气动软体仿生基本执行单元的开发与性能分析

摘要

本文研究气动软体仿生基本执行单元的设计与软刚性组合，其可以被用作用于气动软体机器人和软躯体操纵器的致动器。该研究是通过结构特征和生物肌肉的运动机构，用硅胶的非线性超弹性和薄钢板弹簧结构在nonretractable层的插入组合的启发。响应面分析和数值模拟的算法被用于通过取最大输出弯曲的基本执行部的角度为优化目标来确定的结构尺寸参数的最佳组合。基于Odgen的三阶构模型，基本执行单元的变形分析模型。气动软躯体仿生基本执行单位的物理模型是通过三维印刷，形状沉积，软光刻，以及其他的加工方法制备。最后，该物理模型的运动和动态特性是通过实验及结果分析，由此获得的曲线和经验公式描述基本执行单元的运动和动态特性测试。有关错误与执行单元的变形分析模型来验证气动软体仿生基本执行单元的设计的可行性和效果进行比较。上述的研究方法，研究过程中，并且结果可为气动，液压驱动的软躯体机器人和软体操纵器的抓握致动器的研究和实现的引用。

1.介绍

随着对机器人灵活性要求的提高，传统刚性机器人的缺点逐渐凸显出来，如结构笨重、安全系数低、环境适应性差、噪音大、与自然环境或人类互动能力有限等。传统的刚性机器人已经不能完全满足各个领域的发展需求，而自然生物以其柔软的身体、优良的柔韧性和较强的环境适应性为机器人的发展提供了新的思路[1-5.］．因此，为了进一步拓展机器人的功能和应用，软体仿生机器人已成为机器人领域的一个新方向。这种机器人主要由软的或可塑的材料制成;它可以模拟自然生物的肌肉运动，在有限的空间内不断变形。与传统刚性机器人相比，它具有无限自由度，表现出前所未有的灵活性、安全性和灵活性[6.那7.］．

目前应用最广泛的软体机器人是气动和液压驱动的软仿生机器人，其类型和结构形式多样，具有响应快、驱动力大、功率密度高等特点。Suzumori等人[8.冈山大学研制出了一种软蝠鲼机器人。机器人的身体材料为硅橡胶，体长150mm，体宽170mm，最大游动速度100mm /s。Marchese等[9.]来自马萨诸塞术业技术研究所开发了一种新型气动软体仿生机械鱼。致动器由硅橡胶材料制成，可以在水下环境中实现Swift演习并跟踪目标物体。Tolley等。[10.来自哈佛大学的科学家设计出了世界上首个气动软体爬行机器人，其四肢和躯干全部由软弹性材料构成。它可以实现两种步态:波浪式和爬行式。Marchese等[11.来自麻省理工学院的研究人员设计了一种柔性性能良好的多自由度气动软体机械手。在狭窄的空间内，通过调整身体姿态，实现灵活的操作，避免对周围环境造成损害。Hao等人[4.来自北京航空航天大学的研究人员设计了一种气动四指软体机械手。通过充气和放气，可以抓取和释放目标物体，并可以调节身体结构的长度，实现多物体抓取。李等人[12.哈佛大学的研究人员开发了一种基于人体肌肉收缩和松弛原理的软体仿生机械手，它可以抓取重量小于3公斤的物体。Liming等[13.[摘要]哈尔滨工程大学的一名研究人员根据软材料的力学特性和摩擦力与驱动力的关系，设计了一种柔性爬行机器人，可用于飞机和管道的机动。Phillips等人[14.来自美国国家科学基金会生物发展机构的研究人员设计了一种软式机械手。软腔结构的压力可通过压力比例阀控制，使其在深海中实现灵活操作。Frame等[15.来自佛罗里达大西洋大学的研究人员开发了一种基于软材料的注水驱动人工水母。通过向软推进触手内部注入一定的压力，通过弯曲变形模仿水母的游泳姿势，可以在狭窄的空间中游泳。Jiantao等[16.]来自燕山大学设计了一款带有双腔结构的轮脚蠕动软体仿生机器人。通过气囊结构周期性地膨胀和放气，弯曲车身结构，并通过引入轮脚设计来实现机器人的快速运动。

