软体机器人导论

软体机器人是机器人研究的新兴、前沿研究方向。在综合大量文献资料的基础上，结合作者多年来从事软体机器人研究的学术成果，本书系统介绍了软体机器人领域的基础知识和前沿进展。全书共6章，包括绪论，软体机器人的

驱动与传感，软体机器人的材料、设计与制造，软体机器人的建模与控制，软体机器人的应用，软体机器人未来展望。每章都附有习题，方便感兴趣的读者进一步钻研探索。

本书可作为全国高等学校相关专业的本科生或研究生教材，也可供对软体机器人感兴趣的研究人员和工程技术人员阅读参考。

人工智能是我国的国家发展战略之一，而机器人是人工智能的重要载体。随着科学技术的发展，机器人在人类社会中发挥着越来越重要的作用。但目前机器人面临的一项核心挑战是如何与自然界安全交互，以及

如何在非结构化环境下作业。传统刚性机器人因其结构和材料多采用硬质材料，结构与材料自身不能随外界环境变形且自适应不足等因素，在安全交互、非结构化环境作业等领域面临挑战。因此，研究人员开始从机器人的结构与材料、制造方法、

感知与驱动等维度展开新的探索。随着智能材料、柔性驱动与传感、多材料3D打印、微纳米加工技术的发展，一种新的机器人类型——软体机器人——在近十年成为了国际学术界研究热点。

美国麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室主任、美国国家工程院院士Daniela Rus将“软体机器人”列为机器人领域十二大前沿技术之首。在中国工程院发布的《全球工程前沿2020》文件中，“软体机器人”位列十大前沿领域。

软体机器人具备柔顺性与大变形能力，可高效、安全地与非结构化环境和自然界生物进行交互。自然界柔性体生物灵巧的结构与高效的运动机理为软体机器人的设计提供了丰富的灵感。基于柔性材料的仿生软体机器人能够和生物体一样通过不同结构、不同形态变化获取不同的运动模式。在仿生灵感的指导下，软体机器人实现了抓取、爬行、跳跃、滚动、游动等多种仿生运动，在人机交互、医疗康复、特种作业等领域有诸多潜在的应用。同时，软体机器人作为一项多学科交叉领域，其研究不但有利于推动各类作业机器人新型样机的研发，还有利于揭示自然界生物在形态学、材料学、力学、运动学等方面的科学问题。

作者多年来一直从事软体机器人的教学和科研工作，在北京航空航天大学主讲“软体机器人”

这门研究生课程。尽管软体机器人已成为研究热点，但截至2021年，国内高校尚没有一本相关教材，导致学生只能通过

阅读论文获得片面的信息。软体机器人在材料、传感、驱动、建模和控制等方面均与传统刚性机器人有很大不同，故若以现有的传统刚性机器人教材作为学习的参考资料，作用有限。因此，作者深感有必要编写一本软体机器人导论，作为相关课程学生以及对软体机器人感兴趣的研究人员的入门学习资料，助力软体机器人研究人员的科研工作。

本书主要内容

为了使读者能够更好地理解本书内容, 作者试图尽可能少地使用数学知识，尽量以通俗的语言并辅以大量的插图

进行介绍。此外，由于软体机器人是机器人学中一个新兴的分支学科，

许多高校也早已开设了机器人学

课程。因此，本书直接引用了大量机器人学中的专业术语。建议选修此课程的学生提前或同步学习

“机器人学”这门课程，以便更好地理解本书内容。读者也可参考John J．Craig的《机器人学导论》 或Mark W．Spong的《机器人建模和控制》这两本经典机器人学教材。

本书共6章。

第1章主要阐述软体机器人的基础知识，其中，主要介绍软体机器人的定义、特点和应用； 着重介绍软体机器人的起源及发展，列举了许多重要的里程碑工作，并分析了该领域广受欢迎并迅速发展的原因。

