传统刚体机器人难以适应动态、未知及非结构化复杂环境下的作业需求，而软体机器人采用与生物材料弹性模量相近的材料制造而成，通过柔顺变形，可以在非结构化复杂环境下更好地实现对不同对象的作业需求，具有广阔的应用前景。
本书对加利福尼亚海狮前鳍状肢、尺蠖以及水下生物尾部进行了深入的调查研究，充分利用硅橡胶材料的大变形、超弹性，完成了气动水陆两栖软体仿生机器人的构型设计、力学模型建立、推进机理研究以及控制策略研究，并在此基础上制备了样机模型，进行了实验研究。结果表明，样机可以实现一定的机动性、灵活性及环境适应性，为软体机器人的构型设计、力学建模、推进、控制策略、样机系统搭建及测试提供了理论依据和技术支撑。
本书可作为机械类专业高年级本科生及研究生教材或参考书，也可供其他相关专业师生、研究人员及工程技术人员自学参考。

软体机器人技术的蓬勃发展为机器人领域开辟了仿生智能新维度。本书以气压驱动的水陆两栖软体仿生机器人为研究对象，旨在构建跨介质运动的系统性解决方案。面对非结构化复杂环境中传统机器人的适应性局限，本书通过融合仿生学原理、非线性力学建模与智能控制理论，探索柔性结构与多模态运动的协同机制，为复杂环境作业机器人提供了创新范式。

软体机器人技术的蓬勃发展为机器人领域开辟了仿生智能新维度。本书以气压驱动的水陆两栖软体仿生机器人为研究对象，旨在构建跨介质运动的系统性解决方案。面对非结构化复杂环境中传统机器人的适应性局限，本书通过融合仿生学原理、非线性力学建模与智能控制理论，探索柔性结构与多模态运动的协同机制，为复杂环境作业机器人提供了创新范式。
本书的编写意图在于打通生物启发理论建模工程实现的技术链条。基于对海狮前鳍状肢水下推进机理、尺蠖陆地爬行推进机理、水下生物尾部左右摆动以及背腹式运动推进机理的深入解析，建立仿生结构设计准则；针对硅橡胶材料大变形特性，发展高精度力学表征方法；为解决水陆两栖环境切换运动的连续性难题，基于CPG运动控制算法，提出分层智能控制架构。这一研究体系不仅深化了对软体机器人多物理场耦合规律的认识，而且推动了理论成果向工程应用的转化。
本书的显著特点体现在三个方面：首先，强调多学科深度交叉，贯穿仿生设计、材料力学、流体动力学、控制工程及快速制造工艺的知识脉络，形成完整的技术闭环；其次，突出方法论创新，从柔性机构的弦/展向耦合变形理论到基于中枢模式发生器的运动控制策略，均体现了原创性探索；最后，注重实践验证，通过样机系统构建与多场景测试，证实理论模型的有效性与工程可行性。
在适用范围上，本书面向机器人工程、仿生机械、智能材料等领域的学术研究者与工程实践者。高等院校相关专业的研究生可将本书作为软体机器人专题课程的教材；科研人员可从中获得仿生结构优化、流固耦合仿真等前沿方法的参考；工程技术人员则可借鉴样机制造工艺与系统集成方案，应用于特种机器人的开发与实践。
全书编写采用问题导向模型构建实验验证的逻辑框架。开篇章节概述了软体机器人的发展脉络与技术挑战，确立了水陆两栖软体仿生机器人系统的研究价值。随后基于生物原型分析提出了仿生异构体融合设计方法，并通过数值仿真验证了多环境下运动的可行性。在理论建模部分，重点阐述了驱动器的非线性力学行为表征、运动学轨迹预测及动力学模型，为精准控制奠定了基础。通过软体致动器柔性变形与流体相互作用的增效机制研究，揭示了机器人水下推进机理，并建立了爬行运动的驱动器特性模型。控制策略章节提出了分层智能架构，以实现运动模式的自适应切换。最终通过样机系统构建与全场景实验，完成从设计理念到物理实现的闭环验证。
本书主要由沈阳工业大学共融机器人与智能器件研究团队赵文川老师、郭忠峰副教授、张禹教授、史美君老师、刘慧娇老师以及徐威老师共同完成。赵文川老师主持研究框架设计并主导了仿生构型、水下推进机理与控制算法的创新研究及撰写；郭忠峰副教授负责非线性力学建模的理论体系构建及陆地爬行推进机理的研究及撰写；张禹教授负责仿生结构设计及快速制造工艺的创新研究部分及撰写；史美君老师和徐威老师主要负责样机搭建和实验验证环节的工作及撰写；刘慧娇老师主要负责实验测试环节的工作及撰写。同时，研究团队的研究生参与了实验数据采集与文献整理工作。本书的出版承蒙辽宁省自然科学基金（2024011796?JH3/4700）及沈阳工业大学跨学科研究计划的支持，部分成果已在生态监测装备中示范应用。
谨向引用的国内外学术成果作者致谢，他们的开创性工作为本研究奠定了重要基础。软体机器人领域仍处于快速发展阶段，书中未尽之处恳请读者指正，期待与学界同仁共同推进该技术的实用化进程。

