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增材制造的单形介电弹性体执行器:设计，材料和制造

斯坦尼斯拉夫Sikulskyi — 2022 - 12 - 16 - t00:00:00z

介电弹性体驱动器(DEA)是一种智能材料，由于材料固有的柔软性、高能量密度、快速响应和可逆的机电特性，有望应用于软机器人。与大多数软机器人材料一样，增材制造(AM)可以显著受益于DEA，主要应用于单一DEA (UDEA)配置。虽然UDEA建模的主要方面是已知的，但由于AM工艺，3D打印的UDEA受制于特定的材料和几何限制，需要对其设计和性能进行更彻底的分析。此外，优点系数(FOM)是一种常用的分析工具，用于平面DEA设计优化和材料选择，但尚未用于UDEA。因此，本文的目标是对3D打印的udea进行建模，分析其设计特征对驱动性能的影响，并推导出udea的FOMs。结果表明，所建立的解析模型能够说明驱动性能与3D打印DEA典型设计参数的关系，为设计具有固定介电弹性体层厚度的3D打印DEA提供了新的最佳厚度，并为UDEA的FOMs提供了基础。FOMs具有不同程度的复杂性，这取决于所考虑的UDEA设计特征。该模型通过三维打印UDEA的驱动进行了数值验证和实验验证。通过控制每一层的厚度，从材料的角度，通过以非标准比例混合无源层和介电层，对制备和测试的UDEA设计进行了几何优化。最后，通过AM (

)对制备的非标配合比的硅酮在不同固化条件下的粘度动态进行表征，考察硅酮的可制造性

编辑:机器人、传感器和执行器制造业中的4D打印和3D打印

阿里Zolfagharian — 2022 - 12 - 13 - t00:00:00z

软机器人人工肌肉的材料、设计、建模和控制

Xiaonan黄 — 2022 - 11 - 30 - t00:00:00z

平环管自激阀在机器人技术中的应用

Nabae欲之 — 2022 - 11 - 29 - t00:00:00z

复杂和笨重的驱动系统是由气动执行器驱动的软体机器人的主要问题之一。自激振荡是解决这一问题的一种很有前途的方法:振荡驱动由非振荡输入产生。然而，小品种的自激气动执行器目前限制了其应用。我们提出了一个简单的，自激气动阀，它使用一个扁平环形管(FRT)，一个最初作为自激气动执行器开发的设备。首先，探讨了自激阀的驱动原理，研究了流量和FRT长度对其驱动频率的影响。在此基础上，设计了一种含有该阀的机车机器人。当阀的振荡频率为1.5 Hz时，原型成功地以5.2 mm/s的速度行走，表明所提出的阀在软机器人中的适用性

基于运动动力学的软机器人夹持器损伤定位数据驱动方法

Arsen Abdulali — 2022 - 11 - 28 - t00:00:00z

损伤检测是在工业环境中操作软机器人的关键挑战之一。在重复性工作中，即使是一个小的切口或疲劳也会蔓延到大的损伤，停止整个操作过程。虽然研究表明，可以通过嵌入式传感器网络进行损伤检测，但这种方法会导致复杂的传感系统，需要额外的布线和设备，使用复杂的制造工艺，通常会损害软机器人身体的灵活性。另外，在本文中，我们提出了一种用于软夹持器损伤检测和定位的无创方法。其基本思想是跟踪由于可能的损伤而引起的夹持器非线性动力学的变化，其中材料和形态的微小变化会随着时间的推移导致力和扭矩反馈的巨大差异。为了测试这一概念，我们开发了一个基于双向长短期记忆(biLSTM)网络的分类模型，该网络发现了在安装点测量的力和扭矩信号的动态变化模式。为了评估该模型，我们使用了一个双指鳍射线夹持器，并收集了43种损伤配置的数据。实验结果表明，该方法具有接近完美的损伤检测精度和97%的定位精度。我们还测试了夹持器方向和时间序列数据长度的影响。通过以最佳滚动角度摇动夹持器，定位精度可以超过95%，并且随着夹持器方向的增加，定位精度进一步提高。 The results also show that two periods of the gripper oscillation, i.e., roughly 50 data points, are enough to achieve a reasonable level of damage localization.

