基于纤维-气动耦合的变刚度蛇形机器人分层驱动器设计及其多步态研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.05.009

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (5): 1095-1104.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.05.009

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基于纤维-气动耦合的变刚度蛇形机器人分层驱动器设计及其多步态研究

穆俊齐¹^,²^,³(), 魏奕扬¹^,²^,³, 侯旭萍¹^,²^,³, 宗小峰¹^,²^,³()

^1.中国地质大学自动化学院, 武汉, 430074
^2.复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室, 武汉, 430074
^3.地质勘查智能技术教育部工程研究中心, 武汉, 430074

收稿日期:2025-06-19 出版日期:2026-05-25 发布日期:2026-06-09
通讯作者: 宗小峰
作者简介:穆俊齐，男，1997年生，博士研究生。研究方向为软体机器人的设计与控制。发表论文6篇。E-mail： mjq@cug.edu.cn
宗小峰^*（通信作者）男，1987年生，教授。研究方向为多智能体。发表论文80余篇。E-mail： Zongxf@cug.edu.cn。
第一联系人：金永平^*（通信作者），男，1984年生，教授、博士研究生导师。研究方向为海洋矿产资源勘探开发、深海探测技术与装备研发、深海作业装备可靠性与智能运维。E-mail： jinyongping@hnust.edu.cn。
基金资助:
湖北省自然科学基金杰出青年项目(2022CFA041)

Design and Multi-gait Implementation of Layered Actuators Based on Fiber-Pneumatic Coupled Variable-stiffness Snake Robots

MU Junqi¹^,²^,³(), WEI Yiyang¹^,²^,³, HOU Xuping¹^,²^,³, ZONG Xiaofeng¹^,²^,³()

^1.School of Automation，China University of Geosciences，Wuhan，430074
^2.Hubei Key Laboratory of Advanced Control and Intelligent Automation for Complex Systems，Wuhan，430074
^3.Engineering Research Center of Intelligent Technology for Geo-Exploration，Ministry of Education，Wuhan，430074

Received:2025-06-19 Online:2026-05-25 Published:2026-06-09
Contact: ZONG Xiaofeng

摘要/Abstract

摘要：

针对轮式蛇形机器人在复杂地形中易翻倒、适应性不强的问题，提出了一种基于纤维干扰变刚度原理的多步态气动蛇形机器人。该机器人气腔采用三层结构气动驱动器，通过气压调控实现刚度动态调整，并结合模块化设计集成气泵、电磁阀及单向轮等组件。实验结果表明，驱动器弯曲角度与气压成正相关，双层气腔结合纤维增强的设计使承载能力显著提高。通过协调转向与承载驱动器，机器人可完成蛇形直线运动、C形转角运动及手风琴型运动，并跨越自身高度三分之一的障碍物。模块化结构降低了维护成本，支持快速功能扩展。研究结果为轮式软体蛇形机器人提供了高效驱动方案，为其在救援、管道检测等复杂场景的应用奠定基础。

关键词: 蛇形机器人, 气动, 纤维干扰变刚度, 多步态

Abstract:

To address the issues of wheeled snake robots， such as easy toppling and poor adaptability in complex terrains， a pneumatic snake robot with multiple gaits was proposed based on the principle of fiber interference variable stiffness. The robot used a triple-layer structure pneumatic actuator to dynamically adjust stiffness via air pressure. The modular design integrated components such as air pumps， electromagnetic valves， and unidirectional wheels. The experimental results show that the bending angle of the actuator is positively correlated with the air pressure. The design of dual-cavity combined with fiber reinforcement significantly enhances the load-bearing capacity. By coordinating the steering and load-bearing actuators， the robot may perform serpentine linear motion， C-shaped turns， and accordion-like motion， even crossing obstacles a third of the height. The modular structure reduces maintenance costs and supports rapid functional expansion. These findings offer an efficient actuation solution for wheeled soft snake robots， and support applications in complex scenarios such as rescue and pipe inspection.

Key words: snake robot, pneumatic, fiber interference variable stiffness, multi-gait

中图分类号:

TP391.9

穆俊齐, 魏奕扬, 侯旭萍, 宗小峰. 基于纤维-气动耦合的变刚度蛇形机器人分层驱动器设计及其多步态研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(5): 1095-1104.

MU Junqi, WEI Yiyang, HOU Xuping, ZONG Xiaofeng. Design and Multi-gait Implementation of Layered Actuators Based on Fiber-Pneumatic Coupled Variable-stiffness Snake Robots[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(5): 1095-1104.