所有上述软体机器人都设计用于模仿生物学特性并充分利用软材料的优点，这简化了机器人体的结构，同时大大提高了环境的适应性。这些研究拓宽了软体仿生机器人的应用领域，但它们仍然不可避免地依赖于软体仿生基本执行单元的角色分析。

Bishop-Moser等[17.那18.]从Villamora在葡萄牙建立不可压缩的液体，不可拉伸的长丝，和液压驱动的软躯体基本执行单元的主体，其可准确地预测软躯体基本执行单元的变形方向之间的相互作用的理论模型。根据他们的数值模拟和实验研究，Mosadegh等。[19.[哈佛大学已确定充气压力与气动软体基底执行单元的运动特性之间的关系，并证明了弯曲幅度取决于弯曲路径。luo等人。[20.来自技术研究所伍斯特已经研究液压驱动软体执行单元的通过视觉跟踪系统的动态响应，并证明了快速响应和良好的鲁棒性在较高压力下实现的。皮尔等人。[21.[康奈尔大学通过流变原理和拉伸试验确定了气动软体仿生致动器的材料特性，其次是旨在降低致动器的应力浓度并增加运动幅度的数值模拟。Connolly等人。[22.[哈佛大学通过数值模拟技术确定了长丝绕组角度与气动软体执行器的变形之间的关系，使得执行器可以实现不同的运动形式。最后，多个执行器串联连接以开发蠕虫状软体机器人。Pengzhan等人。[23.]，通过采集和处理气动软执行单元的内部压力和弯曲角度信号，控制气室压力值，并改变执行单元的弯曲角度，从而评价其在不同运动状态下的性能。并保证了其良好的灵活性和环境适应性。Jusufi等人基于鱼肌肉的运动机理[24.]，建立了气动软体水下执行单元的被动柔性机械模型。然后，通过控制嵌入身体的柔性箔，研究了执行单元的运动机理和刚度变化。最后，根据执行单元的运动相位和频率，确定执行单元产生推力的变化规律，为水下载体的应用提供参考。Liming等[25.分析了多腔式气动软体仿生执行器的静态特性，验证了该执行器设计原理的可行性。基于青蛙游泳的划桨推进，冀壮等[26.]来自哈尔滨技术研究所提出了一种联合式气动软体执行器单元。首先，根据yeoh本构体模型和虚拟工作原理，结合致动器单元的几何参数，建立了变形分析模型。然后，通过丝的不同绕组形式研究致动器单元的弯曲角和负载扭矩，这为蛙的游泳机器人的发展提供了可行的参考。陈等。[27.[天津大学通过使用虚拟工作原理分析了气动软体执行器的静态特性，然后通过瑞利丽思方法扣除并解决了致动器表面的偏转功能。最后，通过将致动器的变形与软机器人的表面变形连接来确定致动器的变形误差是低的。可以证明研究软执行器的变形是基于虚拟工作的原理和最小势能原理的方法，并且这种方法可以简化软体执行器的数学模型。Azami等人。[28.]来自东京医科大学设计了一种由硅胶和金属弹簧组成的气动软体执行器。振荡电路连接到致动器内的弹簧。根据弹簧长度的变化，测量相应的弹簧振荡频率。通过振荡频率，可以确定致动器的位移输出，以实现软体致动器的运动控制。Saleh等人。[29.]研究了气动软执行器膨胀壁的斜角，通过非线性静力有限元分析，确定了充气压力、运动范围与软执行器反作用力之间的关系。实验中利用负载秤验证了所设计的柔性执行器的可行性，证明所设计的柔性执行器能够满足柔性操作器的抓取要求。

