CN107000200A - 用于软体机器人和软体致动器的传感器 - Google Patents
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Abstract
描述了一种具有一个或多个传感器的软体机器人设备。传感器嵌入在软体机器人设备的软体本体中、附接至软体机器人设备的软体本体、或者以其它方式联接至软体机器人设备的软体本体。
Description
通过援引并入
本文引用的所有专利、专利申请和公布的全部内容通过援引而并入在此。这些公布的全部公开内容通过援引而并入本申请，以便更加完整地描述截止到本文描述的本发明的日期对本领域技术人员来说已知的现有技术。
相关申请
本申请要求在2014年8月22日提交的美国临时申请62/040，905和在2015年1月12日提交的美国临时申请62/102,363的权益和优先权，其全部内容通过援引并入在此。
政府权利
本申请利用了如下政府支持而作出：由美国国防部先进研究项目局(DARPA)给予的资助W911NF-11-1-0094和由美国国家科学基金会(NSF)给予的资助DMR-0820484。美国政府对本申请具有某些权利。
技术领域
本技术总体上涉及集成了传感器的软体机器人或软体致动器。
背景技术
软体设备是利用软材料(例如，弹性体、凝胶体、液体)构建的机器。这些软体设备的能力是用于在电致动、化学致动、气动致动、磁流体致动或液压致动下容易地改变它们的大小和形状。另外，用于构造这些设备的弹性体材料的低刚度(杨氏模量<10MPa)使得它们能够响应于外力而容易地变形。这些属性允许软体设备执行对于硬体机器来说具有挑战性的功能。示例包括与精细的软材料(例如，生物组织)交互作用以及执行非结构性任务(例如，夹持未限定形状的物体)。机器，不管它们是硬体的还是软体的，通常需要集成电气部件(例如，马达、传感器、微型控制器、显示器、泵、电池等等)，以便执行复杂的任务。这些设备必须受控，以便产生自动的或半自动的软体机器人系统。
对于开发用于软体机器人的控制系统来说，知晓软体致动器的形态学是重要的。这是因为不像硬体机器人，软体机器人能够基于气动或液压充胀压力或者通过外部环境中的力而改变体积和形状。另外，不像硬体机器人，致动器的软材料对力(无论是外部的还是内部的)的响应是高度非线性的，使得预测致动器响应于力的行为的计算非常复杂和困难。
必须知晓机器人的形态是紧急的问题，该问题在传统的硬体机器人世界中不是如此显著。在硬体机器人中，来自外部环境的力产生更简单的结果。例如，施加至硬体机器人臂的力将使该臂移动一固定距离，该固定距离容易计算，因为硬体机器人由一系列在标准操作期间不变形的硬体部件和联动装置制成。相反，当来自外部环境的力施加至软体机器人臂时，会得到非常复杂的结果，因为软体臂将既移动又变形。
另外，构成致动器的弹性体的刚度在致动期间可以变化。例如，如果充胀压力为致动器的最大充胀压力的30％，则弹性体处于该弹性体具有刚度“A”的低应变状态；当充胀压力为最大充胀压力的80％时，弹性体处于具有不同刚度“B”的较高应变状态。结果，需要不同量的力实现每一致动增量。
由于弹性体的固有特性，应力-应变曲线对于拉伸和松弛来说可以是不同的。在加载和卸载的周期期间，弹性体显示出高度的迟滞性。在加载和卸载曲线之间的该差异将根据加载和卸载之间循环的快慢而变化。这样的结果是，系统具有记忆。弹性体的该方面将使得仅仅使用致动器的充胀压力的知识难以对软体致动器进行控制。还可以参见http://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/stress-and-strain/revise-it/stres s-strain-graphs.
