对于宏观尺度的简单机器人平台，对群系统的控制相对良好地理解。然而，关于微型摩托管可以实现类似的结果，仍有几个未解决的问题。本文提出了一种基于全球磁场下磁化自推进Janus Microorobots的动态模型的建模框架。我们通过实验验证我们的模型，并提供了可以旨在准确描述微机器的行为的方法，同时建模他们的同时控制。该模型可以广泛地推广到低雷诺数环境中的其他微生物平台。

Micron-scale robots (ubots) have recently shown great promise for emerging medical applications, and accurate control of ubots is a critical next step to deploying them in real systems. In this work, we develop the idea of a nonlinear mismatch controller to compensate for the mismatch between the disturbed unicycle model of a rolling ubot and trajectory data collected during an experiment. We exploit the differential flatness property of the rolling ubot model to generate a mapping from the desired state trajectory to nominal control actions. Due to model mismatch and parameter estimation error, the nominal control actions will not exactly reproduce the desired state trajectory. We employ a Gaussian Process (GP) to learn the model mismatch as a function of the desired control actions, and correct the nominal control actions using a least-squares optimization. We demonstrate the performance of our online learning algorithm in simulation, where we show that the model mismatch makes some desired states unreachable. Finally, we validate our approach in an experiment and show that the error metrics are reduced by up to 40%.

外部磁场可用于远程控制小尺寸的机器人，使其具有多样化的生物医学和工程应用的候选人。我们表明，我们的磁动毫罗罗布特是高度敏捷的，并且可以执行各种机车任务，例如枢轴行走和在水平面翻滚。在这里，我们专注于控制枢轴行走模式中该毫无米罗罗布特的运动效果。开发了系统的数学模型，派生了运动模型。还研究了机器人运动中扫描和倾斜角度的作用。我们提出了两个控制器来调节枢轴步行者的步态。第一个是比例几何控制器，它决定了Millobot应该使用的正确枢轴点。然后，它基于毫无槌和参考轨迹的中心之间的误差按比例地调节角速度。第二控制器基于梯度下降优化技术，其表示控制动作作为优化问题。这些控制算法使得MilliRobot能够在跟踪所需的轨迹时产生稳定的步态。我们进行一组不同的实验和模拟运行，以确定所提出的控制器在跟踪误差方面的不同扫描和倾斜角度的有效性。这两个控制器表现出适当的性能，但观察到基于梯度下降基于的控制器产生更快的收敛时间，更小的跟踪误差和更少的步数。最后，我们对扫描角度，倾斜角度和步进时间对跟踪误差的影响进行了广泛的实验参数分析。正如我们所预期的那样，基于优化的控制器优于基于几何的控制器。

虽然在各种应用中广泛使用刚性机器人，但它们在他们可以执行的任务中受到限制，并且在密切的人机交互中可以保持不安全。另一方面，软机器鞋面超越了刚性机器人的能力，例如与工作环境，自由度，自由度，制造成本和与环境安全互动的兼容性。本文研究了纤维增强弹性机壳（释放）作为一种特定类型的软气动致动器的行为，可用于软装饰器。创建动态集参数模型以在各种操作条件下模拟单一免费的运动，并通知控制器的设计。所提出的PID控制器使用旋转角度来控制多项式函数之后的自由到限定的步进输入或轨迹的响应来控制末端执行器的方向。另外，采用有限元分析方法，包括释放的固有非线性材料特性，精确地评估释放的各种参数和配置。该工具还用于确定模块中多个释放的工作空间，这基本上是软机械臂的构建块。

本文提出了一种控制操纵器系统，掌握刚体有效载荷的方法，因此，由于外部施加的力与另一个自由浮动的刚体（具有不同的惯性特性）相同，因此组合系统的运动与另一个相同。这允许在1-G实验室环境中测试下的缩放航天器原型的零G仿真。由运动反馈和力量/力矩反馈组成的控制器调整了测试航天器的运动，以匹配飞行航天器的运动，即使后者具有灵活的附属物（例如太阳能电池板），而前者则是刚性的。整体系统的稳定性进行了分析研究，结果表明，只要两个航天器的惯性特性不同，并且尊重有效载荷与操纵器的惯性比率的上行，则该系统保持稳定。还提出了重要的实际问题，例如校准和对传感器噪声和量化的敏感性分析。

