論文の概要: BiPneu: Design and Control of a Bipolar-Pressure Pneumatic System for Soft Robots
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.12804v1
- Date: Tue, 12 May 2026 22:54:01 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-05-14 23:30:27.717938
- Title: BiPneu: Design and Control of a Bipolar-Pressure Pneumatic System for Soft Robots
- Title（参考訳）: BiPneu:ソフトロボット用バイポーラ圧空気圧システムの設計と制御
- Authors: Yu Mei, Xinyu Zhou, Vedant Naik, Alan Gao, Xiaobo Tan,
- Abstract要約: BiPneuは、ソフトロボットのためのスケーラブルで費用効率のよいマルチチャネルバイポーラ圧空気圧システムである。
ハイブリッド型空気圧モデルに基づいて,モード選択を制御したデュアルモードスライディングモードコントローラ (DM-SMC) を提案する。
DM-SMCの追尾ステップおよび正弦波圧力基準における優れた性能を示すシミュレーションと実験を行った。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.127185795731681
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Positive-negative pressure regulation is critical to soft robotic actuators, enabling large motion ranges and versatile actuation modes. However, achieving high-performance regulation across both pressure polarities remains challenging due to asymmetric inflation-deflation dynamics, valve nonlinearities, and switching-induced flow disturbances. This paper presents BiPneu, a scalable and cost-efficient multi-channel bipolar-pressure pneumatic system for soft robots that enables wide-range, accurate, and responsive pressure regulation while providing seamless compatibility with high-level software ecosystems. A dual-mode sliding-mode controller (DM-SMC) with hysteresis-supervised mode selection is proposed based on a hybrid electro-pneumatic model. Extensive simulation and experiments demonstrate the superior performance of DM-SMC in tracking step and sinusoidal pressure references compared with both advanced model predictive controllers and well-tuned PID controllers. Experimental results show average absolute errors of 1.44 kPa in multi-step tests and 4.23 kPa in sinusoidal tracking, corresponding to reductions of 11.9% and 35.6% relative to PID control, along with improved control effort, valve switching rate, and transient response. Robustness of DM-SMC is further verified on a bellow actuator with pressure-dependent volume. Finally, BiPneu's capability is demonstrated via two soft robotic examples, quick ball-maneuvering with a soft parallel manipulator and real-time finite element method (FEM)-based teleoperation of a soft bellows actuator.
- Abstract（参考訳）: 正負の圧力調節はソフトロボットアクチュエータにとって重要であり、大きな運動範囲と多目的アクチュエータモードを可能にする。
しかし、非対称なインフレ-デフレーションダイナミクス、バルブ非線形性、スイッチング誘起流乱により、両極性で高性能な制御を実現することは依然として困難である。
本稿では,高レベルのソフトウェアエコシステムとのシームレスな互換性を提供しつつ,広帯域かつ高精度かつ応答性の高い圧力制御を実現するソフトロボットのための,スケーラブルで費用効率のよいマルチチャネルバイポーラ型空気圧システムであるBiPneuを提案する。
ハイステリシス制御モード選択を用いた2モードスライディングモードコントローラ(DM-SMC)をハイブリッド空気圧モデルに基づいて提案する。
DM-SMCの追従ステップおよび正弦波圧力基準における性能は、高度なモデル予測制御器とよく調整されたPID制御器の両方と比較して優れていた。
実験の結果、多段試験における平均絶対誤差は1.44kPa、正弦波追跡では4.23kPaであり、PID制御に対する11.9%と35.6%の低下に対応し、制御効率、バルブ切替速度、過渡応答が改善した。
DM-SMCのロバスト性は、圧力依存性の体積を持つベローアクチュエータでさらに検証される。
最後に、BiPneuの能力は、ソフトパラレルマニピュレータを用いた高速ボールマニピュレータと、ソフトベローズアクチュエータのリアルタイム有限要素法(FEM)に基づく遠隔操作という、2つのソフトロボティックな例を通して実証される。
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