发明内容
在一个方面，提出一种具有集成的传感器的软体机器人设备，该集成的传感器提供关于机器人的状态和/或其环境的信息。
在一个方面，描述了一种具有传感器或传感器网络的软体机器人设备。在某些实施例中，传感器(多个传感器)用于确定沿着软体致动器或软体机器人的各点处的位置、形态、和/或物理状态。传感器可以包括电子传感器、机械传感器、光学传感器、超声传感器、压电传感器、或磁性传感器。使用传感器或传感器网络将允许实时观察软体机器人设备的当前状态，例如其在空间中的三维位置、速度、加速度以及感测/感知关于其环境的信息，例如，温度、某一化学或生物药剂的存在。来自传感器的反馈能够用作控制系统的输入，该控制系统确定软体机器人设备的随后动作。
因此，在某些实施例中，即刻公布的系统和方法根据与软体致动器的状态有关的数据来控制致动器。
在一个方面，描述了一种软体机器人设备，包括：
弹性体本体，所述弹性体本体具有：布置在弹性体本体内的一个腔室或者多个互连的腔室；和加压入口，所述加压入口构造成接收用于所述腔室或者所述多个互连的腔室的流体；和
至少一个传感器，所述传感器构造成生成与软体机器人设备的状态相关的读出值(readout)。
在本文描述的任意实施例中，软体机器人设备的状态是选自由如下构成的组的一个或多个变量：软体机器人设备的位置、软体机器人设备的取向、软体机器人设备的速度、软体机器人设备的加速度、从软体机器人设备的最后致动开始的逝去时间、在软体机器人设备的最后致动期间使用的加压流体的最大压力、软体机器人设备中加压流体的体积、弹性体本体的表面曲率、在沿着弹性体本体的各点处的材料应力或应变、在沿着弹性体本体的各点处的材料应变、由软体机器人设备施加在物体上的力、软体机器人设备的温度、软体机器人设备的内部压力和外部压力、以及在腔室内部的加压流体与软体机器人设备的外部环境中的外界压力之间的压差。
在本文描述的任意实施例中，传感器构造成检测物理、化学、或电子信号。
在本文描述的任意实施例中，传感器嵌入到或者附接到弹性体本体。
在本文描述的任意实施例中，加压入口构造成接收来自外部流体源的流体。
在本文描述的任意实施例中，软体机器人设备还包括沿着弹性体本体的一侧布置的应变受限层；并且其中，传感器嵌入到或者附接到所述应变受限层。
在本文描述的任意实施例中，软体机器人设备包括嵌入到或者附接到所述应变受限层的一个或多个传感器以及嵌入到或者附接到所述弹性体本体的一个或多个其它传感器。
在本文描述的任意实施例中，所述应变受限层比所述弹性体本体具有更大的刚度或者更小的可伸展性。
在本文描述的任意实施例中，所述传感器选自由如下构成的组：热传感器、应变传感器、应力传感器、体积传感器、转矩传感器、剪切力传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、气压传感器、真空传感器、高度计、传导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力敏电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁敏二极管、磁敏晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电探测器、加速计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化敏电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉淀传感器、心脏消融传感器、肌电传感器、电子鼻、气体传感器、氧气传感器、氮气传感器、天然气传感器、VX气传感器、沙林气传感器、芥子气传感器、爆炸物探测器、金属探测器、辐射探测器、电压传感器、和电流传感器。
在本文描述的任意实施例中，传感器选自由如下构成的组：体积传感器、位置传感器、应变传感器、流量传感器、惯性测量单元(IMU)、温度传感器、和磁性传感器。
在本文描述的任意实施例中，软体机器人设备包括至少两个不同的传感器。
在本文描述的任意实施例中，软体机器人设备包括分布在软体机器人设备中的传感器网络。
