《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.06.10.001©北京科技大学2020 工程科学学报DO: 软体机械臂的驱动方式、建模与控制研究进展1 杨妍2)，刘志杰2，)，韩江涛”，李擎)区，贺威2 1)北京科技大学自动化学院，北凉1000832)北京科技大学人工智能研究院，北京1000833)北京科技大学顺德研究生院，佛山528300 ☒通信作者，E-mail:liqing(@ies.ustb.edu.cn 摘要软体机械臂是一个新的机器人分支，不同于刚性机械臂，它完全由柔软的材料打造，可②完成刚性机械臂无 法完成的任务，比如非结构环境下探测，易碎物品的抓取，更安全的人机协作等等/目前许多国家正在投入到软体 机械臂的研究当中，研究者设计出形状与功能都不尽相同的软体机械臂，从制作材料的多样性到驱动方式的多样性 再从建模方式的多样性到控制方式的多样性，无不展示出软体机械臂的独特性。由于任务目的的不同，软体机械臂 的驱动方式有所不同，本文首先研究三种主流的软体机械臂驱动方式一绳索驱动(Tendon驱动)、形状记忆合金 驱动(Shape Memory Alloys,SMA驱动)、气动驱动(Pneumatic驱动)，然后由此展开，分别研究软体机械臂在不 同驱动方式下的建模方式和控制方法。最后从驱动方式，建模方法和控制方法兰个方面对软体机械臂的发展趋势进 行总结展望。 关键词软体机械臂：驱动方式：建模；控制：研究进展 分类号TG142.71 Overview of Actuators,Modeling and Control Methods for Soft Manipulators YANG Yan,LIU Zhi-jie23,Han jiang-tao,LI Qing,HE We 1)School of Automation and Electrical Engineering University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2) Institute of Artificial Intelligence,Unive f Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Shunde Graduate School of Universi and Technology Beijing,Foshan 528300,China Corresponding author,E-mail:li ABSTRACT Inspired by the biological organs in nature,many robots have been developed and successfully applied by imitating the characteristics of different animals.The design inspiration of soft robot comes from the bending movement of elephant trunk and octopus arm.They can use their own soft structure to effectively adapt to the complex and changeable environment,and they ean also use their soft structure to complete various complex operations.Their excellent flexibility and bending have also greatly attracted the interest of researchers.Now,this is becoming a reality bit by bit.With the continuous breakthroughs in materials science,chemistry,control and other disciplines,people have made a breakthrough in the observation and modeling of soft organisms such as octopus,worms and starfish,and derived a new robot research direction- soft robot.Soft manipulators are a new branch of