我们探索粒状介质（GM）中软机器的运动，由细长杆的弹性变形产生。提出了由细菌的生理结构的低成本，迅速制造的机器人。它由刚性头部，带有电动机和电池的嵌入式和电池，以及多个弹性杆（我们的灯泡模型）来调查通用汽车的运动。弹性鞭毛在电机一端旋转，它们由于从GM的拖动而变形，推动机器人。外部拖动由鞭毛形状决定，而后者由于外部负载和弹力之间的竞争而改变。在该耦合的流体结构相互作用问题中，我们观察到增加鞭毛的数量可以减小或增加机器人的推进速度，这取决于系统的物理参数。这种简单机器人之间的功能关系中的这种非线性激励我们利用理论，数值模拟和实验来从根本上分析其力学。我们提出了一个简单的欧拉伯努利光束理论的分析框架，其能够定性地捕获这两种情况。当鞭毛变形小时，理论预测定量匹配实验。为了考虑经常在软机器人和微生物中遇到的几何非线性变形，我们实施了一种仿真框架，该框架包括弹性杆的离散微分几何形状模拟，这是一种基于电阻理论的拖曳模型，以及用于流体动力学的改进的斯托克斯法机器人头。与实验数据的比较表明模拟可以定量地预测机器人运动。总的来说，本文中提出的理论和数值工具可以在粒状或流体介质中的这类清晰的机器人的设计和控制来阐明。

基于被动宏观瓷砖的自组装（TBSA）的新兴领域通过利用TBSA的内在并行性来实现有效的制造过程，这表明了有望实现有效的制造过程。但是，当前的TBSA方法仍然无法满足其潜力，这主要是因为此类组件通常容易出现错误，并且由于机械稳定性不足，单个组件的大小受到限制。此外，随着组件的规模增长，不稳定问题会恶化。我们使用一种新型的磁性粘结瓷砖，在这里提出了一个逆转这种趋势的框架。即，随着组件的成长，它变得更加稳定。通过引入两组朝相反方向移动的瓷砖，从而使组装净力归零，可以实现稳定性。使用基于物理学的计算实验，我们将所提出方法的性能与常见的轨道摇动方法进行比较，证明所提出的瓷砖系统确实具有自动化的特征。我们的方法使组件可以建造数百个瓷砖，而摇动方法本质上仅限于几十英尺。我们的结果表明，基于机械的，基于搅动的TBSA方法的主要局限性之一可能是通过使用一群自由运行的无传感器移动机器人来克服的，以宏观尺度以无源瓷砖为代表。

微生物，特别是微型游泳者，对生物学和流体动力学的领域感兴趣的运动效率和机械效率。设计鞭打的微型和宏观机器人的挑战是从弹性和流体动力学的相互作用中随后的细长结构（例如棒状鞭毛）的几何非线性变形。某些类型的细菌如大肠杆菌通过在低雷诺流中旋转多个丝状结构来推动自己。这种多鞭状的推进机制与其他类型的细菌（如富轴霍乱）呈现的单鞭状机制定性不同。差异包括鞭毛形成束，以提高细胞运动性的方向稳定性，为细胞移动提供冗余，并提供鞭毛成为递送材料本身的能力。最重要的是，多鞭状的生物系统可以激发新型软机器，用于在人体内施用药物运输和递送。我们提出了一种宏观软机械硬件平台和用于多鞭状机器人的物理合理的仿真模型的计算框架。流体结构相互作用仿真将离散弹性棒算法与正则化的阶段段的方法耦合。由于Spillmann和Teschner，两个鞭毛之间的联系由基于惩罚的方法处理。我们在我们的实验和仿真结果之间显示比较，并验证模拟工具是否可以捕获此问题的基本物理。将多抹布机器人的稳定性和效率与单鞭状的对应物进行比较。

机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。

MODBOAT是一种低成本，不足的模块化机器人，能够进行表面游泳，停靠到其他模块，并仅使用一个电动机和两个被动式拖鞋从中脱落。通过在某些配置中引起相邻模块的尾巴之间的故意自我碰撞来实现撤消；但是，当集体游泳作为一个连接的组件是理想的时，这将成为一个挑战。在这项工作中，我们制定了一种集中式控制策略，以允许\ textit {任意}配置Modboats作为单个可通道的车辆游泳，并保证不会意外撤离。我们还提出了一个简化的模型，用于在实时控制的配置中以船只之间的流体动力相互作用。我们在实验上证明，我们的控制器的性能很好，对于各种尺寸和形状的配置都是一致的，并且可以同时控制潮流速度和偏航角。游泳时保持可控性，但是纯偏航控制会导致侧向运动，而横向运动不能被提出的框架抵消。