在本文描述的任意实施例中，传感器是不可伸展的或者是可伸展的。
在本文描述的任意实施例中，传感器之一是微机电系统(MEMS)传感器、压力传感器、力传感器、或者惯性测量单元(IMU)。
在本文描述的任意实施例中，软体机器人设备是夹持器或者机器人手。
在本文描述的任意实施例中，夹持器包括构造成执行夹持检测的传感器或者构造成控制夹持器施加至它正夹持的物体上的力的传感器。
在本文描述的任意实施例中，软体机器人设备是用于机器人臂、delta机器人、scara机器人、龙门系统、或移动式机器人平台的手臂端部工具。
在另一方面，描述了一种软体机器人系统，包括：
如本文描述的任意一个实施例所述的软体机器人设备；以及
处理器和控制系统中的至少一者，所述处理器可操作地联接至传感器，以接收来自传感器的读出值并解读所述读出值；
所述控制系统构造成根据来自传感器的读出值或者处理器对读出值的解读来控制软体机器人的运动。
在本文描述的任意实施例中，所述处理器包括磁性运动捕捉系统，所述一个或多个传感器包括电磁传感器网络，以起到用于磁性运动捕捉系统的有源标记物的作用，所述有源标记物用作用于处理器的数据输入，以进行有限元分析或者拟合用于软体机器人设备的简化系统模型。
在本文描述的任意实施例中，所述一个或多个传感器包括应变传感器、加速度计、磁力计、陀螺仪、转矩传感器、剪切力传感器、力传感器、或者惯性测量单元(IMU)传感器套件的网络。
在本文描述的任意实施例中，所述处理器构造成进行有限元分析或者根据传感器读出值拟合简化系统模型。
在本文描述的任意实施例中，所述一个或多个传感器包括压力传感器、流量传感器、体积传感器、或者压力传感器网络、流量传感器网络、体积传感器网络。
在本文描述的任意实施例中，所述处理器构造成根据来自压力传感器的读出值拟合简化系统模型或者进行有限元分析。
在本文描述的任意实施例中，所述软体机器人系统还包括：
嵌入在处理器中的指令，用以在压力传感器生成的压力读出值超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
嵌入在处理器中的指令，用以在流量传感器生成的流率读出值超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
嵌入在处理器中的指令，用以在体积传感器生成的腔室内部的流体体积超过阈值时指示控制系统开始修正动作。
在本文描述的任意实施例中，传感器是力传感器，软体机器人系统还包括嵌入在处理器中的指令，用以一旦力传感器检测到的力读出值超过阈值，就指示控制系统开始修正动作。
在本文描述的任意实施例中，所述力传感器附接至弹性体本体的表面，所述处理器构造成解读所述力传感器的读出值，以确定所述弹性体本体的形态。
在本文描述的任意实施例中，所述处理器构造成根据所述力传感器的读出值并结合由所述一个腔室或所述多个互连的腔室接收的流体的充胀压力和体积来确定软体机器人设备的形态。
在本文描述的任意实施例中，传感器是惯性测量单元(IMU)；和/或其中，所述控制系统使用传感器的读出值或处理器对所述读出值的解读来控制软体机器人设备的动作。
在本文描述的任意实施例中，所述处理器构造成根据传感器的读出值拟合用于软体机器人设备的简化系统模型或进行有限元分析，或者构造成根据传感器的读出值估计与软体机器人设备接触的物体的大小和/或形状。
在本文描述的任意实施例中，所述控制系统控制软体机器人设备，以执行一定范围的运动、或者限制一定范围的运动。
在本文描述的任意实施例中，所述软体机器人系统是外科手术设备，所述外科手术设备选自由如下构成的组：牵开器、支架、内窥镜、关节内窥镜、和腹腔镜器械。
在本文描述的任意实施例中，所述一个或多个传感器包括温度传感器，以监测软体机器人的操作温度的变化；所述控制系统构造成根据温度传感器的读出值响应于温度的变化来控制流体入口的压力。
在本文描述的任意实施例中，所述一个或多个传感器包括流量传感器，以监测通过流体入口的加压流体的操作流率或操作压力的变化；所述控制系统构造成根据流量传感器的读出值来控制加压流体的流率。
在本文描述的任意实施例中，所述处理器构造成解读来自传感器的读出值，以执行对软体机器人设备的形态的实时测量以及向控制系统发送指令以补偿迟滞。
