软体机器人（课程教学大纲）

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软体机器人课程教学大纲

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课程的性质、目的和任务

本课程是机械工程及自动化学院的研究生专业学位课，为控制类综合实践性核心课。本课程是以软体机器人的设计、控制方法与实践开发能力培养为目标，突出工程实践教学，使学生能够综合运用软体机器人相关的控制理论解决柔性机器人系统设计中工程问题的能力，并初步具备机器人系统应用、开发能力，培养学生的科技创新意识。

具体教学目标可分解为以下5点。

1. 了解软体机器人的最新国际前沿进展以及软体机器人系统的组成，熟悉设计机器人系统的一般过程；

2. 掌握软体机器人中各组成部分的基本特性、原理、设计及控制理论，具有基本的软体机器人系统设计开发能力；

3. 掌握柔性传感器加工工艺与反馈建模理论；具有利用MATLAB、Abaqus等软件工具辅助对软体机器人系统进行数学建模、运动仿真的能力；

4. 项目实验中学生分工合作，培养学生动手能力和团队协作精神，获得实验技能的基本训练；

5. 课堂教学中应采用启发式、互动式和探究式教学方法，培养学生工程思维和创新思维，以及沟通能力。

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课程内容、基本要求及学时分配

本课程的研究对象为软体机器人系统，主要包括软体机器人系统的组成、设计方法和工程控制技术等问题。

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教学方法

在教学过程中，体现 “学生主体、教师主导”的教学思想，提倡启发式、讨论式、研究式、项目式教学，突出对学生工程思维、主动实践意识以及自主创新能力的培养。

课程教学包括课堂讲授、项目实验、讨论课等。课堂理论讲授22学时，课堂实验讲授10学时。

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课内外教学环节及基本要求

■ 课堂理论授课（22学时，周平均学时数2）

课堂授课以软体机器人基础知识综合与设计方法为主，从理论上回答如何设计软体机器人系统。项目实践是综合运用基础知识来设计软体机器人的控制系统，从而锻炼学生的独立思考和分析问题能力、动手实践能力、团队协作能力和创新能力。

课堂教学中应采用启发式、互动式和探究式教学方法，注重以工程项目研发为背景的案例教学方式的运用，注重机器人控制基础理论和工程实践的有机结合；注重课件、视频资料、实物模型、板书和教师讲解的有机结合。

■ 课堂实验授课（12学时，周平均学时数2）

课堂老师讲授相关的实验的内容与基础。课后项目实践教学以学生小组的形式，分工协作完成项目实践任务。项目实践的课后辅导以教师的集中辅导和助教平时答疑相结合的方式。主要进行以下三个方面的实验：

一：软体机器人结构设计与有限元仿真、建模实验

二：MATLAB软件操作与软体机器人运动学建模、仿真与分析实验

三：软体机器人控制算法的编程实现

最后，教师对实验项目进行总结与问题分析，项目经验课堂研讨—即采用学生按顺序总结项目中的心得与体会、教师评议的方式，对学科前沿、项目实验中的实际问题进行深入探讨。

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考核方式及成绩评定

■ 本课程以期末闭卷考试、项目实践及平时成绩相结合。

■ 平时成绩占50分。包含：考勤、研讨发言情况等。

■ 项目实践成绩占50分。项目实践考核学生灵活运用知识解决问题的能力、动手实践能力和创新能力。根据学生对实践内容的预习和准备情况、实践过程的表现情况、实践的完成质量、实践 告质量等项目评定学生的成绩。包含：实践一10分；实践二20分；实践三20分；

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教材和参考资料

教材与参考资料：

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配套参考教材

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《软体机器人导论》

定价：69.90元

技术背景

人工智能是我国的国家发展战略之一，而机器人是人工智能的重要载体。随着科学技术的发展，机器人在人类 会中发挥着越来越重要的作用。但目前机器人面临的一项核心挑战是如何与自然界安全交互，以及如何在非结构化环境下作业。传统刚性机器人因其结构和材料多采用硬质材料，结构与材料自身不能随外界环境变形且自适应不足等因素，在安全交互、非结构化环境作业等领域面临挑战。因此，研究人员开始从机器人的结构与材料、制造方法、感知与驱动等维度展开新的探索。随着智能材料、柔性驱动与传感、多材料3D打印、微纳米加工技术的发展，一种新的机器人类型——软体机器人——在近十年成为了国际学术界研究热点。