robots,which is different from rigid manipulators.It is made of soft materials.It can be used to accomplish tasks that rigid manipulators cannot accomplish,such as detecting in an unstructured environment,grasping fragile objects,safer man-machine cooperation,and so on.At present,many countries in the world are 收稿日期：2011-01-01 基金项目：XXX资助项目(XXX)
工程科学学报 DOI: 软体机械臂的驱动方式、建模与控制研究进展1 杨妍 2)，刘志杰 1,2,3)，韩江涛 1)，李擎 1) ，贺威 1,2) 1) 北京科技大学自动化学院，北京 100083 2) 北京科技大学人工智能研究院，北京 100083 3) 北京科技大学顺德研究生院，佛山 528300 通信作者，E-mail: liqing@ies.ustb.edu.cn 摘 要 软体机械臂是一个新的机器人分支，不同于刚性机械臂，它完全由柔软的材料打造，可以完成刚性机械臂无 法完成的任务，比如非结构环境下探测，易碎物品的抓取，更安全的人机协作等等。目前许多国家正在投入到软体 机械臂的研究当中，研究者设计出形状与功能都不尽相同的软体机械臂，从制作材料的多样性到驱动方式的多样性 再从建模方式的多样性到控制方式的多样性，无不展示出软体机械臂的独特性。由于任务目的的不同，软体机械臂 的驱动方式有所不同，本文首先研究三种主流的软体机械臂驱动方式——绳索驱动（Tendon 驱动）、形状记忆合金 驱动（Shape Memory Alloys，SMA 驱动）、气动驱动（Pneumatic 驱动），然后由此展开，分别研究软体机械臂在不 同驱动方式下的建模方式和控制方法。最后从驱动方式，建模方法和控制方法三个方面对软体机械臂的发展趋势进 行总结展望。 关键词 软体机械臂；驱动方式；建模；控制；研究进展 分类号 TG142.71 Overview of Actuators ， Modeling and Control Methods for Soft Manipulators YANG Yan2) , LIU Zhi-jie1,2,3) , Han jiang-tao1) , LI Qing1) , HE We1) 1) School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Institute of Artificial Intelligence, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Shunde Graduate School of University of Science and Technology Beijing, Foshan 528300, China Corresponding author, E-mail: liqing@ies.ustb.edu.cn ABSTRACT Inspired by the biological organs in nature, many robots have been developed and successfully applied by imitating the characteristics of different animals. The design inspiration of soft robot comes from the bending movement of elephant trunk and octopus arm. They can use their own soft structure to effectively adapt to the complex and changeable environment, and they can also use their soft structure to complete various complex operations. Their excellent flexibility and bending have also greatly attracted the interest of researchers. Now, this is becoming a reality bit by