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。

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。

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。

动态运动是机器人武器的关键特征，使他们能够快速有效地执行任务。在任务空间运行时，软连续式操纵器目前尚未考虑动态参数。这种缺点使现有的软机器人缓慢并限制了他们处理外力的能力，特别是在物体操纵期间。我们通过使用动态操作空间控制来解决此问题。我们的控制方法考虑了3D连续体臂的动态参数，并引入了新模型，使多段软机械师能够在任务空间中顺利运行。先前仅为刚性机器人提供的先进控制方法现在适用于软机器;例如，潜在的场避免以前仅针对刚性机器人显示，现在延伸到软机器人。使用我们的方法，柔软的机械手现在可以实现以前不可能的各种任务：我们评估机械手在闭环控制实验中的性能，如拾取和障碍物避免，使用附加的软夹具抛出物体，并通过用掌握的粉笔绘制来故意将力施加到表面上。除了新的技能之外，我们的方法还提高了59％的跟踪精度，并将速度提高到19.3的尺寸，与最新的任务空间控制相比。通过这些新发现能力，软机器人可以开始挑战操纵领域的刚性机器人。我们固有的安全和柔顺的软机器人将未来的机器人操纵到一个不用的设置，其中人和机器人并行工作。

用无人驾驶飞行器（无人机）的操纵和抓住目前需要准确定位，并且通常以减小的速度执行，以确保成功的掌握。这是由于典型的无人机只能容纳具有少量自由度的刚性机械手，这限制了它们可以补偿由车辆定位误差引起的扰动的能力。此外，无人机必须最小化外部接触力以保持稳定性。另一方面，生物系统利用柔软度来克服类似的限制，并利用遵守来实现积极的抓握。本文调查了软空气机械手的控制和轨迹优化，由四射线和肌腱驱动的软夹持器组成，其中可以充分利用柔软度的优点。据我们所知，这是软操作和UAV控制之间交叉路口的第一个工作。我们介绍了四轮电机和软夹具的解耦方法，组合（i）几何控制器和四峰值（刚性）基础的最小拍摄轨迹优化，（ii）准静态有限元模型和控制空间软夹具的插值。我们证明了尽管添加了软载荷，但几何控制器渐近稳定了四轮流速度和姿态。最后，我们在逼真的软动力学模拟器中评估所提出的系统，并表明：（i）几何控制器对软有效载荷相对不敏感，（ii）尽管定位和初始条件不准确和初始条件，平台可以可靠地掌握未知对象，以及（iii）解耦控制器可用于实时执行。

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。

最近，由于其灵活和兼容的结构，软机器人技术已迅速成为一个新颖而有希望的研究领域。但是，更难得出这种软机器人的非线性动态模型。软操作器的差分运动学和动力学可以通过经典的Cosserat Rod理论配制为一组高度非线性的部分微分方程（PDE）。在这项工作中，我们提出了一种称为分段线性应变（PLS）的离散建模技术，以解决基于Cosserat的模型的PDE，该模型基于该模型的推导。为了验证所提出的cosserat模型的准确性，通过使用不同的离散方法模拟了重力下的锥形悬臂杆的静态模型。结果表明，PLS cosserat模型与现实世界软操作器的机械变形行为相媲美。最后，建立了该模型的参数识别方案，模拟以及实验验证表明，使用此方法可以以高精度识别模型物理参数。

本文采取了一步，为人形机器人提供自适应形态能力。我们提出了一种系统的方法，可以使机器人盖变形其形状，其整体尺寸适合人体机器人的人体测量值。更确切地说，我们提出了一个封面概念，该概念由两个主要组成部分组成：骨骼，这是一个称为Node的基本元素和一个软膜的重复，该元素将盖子包裹起来并用其运动构成变形。本文重点关注盖子骨骼，并解决了节点设计，系统建模，电动机定位以及变形系统的控制设计的挑战性问题。封面建模侧重于运动学，并提出了定义系统运动限制的系统方法。然后，我们应用遗传算法来找到运动位置，以使变形盖完全致动。最后，我们提出了控制算法，使覆盖物变为随时间变化的形状。通过进行四个不同的方尺寸盖，分别具有3x3、4x8、8x8和20x20节点的运动学模拟来验证整个方法。对于每个封面，我们应用遗传算法来选择运动位置并执行模拟以跟踪所需形状。仿真结果表明，提出的方法可确保封面跟踪具有良好跟踪性能的所需形状。