在又一方面中，公开了一种用于感测根据本文描述的任意实施例的软体机器人设备的状态的方法，包括：获得被传递至处理器的来自一个或多个传感器的读出值；以及确定软体机器人设备的状态。
在本文描述的任意实施例中，所述方法还包括根据来自压力传感器的读出值，使用处理器来拟合简化系统模型或者进行有限元分析。
在本文描述的任意实施例中，所述传感器是流量传感器、压力传感器、IMU、体积传感器、或力传感器，所述方法还包括：
在压力传感器生成的压力读出值超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
在流量传感器生成的流率读出值超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
在体积传感器生成的腔室内部的流体体积超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
一旦力传感器检测的力读出值超过阈值，就指示控制系统开始修正动作；或者
解读力传感器的读出值以确定弹性体本体的形态；或者
根据传感器的读出值拟合用于软体机器人设备的简化系统模型或者进行有限元分析；或者
根据传感器的读出值估计与软体机器人设备接触的物体的大小和/或形状；或者
解读来自传感器的读出值以执行软体机器人设备的形态的实时测量以及向控制系统发送指令以补偿迟滞。
在又另一方面中，公开了一种感测根据本文描述的任意实施例的软体机器人系统的状态的方法，包括：获得来自一个或多个传感器的读出值；可选地，通过使用处理器解读所述读出值；以及根据所述读出值控制软体机器人的致动和/或运动。
在此使用的术语“软体机器人设备”指的是软体机器人或者软体致动器。在此使用的术语“应变受限层”和“应变限制层”可互换使用。应变是关于本体的相对位移的变形的描述。变形是由施加的力(在本文情况中，例如，由加压力)所诱导的应力引起的。因为较低刚度或者较小弹性模量的材料将比更大弹性模量的材料变形至更大的程度，因此低刚度的材料经受更大的应变或变形。结果，更高刚度或更大弹性模量的材料中的应变较小或者“受限”。在此使用的在较小阈值力下延伸、弯曲、膨胀或展开的软体机器人的层、壁或其部分是“可延伸的”或者“低应变的”构件。在较大阈值力下延伸、弯曲、膨胀或展开的软体机器人的层、壁或其部分在本文称为“应变受限”层或壁或膜。
在某些实施例中，术语“应变限制层”指的是具有比弹性体本体更大的刚度或者更小的可伸展性且附接或固定至弹性体本体的层。在一个或多个实施例中，应变受限层的刚度比弹性体本体的刚度大超过约10％、20％、>50％、>100％、或>500％。
在此使用的术语软体机器人的“状态”指的是软体机器人的一般操作状态。软体机器人或其系统的状态通过一组状态变量来描述。系统的状态变量是可测量的量的任意集合，这些可测量的量一起提供了足够的用以描述机器人的当前和/或将来的行为的关于系统的信息，并且用户想要观察的充足的变量集合是用户期望观察的系统行为的可测量的量或者可测量的量的集合。根据系统和用户期望观察的内容，充足的状态变量的集合可以由单个可测量的量或者由一组可测量的量构成。用于限定充足的状态变量的集合的标准是：该集合提供足够的信息用以准确地预测或估计用户期望观察的可测量的量或者可测量的量的集合的当前和/或将来的行为。用于软体机器人的状态变量的非限制示例包括机器人的位置、机器人的取向、机器人的速度、机器人的加速度、从机器人的最后致动开始的逝去时间、在机器人的最后致动期间使用的加压流体的最大压力、致动器中的加压流体的体积、致动器的表面曲率、在沿着机器人的本体的各点处的材料应力、在沿着机器人的本体的各点处的材料应变、由机器人施加在物体上的力、机器人的温度、致动器的内部压力、致动器的外部压力、致动器内部的加压流体与致动器的外部环境中的外界压力之间的压差。
附图说明
以下图像还描述了用于多个应用的细节以及可以结合到根据一个或多个实施例的软体机器人或软体致动器中的特征。本发明参照以下附图描述，以下附图仅出于阐释目的给出而非旨在进行限制。在附图中：