bit. With the continuous breakthroughs in materials science, chemistry, control and other disciplines, people have made a breakthrough in the observation and modeling of soft organisms such as octopus, worms and starfish, and derived a new robot research direction - soft robot. Soft manipulators are a new branch of robots, which is different from rigid manipulators. It is made of soft materials. It can be used to accomplish tasks that rigid manipulators cannot accomplish, such as detecting in an unstructured environment, grasping fragile objects, safer man-machine cooperation, and so on. At present, many countries in the world are 1收稿日期:2011-01-01 基金项目:XXX 资助项目(XXX) 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.06.10.001 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿
investing in the research of soft manipulator.Researchers have designed soft manipulators with different shapes and functions.From the diversity of manufacturing materials to the diversity of driving methods,and from the variety of modeling methods to the diversity of control methods,all show the uniqueness of soft manipulators.Due to the different purposes of the task,the driving ways of the soft manipulator are different.This paper first studies three main driving ways of the soft manipulator,namely,the tendon driving (tendon driving),the shape memory alloy driving (SMA driving),and the pneumatic driving (pneumatic driving).The modeling and control methods of soft manipulators in different driving modes are studied.Finally,the development of soft manipulators is summarized and prospected from three aspects:driving way, modeling methods and control methods. KEY WORDS Soft manipulator:Drive:Modeling:Control methods;Research progress 传统刚性机械臂广泛应用于工业和制造业中，可以有效地执行特定任务。但是传统刚性机械臂 在与环境交互时，存在着对环境适应性差，人机交互不安全等问题。本质上来说传统机器人主要由 铝和钢等刚性材料制成，并且由于机器人的刚性连接和关节相对不灵活，因此金人类或者是环境 交互时存在一定的不安全性和局限性，难以应用于复杂的非结构化场景。近年还 里搬取、分类 货物，外科手术所用的手术刀，都开始采用机械臂的辅助。这些应用场条对机械臂的柔顺性以及安 全性提出了更高的要求。 受大自然中生物器官的启发，许多的机器人通过模仿不同动物的特性被研制并成功应用，例如 仿生软体机器人四和仿生扑翼飞行机器人等。