論文の概要: TO-mdiSPAs: Topology Optimization of multi-directional Soft Pneumatic Actuators

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.39618v1
• Date: Wed, 30 Sep 2026 12:31:51 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-10-01 18:57:27.759705
• Title: TO-mdiSPAs: Topology Optimization of multi-directional Soft Pneumatic Actuators
• Title（参考訳）: TO-mdiSPAs:多方向ソフト空気圧アクチュエータのトポロジー最適化
• Abstract要約: 本研究では,多方向SPAのための最適化設計を実現するためにトポロジ最適化(TO)を用いた体系的手法を提案する。 SPAユニットの目標出力変形に基づいて、min-max最適化問題を定式化し、Asymptotesの移動法を用いて解決する。 数値シミュレーションにより,最適化されたSPAが多方向移動を実現することを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.691739266364575
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Soft pneumatic actuators (SPAs) are highly promising and have been extensively explored within the field of soft robotics. Under pneumatic pressure loads, an SPA undergoes bending deformation to perform specific tasks. A multi- or omni-directional SPA can bend and move in any direction within a 3D space, leveraging its multiple degrees of freedom to realize various mechanical functions. This work presents a systematic methodology using topology optimization (TO) to achieve an optimized design for a multi-directional SPAs. To ensure manufacturing robustness, a three-field TO formulation considering blueprint, dilated, and eroded designs is implemented. Additionally, Darcy's law, incorporating a drainage term, is used to model the design-dependent nature of the pneumatic loading. A min-max optimization problem is formulated based on the target output deformations of the SPA unit and solved using the Method of Moving Asymptotes. The optimization yields a high-performing, unconventional geometric design. Finally, numerical simulations demonstrate that the optimized SPA successfully achieves versatile multi-directional movements.
• Abstract（参考訳）: ソフト空気圧アクチュエータ(SPA)は非常に有望であり、ソフトロボティクスの分野で広く研究されている。 空気圧負荷下では、SPAは特定のタスクを実行するために曲げ変形を行う。 多方向または全方向のSPAは3次元空間内の任意の方向を曲げ移動することができ、その多自由度を利用して様々な機械的機能を実現する。 本研究は,多方向SPAの最適化設計を実現するためにトポロジ最適化(TO)を用いた体系的手法を提案する。 製造の堅牢性を確保するため, 青写真, 拡張, 浸食設計を考慮した3フィールドTOの定式化を行う。 さらに、ダーシーの法則は排水項を取り入れ、空気圧負荷の設計に依存した性質をモデル化するために用いられる。 SPAユニットの目標出力変形に基づいて、min-max最適化問題を定式化し、Asymptotesの移動法を用いて解決する。 この最適化により、高性能で非伝統的な幾何学的設計が得られる。 最後に,最適化されたSPAが多方向移動を実現することを示す数値シミュレーションを行った。

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