图1a示出了感测位置/形态/应力/应变状态变化的点式传感器；图1b示出了根据一个或多个实施例的感测位置/形态/应力/应变状态变化的应变传感器。
图2a示出了跨整个致动器的大应变传感器；图2b示出了一起工作的局部应变传感器的阵列；图2c示出了根据一个或多个实施例的具有蜿蜒连接线的位于应变隔离层上的硬体应变传感器的网络。
图3a示出了附接至软体致动器的电磁体的网络；图3b示出了根据本发明的一个或多个实施例的用于对电磁体顺序击发(firing)以提供每个信号的空间原点的差别的脉冲序列。
图4a示出了在未致动状态下的用于软体致动器的内压感测网络；图4b示出了根据一个或多个实施例的用于在致动状态下的软体致动器的内压感测网络。
图5a示出了混合聚酯/纤维素纸张的片材，其装饰有附着的铝电极和模板打印c-PDMS传感器以制造纸基柔性电子器件；图5b示出了Ecoflex气动层被放置成与浸有未固化的弹性体的柔性电子器件接触，并且最终，组件被热固化。
图6a示出了手状软体机器人夹持器的俯视图；图6b示出了该手状软件机器人夹持器的仰视图；图6c、6d、6e、6f、6g分别示出了通过控制不同气动通道的充胀来致动小指、无名指、中指、食指、拇指；图6h、6i、6j、6k、6l、6m示出了捡起生鸡蛋的操纵器的照片。
图7a、7b、7c、7d和7e示出了在利用锤子打击软体致动器十次之前和之后、c-PDMS传感器的电阻分别与小指、无名指、中指、食指和拇指的曲率的依赖关系。
图8a是具有附着的软体应变传感器的软体致动器的图示，软体应变传感器由弹性体、碳脂电阻器和称为E片(E-flecks)的钢丝绒电引线制成；图8b是示出了碳脂通道在软体致动器充胀时的变细和伸长的图示；图8c是软体设备处于其未充胀状态的照片；图8d是软体设备处于其充胀状态的照片，充胀状态由在该图像的右下侧中的屏幕所显示的电阻增大指示。
图9是根据一个或多个实施例的具有集成的力传感器的软体夹持器的图示。
图10是根据一个或多个实施例的具有惯性测量单元(IMU)的夹持器的侧视图的图示，惯性测量单元用于估计夹持器的状态。
图11示出了根据一个或多个实施例的支撑/驱动踝关节屈曲和伸展的软体致动器设备，软体致动器设备具有一个或多个惯性测量单元。
图12是根据一个或多个实施例的具有热传感器的软体机器人的示意图。
图13示出了根据一个或多个实施例描述的软体机器人系统的操作的流程图。
图14a示出了在玻璃板下爬行的软体机器人的照片；图14b(在左边)示出了在图14a所示的机器人的顶层上的气动网络的图示，(在右边)示出了在图14a所示的机器人的底部上的应变限制层的图示；图14c示出了在软体机器人的应变限制层上的传感器的分布式网络的图示。
具体实施方式
描述了具有一个或多个传感器的软体机器人设备，所述一个或多个传感器集成到、嵌入到、附接到、或以其它方式联接到或连接到软体机器人设备。在一个方面，描述了一种软体机器人，其包括：弹性体本体，弹性体本体具有布置在本体中的一个腔室或者多个互连的腔室，弹性体本体包括加压入口，加压入口构造成将流体从流体源接收到所述一个腔室或所述多个互连的腔室中；以及可选地，沿着弹性体本体布置的应变受限层；和至少一个传感器。在某些实施例中，传感器构造成检测物理、化学和/或电子信号。在某些实施例中，一个或多个传感器嵌入到、集成到、附接到、或以其它方式联接到或连接到弹性体本体。在某些实施例中，一个或多个传感器嵌入到、集成到、附接到、或以其它方式联接到或连接到应变受限层。在某些实施例中，一个或多个传感器嵌入到、集成到、附接到、或以其它方式联接到或连接到应变受限层，并且一个或多个其它传感器嵌入到、集成到、附接到、或以其它方式联接到或连接到弹性体本体。