虽然上述学者在相关领域也做了气动软躯体仿生基本执行单元，在众多作品中，气动软体仿生基本执行单元的理论模型需要进一步探讨，并在运动和动态特性研究仍然需要进一步的系统化和完美。此外，大多数研究都仅限于完全软体和灯丝+软体的类型，该类型要求改善结构强度，执行强度和气动软体仿生基本执行单元的抵御能力难以为进一步应用奠定良好的基础。因此，本文已经实现创新的在一定程度上在结构设计中，结构参数，建立力学模型，物理模型的准备，运动特性分析的，并且所述的充气软躯体仿生基本执行的动态特性分析最佳组合单位具有软硬组合。研究过程是创新的，系统的，普遍适用的。

2.结构设计和运动机制分析

2．1.设计基础

基于硅胶材料和肌肉运动机制的高速特性，参考荨麻爪的爬行形式，摇摆躯干的鱼尾的游泳形式，以及扶手和大象树干的抓握形式，一种气动软体仿生设计了软硬组合的基本执行单元。通过膨胀基本执行单元腔结构的内部，可以充气和挤压每个腔。结合不同的充气压力值，执行单元可以实现周期性弯曲运动和功率输出。在该过程中，为了提高软体基本执行单元的结构强度，执行力和运动恢复力，薄薄的板簧结构嵌入在非撤回层中，这不仅可以避免不重导层的轴向延伸随着腔膨胀，还提高了结构强度，执行强度和基本执行单元的弹性，从而进一步提高了整体性能，并拓宽了气动软体仿生基本执行单元的应用领域。

２.２.结构设计

目前气动软体仿生基本执行单元的腔体结构形状类型一般有矩形、半椭圆、弓形、扇形和三角形。不同形状的应用场景不同，只需要根据具体情况设计不同形状的腔结构。需要注意的是，当基本执行单元腔体结构展开时，其结构形状对其运动频率、弯曲角度和驱动载荷影响不大，但其具体结构尺寸的参数组合起关键作用。因此，本文以应用最为广泛、具有普遍代表性的矩形腔结构的软体仿生基本执行单元为例，研究其运动和动力学特性。

气动软体仿生基本执行单元的结构设计如图所示1．其结构主要由软腔、不可伸缩层和薄钢板弹簧组成。

基本执行单元的结构维度如表所示1．需要注意的是，为保证基本执行单元膨胀壁的有效性，空腔结构的剩余壁应比膨胀壁厚。

3.结构参数的最佳组合

结构尺寸参数的组合对气动软仿生基本执行单元的运动和动态特性起着关键作用。为缩短试验研究周期，降低试验成本，基于响应面分析法研究了结构参数的优化组合[30.-34.]和数值模拟算法[35.-38.］．根据Box-Behnken中央复合实验的设计原理，最大弯曲角度用于确定最佳提取过程。其中，最大弯曲角度采用数值模拟算法确定，如图2．

在本文中，基于基本执行单元的特定结构尺寸设计了8个因素和3个级别的响应面分析实验，如表所示2．

表中8个因素、3个水平的响应面分析试验共得到120组试验2．根据每个组的实验参数，相应的数值分析模型由数值模拟算法构建，以及最大弯曲角度分别得到各组实验参数的对应值。然后，对得到的数据进行回归分析，得到弯曲角度的二次多项式回归方程如下所示： 在哪里R.为弯曲角度和一种那B.那C那D.那E.那F那G， 和H是否分别对长度进行编码一个腔的宽度一个洞的高度一个腔的厚度单腔膨胀壁的厚度不可伸缩层的厚度对于薄钢板弹簧，各腔之间的距离我,龋齿的总数对应基本执行单元。

在分析回归模型的方差和模型系数的重要性测试中，可以通过确定来测试每个变量对响应值的影响的重要性F价值和价值。至于实验模型，F= 78.51, 那表示差异非常显着。此外， 那 那 那方差差很小，接近于1，说明模型的拟合程度比较满意。因此，该模型可用于分析和预测弯曲角的最佳提取过程 ．

然后，基于响应面优化试验，分析了交互作用的影响AC.那广告那AE.那AF.那AG那啊那公元前那BD.那是那BF.那BG.那光盘那ce那CH.那德那DF那DG那DH那如那成品那跳频， 和“大酒店”在弯曲角度 ．互动ab那BH.那CF，和“大酒店”产生重大影响（ )，而相互作用CG.那英孚， 和嗯对弯曲角度没有显著效果（ ）.因此，通过分析各因素的相互作用，可以得到最佳的提取工艺，如表所示3.．