本文研究的软体机减臂)其设计灵感来源于象鼻、 章鱼手臂5：的弯曲运动。研究者们通过使用不同的柔性材料吼，如树脂、硅胶等材料制造出具有柔韧 性、可变刚度、多自由度的软体机械臂，使其具有更安全的大机交互性能。此外，软体机械臂的高度 灵活性使其可以完成不同种类的任务，在工业应用中有入的经济潜力。 为了使软体机械臂实现多个自由度的运动，包弯曲、伸缩、扭转等动作，除了需要柔软性延伸 性较好的材料之外，驱动方式也十分重要。目前已有的驱动方式主要包括绳索驱动(Tendon驱动)、形 状记忆合金驱动(SMA驱动)、气动驱动(Pneumatic驱动)等。其中Tendon驱动是将线索嵌入柔性 材料制成的机械臂内部，通过改变线索的长度实现机械臂的变形：SMA驱动主要是通过对软体机 械臂中嵌入的SMA加热产生的形变实现机械臂整体运动和变形：Pneumatic驱动主要利用气体驱动 机械臂内部腔体运动和变形。根据不同的驱动方式，需要建立相应的动力学模型并设计相应的控制 策略。由于软体机械臂结构的复杂炒，对续体机械臂运动学、动力学建模以及控制研究带来极大的挑 战。本文将根据软体机械臂驱剥方或 以及相应的建模方式和控制方法研究现状展开讨论，并对软体 机械臂的发展趋势进行总结展望 1概述 软体机械臂是人类身有连续几何特性的新型机械臂，与刚性机械臂相比，软体机械臂主要由柔 软的材料制成（如硅胶流体、软胶等），不仅拥有更高的灵活性、柔顺性以及安全性等优势，而且 有良好的共融能办，在很多领域具有广阔的应用潜力，如医疗、野外救险以、工业抓持等。目前， 越来越多的研宠投身于软体机械臂的平台的开发、建模、控制等研究中。但软体机械臂发展的同 时也面临着诸多困难和挑战，软体机械臂是集材料学、仿生学、机器人学、控制科学等多种交叉学科 技术为一身的复合应用，这也决定了它不能靠单一学科的发展而获得较大的进展。从材料学和机械 学角度来讲，“软”是软体机械臂的本质属性，柔软的材料是制作软体机械臂的关键，在材料方面， 科学家用杨氏模量来界定刚性材料和软性材料，即高 10帕的为刚性材料（例如金属或硬塑料， 低于10帕的为软性材料（例如皮肤，肌肉组织等），如何获得更优的材料和更新的仿生结构，这对 材料学和机械学提出了要求，这也对3D打印技术提出了更高的要求，如何高效快速地加工出符合 特定需求的本体结构也是一个难题。从控制角度看，高度的柔软性使传统的编码器、电位计和刚性的
investing in the research of soft manipulator. Researchers have designed soft manipulators with different shapes and functions. From the diversity of manufacturing materials to the diversity of driving methods, and from the variety of modeling methods to the diversity of control methods, all show the uniqueness of soft manipulators. Due to the different purposes of the task, the driving ways of the soft manipulator are different. This paper first studies three main driving ways of the soft manipulator, namely, the tendon driving (tendon driving), the shape memory alloy driving (SMA driving), and the pneumatic driving (pneumatic driving). The modeling and control methods of soft manipulators in different driving modes are studied. Finally, the development of soft manipulators is summarized and prospected from three aspects: driving way, modeling methods and control methods. KEY WORDS Soft manipulator; Drive; Modeling; Control methods; Research progress 传统刚性机械臂广泛应用于工业和制造业中，可以有效地执行特定任务。