基于软气动执行器的双自由度差动关节设计与控制——面向多功能软体机器人机械手

《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》：Design and Control of 2-DOF Differential Joint Driven by Soft Pneumatic Actuator for Versatile Soft Robotic Manipulator

　　摘要：为解决软体机器人中的控制与负载挑战，本文提出了一种融合双向软气动手动器和差速驱动的二自由度关节的设计、建模与控制方法。该设计在低压（±50 kPa）下实现了高力效率（0.0509 N·m/kPa 的比扭矩），并具备固有柔顺性（实测被动刚度为 1.46 N·m/rad）。采用结合模型预测控制（MPC）和增益调度比例-积分-微分（PID）的分层控制器，以管理系统约束、耦合动力学及气动非线性。实验结果表明：无负载带宽为 2 Hz，峰值扭矩为 5.09 N·m，15 秒阶跃响应稳定，且相较于传统 PID 控制，通过 MPC 使耦合引起的误差降低了 72.5%。系统在保证 2.9% 最大无负载跟踪误差的同时，能在 1 kg 未建模负载下实现稳定的耦合运动。此外，1 kg 负载阶跃测试验证了线性框架的鲁棒性，说明了非线性重力补偿如何抑制瞬态超调并提升动态精度。这些结果支持了所提出关节在软体操作器中的应用潜力。