Microswimmers can acquire information on the surrounding fluid by sensing mechanical queues. They can then navigate in response to these signals. We analyse this navigation by combining deep reinforcement learning with direct numerical simulations to resolve the hydrodynamics. We study how local and non-local information can be used to train a swimmer to achieve particular swimming tasks in a non-uniform flow field, in particular a zig-zag shear flow. The swimming tasks are (1) learning how to swim in the vorticity direction, (2) the shear-gradient direction, and (3) the shear flow direction. We find that access to lab frame information on the swimmer's instantaneous orientation is all that is required in order to reach the optimal policy for (1,2). However, information on both the translational and rotational velocities seem to be required to achieve (3). Inspired by biological microorganisms we also consider the case where the swimmers sense local information, i.e. surface hydrodynamic forces, together with a signal direction. This might correspond to gravity or, for micro-organisms with light sensors, a light source. In this case, we show that the swimmer can reach a comparable level of performance as a swimmer with access to lab frame variables. We also analyse the role of different swimming modes, i.e. pusher, puller, and neutral swimmers.

以前已经评估过使用轮毂，无人驾驶飞机，立方体，小萨特人等进行空中和地面操纵，感知和侦察的可行性。在所有这些解决方案中，基于气球的系统具有使其极具吸引力的优点，例如，简单的操作机构和持久的操作时间。但是，在基于气球的应用中，有许多障碍要克服，以实现强大的游荡性能。我们试图确定设计和控制挑战，并提出一个新型的机器人平台，该平台允许在火星陨石坑的侦察和感知中应用气球。这项工作简要涵盖了我们建议的驱动和模型预测控制设计框架，用于转向此类气球系统。我们提出了多个无人接地车辆（UGV）的协调伺服，以调节电缆驱动的气球中的张力，并将其连接到未成熟的悬挂有效载荷上。

机器人布操作是自动机器人系统的相关挑战性问题。高度可变形的对象，因为纺织品在操纵过程中可以采用多种配置和形状。因此，机器人不仅应该了解当前的布料配置，还应能够预测布的未来行为。本文通过使用模型预测控制（MPC）策略在对象的其他部分应用动作，从而解决了间接控制纺织对象某些点的配置的问题，该策略还允许间接控制的行为点。设计的控制器找到了最佳控制信号，以实现所需的未来目标配置。本文中的探索场景考虑了通过抓住其上角，以平方布的下角跟踪参考轨迹。为此，我们提出并验证线性布模型，该模型允许实时解决与MPC相关的优化问题。增强学习（RL）技术用于学习所提出的布模型的最佳参数，并调整所得的MPC。在模拟中获得准确的跟踪结果后，在真实的机器人中实现并执行了完整的控制方案，即使在不利条件下也可以获得准确的跟踪。尽管总观察到的误差达到5 cm标记，但对于30x30 cm的布，分析表明，MPC对该值的贡献少于30％。

A reduced order model of a generic submarine is presented. Computational fluid dynamics (CFD) results are used to create and validate a model that includes depth dependence and the effect of waves on the craft. The model and the procedure to obtain its coefficients are discussed, and examples of the data used to obtain the model coefficients are presented. An example of operation following a complex path is presented and results from the reduced order model are compared to those from an equivalent CFD calculation. The controller implemented to complete these maneuvers is also presented.

为了实现机器人操作中影响的剥削，提出了一个新框架，以控制机器人操纵器，该机器人操纵器的任务是名义上同时执行的影响。在此框架中，我们采用了对应于前后运动和影响后运动的时间不变的参考矢量场的跟踪，从而在相似的常规跟踪控制方法上增加了其适用性。前后的引用和后影响引用是通过刚性冲击图耦合的，并扩展到预期发生冲击的区域重叠，以便始终遵循与机器人实际接触状态相对应的参考。由于通常会发生在不同接触点处的一系列冲击，从而导致接触模式和不可靠的速度测量值的不确定性，因此制定了针对时间不变参考的新的临时控制模式。在此模式下，位置反馈信号来自静电速度参考，该参考用于在所有接触点中强制执行持续的接触，而无需使用速度反馈。为了注重实际实现，该方法是使用QP控制框架制定的，并使用具有硬弹性接触模型的刚性机器人和具有柔性关节和合规性弹性触点模型的逼真的机器人模型上的数值模拟进行了验证。