但是传统刚性机械臂 在与环境交互时，存在着对环境适应性差，人机交互不安全等问题。本质上来说传统机器人主要由 铝和钢等刚性材料制成，并且由于机器人的刚性连接和关节相对不灵活，因此在与人类或者是环境 交互时存在一定的不安全性和局限性，难以应用于复杂的非结构化场景。近年来，工厂里搬取、分类 货物，外科手术所用的手术刀，都开始采用机械臂的辅助。这些应用场景对机械臂的柔顺性以及安 全性提出了更高的要求。 受大自然中生物器官的启发，许多的机器人通过模仿不同动物的特性被研制并成功应用，例如 仿生软体机器人[1]和仿生扑翼飞行机器人[1]等。本文研究的软体机械臂，其设计灵感来源于象鼻[3-4]、 章鱼手臂[5-7]的弯曲运动。研究者们通过使用不同的柔性材料[8]，如树脂、硅胶等材料制造出具有柔韧 性、可变刚度、多自由度的软体机械臂，使其具有更安全的人机交互性能。此外，软体机械臂的高度 灵活性使其可以完成不同种类的任务，在工业应用中有巨大的经济潜力。 为了使软体机械臂实现多个自由度的运动，包括弯曲、伸缩、扭转等动作，除了需要柔软性延伸 性较好的材料之外，驱动方式也十分重要。目前已有的驱动方式主要包括绳索驱动(Tendon 驱动)、形 状记忆合金驱动（SMA 驱动）、气动驱动（Pneumatic 驱动）等。其中 Tendon 驱动是将线索嵌入柔性 材料制成的机械臂内部，通过改变线索的长度实现机械臂的变形；SMA 驱动主要是通过对软体机 械臂中嵌入的 SMA 加热产生的形变实现机械臂整体运动和变形；Pneumatic 驱动主要利用气体驱动 机械臂内部腔体运动和变形。根据不同的驱动方式，需要建立相应的动力学模型并设计相应的控制 策略。由于软体机械臂结构的复杂性，对软体机械臂运动学、动力学建模以及控制研究带来极大的挑 战。本文将根据软体机械臂驱动方式以及相应的建模方式和控制方法研究现状展开讨论，并对软体 机械臂的发展趋势进行总结展望。 1 概述 软体机械臂是一类具有连续几何特性的新型机械臂，与刚性机械臂相比，软体机械臂主要由柔 软的材料制成（如硅胶、流体、软胶等），不仅拥有更高的灵活性、柔顺性以及安全性等优势，而且 有良好的共融能力，在很多领域具有广阔的应用潜力，如医疗[9]、野外救险[12]、工业抓持[13]等。目前， 越来越多的研究者投身于软体机械臂的平台的开发、建模、控制等研究中[16]。但软体机械臂发展的同 时也面临着诸多困难和挑战，软体机械臂是集材料学、仿生学、机器人学、控制科学等多种交叉学科 技术为一身的复合应用，这也决定了它不能靠单一学科的发展而获得较大的进展。从材料学和机械 学角度来讲，“软”是软体机械臂的本质属性，柔软的材料是制作软体机械臂的关键，在材料方面 ， 科学家用杨氏模量来界定刚性材料和软性材料，即高于 9 10 帕的为刚性材料(例如金属或硬塑料)， 低于 9 10 帕的为软性材料(例如皮肤，肌肉组织等)，如何获得更优的材料和更新的仿生结构，这对 材料学和机械学提出了要求，这也对 3D 打印技术提出了更高的要求，如何高效快速地加工出符合 特定需求的本体结构也是一个难题。从控制角度看，高度的柔软性使传统的编码器、电位计和刚性的 录用稿件，非最终出版稿
力触觉传感器等很难集成到软体机械臂中，而无限的自由度和具有大变形非线性特性使得软体机械 臂的运动学和动力学模型的建立非常困难，进而带来控制设计的诸多挑战，急需发展新的控制理论 和建模方法。本文以驱动方式为切入点，针对主流的三种驱动方式进行建模和控制方面的介绍，对 软体机械臂的研究现状和未来的发展趋势做出展望。 2软体机械臂的驱动方式 驱动方法决定了软体机械臂完成预期动作的方式。例如抓握，或者沿特定轨迹移动等动作都需 要特定的驱动方式。对于刚性机械臂，通常使用伺服电机或步进电机驱动液压缸或者气压缸，将机 械手从某一位置驱动到目标位置。对于软体机械臂，为了让其有更强的适应能力和人机交互的安全 性，要求它的组成元件必须能够实现较强的伸缩、弯曲和扭转等变形，这使得刚性机械臂的连杆驱 动的方式不能适用。如何驱动由柔性材料制成的软体机械臂是研究的核心内容。国内外的学者在这一 方面做了很多创新型的内容：包括通过传输介质对本体进行驱动（例如哈佛研的气动软体机器人 [232列：直接利用可变性的智能材料柔性驱动器进行驱动（例如SMA驱动283直接在本体内利用化 学反应产生动力驱动（例如内燃驱动s例等。针对软体机械臂的实际功能， 目前主流的驱动软体机械 臂的驱动方式可分为三大类：(1)绳索驱动(2)形状记忆合金驱动( 气动驱动，下面将分类 进行介绍。 