4.力学模型分析

4．1.硅胶材料力学模型分析

硅胶是一种具有高弹性，大变形的非线性材料，并且几乎没有体积变化（即，不可压缩）。其常见的本体模型包括Mooney-rivlin模型，OGDEN模型和yeoh模型[39.-42.］．其中，OGDEN模型具有高的建模精度和简单的形式;可以通过单轴张力，双轴张力和纯剪切试验来验证，可以有效解决硅胶材料大变形的问题[43.那44.］．因此，本文采用三阶Ogden本构模型对气动软体仿生基本执行单元进行非线性力学分析。

4.2。建立气动软体仿生基本执行单元机械模型

基于应力 - 应变关系，建立硅胶材料的本构关系，并假设硅胶材料是各向同性和不可压缩的，应变能功能的表达，即（2)和(3.)如下: 在哪里 那 那和变形张量是不变的吗 那 那和是三个方向的主要伸长率。

根据材料的不可压缩性，(4.)改写如下:

假设材料在宽度方向上没有变形 那（5.)和(6.） 可以获得：

由于硅胶材料具有非线性特性，并且其变形状态与小变形材料的变形状态不同，所以应力和应变之间的关系可以通过应变能功能来表示。

OGDen模型的应变能功能表示如下：

通过选择三阶参数的形式， 那我们可以得到 在哪里和为材料参数， ; ; ; ; ; ．

可以推导硅胶材料的应激表达 在哪里静水压力。 ．

所以， （10.） - （12.）成立： 那作为一个结果, ．

因此，以下等式fd13成立：

其中，主要伸长比为基本执行单元fd14获得： 在哪里表示基本执行单元腔体结构在一定压力下的弯曲角度。

弯曲的角度可以表示为

薄片弹簧弹性模量的表达如下： 在哪里是薄片弹簧的弹性常数，为薄钢板弹簧的长度，是薄钢板的宽度和弹簧吗是薄钢板弹簧的厚度。

薄板弹簧的应力表达式可推导为:

在填充过程结束时，可以认为基本执行单元空腔结构的壁面压力近似相等。假设空腔内的气体压力达到 那案例的力分析表明，气动软体仿生基本执行单元的力矩平衡公式，即等式（18.）如下： 在哪里不可伸缩层的内应力和为薄板弹簧的内应力。

最后，根据……14.） 到 （18.），弯曲角之间的关系在最大变形的情况下基本执行单元和内部压力如下：

5.气动软体仿生基本执行单元的研制

选用质地柔软、强度大、弹性好、不易撕裂变形的601室温硫化硅胶作为气动仿生软体基本执行单元。对于其硬度值的确定，根据气动软体仿生基本执行单元的实际工作要求，机体结构需要具有一定的强度和灵活性。如果硬度较低(低于Shore A15)，则机体结构过软，如果硬度较高(高于Shore A25)，则脆性较高，容易发生断裂。Shore A15到Shore A25一般更适合于软机器人的研究。通过数值模拟，将大的充气压力(180kpa)应用于该硬度范围内材料性能的有限元模型中。计算结果见表4.．

结果表明:当材料硬度值为Shore A18 ~ Shore A25时，气动软仿生基本执行单元Shore A15 ~ Shore A17弯曲角度过大，膨胀壁变形过大，气动软体仿生基本执行单元的弯曲角度没有出现过大变形，弯曲角度随着硬度值的增加而逐渐减小。因此选择Shore A18，满足实际弯曲要求，弯曲角度最大。

具体的制备材料如表所示5.．

基本执行单元的准备需要结合3D打印技术、形状沉积和软光刻[21.那45.那46.]，包括三种铸造作业、嵌入式薄板弹簧结构和粘接作业。（1）模具结构设计：由于综合模具和投资铸造方法的组合，不仅制备过程复杂，而且模具的成本也很高。因此，设计了一组组合模具以浇铸和准备基本执行单元，并且模具如图所示3.．

