16、软机器人气动弯曲执行器与柔性角位移传感器的设计与应用

软机器人气动弯曲执行器与柔性角位移传感器的设计与应用

1. 软机器人与气动执行器概述

软机器人近年来备受关注，它通常由超弹性材料制成，能大范围改变形状和尺寸，理论上具有无限自由度。软机器人因可连续弯曲和扭转，具备运动灵活、环境适应性好、结构柔性和任务兼容性强等优势，在抓取不规则或易碎物体、可穿戴设备、野外机器人、微创手术、骨科康复设备或假肢人造器官等领域有广泛应用。

软机器人的驱动方式主要分为三类：气动或液压驱动、肌腱或电缆驱动以及智能材料驱动。其中，弹性体执行器重量轻、成本低且易于制造，软气动执行器在实现柔顺运动、简单精确控制和低成本方面表现出色。不过，以往的气动执行器大多只能沿固定轨迹或方向运动，且存在建模困难的问题，因为其内部气室在驱动过程中会膨胀，引发非线性问题。

2. 气动弯曲执行器的设计与制造

2.1 材料与制造工艺

选用硅弹性体（HY - E610）来制造执行器，将其 A/B 组按 1:1 的质量比混合，倒入 3D 打印模具（光敏树脂）中，在室温下固化 24 小时，脱模后得到成型的气动软执行器。

为获取 HY - E610 硅弹性体的力学性能，对该材料进行单轴拉伸试验。结果表明，材料的应力和应变之间存在显著的非线性关系。为更好地利用其应力 - 应变关系，采用 Yeoh 模型进行描述。对于纯均匀应变，应变应力与应变能的关系如下：
[
\frac{\partial W}{\partial \lambda_{t}}=\frac{\partial W}{\partial I_{1}}\left(2 \lambda_{t}-\frac{2}{\lambda_{t}^{2}}\right)+