2.1绳索驱动-Tendon驱动 绳索驱动方式是将拉线内嵌于机械臂柔性材料内部，通过改变拉线长度驱动机械臂运动。绳索 驱动可以进行长距离的传动，它的形状任意，既可以适用刚性结构，又可以适用于柔性结构，适 合软体机械臂的驱动。绳索驱动在早期被广泛采用于软体机械臂的研发和建模、控制的验证2]。 农国1仿f 图1仿章鱼机械臂实验验证原型 意大利圣安娜大学Renda等研究了章鱼触手运动特性，以章鱼手臂为灵感，设计了一个具有 多重弯曲功能的软体机械臂工作原型，对该模型进行了实验验证，取得了满意的结果。实验验证了 章鱼最具特征的动作：弯曲、伸展和抓取（图1）。该模型可作为设计阶段的动态仿真平台，用于设 计连续介质机械臂在稠密介质中运动的控制策略。 田纳西大学诺克斯维尔分校Oliver-Butler等，设计了一种绳索驱动软体机械臂，。研究者分 别使用平行的线绳以及交汇于一个顶点的线绳驱动机械臂进行弯曲运动，并且对于两种不同形式的 绳索驱动机械臂进行测试：(1)机械臂弯曲角度为90°，线绳的位移大小（图2（上）)：(2)线 绳位移相同并且尖端0.9N负载情况下，机械臂的弯曲程度大小（图2（下）)。研究者证明了不同的 拉线形式对于机械臂的运动会产生较大影响
力触觉传感器等很难集成到软体机械臂中，而无限的自由度和具有大变形非线性特性使得软体机械 臂的运动学和动力学模型的建立非常困难，进而带来控制设计的诸多挑战，急需发展新的控制理论 和建模方法。本文以驱动方式为切入点，针对主流的三种驱动方式进行建模和控制方面的介绍，对 软体机械臂的研究现状和未来的发展趋势做出展望。 2 软体机械臂的驱动方式 驱动方法决定了软体机械臂完成预期动作的方式。例如抓握，或者沿特定轨迹移动等动作都需 要特定的驱动方式。对于刚性机械臂，通常使用伺服电机或步进电机驱动液压缸或者气压缸，将机 械手从某一位置驱动到目标位置。对于软体机械臂，为了让其有更强的适应能力和人机交互的安全 性，要求它的组成元件必须能够实现较强的伸缩、弯曲和扭转等变形，这使得刚性机械臂的连杆驱 动的方式不能适用。如何驱动由柔性材料制成的软体机械臂是研究的核心内容。国内外的学者在这一 方面做了很多创新型的内容：包括通过传输介质对本体进行驱动(例如哈佛研究的气动软体机器人 [23-27])；直接利用可变性的智能材料柔性驱动器进行驱动(例如SMA驱动[28-34])；直接在本体内利用化 学反应产生动力驱动(例如内燃驱动[35-36])等。针对软体机械臂的实际功能，目前主流的驱动软体机械 臂的驱动方式可分为三大类：（1）绳索驱动（2）形状记忆合金驱动（3）气动驱动，下面将分类 进行介绍。 2.1 绳索驱动--Tendon 驱动 绳索驱动方式是将拉线内嵌于机械臂柔性材料内部，通过改变拉线长度驱动机械臂运动。绳索 驱动可以进行长距离的传动，它的形状任意，既可以适用于刚性结构，又可以适用于柔性结构，适 合软体机械臂的驱动。绳索驱动在早期被广泛采用于软体机械臂的研发和建模、控制的验证[28]。 图 1 仿章鱼机械臂实验验证原型 Fig.1 Experimental validation prototype of an octopus-like robotic arm 意大利圣安娜大学 Renda 等[42]研究了章鱼触手运动特性，以章鱼手臂为灵感，设计了一个具有 多重弯曲功能的软体机械臂工作原型，对该模型进行了实验验证，取得了满意的结果。实验验证了 章鱼最具特征的动作：弯曲、伸展和抓取（图 1）。该模型可作为设计阶段的动态仿真平台，用于设 计连续介质机械臂在稠密介质中运动的控制策略。 田纳西大学诺克斯维尔分校 Oliver-Butler 等，设计了一种绳索驱动软体机械臂[43]。研究者分 别使用平行的线绳以及交汇于一个顶点的线绳驱动机械臂进行弯曲运动，并且对于两种不同形式的 绳索驱动机械臂进行测试：（1）机械臂弯曲角度为 90°，线绳的位移大小（图 2 (上)）；（2）线 绳位移相同并且尖端 0.9N 负载情况下，机械臂的弯曲程度大小（图 2(下)）。研究者证明了不同的 拉线形式对于机械臂的运动会产生较大影响。 录用稿件，非最终出版稿
