本書從軟體機(jī)器人的由來、概念及分類，結(jié)構(gòu)、仿生機(jī)理與驅(qū)動(dòng)原理，運(yùn)動(dòng)建模，控制原理及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，傳感器，設(shè)計(jì)與制造等方面，闡述軟體機(jī)器人的原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用。
近年來，軟體機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域中發(fā)展最快的方向之一，它在學(xué)術(shù)界的興起表明了軟體機(jī)器人技術(shù)在社會(huì)和工業(yè)中的作用和潛力。軟體機(jī)器人由柔韌材料制成，可在大范圍內(nèi)任意改變機(jī)器人的形狀及尺寸，具有高靈活性和高適應(yīng)性。隨著材料學(xué)的發(fā)展，各式各樣的新型材料層出不窮，軟體機(jī)器人的發(fā)展也受到各國科學(xué)家的重視。軟體機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人相比能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜工況，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)剛體機(jī)器人，這使得軟體機(jī)器人在特種作業(yè)、醫(yī)療和抓取工作中有著極大的應(yīng)用前景。
目前軟體機(jī)器人的研究還在起步階段，結(jié)構(gòu)的自由度、材料的非線性性質(zhì)導(dǎo)致軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)、建模、分析、運(yùn)動(dòng)控制非常困難，傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)的分析方法無法直接應(yīng)用于軟體機(jī)器人中。另一方面，目前對(duì)軟體機(jī)器人的研究主要采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，缺乏驅(qū)動(dòng)變形的理論建模和數(shù)學(xué)分析方法，因而對(duì)軟體機(jī)器人有關(guān)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模、原理分析等相關(guān)研究還不成熟。這些問題都為軟體機(jī)器人的研究帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
筆者在國內(nèi)較早開始軟體機(jī)器人的研究工作，在軟體機(jī)器人頂級(jí)期刊Soft Robotics發(fā)表多篇有關(guān)軟體機(jī)器人的前沿論文，考慮到目前市場上全面介紹軟體機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的圖書非常匱乏，筆者擬結(jié)合已有成果及各類新穎的軟體機(jī)器人研究經(jīng)驗(yàn)，撰寫本書。
本書在對(duì)軟體機(jī)器人技術(shù)發(fā)展和科研動(dòng)態(tài)進(jìn)行全面綜述的基礎(chǔ)上，從軟體機(jī)器人的由來、概念及分類，結(jié)構(gòu)、仿生機(jī)理與驅(qū)動(dòng)原理，運(yùn)動(dòng)建模，控制原理及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，傳感器、設(shè)計(jì)與制造等方面，全面闡述了軟體機(jī)器人的原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用，突出軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想、理論與方法。本書是筆者多年軟體機(jī)器人科研成果的總結(jié)，希望對(duì)廣大軟體機(jī)器人科研和產(chǎn)業(yè)工作者有所幫助。
在編寫過程中，很多同事和同行都給予指導(dǎo)和幫助，在此深表感謝！
由于筆者水平和時(shí)間所限，不妥之處，敬請(qǐng)廣大讀者朋友批評(píng)指正。
費(fèi)燕瓊于上海交通大學(xué)
2022年12月
第1章緒論
1.1軟體機(jī)器人的由來001
1.2軟體機(jī)器人的概念002
1.3軟體機(jī)器人的分類003
1.3.1按照用途分類004
1.3.2按照驅(qū)動(dòng)方式分類008
1.3.3按照結(jié)構(gòu)分類012
1.3.4按照受控方式分類016
1.3.5按照能量供給方式分類017
1.3.6按照運(yùn)動(dòng)方式分類018
1.4軟體機(jī)器人的發(fā)展歷史019
1.4.1軟體機(jī)器人國外發(fā)展歷史019
1.4.2軟體機(jī)器人國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r024
1.5軟體機(jī)器人的應(yīng)用026
1.5.1在醫(yī)療方面的應(yīng)用026
1.5.2在工業(yè)方面的應(yīng)用027
1.5.3在特種情況下的應(yīng)用028
1.6本書概要028
1.7小結(jié)030
第2章軟體機(jī)器人的仿生機(jī)理與結(jié)構(gòu)
2.1陸用軟體機(jī)器人032
2.1.1蠕蟲式軟體機(jī)器人032
2.1.2毛蟲（尺蠖）式軟體機(jī)器人039
2.1.3蝗蟲式軟體機(jī)器人044
2.1.4仿象鼻式軟體機(jī)器人048
2.1.5仿人手式軟體機(jī)器人051
2.2水下軟體機(jī)器人061
2.2.1章魚式軟體機(jī)器人062
2.2.2魚式軟體機(jī)器人068
