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。

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。

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。

可变形物体的力学实验分析，特别是其稳定性，需要重复测试，并且根据物体形状的复杂性，可以在对象的边界处操纵多程度的自由度的测试设置。通过最近的可变形物体操纵机器人操纵的最新进步，本文通过构建用于细长弹性棒的自动稳定性测试的方法来解决这些挑战 - 使用机器人系统的可变形物体的规范示例 - 我们专注于带螺旋中心线的杆配置，因为只有三个参数可以描述螺杆的稳定性，但是通过实验确定稳定性需要操纵杆的一端的位置和取向，这是使用传统实验不可能的仅致力于有限数量的自由度的方法。使用最近的螺旋杆的稳定性的几何表征，我们构建和实施操作方案以探索稳定螺旋的空间，我们使用视觉系统来检测该空间内的不稳定性。我们的自动化测试系统获得的实验结果表明，螺旋配置中弹性杆的数值模拟良好。本文中描述的方法为自动化进行了基础，以在实验力学领域内生长。

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。

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。

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。

拍打翅膀是一种生物启发的方法，可在空中机器人中产生升力和推动，从而导致安静有效的运动。该技术的优点是安全性和可操作性，以及与环境，人类和动物的物理互动。但是，为了实现大量应用，这些机器人必须栖息和土地。尽管最近在栖息场上取得了进展，但直到今天，拍打翼车辆或鸟类动物仍无法停止在分支上的飞行。在本文中，我们提出了一种新颖的方法，该方法定义了一个可以可靠和自主将鸟鸟类降落在分支上的过程。该方法描述了拍打飞行控制器的联合操作，近距离校正系统和被动爪附件。飞行由三重俯仰高空控制器和集成的车身电子设备处理，允许以3 m/s的速度栖息。近距离校正系统，具有快速的光学分支传感可补偿着陆时的位置错位。这是通过被动双向爪设计可以补充的，可以锁定和固定2 nm的扭矩，在25毫秒内掌握，并且由于集成的肌腱致动而可以重新打开。栖息的方法补充了四步实验开发过程，该过程为成功的设计优化。我们用700 g的鸟杆验证了这种方法，并演示了在分支上拍打翼机器人的第一次自主栖息飞行，结果用第二个机器人复制。这项工作为在远程任务，观察，操纵和室外飞行中应用翼机器人的应用铺平了道路。

在过去的几十年中，出现了一种趋势，指出在可移动，可编程和可转换机制中利用结构不稳定性。受钢制发夹的启发，我们将面板组件与可靠的结构相结合，并使用半刚性塑料板建造合规的拍打机构，并将其安装在束缚的气动软机器人鱼和无螺旋螺旋式的电动机驱动器上，以展示它的前所未有的优势。设计规则是根据理论和验证提出的。观察到与参考相比，气动鱼的游泳速度提高了两倍，对Untether Fish的进一步研究表明，对于不固定的兼容的游泳运动员，可损坏的速度为2.03 BL/S（43.6 cm/s），优于先前报告的最快的，其幅度为194％。这项工作可能预示着下一代符合下一代机器人技术的结构革命。

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。

In unstructured environments, robots run the risk of unexpected collisions. How well they react to these events is determined by how transparent they are to collisions. Transparency is affected by structural properties as well as sensing and control architectures. In this paper, we propose the collision reflex metric as a way to formally quantify transparency. It is defined as the total impulse transferred in collision, which determines the collision mitigation capabilities of a closed-loop robotic system taking into account structure, sensing, and control. We analyze the effect of motor scaling, stiffness, and configuration on the collision reflex of a system using an analytical model. Physical experiments using the move-until-touch behavior are conducted to compare the collision reflex of direct-drive and quasi-direct-drive actuators and robotic hands (Schunk WSG-50 and Dexterous DDHand.) For transparent systems, we see a counter-intuitive trend: the impulse may be lower at higher pre-impact velocities.

在这项工作中，我们开发了一种数学模型和用于鱼类机器人的机器人模板的仿真平台，即磁性，模块化，过度的机器人（$ \ MU $机器人）。通过这个平台，我们通过加固学习系统地探索了设计和流体参数对游泳性能的影响。数学模型由两个相互作用的子系统，机器人动力学和流体动力学组成，并且流体动力学模型由反应性组分（加压和压力）和电阻部件（阻力和摩擦力）组成，然后为导出键而流动化机器人流体相互作用的“控制参数”。 $ \ mu $机器人通过控制谐波电压信号控制的磁执行器驱动，通过基于EM的政策超参数探索（EPHE）进行了优化，以最大化游泳速度。通过改变控制参数，通过ephe模拟和优化具有不同机器人模板变化的36例具有不同机器人模板变化（致动（NOA）和刚度）和流体动力学参数。结果表明，优化的Gaits（即，沿着身体的行波波的波长与模板变化和流体动力学参数无关。较高的NOA产生更高的速度，但每体长度较低，然而，每体长度的增益和较低的速度降低。身体和尾鳍步态动态由流体添加质量，弹簧和致动扭矩之间的相互作用，具有可忽略的流体电阻阻力的贡献。相比之下，推力产生由作用在尾鳍上的压力，因为稳定的游泳是由电阻力和压力之间的平衡导致的，从增加的群众和身体阻力的少量贡献。因此，添加质量力仅通过尾部动力学间接影响推力生成和游泳速度。