一种用于便携式顺序压缩治疗的低成本可穿戴设备

马克Schara — 2022 - 11 - 14 - t00:00:00z

2020年，心血管疾病导致美国25%的非自然死亡。长期药物治疗会对其他器官产生不利影响，手术如冠状动脉移植是有风险的。与此同时，序次压缩治疗(SCT)提供了一种低风险的替代方案，但目前价格昂贵且笨重，并且通常需要患者在给药期间固定。在这里，我们提出了一种低成本的可穿戴设备来管理SCT，使用堆叠叠层制造方法构建。扩展了软机器人领域的概念，纺织片被热粘合形成气动执行器，由一个不显眼的、无绳的机载电子加压空气供应控制。我们的开源、低调、轻量级(140克)设备成本为62美元，不到美国食品和药物管理局(FDA)批准的最便宜替代品的三分之一，重量是最轻替代品的一半，为更有效地为社会经济弱势群体提供SCT提供了机会。此外，我们的纺织品堆叠方法，灵感来自服装行业的传统制造方法，以及使用的轻质织物，使设备比其他SCT设备穿戴更舒适。通过减少身体和经济负担，本工作中提出的设备可能更好地使患者治疗心血管疾病，并有助于心脏手术后的康复

用于基础设施保护的软机器人

Edoardo Milana — 2022 - 11 - 10 - t00:00:00z

由软机器人引入的范式变化将在未来极大地推动自主系统的能力，使其能够在极具挑战性的场景中应用。软机器人安全交互和适应环境的能力是在非结构化环境中运行的关键，在非结构化环境中，自主代理对周围的世界知之甚少或一无所知。当关键基础设施面临威胁或中断时，例如由于自然灾害或外部攻击(物理或网络)，也会出现类似的情况。在这种情况下，自主系统可能被用来应对这种紧急情况，并且必须能够处理不可预见的物理条件和不确定性，其中与环境的机械相互作用不仅是不可避免的，而且是成功执行任务所必需的。从这个角度，我讨论了软体机器人在基础设施保护方面的应用，包括管道检查、碎石搜索和救援、软体空中操纵等方面的最新进展，以及在放射性环境、水下监测和太空探索等方面的前景

未知环境下基于模型的织物软体机器人接触检测与位置控制

智巧 — 2022 - 10 - 13 - t00:00:00z

由于其固有的遵从性和可变刚度，软体机器人已经显示出与未知环境安全交互的巨大潜力。然而，在不了解潜在接触的情况下，软体机器人在完成目标任务时可能表现出刚性行为，并与障碍物发生碰撞。在本文中，我们引入了一种基于反应性过渡(SMART)增强滑模控制器来检测接触事件，调整机器人的期望轨迹，并在目标达到任务中拒绝估计的干扰。采用滑模控制器跟踪目标轨迹，采用非线性扰动观测器(NDOB)估计集总扰动，采用切换算法调整目标轨迹。在气动织物软机器人上验证了所提出的控制器，该机器人的动力学由一个新的扩展刚臂模型描述，以适应执行器设计。并对该控制器进行了稳定性分析。实验结果表明，在建模存在不确定性的情况下，机器人能够检测障碍物，调整参考轨迹以保持遵从性，并在障碍物被移除后恢复到最初的目标路径。在没有力传感器的情况下，所提出的基于模型的控制器可以根据估计的扰动来调整机器人的刚度，以实现目标达到和与未知障碍物的柔性交互