在某些实施例中，传感器选自由如下构成的组中的一个或多个传感器：热传感器、应变传感器、应力传感器、转矩传感器、体积传感器、剪切力传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、气压传感器、真空传感器、高度计、传导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力敏电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁敏二极管、磁敏晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电探测器、加速计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化敏电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉淀传感器、心脏消融传感器、肌电传感器、电子鼻、气体传感器、氧气传感器、氮气传感器、天然气传感器、VX气传感器、沙林气传感器、芥子气传感器、爆炸物探测器、金属探测器、辐射探测器、电压传感器、和电流传感器。
在某些实施例中，本文描述的软体机器人包括多于一种类型的传感器。在某些实施例中，本文描述的软体机器人包括选自由如下构成的组中的两种或更多种类型的传感器：热传感器、体积传感器、应变传感器、应力传感器、转矩传感器、剪切力传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、气压传感器、真空传感器、高度计、传导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力敏电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁敏二极管、磁敏晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电探测器、加速计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化敏电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉淀传感器、心脏消融传感器、肌电传感器、电子鼻、气体传感器、氧气传感器、氮气传感器、天然气传感器、VX气传感器、沙林气传感器、芥子气传感器、爆炸物探测器、金属探测器、辐射探测器、电压传感器、和电流传感器。通过在软体机器人中使用多于一种类型的传感器将提供关于软体机器人的状态的丰富信息(例如，曲率、位置或定位)。
在一些实施例中，传感器、传感器网络、或传感器系统典型是柔性的和顺应性的，并且能够具有等于或大于软体致动器自身的范围的大变形。
在其它实施例中，传感器包括金属导体，通过将金属导体以图案的方式形成在蜿蜒状或波浪状金属薄板中而使金属导体能够伸展，所述金属薄板比如为在John Rogers和Sigurd Wagner的作品中示出的那些(参见“A shapely future for circuits”，www.economist.com/node/18304110)。
在进一步的实施例中，具有蜿蜒状连接线的硬体传感器网络可以嵌入到或附接到致动器。参见，例如图14c中的蜿蜒状线1407。通过使用以可伸缩的几何形状(例如，蜿蜒状或波浪状图案)图案化的金属导体，可以将已有的硬体电子传感器嵌入到可伸展的金属导体并且将这些硬体传感器与可伸展的金属导体连接，从而形成总体上顺应的感测网络。因此，当软体机器人被致动并且处于弯曲状态时，由蜿蜒状线连接的硬体传感器仍保持它们的适当功能并提供关于致动器的状态的信息。
在其它实施例中，如果传感器的尺寸较小(例如，其最长尺寸小于100mm、50mm、或10mm)，则可以使用非顺应(非柔性)的传感器。在某些实施例中，传感器具有小于约200mm2、150mm2、100mm2、50mm2、10mm2、或5mm2的大小。已经描述了在弹性体上的非常小的传感器和电路的网络(参见“A shapely future for circuits”，www.economist.com/node/18304110)。硬体部件放置在“应变隔离”岛上，“应变隔离”岛在弹性体设备的表面上形成网络。在该情况下，当系统(弹性体+电子器件)为长形的时候，应变隔离岛周围的弹性体区域伸长，但是应变隔离岛自身仅经受小程度的应变。结果，在这些岛上的电子器件保持不受损害。一般来说，如果嵌入在弹性体中的刚性物体足够小，就可以依赖系统仍将伸展的事实。在这些实施例中，小型传感器可以嵌入到或附接到弹性体本体和/或应变受限层。