在腿的运动中重新规划对于追踪所需的用户速度，在适应地形并拒绝外部干扰的同时至关重要。在这项工作中，我们提出并测试了实验中的实时非线性模型预测控制（NMPC），用于腿部机器人，以实现各种地形上的动态运动。我们引入了一种基于移动性的标准来定义NMPC成本，增强了二次机器人的运动，同时最大化腿部移动性并提高对地形特征的适应。我们的NMPC基于实时迭代方案，使我们能够以25美元的价格重新计划在线，\ Mathrm {Hz} $ 2 $ 2 $ 2美元的预测地平线。我们使用在质量框架中心中定义的单个刚体动态模型，以提高计算效率。在仿真中，测试NMPC以横穿一组不同尺寸的托盘，走进V形烟囱，并在崎岖的地形上招揽。在真实实验中，我们展示了我们的NMPC与移动功能的有效性，使IIT为87美元\，\ Mathrm {kg} $四分之一的机器人HIQ，以实现平坦地形上的全方位步行，横穿静态托盘，并适应在散步期间重新定位托盘。

This paper considers a combination of actuation tendons and measurement strings to achieve accurate shape sensing and direct kinematics of continuum robots. Assuming general string routing, a methodical Lie group formulation for the shape sensing of these robots is presented. The shape kinematics is expressed using arc-length-dependent curvature distributions parameterized by modal functions, and the Magnus expansion for Lie group integration is used to express the shape as a product of exponentials. The tendon and string length kinematic constraints are solved for the modal coefficients and the configuration space and body Jacobian are derived. The noise amplification index for the shape reconstruction problem is defined and used for optimizing the string/tendon routing paths, and a planar simulation study shows the minimal number of strings/tendons needed for accurate shape reconstruction. A torsionally stiff continuum segment is used for experimental evaluation, demonstrating mean (maximal) end-effector absolute position error of less than 2% (5%) of total length. Finally, a simulation study of a torsionally compliant segment demonstrates the approach for general deflections and string routings. We believe that the methods of this paper can benefit the design process, sensing and control of continuum and soft robots.

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。

Snakes and their bio-inspired robot counterparts have demonstrated locomotion on a wide range of terrains. However, dynamic vertical climbing is one locomotion strategy that has received little attention in the existing snake robotics literature. We demonstrate a new scansorial gait and robot inspired by the locomotion of the Pacific Lamprey. This new gait allows a robot to steer while climbing on flat, near-vertical surfaces. A reduced-order model is developed and used to explore the relationship between body actuation and vertical and lateral motions of the robot. Trident, the new wall climbing lamprey-inspired robot, demonstrates dynamic climbing on flat vertical surfaces with a peak net vertical stride displacement of 4.1 cm per step. Actuating at 1.3 Hz, Trident attains a vertical climbing speed of 4.8 cm/s (0.09 Bl/s) at specific resistance of 8.3. Trident can also traverse laterally at 9 cm/s (0.17 Bl/s). Moreover, Trident is able to make 14\% longer strides than the Pacific Lamprey when climbing vertically. The computational and experimental results demonstrate that a lamprey-inspired climbing gait coupled with appropriate attachment is a useful climbing strategy for snake robots climbing near vertical surfaces with limited push points.

飞行动物具有高度复杂的物理特征，能够使用翅膀进行敏捷操作。拍打翅膀会产生影响空气动力的复杂唤醒结构，这可能很难建模。尽管可以使用流体结构相互作用对这些力进行建模，但它在计算上非常昂贵且难以制定。在本文中，我们遵循一种更简单的方法，通过使用相对较少的状态得出空气动力，并以简单的状态空间形式呈现它们。该公式利用PrandTL的提升线理论和Wagner的功能来确定作用在机翼上的不稳定空气动力学，然后将其与蝙蝠风格的机器人的实验数据进行比较，称为Aerobat。可以从该模型中评估模拟的尾边涡流脱落，然后可以分析基于尾流的步态设计方法，以改善机器人的空气动力学性能。

在许多无人机应用中，为空中机器人计划的时间轨迹至关重要，例如救援任务和包装交付，这些应用程序近年来已经广泛研究。但是，它仍然涉及一些挑战，尤其是在将特殊任务要求纳入计划以及空中机器人的动态方面。在这项工作中，我们研究了一种案例，使空中操纵器应以时间优势的方式从移动的移动机器人中移交一个包裹。我们没有手动设置方法轨迹，这使得很难确定在动态范围内完成所需任务的最佳总行进时间，而是提出了一个优化框架，该框架将离散的力学和互补性约束（DMCC）结合在一起。在提出的框架中，系统动力学受到离散的拉格朗日力学的约束，该机械也根据我们的实验提供了可靠的估计结果。移交机会是根据所需的互补限制自动确定和安排的。最后，通过使用我们的自设计的空中操纵器进行数值模拟和硬件实验来验证所提出的框架的性能。

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。