2.2.3海星式軟體機(jī)器人073
2.2.4蝠鲼式軟體機(jī)器人074
2.3空中軟體機(jī)器人077
2.4小結(jié)079
第3章軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)原理
3.1流體驅(qū)動(dòng)080
3.1.1氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)080
3.1.2液動(dòng)式驅(qū)動(dòng)089
3.2形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)089
3.2.1SMA驅(qū)動(dòng)的單環(huán)形軟體機(jī)器人090
3.2.2SMA驅(qū)動(dòng)雙模塊環(huán)形軟體機(jī)器人093
3.3電活性聚合物（EAP）驅(qū)動(dòng)101
3.3.1離子型電活性聚合物101
3.3.2電子型電活性聚合物105
3.4化學(xué)驅(qū)動(dòng)105
3.4.1響應(yīng)水凝膠驅(qū)動(dòng)105
3.4.2內(nèi)燃爆炸驅(qū)動(dòng)112
3.5小結(jié)115
第4章軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)建模
4.1SMA變形驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)建模117
4.1.1形狀記憶合金變形建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證118
4.1.2基于SMA的單環(huán)形軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及變形運(yùn)動(dòng)建模127
4.1.3基于SMA的單環(huán)形軟體機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與仿真131
4.1.4SMA變形與運(yùn)動(dòng)分析總結(jié)141
4.2氣壓驅(qū)動(dòng)膨脹變形建模143
4.2.1軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)143
4.2.2軟體驅(qū)動(dòng)器的變形建模150
4.2.3差動(dòng)式氣壓驅(qū)動(dòng)軟體爬行機(jī)器人154
4.2.4差動(dòng)式氣壓驅(qū)動(dòng)軟體爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)建模157
4.3小結(jié)167
第5章軟體機(jī)器人的控制
5.1控制系統(tǒng)168
5.1.1氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)168
5.1.2電動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)169
5.2控制方法170
5.2.1PID控制170
5.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法176
5.2.3模糊控制184
5.3控制實(shí)例及實(shí)驗(yàn)196
5.3.1軟體爬行機(jī)器人的控制策略196
5.3.2多模塊軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制及實(shí)驗(yàn)204
5.3.3SMA驅(qū)動(dòng)的環(huán)形軟體機(jī)器人控制214
5.4小結(jié)230
第6章傳感器
6.1電阻型傳感器232
6.1.1FlexSensor型商用傳感器233
6.1.2導(dǎo)電液體注入硅膠腔體形成的傳感器236
6.1.3導(dǎo)電橡膠傳感器241
6.2光纖傳感器244
6.3電容型傳感器252
6.4磁傳感器256
6.5小結(jié)259
第7章軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造
7.1設(shè)計(jì)原則261
7.2制作材料的選取262
7.2.1硅膠263
7.2.2形狀記憶合金（SMA）263
7.2.3介電彈性體263
7.3制作方法與流程264
7.3.1形狀沉積制造264
7.3.2軟體轉(zhuǎn)印技術(shù)267
7.3.3失蠟鑄造271
7.3.4多材料3D打印272
7.4制造實(shí)例274
7.4.1差動(dòng)驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人的制造274
7.4.2一體式雙向彎曲軟體驅(qū)動(dòng)器的制造277
7.5小結(jié)278
第8章軟體機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例
8.1醫(yī)療機(jī)器人280
8.1.1軟體康復(fù)手套280
8.1.2軟體膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人291
8.1.3軟體肩關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人292
8.1.4第一代剛軟耦合下肢外骨骼機(jī)器人293
8.1.5心臟輔助支持器295
8.1.6醫(yī)用微型軟體折疊機(jī)器人296
8.2工業(yè)機(jī)器人298
8.2.1機(jī)械手爪298
8.2.2軟體機(jī)器人運(yùn)輸平臺(tái)314
8.3小結(jié)316
參考文獻(xiàn)
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