第2章主要介绍软体机器人的

驱动与传感。其中，

驱动部分详细介绍常用的软体驱动方法，包括流体驱动、线缆驱动、形状记忆材料驱动、电活性聚合物驱动；

传感部分详细介绍常用的软体传感技术、软体传感研究进展和软件传感的挑战等；

最后简要介绍驱动传感一体化的发展趋势。

第3章主要介绍软体机器人的材料、设计与制造。其中，材料部分详细介绍常用的软体材料，包括弹性体、水凝胶、形状记忆聚合物、电活性聚合物、液态金属等； 力学与结构设计部分简要介绍几种仿生结构； 变刚度部分详细介绍常用的变刚度方法，包括基于拮抗原理、阻塞原理、低熔点合金、电流变液、磁流变液、形状记忆材料变刚度等； 最后详细介绍软体机器人制造方法，包括浇筑成型、形状沉积制造、3D打印等。

第4章主要介绍软体机器人的建模与控制。其中，运动学建模部分着重介绍几何模型中的分段常曲率模型和力学模型中的Cosserat杆理论； 动力学建模部分简要介绍欧拉拉格朗日方程，详细介绍四种具有代表性的软体机器人动力学建模方法，包括集中参数模型、“虚拟”刚性连杆机器人模型、Cosserat杆模型和机器学习方法； 控制方法部分重点介绍基于模型的静态控制器、无模型静态控制器、基于模型的动态控制器和无模型动态控制器。

第5章主要介绍软体机器人的应用。其中，仿生、特种与极端环境部分详细介绍仿生软体机器人和

仿生水下软体机器人的应用； 抓取、操作与可穿戴部分重点介绍软体手的应用。

第6章主要介绍软体机器人未来展望。简要分析材料、设计与制造，驱动与传感，建模与控制等方向面对的主要挑战和未来发展趋势。

本书特色

(1) 深入浅出地讲解软体机器人的基本概念和基本原理。

(2) 每章配有习题，以满足读者进一步学习的需求。

配套资源

为便于教学，本书配有教学课件和教学大纲，读者可识别封底“书圈”二维码

，关注后回复本书的书号，即可下载。

读者对象

本书可作为全国高等学校相关专业的本科生或研究生教材，也可供对软体机器人感兴趣的研究人员和工程技术人员阅读参考。

王伟、刘昱辰、陈勃翰、陈俊宇、朵有宁、左宗灏、田路峰等负责通读与审阅，并提出了许多宝贵的意见，对本书质量的提高有很大的帮助，在此向他们表示衷心的感谢。

在本书的编写过程中，参考了诸多相关资料。在此对相关资料的作者表示衷心的感谢。

限于个人水平和时间仓促，书中难免存在疏漏之处，欢迎读者批评指正。

编者2022年5月

第1章绪论

1.1什么是软体机器人

1.2软体机器人的起源及发展

习题

第2章软体机器人的驱动与传感

2.1软体驱动

2.1.1流体驱动

2.1.2线缆驱动

2.1.3形状记忆材料驱动

2.1.4电活性聚合物驱动

2.2软体传感

2.2.1软体传感技术

2.2.2软体传感研究进展

2.2.3软体传感的挑战

2.3驱动传感一体化

习题

第3章软体机器人的材料、设计与制造

3.1软体材料

3.1.1弹性体

3.1.2水凝胶

3.1.3形状记忆聚合物

3.1.4电活性聚合物

3.1.5液态金属

3.2软体力学与结构设计

3.3软体机器人变刚度

3.3.1基于拮抗原理变刚度

3.3.2基于阻塞原理变刚度

3.3.3基于低熔点合金变刚度

3.3.4基于电流变液或磁流变液变刚度

3.3.5基于形状记忆材料变刚度

3.4软体机器人制造方法

3.4.1浇筑成型

3.4.2形状沉积制造

3.4.33D打印

习题

第4章软体机器人的建模与控制

4.1运动学建模

4.1.1几何模型

4.1.2力学模型

4.2动力学建模

4.2.1欧拉拉格朗日方程

4.2.2软体机器人动力学建模方法

4.2.3未来挑战

4.3软体机器人控制方法

4.3.1基于模型的静态控制器

4.3.2无模型静态控制器

4.3.3基于模型的动态控制器

4.3.4无模型动态控制器

4.3.5讨论

习题

第5章软体机器人的应用

5.1仿生、特种与极端环境

5.1.1仿生软体机器人

5.1.2仿生水下软体机器人

5.2抓取、操作与可穿戴

习题

第6章软体机器人未来展望

6.1材料、设计与制造

6.2驱动与传感

6.3建模与控制

习题

参考文献