编辑:基于液晶弹性体(LCEs)的软体机器人

下王 — 2022 - 10 - 13 - t00:00:00z

面向预测性维护的空中软连续机械臂集成设计

新锐杨 — 2022 - 09 - 20 - t00:00:00z

本文介绍了用于建筑部门预测性维护的空中机器人的集成概念。后者可以远程控制，允许墙壁表面裂缝的定位和材料的自适应沉积，用于<斜体>in situ修复。使用空中机器人的动机是快速干预，允许时间和成本最小化的架空维修，而不需要脚手架。它由一个飞行的移动平台组成，以固定模式引导一个柔软的连续臂，允许通过不同的接入点到达裂缝区域。事实上，一些建筑物具有复杂的几何形状，使用刚性机械臂会出现问题。基于深度学习卷积神经网络，空中机器人使用视觉传感器自动识别和定位墙壁上的裂缝。计算了表示裂纹结构特征的中心线。该柔性连续体机械手用于引导腻子材料的连续沉积以填充微观裂纹。为此，开发了基于逆运动学模型的软臂控制，允许估计弯曲管的长度。然后将后者用作神经网络的输入，以预测弯曲驱动软管所需的输入压力。 A set of experiments was carried out on cracks located on flat and oblique surfaces, to evaluate the actual performances of the predictive maintenance mechatronic robot.

弯曲气球作动器的特性

Ung Hyun Ko — 2022 - 09 - 19 - t00:00:00z

新兴的软机器人领域通常依赖于由加压流体驱动的软执行器来获得各种运动。采用柔性执行器可以大大提高柔性机器人的自由度，从而使其具有更大的运动范围。气球作动器被广泛用于实现各种运动，如弯曲、扭转和膨胀。详细了解气球作动器的材料特性和结构设计对其运动的影响将极大地促进这些软作动器的应用。在这项研究中，我们开发了一个包括实验和理论分析的框架，包括计算分析，描述气球作动器弯曲运动的材料和几何参数。此外，我们还提供了一个简单的分析模型来预测和控制这些执行机构的弯曲程度。所述分析工具可用于预测气球作动器的作动功能，从而有助于为需要控制作动程度和方向的功能生成最优的作动器

水下运动中关节弹性产生能量效率:用深度强化学习验证

楚郑 — 2022 - 09 - 08 - t00:00:00z

水下蛇形机器人因其独特的力学和运动模式而受到关注。考虑到水下蛇机器人高度冗余的自由度，设计高效节能的步态一直是水下蛇机器人长期自主的主要挑战。提出了一种基于深度强化学习和课程学习的水下蛇机器人步态设计方法。为了进行比较，我们将常规参数化步态方程控制器生成的步态作为基线。此外，受生物体关节的启发，我们考虑了蛇机器人关节的弹性(刚度)，以验证它是否有助于水下步态中能量效率的产生。我们首先证明了深度强化学习控制器可以在水下运动中产生比步态方程控制器更节能的步态，通过找到通过利用关节弹性最大化能量效率的控制模式。此外，适当的关节弹性可以增加蛇机器人所能达到的最大速度。最后，在不同液体环境下的仿真结果验证了深度强化学习控制器优于步态方程控制器，即使液体环境发生变化，深度强化学习控制器也能找到自适应节能运动。该视频可以在 https://youtu.be/wpwQihhntEY < / ext-link >。< / p >

编辑:用于软可穿戴辅助设备的驱动、传感和控制系统

耶稣奥尔蒂斯 — 2022 - 09 - 08 - t00:00:00z

连续体机械臂在强化学习和衍生改进下的表征

某某的森本晃司 — 2022 - 09 - 01 - t00:00:00z

软连续体机械臂由于其冗余性和被动性，在机器人技术中具有广阔的应用前景;然而，与刚性机械手相比，目前还没有全面的研究来检验它们的特性。在这项研究中，我们考察了连续体机械臂与典型的刚性七自由度(7-DoF)机械臂相比，在通过强化学习执行各种任务方面的优势。我们对需要控制位置和力的不同特征的任务进行了模拟。考虑了机器人操作器中常见的任务，如到达、曲柄旋转、物体投掷和钉入孔。对机器人和环境的初始条件进行随机化，旨在进行包括鲁棒性在内的评价。结果表明，连续体机械臂在环境条件不确定性和累积奖励的曲柄旋转任务中表现优异。然而，刚性机械臂在钉入孔任务中比其他任务学习了更好的运动，这需要对末端执行器进行良好的运动控制。在投掷任务中，连续体机械臂因其对各向异性的良好处理而得分较高。此外，我们在综合实验结果的基础上，提出了一种强化学习方法。 The proposed method successfully improved the motion learning of a continuum robot arm by adding a technique to regulate the initial state of the robot. To the best of our knowledge, ours is the first reinforcement-learning experiment with multiple tasks on a single continuum robot arm and is the first report of a comparison between a single continuum robot arm and rigid manipulator on a wide range of tasks. This simulation study can make a significant contribution to the design of continuum arms and specification of their applications, and development of control and reinforcement learning methods.

