Drawing on the driving mechanism of biological muscles and combining the nonlinear hyperelastic characteristics of silicone rubber, a multi-degree-of-freedom pneumatic soft bionic actuator is designed, which can be used as the executing mechanism for soft robots and robotic arms. Using response surface analysis and numerical simulation algorithms, the optimal combination of structural dimensions parameters is determined with the maximum bending and torsion angles output by the actuator as the optimization objectives. Based on the idea of flexible mechanism Piecewise Constant Curvature (PCC) modeling, the kinematics equation of the actuator is derived. Analyze the equivalent motion structure of the actuator and establish a dynamic model of the actuator based on the Lagrange method. The physical model of the actuator is manufactured using rapid prototyping technology. Finally, experimental testing and analysis are conducted on the physical model to obtain the motion and dynamic characteristics curves and empirical formulas of the actuator, which are compared with theoretical and simulation results to verify that the pneumatic soft bionic actuator is feasible and effective. The above research methods, processes, and results can provide reference and inspiration for the research and implementation of pneumatic and hydraulic soft robots and gripping actuators for soft robotic arms.

To meet the requirements of amphibious exploration, ocean exploration, and military reconnaissance tasks, a pneumatic amphibious soft bionic robot was developed by taking advantage of the structural characteristics, motion forms, and propulsion mechanisms of the sea lion fore-flippers, inchworms, Carangidae tails, and dolphin tails. Using silicone rubber as the main material of the robot, combined with the driving mechanism of the pneumatic soft bionic actuator, and based on the theory of mechanism design, a systematic structural design of the pneumatic amphibious soft bionic robot was carried out from the aspects of flippers, tail, head–neck, and trunk. Then, a numerical simulation algorithm was used to analyze the main executing mechanisms and their coordinated motion performance of the soft bionic robot and to verify the rationality and feasibility of the robot structure design and motion forms. With the use of rapid prototyping technology to complete the construction of the robot prototype body, based on the motion amplitude, frequency, and phase of the bionic prototype, the main execution mechanisms of the robot were controlled through a pneumatic system to carry out experimental testing. The results show that the performance of the robot is consistent with the original design and numerical simulation predictions, and it can achieve certain maneuverability, flexibility, and environmental adaptability. The significance of this work is the development of a pneumatic soft bionic robot suitable for amphibious environments, which provides a new idea for the bionic design and application of pneumatic soft robots.