11、气动驱动软机器人中外感和本体感知软传感器的建模

气动驱动软机器人中外感和本体感知软传感器的建模

1. 引言

在科学发展的长河中，生物体一直是创新灵感的重要源泉。在软机器人领域，许多成果都受到了章鱼、水母和植物根系等软体生物的启发。相较于广泛应用于工业的传统刚性机器人，软机器人具有更高的顺应性和适应性，能更好地实现安全的人机交互。然而，软机器人的控制复杂度较高，有限元建模（FEM）在解决其控制问题上发挥着重要作用，结合神经网络或模糊逻辑方法，可助力软机器人在环境中精准导航。

刚性机器人自由度有限，便于进行传感布置，内置的反馈系统能有效提供机器人状态信息以实现控制。但软机器人具有无限的运动自由度，获取其力和位置的反馈信息是一项极具挑战性的任务。

此前，为实现软机器人的形状和曲率感知，人们采用了多种技术，具体如下：
- 导电材料类 ：包括导电纱线、导电橡胶传感器、填充镓铟的弹性体通道、碳纳米管和丝网印刷液态金属等。不过，部分电阻式传感器存在滞后现象，影响了传感器的可靠性，而镓铟传感器虽滞后性低，但大规模制造复杂应变传感器的问题仍待解决。
- 光学方法类 ：如光纤、光波导和光纤布拉格光栅等，可制作可靠的应变传感器。
- 其他类型 ：还有磁传感器用于曲率传感，但需隔绝外部磁场；电阻式传感器也可作为应变和力传感器使用。

此外，有研究对集成了电阻式柔性传感器和霍尔传感器的软弯曲驱动模块进行分析，发现磁传感器集成模块的重复性和精度更高。也有研究者使用炭黑填充弹性体复合材料制作多层应变传感器，结果表明电容式传感元件在线性度、滞后性和重复性方面表现优于电阻式元件。