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图/表 13

图1 气动驱动器结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the pneumatic actuator structure

图2 气动驱动器制造流程示意图

Fig.2 Schematic diagram of the manufacturing process of pneumatic actuator

表1 硅胶材料的物理特性

Tab.1 Physical properties of silicone materials

特性参数	HC9010	HC9015	HC9020
邵氏硬度HA	10±2	15±2	20±2
撕裂强度/（kg·cm $- 1$ ）	8±1	12±1	16±1
拉伸强度/（kg·cm $- 2$ ）	25±5	30±8	35±8
伸长率/%	520±50	500±50	480±50

表1 硅胶材料的物理特性

Tab.1 Physical properties of silicone materials

特性参数	HC9010	HC9015	HC9020
邵氏硬度HA	10±2	15±2	20±2
撕裂强度/（kg·cm $- 1$ ）	8±1	12±1	16±1
拉伸强度/（kg·cm $- 2$ ）	25±5	30±8	35±8
伸长率/%	520±50	500±50	480±50

图3 复合结构气动驱动器

Fig.3 Composite structure pneumatic actuator

图4 输入气压与弯曲角度折线图

Fig.4 Line graph of input air pressure and bending angle

图5 承载驱动器对比实验图

Fig. 5 Comparison experiment diagram of the carrying

图6 承载驱动器负载实验图

Fig.6 Load test schematic of the load-bearing actuator

图7 模块单元示意图

Fig.7 Schematic diagram of the module unit

图8 软体蛇形机器人实物图

Fig.8 Physical picture of the soft serpentine robot

图9 蛇形直线运动示意图

Fig.9 Schematic diagram of serpentine linear motion

图10 C形转角运动示意图

Fig.10 Schematic diagram of C-shaped angular motion

图11 手风琴型运动示意简图

Fig.11 Simple graph of the accordion-type motion

图12 手风琴型运动示意图

Fig.12 Schematic diagram of accordion-type movement

参考文献 17

[1]	JAVAID M， HALEEM A， SINGH R P， et al. Substantial Capabilities of Robotics in Enhancing Industry 4.0 Implementation［J］. Cognitive Robotics， 2021， 1： 58-75.
[2]	CHEN S， CAO Y， SARPARAST M， et al. Soft Crawling Robots： Design， Actuation， and Locomotion［J］. Advanced Materials Technologies， 2020， 5（2）： 1900837.
[3]	罗自荣，洪阳，蒋涛，等. 微型仿生机器人研究现状综述［J］. 机械工程学报， 2025， 61（3）： 178-196.
	LUO Zirong， HONG Yang， JIANG Tao， et al. Review of Micro-bionic Robots［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2025， 61（3）： 178-196.
[4]	张来喜，赵杨昊宇，朱盛杰，等. 双驱动器仿肺软体机器人建模与变形分析［J］. 中国机械工程， 2025， 36（10）： 2379-2388.
	ZHANG Laixi， ZHAO Yanghaoyu， ZHU Shengjie， et al. Modeling and Deformation Analysis of Dual Actuator Lung-like Soft Robots［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（10）： 2379-2388.
[5]	苏中，张双彪，李兴城. 蛇形机器人的研究与发展综述［J］. 中国机械工程， 2015， 26（3）： 414-425.
	SU Zhong， ZHANG Shuangbiao， LI Xingcheng. Present Situation and Development Tendency of Snake-like Robots［J］. China Mechanical Engineering， 2015， 26（3）： 414-425.
[6]	KOOPAEE M J， BAL S， PRETTY C， et al. Design and Development of a Wheel-less Snake Robot with Active Stiffness Control for Adaptive Pedal Wave Locomotion［J］. Journal of Bionic Engineering， 2019， 16： 593-607.
[7]	QI X， SHI H， PINTO T， et al. A Novel Pneumatic Soft Snake Robot Using Traveling-wave Locomotion in Constrained Environments［J］. IEEE Robotics and Automation Letters， 2020， 5（2）： 1610-1617.
[8]	FUKUOKA Y， OTAKA K， TAKEUCHI R， et al. Mechanical Designs for Field Undulatory Locomotion by a Wheeled Snake-like Robot with Decoupled Neural Oscillators［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2023， 39（2）： 959-977.
[9]	ABDULSHAHEED A G， HUSSEIN M BIN， DZAHIR M A M， et al. A Review on Snake Robot Locomotion， Modelling， and Controlling in Challenging Environment［J］. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience， 2020， 17（2）： 558-569.
[10]	WANG X， ZHANG Q， SHEN D， et al. A Novel Rescue Robot： Hybrid Soft and Rigid Structures for Narrow Space Searching［C］∥2019 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics（ROBIO）. Dali， 2020： 2207-2213.
[11]	WANG K， GAO W， MA S， et al. Snake-like Robot with Fusion Gait for High Environmental Adaptability： Design， Modeling， and Experiment［J］. Applied Sciences， 2017， 7（11）： 1133.
[12]	SUI D， ZHAO S， WANG T， et al. Design of a Bio-inspired Extensible Continuum Manipulator with Variable Stiffness［J］. Journal of Bionic Engineering， 2025， 22（1）： 181-194.
[13]	HAN F， FEI L， ZOU R， et al. A Restorable， Variable Stiffness Pneumatic Soft Gripper Based on Jamming of Strings of Beads［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2023， 39（5）： 4065-4077.
[14]	XU F Y， JIANG F Y， JIANG Q S， et al. Soft Actuator Model for a Soft Robot with Variable Stiffness by Coupling Pneumatic Structure and Jamming Mechanism［J］. IEEE Access， 2020，8： 26356-26371.
[15]	HU T， LU X， YI J， et al. Biomimetic Soft Robotic Wrist with 3-DOF Motion and Stiffness Tunability Based on Ring-reinforced Pneumatic Actuators and a Particle Jamming Joint［J］. Science China Technological Sciences， 2024， 67（3）： 774-790.
[16]	YIN X， ZHOU P， XIE J， et al. A Human Finger-inspired Shape-locking Pneumatic Gripper Enabled by Folding Laminar Jamming Structure［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2024， 29（5）： 3626-3637.
[17]	LIU T， XIA H， LEE D Y， et al. A Positive Pressure Jamming Based Variable Stiffness Structure and Its Application on Wearable Robots［J］. IEEE Robotics and Automation Society［J］. IEEE Robotics and Automation Letters， 2021， 6（4）：8078-8085.

