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Optimized Design of a Soft Actuator Considering Force/Torque, Bendability, and Controllability via an Approximated Structure

可控性 执行机构 扭矩 运动学 悬臂梁 非线性系统 控制理论(社会学) 约束(计算机辅助设计) 工作(物理) 控制器(灌溉) 固有频率 机械工程 最优化问题 结构工程 工程类 计算机科学 数学 物理 数学优化 振动 经典力学 控制(管理) 人工智能 应用数学 量子力学 热力学 生物 农学
作者
Wu-Te Yang,Burak Kürkçü,Masayoshi Tomizuka
出处
期刊:Journal of Mechanical Design [American Society of Mechanical Engineers]
卷期号:146 (12) 被引量:2
标识
DOI:10.1115/1.4065522
摘要

Abstract This paper introduces a novel design method that enhances the force/torque, bendability, and controllability of soft pneumatic actuators (SPAs). The complex structure of the soft actuator is simplified by approximating it as a cantilever beam. This allows us to derive approximated nonlinear kinematic models and a dynamical model, which is explored to understand the correlation between natural frequency and dimensional parameters of SPA. The design problem is then transformed into an optimization problem, using kinematic equations as the objective function and the dynamical equation as a constraint. By solving this optimization problem, the optimal dimensional parameters are determined. Six prototypes are manufactured to validate the proposed approach. The optimal actuator successfully generates the desired force/torque and bending angle, while its natural frequency remains within the constrained range. This work highlights the potential of using optimization formulation and approximated nonlinear models to boost the performance and dynamical properties of soft pneumatic actuators.

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