As an effective method to deliver external materials into biological cells, microinjection has been widely applied in the biomedical field. However, the cognition of cell mechanical property is still inadequate, which greatly limits the efficiency and success rate of injection. Thus, a new rate-dependent mechanical model based on membrane theory is proposed for the first time. In this model, an analytical equilibrium equation between the injection force and cell deformation is established by considering the speed effect of microinjection. Different from the traditional membrane-theory-based model, the elastic coefficient of the constitutive material in the proposed model is modified as a function of the injection velocity and acceleration, effectively simulating the influence of speeds on the mechanical responses and providing a more generalized and practical model. Using this model, other mechanical responses at different speeds can be also accurately predicted, including the distribution of membrane tension and stress and the deformed shape. To verify the validity of the model, numerical simulations and experiments are carried out. The results show that the proposed model can match the real mechanical responses well at different injection speeds.

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。

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。

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。

我们为双人浮标的车辆动态提供了一种冰摩擦模型，其可用于驾驶员评估和在驾驶员在环路模拟器中。通过将实验结果与有限元模拟相结合来建模纵向摩擦，以产生接触压力和摩擦之间的相关性。为了模拟横向摩擦，我们使用特殊传感器收集44个Bobsleigh运行的数据。非线性回归用于将Bob特定的单轨车辆动态模型适合数据。它适用于驾驶仿真，并启用鲍勃司机评估的新方法。调查了具有各种经验的鲍勃司机。它表明，顶级驱动程序的类似性能由不同的驾驶风格产生。

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。

数据驱动和深度学习方法已证明具有代替复杂材料的经典本构模型，显示路径依赖性并具有多个固有量表。然而，以增量配方构建本构模型的必要性导致了数据驱动的方法，例如物理量，例如变形，与人工，非物理的混合，例如变形和时间的增量。神经网络和随之而来的本构模型依赖于特定的增量公式，无法在及时识别本地材料表示，并且概括不良。在这里，我们提出了一种新方法，该方法首次允许将材料表示与增量配方解矛。受热力学基于人工神经网络（TANN）和内部变量理论的启发，进化坦（Etann）是连续的，因此与上述人工数量无关。所提出的方法的关键特征是以普通微分方程的形式发现内部变量的进化方程，而不是以增量离散时间形式。在这项工作中，我们将注意力集中在并置，并展示如何在Etann中实现固体力学的各种一般概念。热力学定律是在网络结构中刻连接的，并且允许始终保持一致的预测。我们提出了一种方法，该方法可以从数据和第一原理中发现从复杂材料中的微观磁场中可接受的内部变量集。通过几种应用涉及各种复杂的材料行为，从可塑性到损伤和粘度，可以证明所提出方法的功能以及所提出方法的可伸缩性。

铁磁形状的记忆合金（MSMAS），例如Ni-MN-GA单晶，由于在室温下施加的磁场而引起的形状记忆效应。在可变的磁场和恒定偏置应力载荷下，已将MSMA用于致动应用。这项工作为Ni-MN-GA单晶的现有宏观磁力机械模型引入了一项新功能。该模型包括以下事实：D Silva等人观察到的两个变体中的磁易于轴并不完全垂直。这种偏移有助于解释MSMA的一些功率收集能力。将模型预测与在Ni-MN-GA单晶上收集的实验数据进行比较。实验包括具有恒定偏置磁场载荷的应力控制负载（模仿功率收集或感测），以及具有恒定偏置压缩应力（模拟驱动）的现场控制负载。每种类型的测试均在几个不同的负载水平下进行，并且在没有MSMA样本的情况下测量了施加的场，因此反电磁不会影响Eberle等人建议的实验测量场。结果显示模型预测与实验数据之间的一致性。尽管该模型可以很好地预测实验结果，但并未捕获实验数据的所有特征。为了捕获所有实验特征，最终，使用广义回归神经网络（GRNN）来训练实验数据（应力，应变，磁场和EMF），以便可以做出相当更好的预测。

提出了一个理想化的1：2比例示范器和数值参数优化算法，以密切地再现变形形状，因此使用四个集中载荷的真实空气动力学装载的民动飞机扰流板的空间应变方向。需要对越来越复杂性的证明者的经济高效的实验研究是从优惠券转移到全规模结构的知识，并为新颖的结构健康监测（SHM）技术积累信心。特别是对于测试依赖于或受机械菌株影响的新型传感器系统，例如基于应变的SHM方法，所考虑的实验室结构结构必须反映在操作负载条件下的实际结构的应变状态。对具有详细模型进行有限元模拟，用于静态强度分析，并与实验测量相比。理想示威者的模拟和测量变形和空间应变方向与真正的飞机扰流板的数值结果很好。因此，使用开发的理想化演示器，基于应变的SHM系统可以在反映操作空气动力学压力负荷的条件下进行测试，而测试努力和成本显着降低。此外，所呈现的加载优化算法可以容易地适于模拟板状结构中的其他压力载荷以再现特定的结构条件。