基于纤维-气动耦合的变刚度蛇形机器人分层驱动器设计及其多步态研究

Design and Multi-gait Implementation of Layered Actuators Based on Fiber-Pneumatic Coupled Variable-stiffness Snake Robots

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[1]	袁尧辉, 王成勇, 李伟秋, 郑李娟, 颜炳姜. 微量润滑切削用气动雾化器设计及雾化特性研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(4): 837-845.
[2]	黄鹏飞, 陈江, 成金鑫, 李斌, 向航. 基于多自由度参数化降维方法的涡轮叶片高效气动优化[J]. 中国机械工程, 2026, 37(2): 255-263.
[3]	孟德远, 张猛, 刘送永, 唐超权. 气动肌肉驱动六自由度并联平台的高精度位姿控制[J]. 中国机械工程, 2026, 37(1): 73-82.
[4]	魏琼, 白林勇, 陈子超, 张道德, 李奕. 基于扰动观测和摩擦补偿的气动摆角伺服系统滑模控制[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2563-2573.
[5]	王天奇, 陈江, 向航, 宋晓飞. 基于预筛选代理模型和直接操纵自由变形参数化的向心涡轮气动优化[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2171-2178.
[6]	李浩, 刘欣荣, 刘仪沁, 范狄庆. 基于改进自抗扰控制的高空风机叶片打磨机器人被动柔顺控制方法研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(08): 1832-1841.
[7]	孙艳红1, 庞聪2, 张伟2, 张成2, 邱毅1, 郑旭1. 自通风永磁同步电机的气动噪声优化[J]. 中国机械工程, 2025, 36(01): 18-28.
[8]	蒋维琦1, 施恒1, 黄海波1, 彭为2, 任睿1, 杜龙飞1, 许一伟1. 重型集装箱卡车轮胎磨损颗粒物散射的分布特性[J]. 中国机械工程, 2024, 35(12): 2251-2258.
[9]	黎朝阳1, 罗天洪2, 马翔宇2, 方尚晨1, 王珂3. 气动人工肌肉驱动的可变瞬心外骨骼设计与研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(10): 1783-1792.
[10]	吕播阳1, 2, 3, 孟庆鑫1, 2, 3, 肖怀1, 2, 3, 赖旭芝1, 2, 3, 王亚午1, 2, 3, 吴敏1, 2, 3. 基于改进三元模型的波纹管型气动软体驱动器神经网络滑模控制[J]. 中国机械工程, 2024, 35(08): 1414-1425.
[11]	张迪嘉1, 2, 高路平2, 周少梁2, 高隆隆2, 李宝仁2. 高压气动压力伺服系统的鲁棒控制[J]. 中国机械工程, 2024, 35(07): 1141-1150.
[12]	袁志群, 李曰瀚, 林立, 孙鹏飞, 张义, . 风车桥气动干扰作用下的汽车纵横向协调控制[J]. 中国机械工程, 2024, 35(04): 731-741.
[13]	舒霞云, 王策, 常雪峰, 钟智东, 唐毅泉, . 鞘气辅助空气动力学透镜聚焦的干法气溶胶喷印实验研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(01): 152-159.
[14]	高昆, 任延岫, 朱悦, 齐乐华, 罗俊. 飞机钛合金蒙皮战伤便携气动铣切试验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(19): 2320-2326.
[15]	陈西忍, 叶文华, 张朝宏, 崔坤坤, 冷晟, 叶柳康. 基于NURBS曲线的超高速电梯导流罩多目标气动优化设计[J]. 中国机械工程, 2023, 34(12): 1436-1445,1464.