赵文川，沈阳工业大学讲师。现任机械工程学院机器人教研室博士后研究人员，中国机械工程学会高级会员，入选沈阳市拔尖人才。

前言
第1章概述1
1.1软体机器人发展历程及意义1
1.2软体机器人研究概况2
1.2.1软体机器人国外研究概况2
1.2.2软体机器人国内研究概况4
1.3软体机器人关键技术6
1.3.1组成材料6
1.3.2仿生机理8
1.3.3驱动方式14
1.3.4力学建模20
1.3.5控制策略23
1.3.6制造技术26
1.4软体机器人研究存在的不足及关键问题27
1.5气动水陆两栖软体仿生机器人的研究意义29
1.6本书主要内容31
第2章气动水陆两栖软体仿生机器人构型设计34
2.1生物原型推进机理研究35
2.1.1海狮前鳍状肢35
2.1.2尺蠖37
2.1.3左右摆动式尾部39
2.1.4背腹式运动尾部41
2.2本体结构设计与分析42
2.2.1机器人鳍状肢构型42
2.2.2机器人尾部及头颈部构型43
2.2.3机器人躯干构型44
2.2.4机器人整机构型45
2.3机器人本体构型运动仿真研究46
2.3.1非线性有限元分析基本理论46
2.3.2非线性有限元求解技术49
2.3.3软体仿生机器人运动仿真51
2.4本章小结55
第3章气动水陆两栖软体仿生机器人驱动器力学模型建立57
3.1驱动器准静态非线性形变力学模型建立57
3.1.1硅橡胶材料本构模型理论57
3.1.2准静态力学模型建立及分析59
3.2驱动器运动学模型建立63
3.2.1运动学建模理论63
3.2.2运动学模型建立及分析63
3.3驱动器动力学模型建立69
3.3.1动力学建模理论69
3.3.2动力学模型建立及分析70
3.4本章小结72
第4章气动水陆两栖软体仿生机器人鳍状肢水下推进机理研究73
4.1鳍状肢柔性变形分析73
4.1.1弦向柔性变形74
4.1.2展向柔性变形75
4.1.3柔性变形耦合75
4.2鳍状肢水动力理论分析76
4.2.1流体动力学理论及演化76
4.2.2水动力理论模型建立77
4.3基于非线性双向流固耦合的鳍状肢CFD分析79
4.3.1动态网格理论及算法模型79
4.3.2边界条件80
4.3.3非线性流固耦合分析基本步骤及方法81
4.3.4鳍状肢后处理分析82
4.4本章小结86
第5章气动水陆两栖软体仿生机器人爬行推进机理研究87
5.1软体仿生机器人爬行推进理论分析87
5.1.1机器人爬行推进机理87
5.1.2机器人爬行推进驱动方法88
5.2机器人驱动器爬行推进实验评测88
5.2.1机器人驱动器爬行推进频率89
5.2.2机器人驱动器爬行推进弯曲角度90
5.3本章小结92
第6章基于改进CPG的软体仿生机器人控制策略研究93
6.1CPG数学模型及CPG控制方法93
6.1.1CPG数学模型及其特点93
6.1.2CPG控制方法95
6.2改进CPG运动控制模型及仿真研究96
6.2.1CPG振荡单元模型及其动态特性分析96
6.2.2CPG运动控制模型建立101
6.2.3CPG运动控制仿真研究107
6.3CPG?ANFIS?PID运动控制策略构建及仿真研究111
6.3.1ANFIS结构及学习算法112
6.3.2CPG?ANFIS?PID运动控制策略构建116
6.3.3CPG?ANFIS?PID运动控制仿真研究120
6.4本章小结122
第7章气动水陆两栖软体仿生机器人制作与实验研究123
7.1系统搭建123
7.1.1本体结构搭建124
7.1.2控制系统搭建126
7.2实验研究130
7.2.1驱动器运动和动力性能实验130
7.2.2鳍状肢推进性能实验135
7.2.3机器人水下运动性能实验141
7.2.4机器人陆地爬动性能实验149
7.3本章小结152
参考文献154