第1章緒論

1.1什麼是軟體機器人

1.2軟體機器人的起源及發展

習題

第2章軟體機器人的驅動與傳感

2.1軟體驅動

2.1.1流體驅動

2.1.2線纜驅動

2.1.3形狀記憶材料驅動

2.1.4電活性聚合物驅動

2.2軟體傳感

2.2.1軟體傳感技術

2.2.2軟體傳感研究進展

2.2.3軟體傳感的挑戰

2.3驅動傳感一體化

習題

第3章軟體機器人的材料、設計與制造

3.1軟體材料

3.1.1彈性體

3.1.2水凝膠

3.1.3形狀記憶聚合物

3.1.4電活性聚合物

3.1.5液態金屬

3.2軟體力學與結構設計

3.3軟體機器人變剛度

3.3.1基於拮抗原理變剛度

3.3.2基於阻塞原理變剛度

3.3.3基於低熔點合金變剛度

3.3.4基於電流變液或磁流變液變剛度

3.3.5基於形狀記憶材料變剛度

3.4軟體機器人制造方法

3.4.1澆築成型

3.4.2形狀沉積制造

3.4.33D打印

習題

第4章軟體機器人的建模與控制

4.1運動學建模

4.1.1幾何模型

4.1.2力學模型

4.2動力學建模

4.2.1歐拉拉格朗日方程

4.2.2軟體機器人動力學建模方法

4.2.3未來挑戰

4.3軟體機器人控制方法

4.3.1基於模型的靜態控制器

4.3.2無模型靜態控制器

4.3.3基於模型的動態控制器

4.3.4無模型動態控制器

4.3.5討論

習題

第5章軟體機器人的應用

5.1仿生、特種與環境

5.1.1仿生軟體機器人

5.1.2仿生水下軟體機器人

5.2抓取、操作與可穿戴

習題

第6章軟體機器人未來展望

6.1材料、設計與制造

6.2驅動與傳感

6.3建模與控制

習題

參考文獻

人工智能是我國的國家發展戰略之一，而機器人是人工智能的重要載體。隨著科學技術的發展，機器人在人類社會中發揮著越來越重要的作用。但目前機器人面臨的一項核心挑戰是如何與自然界安全交互，以及
如何在非結構化環境下作業。傳統剛性機器人因其結構和材料多采用硬質材料，結構與材料自身不能隨外界環境變形且自適應不足等因素，在安全交互、非結構化環境作業等領域面臨挑戰。因此，研究人員開始從機器人的結構與材料、制造方法、
感知與驅動等維度展開新的探索。隨著智能材料、柔性驅動與傳感、多材料3D打印、微納米加工技術的發展，一種新的機器人類型——軟體機器人——在近十年成為了國際學術界研究熱點。
美國麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室主任、美國國家工程院院士Daniela Rus將“軟體機器人”列為機器人領域十二大前沿技術之首。在中國工程院發布的《全球工程前沿2020》文件中，“軟體機器人”位列十大前沿領域。

軟體機器人具備柔順性與大變形能力，可高效、安全地與非結構化環境和自然界生物進行交互。自然界柔性體生物靈巧的結構與高效的運動機理為軟體機器人的設計提供了豐富的靈感。基於柔性材料的仿生軟體機器人能夠和生物體一樣通過不同結構、不同形態變化獲取不同的運動模式。在仿生靈感的指導下，軟體機器人實現了抓取、爬行、跳躍、滾動、遊動等多種仿生運動，在人機交互、醫療康復、特種作業等領域有諸多潛在的應用。同時，軟體機器人作為一項多學科交叉領域，其研究不但有利於推動各類作業機器人新型樣機的研發，還有利於揭示自然界生物在形態學、材料學、力學、運動學等方面的科學問題。