使用高吸水性聚合物的盐水反应气泡人工肌肉

丹尼尔Gosden — 2022 - 08 - 29 - t00:00:00z

在不断变化的水下环境中工作的机器人可能需要适应这些变化的条件。例如，在潮汐河口，盐度与水位同步循环，机器人可能需要根据潮汐的位置调整其行为。在淡水水体中，污染物的意外出现也可能要求机器人通过改变其行为来做出反应。在机器人身体中体现这种传感和响应意味着可以在不诉诸集中控制的情况下实现对环境的适应性。这也可以允许使用“免费”环境能源的直接响应，无需存储板载能量即可驱动。在这项工作中，我们展示了一种柔软的人造肌肉，其收缩随周围水的盐度而变化。这种新型驱动器使用了一种高吸水性聚合物凝胶，封装在一系列离散的电池中。这种凝胶很容易通过执行器的膜壁吸收水分，并且可以膨胀到初始体积的300倍以上。这种肿胀会产生巨大的压力，改变细胞的形状，推动肌肉收缩。由于周围水体中的盐分和污染物的存在，肿胀的程度显著降低，所以从淡水环境过渡到咸水环境会使肌肉放松。 In this paper, we discuss the design and fabrication of these superabsorbent polymer-based Bubble Artificial Muscle (SAP-BAM) actuators. The tensile properties of the muscle under actuated (fresh water) and relaxed (salt water) conditions are characterised, showing a maximum generated force of 10.96N. The length response under constant load for a full actuation cycle is given, showing a maximum contraction of 27.5% of the initial length at 1N load, and the performance over repeated actuation and relaxation cycles is shown. The SAP-BAM muscles are straightforward to fabricate and are composed of low-cost, freely-available materials. Many existing pneumatically-actuated muscles can be modified to use the approach taken for this muscle. The muscle presented in this work represents the first example of a new class of super-absorbent polymer-driven environmental soft artificial muscles.

章鱼的控制结构对机器人的启示

多米尼克·m·西维蒂利 — 2022 - 07 - 18 - t00:00:00z

生物和人工智能体都面临着许多相同的计算和机械问题，因此在生物领域进化的策略可以作为机器人发展的灵感。章鱼尤其代表了生物启发机器人设计的一个有吸引力的模型，这已经被认可为新兴的软机器人领域。传统的基于全局规划的控制章鱼臂中大量自由度的方法在计算上是难以解决的。相反，章鱼似乎利用了一种分布式控制架构，使有效和计算效率高的手臂控制成为可能。在这里，我们将描述章鱼周围神经系统的神经解剖组织，并讨论这种分布式神经网络是如何专门用于有效地调解中央大脑所做的决定和具有极大自由度的肢体的连续驱动。我们提出了自上而下和自下而上的控制策略，我们假设章鱼在控制其柔软的身体时采用了这种控制策略。我们认为这些策略可以作为设计和开发软体机器人的有用元素

柔顺连续关节四足机器人崎岖地形穿越优化设计

Vallan谢罗德 — 2022 - 07 - 11 - t00:00:00z

有腿的机器人有可能覆盖轮式机器人和车辆无法到达的地形。这使得它们更适合在真实世界的非结构化环境中执行搜索和救援等任务。此外，气动驱动的柔性机器人可能比刚性机器人更适合与人类在现实世界的非结构化环境中发生无意的接触或影响。在这项工作中，我们定义了腿部机器人的设计指标，以评估它们穿越非结构化地形、携带有效载荷、找到稳定的立足点并向所需方向移动的能力。这些指标在一个16自由度、气动驱动、连续关节四足的10个变量的多目标优化设计中得到了验证。我们还提出并验证了近似，以保持数值可处理任何类似的高自由度优化问题。最后，我们用基于优化结果构建的具有连续关节的机器人腿进行了两个硬件实验，证明了我们的优化所揭示的设计趋势