在某些实施例中，使用这种岛方法，软体致动器的表面(在弹性体本体和/或应变受限层上)可以包括小型隆起状微机电系统(MEMS)传感器(例如，加速计、磁力计、陀螺仪)，用于确定软体致动器的形态、位置、速度和加速度。在某些实施例中，使用这种岛方法，软体致动器的表面(在弹性体本体和/或应变受限层上)可以包括小型隆起状微机电系统(MEMS)传感器。在其它实施例中，使用该岛方法，小型隆起状微机电系统(MEMS)传感器可以嵌入在软体致动器中。
在一个或多个实施例中，传感器是构造成提供电阻测量值的应变传感器，电阻与应变受限层或弹性体本体的曲率、位置或定位相关。在一个或多个实施例中，应变传感器构造成提供电容测量值，电容与应变受限层或弹性体本体的曲率、位置或定位相关。
在一个或多个实施例中，传感器是构造成提供软体机器人在三维空间中的定位的位置测量值。
在一个或多个实施例中，传感器是构造成提供压力测量值的压力传感器，压力测量值与软体机器人的夹持强度相关。
在一个或多个实施例中，传感器是温度传感器。在某些特定实施例中，温度传感器是构造成提供电压测量值的热电偶，电压与应变受限层或弹性体本体的温度相关。在其它实施例中，温度传感器是电阻温度探测器、热敏电阻、或齐纳二极管，测量电阻或电压用于确定温度。在某些实施例中，已知弹性体的刚度随温度变化，因此可以根据温度读出值确定弹性体的刚度，并且进而使用有限元分析确定致动器在已知的致动压力和温度下的曲率，以获得基于温度的曲率标定方法。在其它实施例中，可以在不同温度下使致动器充胀并且测量致动器随压力而变化的曲率，来经验性地开发标定方法。
软体机器人可以是具有可膨胀本体的任何机器人，可膨胀本体能够随压力的变化而膨胀或收缩。在一些实施例中，软体机器人设备的软体本体具有加压入口，加压入口构造成与流体源、可膨胀本体、以及固定至可膨胀本体的一部分的应变受限层连通。软体机器人的实际构造的示例是非限制性的，且可膨胀本体可以例如由多个可膨胀的流体互连的腔室制成；其中，加压入口构造成与所述多个可膨胀的互连的腔室连通，或者使用一个或多个弹性体腔室制成，所述一个或多个弹性体腔室构造成在流体加压时膨胀和/或在真空致动时收缩。在其它实施例中，可膨胀本体由一个或多个柔性的或可延伸的腔室制成，所述一个或多个柔性的或可延伸的腔室构造成在流体加压时变直或展开。可选地，软体机器人设备还包括附接至弹性体本体的应变受限层，该应变受限层比弹性体本体具有更大的刚度或更小的可伸展性。在一个或多个实施例中，应变受限层的刚度比弹性体本体大超过约10％、20％、>50％、>100％、或者>500％。软体机器人设备中的弹性体本体可以构造成在所述一个腔室或多个互连的腔室被流体加压时优先地膨胀，从而导致在应变限制层周围的弯曲运动。在其它实施例中，应变受限层以螺旋的形式包裹在本体的周围，以形成扭转致动器。对于适于在本发明中使用的软体致动器的非限制性描述，参见WO2012/148472；2013年2月28日提交的国际申请No.PCT/US13/28250；2013年1月22日提交的国际申请No.PCT/US13/22593和2013年10月1日提交的美国临时申请序列号61/885092，它们的内容通过援引并入本文。
在某些实施例中，软体机器人系统还包括控制系统，用于至少部分地根据从一个或多个传感器获得的数据来控制软体机器人的运动。
用于软体致动器或软体机器人的状态估计的传感器
现在详细地描述用于软体致动器的状态估计的传感器。为了控制机器人的动作，可以使用机器人的当前状态的实时观察(例如，其在空间中的三维位置、速度和加速度)来作为至控制系统的输入，该控制系统确定机器人的随后动作。另外，记录机器人的状态随时间变化对于分析机器人的行为用于测试、失效分析或者作为数据输入用于开发用于预测机器人的致动行为的简化物理模型是有用的。传感器可以集成到软体致动器或软体机器人中以确定其物理状态。可能的读出值的非限制性示例包括软体机器人的位置、形态、内压、速度、加速度和应力/应变状态。