作者多年來一直從事軟體機器人的教學和科研工作，在北京航空航天大學主講“軟體機器人”
這門研究生課程。盡管軟體機器人已成為研究熱點，但截至2021年，國內高校尚沒有一本相關教材，導致學生隻能通過
閱讀論文獲得片面的信息。軟體機器人在材料、傳感、驅動、建模和控制等方面均與傳統剛性機器人有很大不同，故若以現有的傳統剛性機器人教材作為學習的參考資料，作用有限。因此，作者深感有必要編寫一本軟體機器人導論，作為相關課程學生以及對軟體機器人感興趣的研究人員的入門學習資料，助力軟體機器人研究人員的科研工作。
本書主要內容
為了使讀者能夠更好地理解本書內容, 作者試圖盡可能少地使用數學知識，盡量以通俗的語言並輔以大量的插圖
進行介紹。此外，由於軟體機器人是機器人學中一個新興的分支學科，
許多高校也早已開設了機器人學
課程。因此，本書直接引用了大量機器人學中的專業術語。建議選修此課程的學生提前或同步學習
“機器人學”這門課程，以便更好地理解本書內容。讀者也可參考John J．Craig的《機器人學導論》 或Mark W．Spong的《機器人建模和控制》這兩本經典機器人學教材。
本書共6章。

第1章主要闡述軟體機器人的基礎知識，其中，主要介紹軟體機器人的定義、特點和應用； 著重介紹軟體機器人的起源及發展，列舉了許多重要的裡程碑工作，並分析了該領域廣受歡迎並迅速發展的原因。

第2章主要介紹軟體機器人的
驅動與傳感。其中，
驅動部分詳細介紹常用的軟體驅動方法，包括流體驅動、線纜驅動、形狀記憶材料驅動、電活性聚合物驅動； 
傳感部分詳細介紹常用的軟體傳感技術、軟體傳感研究進展和軟件傳感的挑戰等； 
後簡要介紹驅動傳感一體化的發展趨勢。

第3章主要介紹軟體機器人的材料、設計與制造。其中，材料部分詳細介紹常用的軟體材料，包括彈性體、水凝膠、形狀記憶聚合物、電活性聚合物、液態金屬等； 力學與結構設計部分簡要介紹幾種仿生結構； 變剛度部分詳細介紹常用的變剛度方法，包括基於拮抗原理、阻塞原理、低熔點合金、電流變液、磁流變液、形狀記憶材料變剛度等； 後詳細介紹軟體機器人制造方法，包括澆築成型、形狀沉積制造、3D打印等。

第4章主要介紹軟體機器人的建模與控制。其中，運動學建模部分著重介紹幾何模型中的分段常曲率模型和力學模型中的Cosserat杆理論； 動力學建模部分簡要介紹歐拉拉格朗日方程，詳細介紹四種具有代表性的軟體機器人動力學建模方法，包括集中參數模型、“虛擬”剛性連杆機器人模型、Cosserat杆模型和機器學習方法； 控制方法部分重點介紹基於模型的靜態控制器、無模型靜態控制器、基於模型的動態控制器和無模型動態控制器。

第5章主要介紹軟體機器人的應用。其中，仿生、特種與環境部分詳細介紹仿生軟體機器人和
仿生水下軟體機器人的應用； 抓取、操作與可穿戴部分重點介紹軟體手的應用。

第6章主要介紹軟體機器人未來展望。簡要分析材料、設計與制造，驅動與傳感，建模與控制等方向面對的主要挑戰和未來發展趨勢。
本書特色
(1) 深入淺出地講解軟體機器人的基本概念和基本原理。
(2) 每章配有習題，以滿足讀者進一步學習的需求。
配套資源
為便於教學，本書配有教學課件和教學大綱，讀者可識別封底“書圈”二維碼
，關注後回復本書的書號，即可下載。
讀者對像
本書可作為全國高等學校相關專業的本科生或研究生教材，也可供對軟體機器人感興趣的研究人員和工程技術人員閱讀參考。
王偉、劉昱辰、陳勃翰、陳俊宇、朵有寧、左宗灝、田路峰等負責通讀與審閱，並提出了許多寶貴的意見，對本書質量的提高有很大的幫助，在此向他們表示衷心的感謝。 
在本書的編寫過程中，參考了諸多相關資料。在此對相關資料的作者表示衷心的感謝。
限於個人水平和時間倉促，書中難免存在疏漏之處，歡迎讀者批評指正。

編者2022年5月