仪器仪表学报

作者：张来喜，张晋凡，孟文强

单位：张来喜,1.兰州理工大学机电工程学院兰州730050； 2.成套装备智能化集成技术教育部重点实验室兰州730050,laixi_zh@163.com,张晋凡,兰州理工大学机电工程学院兰州730050,,孟文强,兰州理工大学机电工程学院兰州730050,

关键词：气动软体驱动器;波纹结构;伸长特性;耦合变形;三元模型

基金：国家自然科学基金（52265013）项目资助

软体驱动器作为软体机器人的核心部件，其变形和运动特性直接决定软体机器人的工作性能。针对传统气动人工肌肉驱动气压偏高、结构可设计性受限的问题，提出了一种矩形波纹管驱动器。通过有限元仿真对比三角形、抛物线形、矩形及半圆形波纹结构的性能，结果表明矩形结构的综合评定系数最优，兼具优良的轴向伸长能力与径向稳定性。实验验证显示，在纯气压载荷作用下，该驱动器在60kPa气压时的最大伸长行程可达53.2%，且伸长量与波纹数量呈线性关系，与输入气压呈非线性关系；进一步仿真分析表明，在气压与自由端切向载荷耦合作用下，驱动器可通过调节内部气压有效抑制弯曲变形。据此建立的等效抗弯刚度模型揭示，等效抗弯刚度随波纹数量增加而降低，随输入气压增大呈近似线性增长趋势。动力学建模方面，基于三元模型构建驱动器自由端受压缩力作用下的运动方程，采用递推最小二乘法辨识模型参数。实验结果表明，该模型在不同负载条件下均能准确预测驱动器动态响应，位移预测误差约为2mm。通过结构设计、仿真分析与实验验证相结合的方法，系统阐明了矩形波纹管驱动器的静动态变形规律，建立了相应的等效抗弯刚度模型与三元动力学模型，为其在软体机器人驱动与执行领域的进一步应用奠定了理论基础。

来源：2025年第12期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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