Programmable Telescopic Soft Pneumatic Actuators for Deployable and Shape Morphing Soft Robots
作者: Joel Kemp, Andre Farinha, David Howard, Krishna Manaswi Digumarti, Josh Pinskier
分类: cs.RO
发布日期: 2025-11-10
备注: 8 pages, 10 figures, Submitted to Robosoft 2026
💡 一句话要点
提出可编程伸缩软气动执行器，用于可展开和变形软体机器人
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软体机器人 气动执行器 参数化设计 可展开结构 形状变形 有限元仿真 机器人控制
📋 核心要点
- 现有软体机器人设计自由度高，但维度灾难导致难以直接利用这种自由度进行设计。
- 论文提出可编程伸缩软气动执行器（PTSPA），通过参数化设计实现模块化和可控的软体机器人。
- 实验验证了PTSPA在可展开结构和受限空间操作中的有效性，并展示了其在软四足机器人中的应用。
📝 摘要（中文）
软体机器人为自由形式和连续体设备提供了丰富的可能性，使其能够在任何方向上施加力，并在任意配置之间转换。然而，由于维度灾难，目前还没有一种有效且直接的方法来利用这种设计自由。参数化设计集为可处理的模块化软体机器人提供了一条途径，能够适当地利用软结构的自由形式行为来创造丰富的具身行为。本文提出了一种参数化的软执行器，即可编程伸缩软气动执行器（PTSPA）。PTSPA在充气时轴向膨胀，适用于可展开结构和在具有挑战性的受限空间中进行操作。我们引入了一个参数化几何生成器，用于从高级输入定制执行器模型，并通过半自动实验和对关键参数的系统探索来探索新的设计空间。利用它，我们描述了执行器的伸长/弯曲、膨胀和刚度，并揭示了关键设计参数和性能之间的清晰关系。最后，我们展示了执行器在可展开软四足机器人中的应用，其腿部展开行走，从而能够自动适应受限空间。PTSPA为可展开和变形结构以及需要大长度变化的应用提供了一种新的设计范例。
🔬 方法详解
问题定义：软体机器人设计面临维度灾难，难以有效利用其高自由度。现有方法难以在可控性和设计复杂度之间取得平衡，限制了软体机器人在复杂环境中的应用，尤其是在需要大范围形变和受限空间部署的场景下。
核心思路：通过参数化设计，将软体执行器的几何形状和材料属性与性能指标关联起来，从而降低设计复杂度。可编程伸缩软气动执行器（PTSPA）通过充气实现轴向伸缩，适用于可展开结构和受限空间操作。核心在于建立参数化模型，并通过优化参数实现期望的性能。
技术框架：该方法包含以下几个主要阶段：1) 参数化几何生成器：根据高层输入（如长度、直径、材料属性）生成执行器的几何模型。2) 仿真与实验：通过有限元仿真和物理实验，评估不同参数组合下的执行器性能（如伸长、弯曲、刚度）。3) 参数优化：基于仿真和实验结果，建立参数与性能之间的关系模型，并优化参数以满足特定应用需求。4) 软体机器人集成：将优化后的执行器集成到软体机器人中，验证其在实际应用中的性能。
关键创新：关键创新在于提出了一个可编程的、参数化的软气动执行器设计框架。与传统的软体机器人设计方法相比，该框架能够更有效地利用软体结构的高自由度，实现可控的形变和运动。通过参数化设计，降低了设计复杂度，使得软体机器人的设计和优化更加高效。
关键设计：关键设计包括：1) 执行器的几何形状参数化，如长度、直径、壁厚、褶皱数量等。2) 材料属性参数化，如弹性模量、泊松比等。3) 充气压力控制，通过调节充气压力控制执行器的伸缩和弯曲。4) 实验设计，通过半自动实验系统地探索关键参数对执行器性能的影响。
📊 实验亮点
实验结果表明，通过调整关键设计参数，可以显著改变PTSPA的伸长、弯曲和刚度特性。例如，通过改变壁厚和褶皱数量，可以调节执行器的刚度，使其适应不同的负载条件。在软四足机器人实验中，PTSPA成功实现了腿部的展开和行走功能，展示了其在复杂环境中的适应能力。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于医疗机器人（微创手术）、搜救机器人（废墟探测）、空间探索（可展开结构）、以及其他需要在受限空间内进行操作的场景。通过优化执行器参数，可以实现特定任务所需的运动模式和力输出，从而提高机器人的适应性和效率。未来，该技术有望推动软体机器人在更广泛领域的应用。
📄 摘要（原文）
Soft Robotics presents a rich canvas for free-form and continuum devices capable of exerting forces in any direction and transforming between arbitrary configurations. However, there is no current way to tractably and directly exploit the design freedom due to the curse of dimensionality. Parameterisable sets of designs offer a pathway towards tractable, modular soft robotics that appropriately harness the behavioural freeform of soft structures to create rich embodied behaviours. In this work, we present a parametrised class of soft actuators, Programmable Telescopic Soft Pneumatic Actuators (PTSPAs). PTSPAs expand axially on inflation for deployable structures and manipulation in challenging confined spaces. We introduce a parametric geometry generator to customise actuator models from high-level inputs, and explore the new design space through semi-automated experimentation and systematic exploration of key parameters. Using it we characterise the actuators' extension/bending, expansion, and stiffness and reveal clear relationships between key design parameters and performance. Finally we demonstrate the application of the actuators in a deployable soft quadruped whose legs deploy to walk, enabling automatic adaptation to confined spaces. PTSPAs present new design paradigm for deployable and shape morphing structures and wherever large length changes are required.