通过3D打印弯曲和组合驱动可伸缩的制作和驱动人类灵感的手

卡洛Bosio — 2022 - 06 - 23 - t00:00:00z

由于成本和复杂性，具有生物启发结构的机器人手的制造和控制仍然具有挑战性。在本文中，我们探讨了如何广泛使用FDM打印机可以利用柔顺的PLA弯曲来制造复杂的手部结构。特别地，我们专注于将手指打印成具有可调谐顺应性的单件、多自由度拇指关节和传感顺应性指尖。为了解决控制和驱动的挑战，我们建立了柔性关节的行为模型，并提出了一种新的控制方法:组合驱动。这种控制方法结合了每个手指使用一个连续的驱动肌腱和两个共享的“组合”执行器，这些执行器在所有手指上都起作用。我们证明了使用这种方法的指尖工作空间与完全驱动的手指相当，同时使用明显较少的独立执行器。所提出的制造和组合驱动方法为复杂机械臂的设计和控制提供了一种快速和可扩展的方法

基于动态步态的软尺蠖爬行器双向运动研究

梁杜 — 2022 - 06 - 16 - t00:00:00z

尺蠖式运动是移动机器人最简单的步态之一，具有驱动简单、运动有效、适应性强的特点。然而，一个灵活的尺蠖类机器人要实现多功能运动，通常需要有效的摩擦力操纵，并需要复杂的驱动结构和控制算法。在本研究中，我们实现了基于机器人本体变形的摩擦力控制器，实现了机器人的双向运动。将两种差动摩擦力集成到类梁式软机器人本体中，随着机器人本体的周期性驱动，可以通过机器人本体的变形过程产生并控制两种运动方向相反的运动步态，即动态步态。基于这些动态步态，提出了基于幅度的控制和基于频率的控制两种运动控制方案，并进行了理论仿真和原型实验验证。软尺蠖爬行器通过实现了多功能运动结果<斜体>，简单的系统配置和最小的驱动输入。这项工作是利用软结构振动完成具有挑战性的机器人任务的一个例子

通过平衡点控制的软可穿戴机器人辅助运动障碍儿童的前臂功能

乔纳森Realmuto — 2022 - 06 - 15 - t00:00:00z

可穿戴机器人被设想为通过提供日常身体帮助来增强有运动障碍的人的独立性。对于便携、舒适和安全的设备，基于气动的软机器人正在成为一种潜在的解决方案。然而，由于固有的复杂性，包括柔顺性和非线性机械行为，促进人机交互的反馈控制仍然是一个挑战。在此，我们提出了一个软穿戴机器人的设计，制造和控制架构，以协助前臂旋后和旋前。该软体可穿戴机器人集成了一对对抗气基螺旋驱动器，以提供主动旋前和旋后扭矩。我们的主要贡献是一种生物启发的平衡点控制方案，用于将本体感觉反馈和外部感觉输入(例如，用户的肌肉激活信号)直接与软气动执行器的开/关阀门行为集成在一起。所提出的人-机器人控制器直接受到运动控制的平衡点假设的启发，该假设表明，通过跨越关节的拮抗肌对的平衡状态的变化，可以产生自主运动。我们假设所提出的方法可以在不影响误差的情况下减少动态操作所需的工作量。为了评估我们提出的方法，我们招募了7名有运动障碍的儿童参与者，用触觉手柄执行两项动态交互任务。每个任务都要求参与者跟踪正弦轨迹，而触觉操纵杆表现为弹簧支配系统或惯性支配系统。 Our results reveal that the soft wearable robot, when active, reduced user effort on average by 14%. This work demonstrates the practical implementation of an equilibrium-point volitional controller for wearable robots and provides a foundational path toward versatile, low-cost, and soft wearable robots.