从经典上讲，材料的机械响应是通过构成模型来描述的，通常是以受约束的普通微分方程的形式描述。这些模型的参数数量非常有限，但是它们在重现实验中观察到的复杂响应方面非常有效。此外，以离散形式的形式，它们在计算上非常有效，通常会导致简单的代数关系，因此它们已被广泛用于大规模的显式和隐式有限元模型。但是，制定新的本构模型是非常具有挑战性的，特别是对于具有复合材料等复杂微结构的材料。构造建模的最新趋势利用复杂的神经网络体系结构来构建本构模型尚不存在的复杂材料响应。尽管非常准确，但它们遭受了两种缺陷。首先，它们是插值模型，在外推过程中通常做得很差。其次，由于它们的复杂体系结构和许多参数，它们在大规模有限元模型中被用作本构模型的效率低下。在这项研究中，我们提出了一种基于物理知识的学习机的新方法，以表征和发现本构模型。与数据驱动的本构模型不同，我们利用弹性性理论的基础作为总损耗函数中的正则化项，以查找理论上也是如此的参数本构模型。我们证明，我们提出的框架可以有效地识别描述冯·米塞斯家族不同数据集的基本构型模型。

在这项工作中，我们解决了由三个腔室驱动的软仿生执行器的运动计划的逆动力学问题。由于其内在的柔软性，软仿生致动器已应用于许多应用中。尽管可以得出数学模型来描述该执行器的逆动力学，但捕获材料和系统的非线性和不确定性仍然不准确。此外，如此复杂的模型是耗时的，因此在实时控制单元中应用不容易。因此，在该领域开发一种无模型方法可能是一个新想法。为了克服这些内在问题，我们提出了一个后传播（BP）神经网络，学习在三维空间中移动的软仿生执行器的逆动力学。在使用样品数据进行训练之后，BP神经网络模型可以代表操纵器尖端位置与施加到腔室的压力之间的关系。所提出的算法比分析模型更精确。结果表明，相对于总执行器长度，相对平均误差为2.46％，可以实现所需的末端位置。

中枢神经系统（CNS）利用预期（APA）和补偿性（CPA）的姿势调整以保持平衡。姿势调整包括质量中心的稳定性（COM）（COM）和身体的压力分布相互影响，如果存在他们俩缺乏表现。任何可预测的或突然的扰动都可能为COM与平衡和身体的均匀压力分布的分歧铺平道路。由于其不良的APA和CPA，并引起了它们的跌倒。神经系统患者跌倒风险的最小化方法正在利用基于扰动的康复，因为它有效地恢复了平衡障碍。根据发现的结果，我们的发现，我们的发现，我们的发现，我们的发现，我们的发现，我们的发现是有效的。介绍新型3 DOF平行操纵器的设计，实现和实验评估，以治疗M. M.的平衡障碍，机器人平台允许角运动脚踝基于其拟人化的自由。赋予上下平台的最终效应分别旨在评估每只脚的压力分布和身体的com。在机器人平台的高级控制中，用于调节任务的难度水平。在这项研究中，在模拟环境中得出并验证了机器人的运动学和动态分析。还通过PID控制器成功实现了对原型的低级控制。每个平台的容量都通过一组实验来评估，考虑评估最终效应器上的脚注和类似对象的压力分布和COM。实验结果表明，这样的系统井井有条，需要通过APA和CPA进行平衡技能培训和评估。

本文提出了一项新颖的控制法，以使用尾随机翼无人驾驶飞机（UAV）进行准确跟踪敏捷轨迹，该轨道在垂直起飞和降落（VTOL）和向前飞行之间过渡。全球控制配方可以在整个飞行信封中进行操作，包括与Sideslip的不协调的飞行。显示了具有简化空气动力学模型的非线性尾尾动力学的差异平坦度。使用扁平度变换，提出的控制器结合了位置参考的跟踪及其导数速度，加速度和混蛋以及偏航参考和偏航速率。通过角速度进纸术语包含混蛋和偏航率参考，可以改善随着快速变化的加速度跟踪轨迹。控制器不取决于广泛的空气动力学建模，而是使用增量非线性动态反演（INDI）仅基于局部输入输出关系来计算控制更新，从而导致对简化空气动力学方程中差异的稳健性。非线性输入输出关系的精确反转是通过派生的平坦变换实现的。在飞行测试中对所得的控制算法进行了广泛的评估，在该测试中，它展示了准确的轨迹跟踪和挑战性敏捷操作，例如侧向飞行和转弯时的侵略性过渡。

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.