美国麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室主任、美国国家工程院院士Daniela Rus将“软体机器人”列为机器人领域十二大前沿技术之首。在中国工程院发布的《全球工程前沿2020》文件中，“软体机器人”位列十大前沿领域。

软体机器人具备柔顺性与大变形能力，可高效、安全地与非结构化环境和自然界生物进行交互。自然界柔性体生物灵巧的结构与高效的运动机理为软体机器人的设计提供了丰富的灵感。基于柔性材料的仿生软体机器人能够和生物体一样通过不同结构、不同形态变化获取不同的运动模式。在仿生灵感的指导下，软体机器人实现了抓取、爬行、跳跃、滚动、游动等多种仿生运动，在人机交互、医疗康复、特种作业等领域有诸多潜在的应用。同时，软体机器人作为一项多学科交叉领域，其研究不但有利于推动各类作业机器人新型样机的研发，还有利于揭示自然界生物在形态学、材料学、力学、运动学等方面的科学问题。

本书主要内容

第1章主要阐述软体机器人的基础知识，其中，主要介绍软体机器人的定义、特点和应用； 着重介绍软体机器人的起源及发展，列举了许多重要的里程碑工作，并分析了该领域广受欢迎并迅速发展的原因。

第2章主要介绍软体机器人的 驱动与传感。其中，驱动部分详细介绍常用的软体驱动方法，包括流体驱动、线缆驱动、形状记忆材料驱动、电活性聚合物驱动； 传感部分详细介绍常用的软体传感技术、软体传感研究进展和软件传感的挑战等； 最后简要介绍驱动传感一体化的发展趋势。

第3章主要介绍软体机器人的材料、设计与制造。其中，材料部分详细介绍常用的软体材料，包括弹性体、水凝胶、形状记忆聚合物、电活性聚合物、液态金属等； 力学与结构设计部分简要介绍几种仿生结构； 变刚度部分详细介绍常用的变刚度方法，包括基于拮抗原理、阻塞原理、低熔点合金、电流变液、磁流变液、形状记忆材料变刚度等； 最后详细介绍软体机器人制造方法，包括浇筑成型、形状沉积制造、3D打印等。

第4章主要介绍软体机器人的建模与控制。其中，运动学建模部分着重介绍几何模型中的分段常曲率模型和力学模型中的Cosserat杆理论； 动力学建模部分简要介绍欧拉拉格朗日方程，详细介绍四种具有代表性的软体机器人动力学建模方法，包括集中参数模型、“虚拟”刚性连杆机器人模型、Cosserat杆模型和机器学习方法； 控制方法部分重点介绍基于模型的静态控制器、无模型静态控制器、基于模型的动态控制器和无模型动态控制器。

第5章主要介绍软体机器人的应用。其中，仿生、特种与极端环境部分详细介绍仿生软体机器人和

仿生水下软体机器人的应用； 抓取、操作与可穿戴部分重点介绍软体手的应用。

第6章主要介绍软体机器人未来展望。简要分析材料、设计与制造，驱动与传感，建模与控制等方向面对的主要挑战和未来发展趋势。

本书特色

（1）深入浅出地讲解软体机器人的基本概念和基本原理。

（2）结合多年一线教学经验与参考文献资料，汇集此书。

（3）每章配有习题，以巩固读者进一步学习的需求。

配套资源

为便于教学，本书配有教学课件和教学大纲，读者可识别封底“书圈”二维码 ，关注后回复本书的书 ，即可下载。

读者对象

本书可作为全国高等学校相关专业的本科生或研究生教材，也可供对软体机器人感兴趣的研究人员和工程技术人员阅读参考。