飞行操纵器是带有附着的刚性机器人的空中无人机，属于机器人的最新和最积极开发的研究领域。这些臂的刚性性质往往缺乏遵守，灵活性和运动平滑。这项工作建议使用柔软的机器人臂连接到全向微空中飞行器（OMAV），以利用臂的柔顺和灵活的行为，同时留下可操纵和动态的，感谢全向无人机作为浮座。随机臂的统一在这种组合平台的建模和控制中造成挑战;这些挑战是通过这项工作解决的。我们基于三个建模原理提出了飞行机械手的统一模型：分段恒定曲率（PCC）和增强刚体模型（ABBM）假设用于建模软连续式机器人和传统刚体机器人借用的浮动基础方法文学。为了演示该参数化的有效性和有用性，实现了一种基于分层模型的反馈控制器。在各种动态任务的模拟中验证并评估控制器，其中检查并验证了该平台的无缺陷运动，干扰恢复和轨迹跟踪能力。软飞行机械手平台可以在空中建筑，货物交付，人力援助，维护和仓库自动化中打开新的应用领域。

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。

Roadheader是一款在地下工程和采矿行业中广泛使用的工程机器人。 Roadheader的交互式动力学模拟是无人发掘和虚拟现实训练中的一个基本问题。但是，当前的研究仅基于传统的动画技术或商业游戏引擎。很少有研究将计算机图形的实时物理模拟应用于Roadheader机器人领域。本文旨在介绍一个基于物理的式型型式机器人的模拟系统。为此，提出了基于广义坐标的改进的多体模拟方法。首先，我们的仿真方法描述了基于广义坐标的机器人动力学。与最新方法相比，我们的方法更稳定和准确。数值仿真结果表明，在相同数量的迭代中，我们的方法的错误明显少于游戏引擎。其次，我们对动态迭代采用符号欧盟积分器，而不是传统的四阶runge-kutta（RK4）方法。与其他集成剂相比，在长期模拟过程中，我们的方法在能量漂移方面更加稳定。测试结果表明，我们的系统达到了每秒60帧（FPS）的实时交互性能。此外，我们提出了一种模型格式，用于实施该系统的路障机器人建模。我们的Roadheader的交互式模拟系统满足了交互，准确性和稳定性的要求。

Energy based control methods are at the core of modern robotic control algorithms. In this paper we present a general approach to virtual model/mechanism control, which is a powerful design tool to create energy based controllers. We present two novel virtual-mechanisms designed for robotic minimally invasive surgery, which control the position of a surgical instrument while passing through an incision. To these virtual mechanisms we apply the parameter tuning method of Larby and Forni 2022, which optimizes for local performance while ensuring global stability.

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.

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。

为了使软机器人在以人为本的环境中有效工作，他们需要能够根据（本体感受）传感器估算其状态和外部相互作用。估计干扰使软机器人可以执行理想的力控制。即使在刚性操纵器的情况下，最终效应器的力估计也被视为一个非平凡的问题。实际上，其他当前应对这一挑战的方法也存在防止其一般应用的缺点。它们通常基于简化的软动力学模型，例如依赖于零件的恒定曲率（PCC）近似值或匹配的刚体模型的模型，这些模型并不代表该问题的细节。因此，无法构建复杂的人类机器人互动所需的应用。有限元方法（FEM）允许以更通用的方式预测软机器人动力学。在这里，使用框架沙发的软机器人建模功能，我们构建了一个详细的FEM模型，该模型由多段的软连续机器人手臂组成，该机器人由合规的可变形材料和纤维增强的压力驱动室组成，并具有用于提供方向输出的传感器的模型。该模型用于为操纵器建立状态观察者。校准模型参数以使用物理实验匹配手动制造过程的缺陷。然后，我们解决了二次编程逆动力学问题，以计算解释姿势误差的外力的组成部分。我们的实验显示，平均力估计误差约为1.2％。由于提出的方法是通用的，因此这些结果令人鼓舞，该任务是构建可以在以人为中心的环境中部署的复杂，反应性，基于传感器的行为的软机器人。

跳跃可能是克服小地形差距或障碍的有效运动方法。在本文中，我们提出了两种不同的方法，可以用类人形机器人进行跳跃。具体而言，从预定义的COM轨迹开始，我们开发了速度控制器的理论和基于优化技术评估关节输入的优化技术的扭矩控制器。在模拟和类人形机器人ICUB中，对控制器进行了测试。在模拟中，机器人能够使用两个控制器跳跃，而实际系统仅使用速度控制器跳跃。结果突出了控制质心动量的重要性，他们表明联合性能，即腿部和躯干关节的最大功率，以及低水平的控制性能是至关重要的，以实现可接受的结果。

