人配备了

结论

总结来说，本文提出了使用包括剪纸皮肤、弹性纤维和经过弯曲处理的非弹性织物条在内的多个约束层的软气动执行器，以实现多模态运动。这项工作的一个关键特点是，不同的运动是通过单通道气压输入内在编程和控制的。基于这种方法，我们开发了两种类型的执行器，即SPA-DCL用于实现顺序运动，SPA-TCL用于实现双向运动

CRediT作者贡献声明

姚书鹏：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，方法论，研究，概念化。高双：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，验证，方法论，研究，形式分析。林阳桥：写作 – 审稿与编辑，监督，软件，项目管理，形式分析。李龙：写作 – 审稿与编辑，软件，项目管理，形式分析，概念化。张全：写作 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金（资助编号：62303291、62273222、62473244）、上海市科学技术委员会（资助编号：24511103800、24TS1402300）、上海航海计划（资助编号：23YF1413200）和上海浦江计划（资助编号：24PJD031）的支持。

姚书鹏于2022年在中国厦门华桥大学获得机械设计制造与自动化专业的学士学位。他目前正在上海大学机电工程与自动化学院攻读博士学位。他的研究兴趣包括柔性机器人和仿生机器人。