作为机器人学领域的一个新兴分支，软体机器人因其固有的可变形性、柔顺性、适应性和可调性而受到越来越多的关注[1]、[2]、[3]。因此，它们在仿生机器人[4]、[5]、[6]、可穿戴设备[7]、[8]、[9]以及操作机械[10]、[11]、[12]等领域得到了广泛应用。已经开发出了多种由智能记忆合金[13]、气动/液压压力[14]、[15]、[16]、[17]、肌腱[18]、[19]、[20]以及智能可变形材料[21]、[22]驱动的软体机器人。其中，气动驱动模式由于重量轻、响应快、环保等优点而被广泛使用[23]。
典型的软体气动执行器（SPA）由弹性材料制成的密封腔室和连接到其上的管道组成，通常用于充气和放气。在一定的气压下，SPA会发生变形以产生所需的运动形式。根据压力状态，常见的单腔室SPA主要分为三类：正压驱动的SPA[24]、[25]、[26]、负压驱动的SPA[27]、[28]以及混合压力驱动的SPA[29]、[30]。通过各种组合和重新设计，单腔室SPA可以构成多种软体机器人，如软夹持器[28]、[31]、[32]、[33]、软体机械臂[34]、[35]以及软体攀爬机器人[16]、[36]。随着仿生技术的发展，更复杂和灵活的软体机器人应运而生，这对气动系统及其压力管理的精度提出了更高的要求。同时，无线控制模式也对软体机器人的气动系统的集成化和小型化提出了更高要求。
根据空气源生成机制，气动系统通常分为两类：注射器驱动或气缸驱动的系统[37]、[38]，以及采用集成泵和电磁阀的系统[39]、[40]。前者具有更简单的气动设计，通过改变注射器或气缸的体积来调节压力，从而实现更连续和平稳的充气和放气过程。然而，这类气动系统能够输出的最大正压和负压受到SPA内空气腔室体积和注射器体积的限制，难以应对复杂的充气和放气策略。为了解决这些限制，大多数软体机器人使用基于泵和电磁阀组合的气动系统，其中泵用于生成空气源，电磁阀控制气流的开关，同时还开发了比例压力电磁阀来控制压力值。然而，传统的泵和阀组合气动系统只能产生一种气压状态[41]。例如，真空泵可以产生负压，而空气压缩机可以产生正压。构建能够满足复杂气压调节要求的空气回路需要较大的体积。因此，较大的体积和沉重的设备使得将气动系统集成到软体机器人中变得困难。结果，目前市场上的大多数软体机器人都采用有线控制模式，这大大限制了软体机器人的应用范围。
为了推动气动软体机器人向无线、集成化和智能化方向发展，研究人员开始研究便携式气动解决方案，并取得了许多令人印象深刻的结果。例如，廖等人[42]通过使用多个隔膜泵、真空泵和电磁阀实现了正压和负压的生成。但由于系统的复杂性及成本较高，软体机器人的便携式集成操作仍然具有挑战性。为了提高软体机器人的集成度，张等人设计了一种仅使用一个隔膜泵而不需要真空泵的正负压集成气动系统[43]。然而，这种气动系统在没有添加隔膜泵的情况下无法扩展气路分支。
鉴于上述问题，为了促进气动软体机器人的集成潜力，我们设计了一种微型气动系统架构，该架构能够使用单个泵驱动多个气路分支，同时实现正压和负压编程，并尽量减少使用的阀门数量。基于仅一个泵的设计，我们设计的气动系统还可以根据机器人气动电路调整的需求扩展或减少气路分支。为了验证所提出气动系统的有效性，我们设计了一个具有三个控制分支的微型气动系统原型，以调节正压和负压，并验证了该系统提供的压力范围和充放电速度的可控性。在实际应用中，我们在三自由度仿生手指、基于折纸结构的软体并联操纵器和攀爬机器人上展示了其效果。
本研究的主要贡献如下：
(1) 为了促进气动软体机器人的集成化，我们提出了一种微型气动系统架构，能够在最小化组件使用的同时实现可扩展的气路分支，仅需添加电磁阀而无需添加隔膜泵。
(2) 该气动系统具有可编程的正压和负压状态以及平滑的压力过渡，能够满足不同软体机器人的压力调节需求。
(3) 设计了一种具有三个控制分支的微型气动系统原型，用于调节正压和负压。验证了该系统的压力范围及其控制充放电速度的能力。在实际应用中，我们在三自由度仿生手指、基于折纸结构的软体并联操纵器和攀爬机器人上展示了其效果。
本文的结构如下：在第二章中，我们构建了一种创新的气动系统架构，设计了多种压力操作方法和闭环压力控制方式。第三章验证了气动系统的性能。第四章将气动系统应用于单自由度软体手指、并联软体机械臂和吉村折纸结构攀爬机器人。最后对这项工作进行了总结。
