Design and Machine Learning Modeling of a Multi-Degree-of-Freedom Bionic Pneumatic Soft Actuator

执行机构 惯性测量装置 控制理论(社会学) 计算机科学 非线性系统 人工智能 工程类 接头(建筑物) 弯曲 仿生学 模拟 水下 斜格 控制工程 旋转(数学) 惯性参考系 计算机视觉 人工肌肉 空气动力学 方向(向量空间) 流离失所(心理学) 变形(气象学) 机器人 姿态控制 弹道 机械系统 姿态和航向参考系统 气动执行机构 机器视觉 极限学习机
作者
Yu Zhang,Linghui Peng,Wenchuan Zhao,Ning Wang,Zheng Zhang
出处
期刊:Biomimetics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:10 (9): 615-615
标识
DOI:10.3390/biomimetics10090615
摘要

A novel multi-degree-of-freedom bionic Soft Pneumatic Actuator (SPA) inspired by the shoulder joint of a sea turtle is proposed. The SPA is mainly composed of a combination of oblique chamber actuator units capable of omnidirectional bending and bi-directional twisting, which can restore the multi-modal motions of a sea turtle’s flipper limb in three-dimensional space. To address the nonlinear behavior of the complex structure of SPA, traditional modeling is difficult. The attitude information of each axis of the actuator is extracted in real time using a high-precision Inertial Measurement Unit (IMU), and the attitude outputs of the SPA are modeled using six machine learning methods. The results show that the XGBoost model performs best in attitude modeling. Its R2 can reach 0.974, and the average absolute errors of angles in Roll, Pitch, and Yaw axes are 1.315°, 1.543°, and 1.048°, respectively. The multi-axis attitude of the SPA can be predicted with high accuracy in real time. The studies on deformation capability, actuation output performance, and underwater validation experiments demonstrate that the SPA meets the bionic sea turtle shoulder joint requirements. This study provides a new theoretical foundation and technical path for the development, control, and bionic application of complex multi-degree-of-freedom SPA systems.
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