+李 图2田纳西大学诺克斯维尔分校软体机械臂：（上）机械臂90°弯曲（下）机械尖端0.9N负载 Fig.2 The University of Tenneessee,Knoxville's tendon-driven robotic arm:(uper)90%bending of manipulator (down)0.9N load at the tip of the robotic arm 从上述分析中可以看出绳索驱动的使用和制造更加的灵活，可以根据不同场景针对不同的功能 设计不同的拉线数目和排列方式，从而使软体机械臂获得不同的运动方式，进而完成各类功能。绳 索驱动软体机械臂因为由电机带动线直接操作，所以响应时间短，反态迅速。但是相对于其他驱动 方式，绳索驱动由于其需要在特定的狭小空间内穿梭， 会不可避免的带来传动效率的损失，而且由 于离不开电机的驱动所以其整体造型笨重，灵活性差 2.2形状记忆合金驱动-SMA驱动 SMA是一种具有形状记忆合金效应的智能材料以在一定条件下改变自身形状和机械性能。 SMA通常制作成丝状或薄片状以便于嵌于硅胶等软体材料内部。通过对SMA通电加热可产生应力 和应变，从而对材料进行驱动。其变形的机理为：当SMA处于冷却状态时，它将从高温奥氏体变为 低温马氏体，从而发生形变：当处于加热状态时，它又能消除低温时的形变，恢复原状。整个变形 的过程即可对柔性材料产生变形和位移。圣安娜大学研究人员模仿章鱼的运动4，采用SMA驱动 方式设计了软体机械臂原型，实现弯曲、伸长、缩短等运动。 俄亥俄州立大学和清华大学备，研究了一种采用SMA的驱动器（图3）。建立了SMA驱 动器的分析模型和设计模型对输出性能进行了预测，并通过实验验证了模型的准确性。进一步将 该驱动器应用到具有五个指的锈软机器人手。实验结果表明，柔性机械手的捏力为3N,抓取力为 9.7N。柔软的机械手虫于其重量轻（约250克）、刚度低以及能够承受大的外部冲击，对于人类操作者 来说具有更高的安全姓。 该驱动器在仿生软机器人和软机器人修复中也有潜在的应用价值。 图3软体机械臂不同形态：(a)笔直形(b)s形(c)螺旋形(d)圆形 Fig.3 Different forms of flexible robotic arms:(a)straight(b)s-shaped (c)spiral (d)round 广州大学吴羽设计了一种SMA驱动的软爪4（图4），研究者将SMA弹簧嵌入硅胶外壳内部
图 2 田纳西大学诺克斯维尔分校软体机械臂：(上) 机械臂 90°弯曲 (下) 机械臂尖端 0.9N 负载 Fig.2 The University of Tenneessee, Knoxville’s tendon-driven robotic arm: (uper) 90° bending of manipulator (down) 0.9N load at the tip of the robotic arm 从上述分析中可以看出绳索驱动的使用和制造更加的灵活，可以根据不同场景针对不同的功能 设计不同的拉线数目和排列方式，从而使软体机械臂获得不同的运动方式，进而完成各类功能。绳 索驱动软体机械臂因为由电机带动线直接操作，所以响应时间短，反应迅速。但是相对于其他驱动 方式，绳索驱动由于其需要在特定的狭小空间内穿梭，会不可避免的带来传动效率的损失，而且由 于离不开电机的驱动所以其整体造型笨重，灵活性差。 2.2 形状记忆合金驱动--SMA 驱动 SMA 是一种具有形状记忆合金效应的智能材料，可以在一定条件下改变自身形状和机械性能 。 SMA 通常制作成丝状或薄片状以便于嵌于硅胶等软体材料内部。通过对 SMA 通电加热可产生应力 和应变，从而对材料进行驱动。其变形的机理为：当 SMA 处于冷却状态时，它将从高温奥氏体变为 低温马氏体，从而发生形变；当处于加热状态时，它又能消除低温时的形变，恢复原状。整个变形 的过程即可对柔性材料产生变形和位移。圣安娜大学研究人员模仿章鱼的运动[44-46]，采用 SMA 驱动 方式设计了软体机械臂原型，实现弯曲、伸长、缩短等运动。 俄亥俄州立大学和清华大学合作[47]，研究了一种采用 SMA 的驱动器（图 3）。建立了 SMA 驱 动器的分析模型和设计模型，对输出性能进行了预测，并通过实验验证了模型的准确性。进一步将 该驱动器应用到具有五个手指的柔软机器人手。实验结果表明，柔性机械手的捏力为 3N，抓取力为 9.7N。柔软的机械手由于其重量轻(约 250 克)、刚度低以及能够承受大的外部冲击，对于人类操作者 来说具有更高的安全性。该驱动器在仿生软机器人和软机器人修复中也有潜在的应用价值。 图 3 软体机械臂不同形态：(a) 笔直形 (b) s 形 （c）螺旋形 （d）圆形 Fig.3 Different forms of flexible robotic arms: (a) straight (b) s-shaped (c) spiral (d) round 广州大学吴羽设计了一种 SMA 驱动的软爪[48]（图 4），研究者将 SMA 弹簧嵌入硅胶外壳内部。 录用稿件，非最终出版稿