（2）薄钢板弹簧结构的埋设:为保证薄钢板弹簧结构在不可伸缩层中间尽可能保持平直，需将不可伸缩层分为两部分;即当1/2厚度的不可伸缩层完成，即将凝固时，将薄钢板弹簧结构平铺在其上。在进一步固化后，剩余的1/2厚度的不可伸缩层继续铸造和建造。（3)键合方法:采用未固化的液态硅胶对硅胶结构进行键合。验证表明，该方法既能保证基本执行单元本体结构的属性稳定性，又能将组合结构整合为一个整体，具有一定的稳定性和可靠性。

最后，获得了气动软体仿生基本执行单元的物理模型，如图所示4.．

6.实验测试和分析

为了为气动软体仿生基本执行单元的进一步应用奠定基础，有必要对其运动和动力学特性进行全面深入的研究。本文对气动软体仿生基本执行单元的单向和双向形式进行了实验测试和分析。其中，腔内压力范围为到 ．

实验主要装置有气动软体仿生基本执行单元(单向和双向)、气动泵、电磁换向阀、调压阀、弯曲传感器、Arduino板、计算机及测力测试平台[47.-50.];参见图5.．

6.1。气动软体仿生基本执行单元的运动特性分析

但是。运动频率分析

在单向气动软体仿生基本执行单元的周期运动过程中，先对空腔充气，充气结束后立即设定压力放气。当基本执行单元达到平坦状态时，通缩结束，从而确定周期周期的时间，完成单向基本执行单元通胀与通缩的研究;在双向气动仿生软体基本执行单元的周期运动过程中，需要选择一个腔侧进行充气。充气结束后，立即放气侧腔，同时充气另一侧腔。充气结束后，侧腔立即放气，直至放气结束，双向基本执行单元达到平坦状态。通货膨胀和通货紧缩的状态如图所示6.．

经过数据采集，得到气动软体仿生基本执行单元充气、充气循环顺序图，如图所示7.．

根据图7.，可确定单向和双向气动软体仿生基本执行单元运动循环顺序的变化。由于单向基本执行单元只涉及单向运动，因此其运动时间比双向基本执行单元短。其中，单向基本执行单元的周期时间要比双向基本执行单元的周期时间长，这是因为在相同充气压力下，单向基本执行单元的运动幅度大于双向基本执行单元。此外，当基本执行单元的运动范围随着充气压力的增大而增大时，薄钢板弹簧结构产生的回弹力也随之增大，使得基本执行单元的运动恢复时间逐渐接近运动弯曲时间。

然后，根据气动软体仿生基本执行单元的周期性运动，可以得到基本执行单元的充气压力和弯曲角度的特征曲线，如图所示8.．

根据图8.，可以看出气动软体基本仿生执行单元的运动频率随着充气压力的增大先增大后逐渐减小，这是由于其运动幅值逐渐增大造成的。当运动幅值较小时，膨胀压力增大，运动频率增大。当运动幅值较大时，运动频率随充气压力的增大而逐渐减小。其中，单向基本执行单元的运动频率高于双向基本执行单元。

根据这一点基本执行单元的特征曲线，可以获得反映特征曲线变化的经验公式。经验公式的表达如下：

其中，该公式中的特定系数如表所示6.．

6.1.2。弯曲角度分析

基于粘贴在基本执行单元上的弯曲传感器，通过事先编写的程序采集弯曲角度。这可以获得充气压力和弯曲角度的特征曲线，如图所示9.．

在图中9.结果表明，在不同的充气压力下，单向和双向基本执行单元的弯曲角度为到从到 那分别。在此范围内，单向和双向的基本执行单元可以分别保证操作处于最佳状态。其中,特性曲线逐渐从最初的线性变化后的非线性,这是由于空腔结构的扩张在一定程度上,和大型反向弯矩产生的固定层硅胶体和薄钢板弹簧结构。双向基本执行单元的弯曲角度比单向基本执行单元的弯曲角度要小，因为双向基本执行单元还要承受压缩侧腔体弯曲时产生的反向弯矩。因此，单向基本执行单元的运动范围可以满足大多数场景的需求，而双向基本执行单元有一定的局限性，双向基本执行单元应根据具体情况进行选择。此外，当充气压力继续增大时，虽然基本执行单元的弯曲角度会继续缓慢增大，但其运动特性会变差，执行能力会减弱，操作效果会受到一定影响。