通过提供超出人为局限性的环境，机器人是空间探索的关键仪器。跳跃机器人概念是有吸引力的谈判复杂地形的解决方案。然而，在克服的工程挑战中，能够持续运行的跳跃机器人概念，机械故障模式的减少是最基本的。本研究提出开发跳跃机器人，重点是减少机制维护的最小致动。我们介绍了Sarrus式连杆的合成，以限制系统在不使用典型的同步齿轮的情况下对系统进行三种翻译程度。我们将目前的研究界定到垂直固体跳跃，以评估基本主驱动轴的性能。实验室示威者有助于转移理论概念和方法。实验室示威者进行了63％的动能转换效率的跳跃，理论最大为73％。令人满意的运行开辟了朝向太空勘探跳跃机器人平台的发展的设计优化和方向跳跃能力。

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。

基于对高分辨率水下视觉调查的需求，本研究表明，现有的烟囱II自主水下车辆（AUV）适应完全悬停的AUV完全能够进行自主，近​​距离成像调查任务。本文重点介绍了AUV机动能力的增强（实现了改进的机动控制），实现了最新推进器分配算法的状态（允许最佳推进器分配和推进器冗余），以及在控制器之后的升级路径的开发以便于精确开发高分辨率成像任务所需的精致运动。为了便于车辆适应，开发了一种动态模型。提出了使用良好接受的公式，通过计算流体动力学和实际海上实验获得最初获得的动态模型系数的校准过程。还提出了耐压成像系统的房屋开发。该系统包括立体声相机和高功率闪电闪光灯，并作为专用AUV有效载荷装配。最后，在实际海床视觉调查任务中证明了平台的性能。

动态MRI可以捕获具有高对比度的软组织器官中的时间解剖变化，但是获得的序列通常遭受有限的体积覆盖，这使得器官形状轨迹的高分辨率重建在时间研究中的主要挑战。由于腹部器官形状的变异性跨越时间和受试者，本研究的目的是朝向3D致密速度测量来完全覆盖整个表面并提取有意义的特征，其特征在于观察到的器官变形并实现临床作用或决定。我们在深呼吸运动期间提出了一种用于表征膀胱表面动力学的管道。对于紧凑的形状表示，首先使用重建的时间体积来使用LDDMM框架建立专用的动态4D网状序列。然后，我们从诸如网格伸长和失真的机械参数执行器官动力学的统计表征。由于我们将器官引用作为非平面，因此我们还使用平均曲率变化为度量来量化表面演变。然而，曲率的数值计算强烈地取决于表面参数化。为了应对这一依赖性，我们采用了一种用于表面变形分析的新方法。独立于参数化并最小化测地曲线的长度，通过最小化Dirichlet能量，它使表面曲线平滑地朝向球体。 eulerian PDE方法用于从曲线缩短流中导出形状描述符。使用Laplace Beltrami操作员特征函数来计算各个运动模式之间的接口，用于球形映射。用于提取用于局部控制的模拟形状轨迹的表征相关曲线的应用演示了所提出的形状描述符的稳定性。

视觉的触觉传感器由于经济实惠的高分辨率摄像机和成功的计算机视觉技术而被出现为机器人触摸的有希望的方法。但是，它们的物理设计和他们提供的信息尚不符合真实应用的要求。我们提供了一种名为Insight的强大，柔软，低成本，视觉拇指大小的3D触觉传感器：它不断在其整个圆锥形感测表面上提供定向力分布图。围绕内部单眼相机构造，传感器仅在刚性框架上仅成型一层弹性体，以保证灵敏度，鲁棒性和软接触。此外，Insight是第一个使用准直器将光度立体声和结构光混合的系统来检测其易于更换柔性外壳的3D变形。通过将图像映射到3D接触力的空间分布（正常和剪切）的深神经网络推断力信息。洞察力在0.4毫米的总空间分辨率，力量幅度精度约为0.03 n，并且对于具有不同接触面积的多个不同触点，在0.03-2 n的范围内的5度大约5度的力方向精度。呈现的硬件和软件设计概念可以转移到各种机器人部件。

脑出血（ICH）是最致命的中风子类型，死亡率高达52％。由于颅骨切开术引起的潜在皮质破坏，保守管理（注意等待）历史上一直是一种常见的治疗方法。最小的侵入性疏散最近已成为一种可公认的治疗方法，用于体积30-50 mL的深座性血肿的患者，但适当的可视化和工具敏感性仍然受到常规内窥镜方法的限制，尤其是较大的血肿体积（> 50 mL）。在本文中，我们描述了Aspihre的发展（脑部出血机器人疏散的手术平台），这是有史以来的第一个同心管机器人，该机器人使用现成的塑料管来进行MR引导ICH撤离，改善工具敏感性和程序可视化。机器人运动学模型是基于基于校准的方法和试管力学建模开发的，使模型可以考虑可变曲率和扭转偏转。使用可变增益PID算法控制旋转精度为0.317 +/- 0.3度。硬件和理论模型在一系列系统的基准和MRI实验中进行了验证，导致1.39 +\ -0.54 mm的管尖的位置精度。验证靶向准确性后，在MR引导的幻影凝块疏散实验中测试了机器人的疏散功效。该机器人能够在5分钟内撤离最初38.36 mL的凝块，使残留血肿为8.14 mL，远低于15 mL指南，表明良好的后疏散临床结果。