研究通过调节PWM波占空比，改变经过SMA的电流强度和电流时间，使得SMA发生形变，从而 驱动机械臂运动。研究者分别测试了在有负载的情况下机械臂的响应速度、形变稳定程度以及反向弯 曲速度等性能参数。 图4广州大学SMA驱动软体机械臂原型 Fig.4 Guangzhou University's SMA-driven robotic arm prototype 从上述分析中可以看出，不同于绳索驱动的响应迅速，由于SM本身变形机理的限制，它的 变形时间相对较长，变化缓慢。但SMA可完全嵌入材料内部，不需要电机等传动设备，未来可以实 现一体化设计，应用前景更加的广阔。 2.3气动驱动一Pneumatic驱动 气动软体驱动器的结构设计形式虽然多种多样， 但生作原理都基本类似。气动软体驱动器 的工作原理本质上是以气体为工作介质，弹性腔体在作气压（正压或者负压）和结构约束的作用 下在某一空间维度（如轴向、弯曲、扭转等）产生的定向膨胀或收缩。弹性腔体可以是可拉伸性能较 好的弹性材料，或者是不可伸展但可容易弯曲近叠的薄壳或者薄膜结构，如基于褶皱薄膜/折纸薄 壳结构的软体气动驱动器。从运动形式上看，气动软体驱动器则主要可以分为轴向收缩/伸长，弯曲/ 摆动，扭转/回转，螺旋/缠绕型等。气压驱动软体机械臂动力来源为压缩空气，其结构简单、质量轻、 成本低，因此许多软体机械臂原型采用了气动驱动形式9四。 比萨圣安娜高等学校Yasmin Ansari研究小组基于气动驱动建立了一种可以伸长和弯曲的软体 机械臂5。该机械臂的功能是帮行动不便的老年人洗澡。其活动空间范围较大，内部包含的水管可 以将水覆盖坐姿人体的全身图5a) 在使用时通过一套视觉伺服系统完成闭环控制实现空间内 的精确定位（图5b) 录相 Opd Track Fenhack Viska (a) (b) 图5圣安娜大学人体辅助气动机械臂：(a)机械臂活动空间范围(b)视觉伺服测试系统 Fig.5 Sainte-Anne University Human Assisted Pneumatic Arm:(a)range of arm movement space(b)visual servo test system 比萨圣安娜高等学校Iris De Falco研究小组设计了一种应用于外科手术的气动软体机械臂， 可以实现伸长、弯曲以及刚度变化。该机械臂由三个相同气动模块以及一个操作抓手组成（图6）
研究通过调节 PWM 波占空比，改变经过 SMA 的电流强度和电流时间，使得 SMA 发生形变，从而 驱动机械臂运动。研究者分别测试了在有负载的情况下机械臂的响应速度、形变稳定程度以及反向弯 曲速度等性能参数。 图 4 广州大学 SMA 驱动软体机械臂原型 Fig.4 Guangzhou University’s SMA-driven robotic arm prototype 从上述分析中可以看出，不同于绳索驱动的响应迅速，由于 SMA 本身变形机理的限制，它的 变形时间相对较长，变化缓慢。但 SMA 可完全嵌入材料内部，不需要电机等传动设备，未来可以实 现一体化设计，应用前景更加的广阔。 2.3 气动驱动—Pneumatic 驱动 气动软体驱动器的结构设计形式虽然多种多样，但是其工作原理都基本类似。气动软体驱动器 的工作原理本质上是以气体为工作介质，弹性腔体在工作气压（正压或者负压）和结构约束的作用 下在某一空间维度（如轴向、弯曲、扭转等）产生的定向膨胀或收缩。弹性腔体可以是可拉伸性能较 好的弹性材料，或者是不可伸展但可容易弯曲折叠的薄壳或者薄膜结构，如基于褶皱薄膜/折纸薄 壳结构的软体气动驱动器。从运动形式上看，气动软体驱动器则主要可以分为轴向收缩/伸长，弯曲/ 摆动，扭转/回转，螺旋/缠绕型等。气压驱动软体机械臂动力来源为压缩空气，其结构简单、质量轻、 成本低，因此许多软体机械臂原型采用了气动驱动形式[49-52]。 比萨圣安娜高等学校 Yasmin Ansari 研究小组基于气动驱动建立了一种可以伸长和弯曲的软体 机械臂[53]。该机械臂的功能是帮助行动不便的老年人洗澡。其活动空间范围较大，内部包含的水管可 以将水覆盖坐姿人体的全身（图 5(a)）。在使用时通过一套视觉伺服系统完成闭环控制实现空间内 的精确定位（图 5(b)）。 (a) (b) 图 5 圣安娜大学人体辅助气动机械臂：（a）机械臂活动空间范围 （b）视觉伺服测试系统 Fig.5 Sainte-Anne University Human Assisted Pneumatic Arm: (a) range of arm movement space (b) visual servo test system 比萨圣安娜高等学校 Iris De Falco 研究小组设计了一种应用于外科手术的气动软体机械臂[54]， 可以实现伸长、弯曲以及刚度变化。该机械臂由三个相同气动模块以及一个操作抓手组成（图 6）。 录用稿件，非最终出版稿