除此之外气动软体仿生基本执行单元的特性曲线可以用经验公式(20.），其特定的比例系数如表所示7.．

重要的是要注意单向基本执行单元特性曲线与由Odgen的三阶构模型建立的气动软体仿生基本执行单元，并且所述误差棒的精度分析结果的变形模式相比获得，如图10.．

根据图10.可以看出，误差条分析结果证实，实际的实验和理论模型表现出小的误差和高巧合，这可以验证来自该理论的变形模型的准确性和可靠性。

6.2。动态特性分析

对气动软体仿生基本执行单元进行了动态测试，如图所示11.．

6.2.1。变弯曲角度的动态特性分析

这通过代表性数据采集得到充气压力和驱动力矩的特征曲线，如图所示12.．

数字12.表明了变化的规律单向和双向基本执行单元中的特性曲线是相似的。主要的区别是，双向基本执行单元的驱动力矩相对较低，这是由通过在双向基本执行单元所述压缩侧腔中产生的反作用力矩引起的。此外，在一定范围的压力变化的内，则特性曲线近似线性的和非线性主要出现在低充气压力和高充气压力的情况下。其中，当充气压力是低的，其主要原因是，在基本执行单元的薄片簧结构会产生一定的反作用力矩，其偏移量的驱动力矩的一部分;当充气压力高时，基本的执行单元会产生极端变形，这导致其应力形式的变化。

这气动软体仿生基本执行单元的特性曲线可以用经验公式(20.)，具体比例系数如表所示8.．

6.2.2。固定弯曲角度的动态特性分析

这通过代表性数据采集得到充气压力和驱动力矩的特征曲线，如图所示13.．

根据图13.的分布趋势单向和双向气动仿生固定角度基本单元的特性曲线基本相同，驱动力矩随充气压力的增大而增大。需要注意的是，在前期充气压力较低时，为保证基本执行单元达到设定角度，分配了较大比例的充气，导致前期驱动力矩增加较小。

7.结论

（1）一种充气软躯体仿生基本执行与软刚性组合单元被设计用于软躯体机器人，软体操纵器，并且适合于在水下游泳，土地爬行，紧握其它载体。（2）使用响应面分析和数值模拟算法，采用最大弯曲角度，该弯曲角度为气动软体仿生基本执行单元的输出，作为提取目标，获得了结构参数的最佳组合。（3)B.ased on Ogden’s third-order constitutive model, a theoretical model for deformation analysis of pneumatic soft-bodied bionic basic execution unit is established, and the relationship between the bending angle of the basic execution unit and the inflation pressure is determined, which can provide a theoretical reference for the design and analysis of related soft-bodied robots.（4)通过3D打印技术，形状沉积和软光刻的方法，制备了单向和双向气动软体仿生基本执行单元的软硬组合物理模型。重点讨论了关键点，涉及模具制造，薄片弹簧结构嵌入和物理结构粘合。(5）基于气动软体仿生基本执行单元的运动和动态特性的实验平台，通过匹配获得了基本执行单元的运动频率，弯曲角度和驾驶片的特性曲线和相应的经验公式。根据充气压力，在一定范围内的运动和动态特性。实验数据分析表明，基本执行单元的变形分析模型具有高精度。它还证明了气动软体仿生基本执行单元的物理模型是可行的，可有效地用作软体体装机器的气动软体机器人和抓握致动器。

数据可用性

本研究中产生或分析的所有数据均包含在本文中。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

基金资助:沈阳工业大学机器人研究所;国家自然科学基金面上项目(批准号:zl20101010109@163.com);51775354)。

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