Approximated Modeling and Optimal Design for a Soft Pneumatic Actuator Considering the Force/Torque and System Controllability

要約

ソフト空気圧アクチュエータ (SPA) は、ソフト ロボットの駆動に広く採用されています。
ただし、その固有の柔軟性により、利点と課題の両方がもたらされます。
この特性により、出力力/トルクが低下し、制御が困難になります。
本稿では、アクチュエータの性能と制御性を向上させる新たな設計手法を紹介します。
ソフトアクチュエータの複雑な構造は、片持ち梁として近似することで簡素化されます。
これにより、入力圧力と出力トルクの間の機械的方程式を導き出すことができます。
さらに、SPA の固有振動数と寸法パラメーター間の相関関係を理解するために、動的モデルが調査されます。
次に、設計問題は、機械方程式を目的関数として、動的方程式を制約として使用して、最適化問題に変換されます。
この最適化問題を解くことにより、最適な寸法パラメータが決定されます。
製造前に、有限要素法を使用して予備テストが実行されます。
提案されたアプローチを検証するために 6 つのプロトタイプが製造されました。
最適なアクチュエータは、その固有振動数が制限された範囲内に留まりながら、望ましい力/トルクを正常に生成します。
この研究は、近似モデルと最適化公式を使用して、軟空気圧アクチュエータの効率と動的性能を向上させる可能性を強調しています。

要約(オリジナル)

Soft pneumatic actuators (SPAs) are widely employed to drive soft robots. However, their inherent flexibility offers both benefits and challenges. This property reduces their output force/torque and makes them hard to control. This paper introduces a new design method that enhances the actuator’s performance and controllability. The complex structure of the soft actuator is simplified by approximating it as a cantilever beam. This allows us to derive a mechanical equation between input pressure to output torque. Additionally, a dynamical model is explored to understand the correlation between the natural frequency and dimensional parameters of the SPA. The design problem is then transformed into an optimization problem, using the mechanical equation as the objective function and the dynamical equation as a constraint. By solving this optimization problem, the optimal dimensional parameters are determined. Prior to fabrication, preliminary tests are conducted using the finite element method. Six prototypes are manufactured to validate the proposed approach. The optimal actuator successfully generates the desired force/torque, while its natural frequency remains within the constrained range. This work highlights the potential of using approximated models and optimization formulation to boost the efficiency and dynamic performance of soft pneumatic actuators.

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