在人类机器人的相互作用中，眼球运动在非语言交流中起着重要作用。但是，控制机器人眼的动作表现出与人眼动物系统相似的性能仍然是一个重大挑战。在本文中，我们研究了如何使用电缆驱动的驱动系统来控制人眼的现实模型，该系统模仿了六个眼外肌肉的自由度。仿生设计引入了解决新的挑战，最值得注意的是，需要控制每种肌肉的支撑，以防止运动过程中的紧张感损失，这将导致电缆松弛和缺乏控制。我们构建了一个机器人原型，并开发了一个非线性模拟器和两个控制器。在第一种方法中，我们使用局部衍生技术线性化了非线性模型，并设计了线性 - 季度最佳控制器，以优化计算准确性，能量消耗和运动持续时间的成本函数。第二种方法使用复发性神经网络，该神经网络从系统的样本轨迹中学习非线性系统动力学，以及一个非线性轨迹优化求解器，可最大程度地减少相似的成本函数。我们专注于具有完全不受限制的运动学的快速saccadic眼球运动，以及六根电缆的控制信号的生成，这些电缆同时满足了几个动态优化标准。该模型忠实地模仿了人类扫视观察到的三维旋转运动学和动力学。我们的实验结果表明，尽管两种方法都产生了相似的结果，但非线性方法对于未来改进该模型的方法更加灵活，该模型的计算是线性化模型的位置依赖性偏向和局部衍生物的计算变得特别乏味。

Many problems in robotics are fundamentally problems of geometry, which lead to an increased research effort in geometric methods for robotics in recent years. The results were algorithms using the various frameworks of screw theory, Lie algebra and dual quaternions. A unification and generalization of these popular formalisms can be found in geometric algebra. The aim of this paper is to showcase the capabilities of geometric algebra when applied to robot manipulation tasks. In particular the modelling of cost functions for optimal control can be done uniformly across different geometric primitives leading to a low symbolic complexity of the resulting expressions and a geometric intuitiveness. We demonstrate the usefulness, simplicity and computational efficiency of geometric algebra in several experiments using a Franka Emika robot. The presented algorithms were implemented in c++20 and resulted in the publicly available library \textit{gafro}. The benchmark shows faster computation of the kinematics than state-of-the-art robotics libraries.

柔性章鱼臂具有卓越的能力，可以协调大量自由度并执行复杂的操纵任务。结果，这些系统继续吸引生物学家和机器人的注意力。在本文中，我们开发了一个三维模型的软章鱼臂，配备了生物力学上逼真的肌肉致动。考虑了所有主要肌肉群施加的内力和夫妇。描述了一种能量塑形控制方法来协调肌肉活动，以便在3D空间中掌握和触及。本文的主要贡献是：（i）主要肌肉群建模以引起三维运动； （ii）基于存储的能量功能的肌肉激活的数学公式； （iii）通过在特殊欧几里得组SE中解决优化问题获得的设计特定于任务的平衡配置的计算有效过程（3）。然后，根据优化问题解决方案引起的共同状态变量，对肌肉控制进行迭代计算。该方法在物理准确的软件环境弹性中得到了数值的证明。报告了模拟观察到的章鱼行为的数值实验的结果。

Soft robots are interesting examples of hyper-redundancy in robotics, however, the nonlinear continuous dynamics of these robots and the use of hyper-elastic and visco-elastic materials makes modeling of these robots more complicated. This study presents a geometric Inverse Kinematic (IK) model for trajectory tracking of multi-segment extensible soft robots, where, each segment of the soft actuator is geometrically approximated with multiple rigid links connected with rotary and prismatic joints. Using optimization methods, the desired configuration variables of the soft actuator for the desired end-effector positions are obtained. Also, the redundancy of the robot is applied for second task applications, such as tip angle control. The model's performance is investigated through simulations, numerical benchmarks, and experimental validations and results show lower computational costs and higher accuracy compared to most existing methods. The method is easy to apply to multi segment soft robots, both in 2D and 3D. As a case study, a fully 3D-printed soft robot manipulator is tested using a control unit and the model predictions show good agreement with the experimental results.