BiPneu: 用于软机器人双极压力系统的设计与控制
机器人学
2026-05-14 v1
摘要
正负压力调节对软体机器人执行器至关重要，能够实现大范围的运动和多样化的驱动模式。然而，由于气体膨胀-缩水动力学不对称、阀门非线性以及开关引起的流动扰动，实现跨两种压力极性的高性能调节仍然具有挑战性。本文提出了BiPneu——一种面向软机器人可扩展且高性价比的多通道双极压力气动系统，能够实现宽范围、精确且响应迅速的压力调节，同时与高层软件生态系统无缝兼容。基于混合电气-气动模型，本文提出了一种基于双模滑模控制器（DM-SMC）的 hysteresis-supervised 模式选择方案。通过大量仿真和实验，证明DM-SMC在跟踪阶梯和正弦压力参考信号方面优于先进的模型预测控制器和经调谦的PID控制器。实验结果显示，在多阶梯测试中平均绝对误差为1.44 kPa，在正弦跟踪中为4.23 kPa，分别较PID控制降低了11.9%和35.6%，同时改善了控制能耗、阀门开关频率和瞬态响应。最后，在压力相关体积的气球执行器上进一步验证了DM-SMC的鲁棒性。最后，通过两个软体机器人实例演示了BiPneu的能力：一个软体平行机械手用于快速球体操控，以及一个软体气球执行器的基于有限元方法（FEM）的实时遥操作。
引用
@article{arxiv.2605.12804,
title = {BiPneu: Design and Control of a Bipolar-Pressure Pneumatic System for Soft Robots},
author = {Yu Mei and Xinyu Zhou and Vedant Naik and Alan Gao and Xiaobo Tan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.12804},
year = {2026}
}
备注
Accepted by IEEE/ASME TMECH