In this work, we propose a new kind of soft–rigid hybrid actuator composed mainly of soft chambers and rigid frames. Compared with the well-known fiber-reinforced soft actuators, the hybrid actuators are able to ensure the design of noncircular cross-sectional shapes. It is demonstrated that rigid frames are capable of providing geometric constraints, reducing the ineffective deformation, and improving the energy utilization for the hybrid actuators with noncircular cross-sections. The essential characteristics of rigid constraints and flexible constraints are obtained by simulation and experiments on specimens with three different cross-sectional shapes. Furthermore, a spring-fluid film model is introduced to characterize the behavior of a representative hybrid linear actuator and a bending actuator with a rectangular cross-section, and it is also proved by the corresponding experiments. The change of the cross-sectional shape of fiber-reinforced soft actuators under pressurization is also explained theoretically as a contrast. Then, two application examples, namely, a robotic gripper and a caudal fin formed from linear actuators, are designed and demonstrated, showing the advantages and potential applications of the proposed geometric confined hybrid actuators. The proposed soft–rigid hybrid actuators combine the properties of soft and rigid materials, expand the design scope of the compliant actuators, and provide new solutions for robotics, especially for soft robots with specific requirements for their shapes or profiles.

中文翻译：

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几何约束气动软硬混合执行器。

在这项工作中，我们提出了一种新的软刚混合执行器，主要由软腔和刚性框架组成。与众所周知的纤维增强软执行器相比，混合执行器能够确保非圆形横截面形状的设计。已经证明，刚性框架能够提供几何约束，减少无效变形，并提高具有非圆形横截面的混合执行器的能量利用率。通过对三种不同横截面形状的试样进行仿真和实验，获得了刚性约束和柔性约束的基本特征。此外，还引入了弹簧-流体膜模型来表征具有代表性的混合线性致动器和具有矩形横截面的弯曲致动器的行为，并通过相应的实验证明。作为对比，从理论上也解释了纤维增强的软致动器在加压下的横截面形状的变化。然后，设计并演示了两个应用示例，即机器人抓爪和由线性致动器形成的尾鳍，展示了所提出的几何约束混合致动器的优势和潜在应用。拟议中的软硬混合执行器结合了软性和刚性材料的特性，扩展了顺应性执行器的设计范围，并为机器人技术提供了新的解决方案，尤其是对形状或轮廓有特定要求的软机器人。作为对比，从理论上也解释了纤维增强的软致动器在加压下的横截面形状的变化。然后，设计并演示了两个应用示例，即机器人抓爪和由线性致动器形成的尾鳍，展示了所提出的几何约束混合致动器的优势和潜在应用。拟议中的软硬混合执行器结合了软性和刚性材料的特性，扩展了顺应性执行器的设计范围，并为机器人技术提供了新的解决方案，尤其是对形状或轮廓有特定要求的软机器人。作为对比，从理论上也解释了纤维增强的软致动器在加压下的横截面形状的变化。然后，设计并演示了两个应用示例，即机器人抓爪和由线性致动器形成的尾鳍，展示了所提出的几何约束混合致动器的优点和潜在应用。拟议中的软硬混合执行器结合了软性和刚性材料的特性，扩展了顺应性执行器的设计范围，并为机器人技术提供了新的解决方案，尤其是对形状或轮廓有特定要求的软机器人。展示了所提出的几何约束混合执行器的优势和潜在应用。拟议中的软硬混合执行器结合了软性和刚性材料的特性，扩展了顺应性执行器的设计范围，并为机器人技术提供了新的解决方案，尤其是对形状或轮廓有特定要求的软机器人。展示了所提出的几何约束混合执行器的优势和潜在应用。拟议中的软硬混合执行器结合了软性和刚性材料的特性，扩展了顺应性执行器的设计范围，并为机器人技术提供了新的解决方案，尤其是对形状或轮廓有特定要求的软机器人。