受植物启发的变刚度理疗执行器设计与分析

来源：机器人杂志2026年第2期北京时间：

作者：黄自鑫, 卢俊杰, 于澄嵩, 刘皓, 陈洋

摘要：相较于传统的刚性理疗执行器，气动软体理疗执行器展现出灵活性高、适应性强等特点，但材料表面往往展现出较低的刚度，且软体材料的固有迟滞特性对其控制带来了较大挑战。受植物界四叶草形态和行为特性的启发，本文设计了一种基于阻塞颗粒3层卯榫结构的变刚度层理疗执行器。针对迟滞特性导致的建模与控制问题，提出一种基于Prandtl-Ishlinskii（P-I）建模和快速终端滑模的补偿控制策略，通过实验数据建立了一个描述系统运动特性的P-I迟滞模型，并采用Levenberg-Marquardt（L-M）算法来辨识系统模型的参数。仿真结果表明，所提方法在阶跃信号和三角波信号下的均方根误差分别为3.82×10−2和6.83×10−5，相较于PID控制和自适应控制降低了系统跟踪误差，有效补偿了迟滞效应带来的大部分影响。利用3D打印技术制作浇筑模具进行理疗执行器的制备，并搭建了变刚度结构、弯曲角度以及理疗力度的性能测试平台。实验结果表明，制作的理疗执行器在特定气压下能达到预定的弯曲角度，且在不同刚度下展现出不同的理疗力度，最大可达1.61 N。

关键词：理疗执行器, 植物启发, 变刚度, Prandtl-Ishlinskii迟滞模型, 快速终端滑模控制