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软性线性气动执行器的解析与实验力分析

文章摘要

该论文针对线性软套筒执行器(LSSA)建立了准静态力模型,并通过受控伸长与静载实验验证其力输出行为,揭示了压力、几何、位移、负载与轴向刚度之间的耦合关系。

来源arXiv Robotics作者: Mohammed Abboodi
软性线性气动执行器的解析与实验力分析
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本文发表于arXiv(编号2605.21836,cs.RO分类),作者为Mohammed Abboodi,于2026年5月21日提交。研究聚焦于软套筒执行器(Soft Sleeve Actuators, SSA)这一近年来用于可穿戴与辅助机器人系统的气动驱动方案,并针对其力生成机理展开了系统的解析与实验分析。

SSA的核心设计思路是将驱动结构直接集成进套筒式的几何形态中。这样一来,执行器无需过度依赖外部附着层和传动机构,同时还能与肢体形状的表面保持贴合与柔顺性。这种结构上的简化带来了工程上的吸引力,但论文指出,SSA的力生成行为至今仍缺乏充分解释,尤其是在伸长过程中输出力如何变化、外部负载会带来什么影响,以及轴向刚度在力学上扮演何种角色这三个方面,现有理解都存在明显空白。

为填补这一空白,作者针对线性软套筒执行器(Linear Soft Sleeve Actuator, LSSA)建立了准静态分析模型,并配合实验进行验证。模型的基本思路是把净轴向力拆解为两部分:一部分是端盖与折叠壁面在气压作用下产生的贡献,另一部分则是由轴向刚度引起的阻力,后者从前一部分中扣除。模型所纳入的参数包括内部压力、投影压力面积、折叠壁面的几何形态、轴向位移,以及一条通过实验拟合得到的轴向刚度关系。这一构造使模型能够同时反映压力驱动与结构柔顺性之间的相互作用,而不仅仅停留于理想化的气球式估算。

实验部分包含两类测试:受控伸长实验与静载实验,用以评估执行器在不同工况下的响应。结果显示,在125 kPa的气压下,执行器产生的力从零伸长状态下的约112 N,随伸长量增加而持续下降,到40 mm时已接近零。这一衰减趋势说明,输出力与位移之间存在强烈的耦合,执行器在行程后段的有效做功能力显著减弱。

静载实验进一步揭示了外部负载的影响。施加静态负载后,可测力的产生被延迟,同时输出力整体下降,这种削弱在低压力与中等压力区间尤为突出。换言之,负载不仅改变了力的大小,也改变了力出现的时机,这对于需要精确力控制的应用场景具有直接意义。

论文的结论是,LSSA的力生成并非由单一因素决定,而是压力、几何、位移、负载与轴向刚度共同耦合作用的结果。该模型与实验数据为理解软套筒执行器的力学行为提供了基础,也为后续在可穿戴与辅助机器人系统中进行结构设计与控制策略制定提供了参考依据。论文以cs.RO为主题分类,全文可通过arXiv获取,DOI为10.48550/arXiv.2605.21836。

展开要点与分析

文章情报

研究者进阶

要点

  • 提出准静态解析模型,将净轴向力表示为端盖与折叠壁面压力贡献减去轴向刚度带来的阻力
  • 125 kPa下,输出力从零伸长时的约112 N下降至40 mm时接近零
  • 静载会延迟可测力的产生并降低输出力,在低中压条件下尤为明显
  • LSSA的力生成由压力、几何、位移、负载与轴向刚度的耦合效应主导

要点与分析由自动化流程生成,可能有误,请结合原始来源核实。