Force modulation of robotic manipulators has been extensively studied for several decades. However, it is not yet commonly used in safety-critical applications due to a lack of accurate interaction contact modeling and weak performance guarantees - a large proportion of them concerning the modulation of interaction forces. This study presents a high-level framework for simultaneous trajectory optimization and force control of the interaction between a manipulator and soft environments, which is prone to external disturbances. Sliding friction and normal contact force are taken into account. The dynamics of the soft contact model and the manipulator are simultaneously incorporated in a trajectory optimizer to generate desired motion and force profiles. A constrained optimization framework based on Alternative Direction Method of Multipliers (ADMM) has been employed to efficiently generate real-time optimal control inputs and high-dimensional state trajectories in a Model Predictive Control fashion. Experimental validation of the model performance is conducted on a soft substrate with known material properties using a Cartesian space force control mode. Results show a comparison of ground truth and real-time model-based contact force and motion tracking for multiple Cartesian motions in the valid range of the friction model. It is shown that a contact model-based motion planner can compensate for frictional forces and motion disturbances and improve the overall motion and force tracking accuracy. The proposed high-level planner has the potential to facilitate the automation of medical tasks involving the manipulation of compliant, delicate, and deformable tissues.

Modboat是一种低成本，不足的模块化机器人，能够表面游泳。它能够单独游泳，停靠其他Modboats，并仅使用单个电动机和两个被动拖鞋从它们中取消锁定。通过在相邻模块的尾巴之间引起故意自我碰撞，可以实现无额外动理的撤消；当团队游泳是一个连接的组件时，这将成为一个挑战。在这项工作中，我们制定了一种控制策略，以使平行的Modboats的平行格子作为一个单元游泳，该单元通常需要自动模块。我们表明，保证控制策略可以避免无意中的脱节，并最大程度地减少晶格内的内力。实验验证表明，控制器的性能很好，并且对于各种尺寸的晶格是一致的。游泳时保持可控性，但是纯偏航控制会导致侧向运动，而横向运动不能被提出的框架抵消。

近二十年来，软机器人技术一直是机器人社区中的一个热门话题。但是，对于软机器人进行建模和分析的可用工具仍然有限。本文介绍了一个用户友好的MATLAB工具箱Soft Robot Simulator（Sorosim），该工具集合了Cosserat杆的几何变量应变（GVS）模型，以促进对软，刚性或混合机器人系统的静态和动力分析。我们简要概述了工具箱的设计和结构，并通过将其结果与文献中发布的结果进行比较。为了突出该工具箱有效建模，模拟，优化和控制各种机器人系统的潜力，我们演示了四个示例应用程序。所示的应用探索了单，分支，开放式和闭合链机器人系统的不同执行器和外部加载条件。我们认为，软机器人研究社区将从Sorosim工具箱中大大受益，用于多种应用。

现代机器人系统具有卓越的移动性和机械技能，使其适合在现实世界场景中使用，其中需要与重物和精确的操纵能力进行互动。例如，具有高有效载荷容量的腿机器人可用于灾害场景，以清除危险物质或携带受伤的人。因此，可以开发能够使复杂机器人能够准确地执行运动和操作任务的规划算法。此外，需要在线适应机制，需要新的未知环境。在这项工作中，我们强加了模型预测控制（MPC）产生的最佳状态输入轨迹满足机器人系统自适应控制中的Lyapunov函数标准。因此，我们将控制Lyapunov函数（CLF）提供的稳定性保证以及MPC在统一的自适应框架中提供的最优性，在机器人与未知对象的交互过程中产生改进的性能。我们验证了携带未建模有效载荷和拉重盒子的四足机器人的仿真和硬件测试中提出的方法。

空中操纵器（AM）表现出特别具有挑战性的非线性动力学；无人机和操纵器携带的是一个紧密耦合的动态系统，相互影响。描述这些动力学的数学模型构成了非线性控制和深度强化学习中许多解决方案的核心。传统上，动力学的配方涉及在拉格朗日框架中的欧拉角参数化或牛顿 - 欧拉框架中的四元素参数化。前者的缺点是诞生奇异性，而后者在算法上是复杂的。这项工作提出了一个混合解决方案，结合了两者的好处，即利用拉格朗日框架的四元化方法，将无奇异参数化与拉格朗日方法的算法简单性联系起来。我们通过提供有关运动学建模过程的详细见解以及一般空中操纵器动力学的表述。获得的动力学模型对实时物理引擎进行了实验验证。获得的动力学模型的实际应用显示在计算的扭矩反馈控制器（反馈线性化）的上下文中，我们通过日益复杂的模型分析其实时功能。