在某些实施例中，描述了包括在此描述的带有传感器(例如，位置传感器)和处理器的软体机器人设备的软体机器人系统，其中，传感器可操作地与处理器(例如，微处理器)连接或联接，处理器构造成接收由传感器提供的读出值并使用在本领域已知的一种或多种数据分析/数据拟合方法来处理读出值，以获得软体机器人状态的相关信息或关于环境的信息。处理器可以安装在软体机器人上(“机载”)或位于远处(“场外”)。在某些实施例中，软体机器人系统还包括控制系统，该控制系统构造成接收由处理器处理的相关信息并且根据所述信息改变软体机器人的状态(例如，软体本体的速度、加速度、形态、致动状态、曲率、软体机器人施加在表面或物体上的力)或运动(例如，运动方向)。在其它实施例中，用户可以人工地处理读出值，并且根据信息指示控制系统改变软体机器人的状态(例如，软体本体的速度、加速度、形态、致动状态、曲率、软体机器人施加在表面或物体上的力)或运动(例如，运动方向)。
在某些实施例中，通过处理器处理数据的方法可以包括样条函数或者其它插值方法(例如，线性插值、余弦插值、三次插值、埃尔米特插值、最近邻插值、反距离加权等等)。传感器的密度将决定形态数据的精度。另外，形态信息提供了关于致动器应变状态的信息。另外，通过将该数据与软体致动器或软体机器人的材料特性的认知相结合，用户或处理器可以执行有限元方法(FEM)分析，以确定软体致动器或软体机器人的应变状态(图1a)。
位置传感器
在某些实施例中，传感器是点式位置传感器。位置传感器检测事物的表示其参照一些固定点或固定位置或者离开这些固定点或固定位置的位置。这些类型的传感器提供“位置”反馈。此类传感器测量并报告它们自身的物理位置。示例性的位置传感器包括霍尔效应传感器、GPS传感器、超声波测距仪和激光测距仪。当这些位置传感器放置在软体致动器或软体机器人上(例如，在应变受限层上、在弹性体本体上、或者在两者上)的各位置处时，可以确定软体设备的位置和形态。位置确定可以使用传统方法来实现，所述传统方法包括样条函数或者其它插值方法(例如，线性插值、余弦插值、三次插值、埃尔米特插值、最近邻插值、反距离加权等等)。
如图1a所示，未充胀的软体机器人105具有应变受限层111和弹性体本体107，弹性体本体包括经由管道109连接至外部流体源的多个可充胀腔室113。多个点式传感器101附接至弹性体本体107(例如，机器人臂)的表面103，例如使用粘合剂或通过嵌入在臂的本体中。在某些实施例中，这可以通过在模制处理期间将传感器101插入到弹性体本体107中来实施、或者通过在已经执行模制之后将传感器嵌入在层与层之间来实施。在其它实施例中，可以通过将传感器101集成在应变限制层105中来实现将不能延伸的传感器添加到软体机器人，所述应变限制层在机器人致动时不伸展(未示出)。对于将传感器结合到应变限制层上的细节，参见与本申请同日提交且名称为“Flexible Electronic Strain-limitingLayer for Soft Actuators”的共同未决国际申请，代理人文件号为0042697.0044WO1。可替代地，如果传感器需要被添加到在致动时膨胀的软体层，则可以使用可延伸的软体传感器，或者结合小型硬体传感器，所述小型硬体传感器定位于/附接至应变隔离塑料或硅箔岛上，所述应变隔离塑料或硅箔岛利用平版印刷沉积的蜿蜒状金线连接。
当软体机器人处于休止状态(未被致动)时，位置传感器通过有线装置或无线装置将它们的定位传送至处理器，并且可以由计算机/处理器确定软体机器人的形态(形状)，如处于由位置传感器设定的直线中那样(图1a，中间上部部分)。这可以通过进行相对的距离测量来完成。在该情况下，存在位于环境中或者机器人上的参照物体或者一组参照物体，该参照物体或者一组参照物体的位置是已知的。接下来，传感器测量其离开所述参照物体或者所述一组参照物体的距离。在霍尔效应传感器的情况下，可以测量传感器和磁体(这里磁体是参照物体)之间的距离。在激光测距仪的情况下，可以测量光线离开激光测距仪上的激光器、抵达用于参照位置的物体表面、并返回至激光测距仪上的光电检测器所花费的时间。该往返时间则可以用于确定参照物体与位于机器人上的激光测距仪之间的相对距离。该测量可以通过使用一系列参照物体来执行，以便对传感器相对于参照物体的位置进行三角定位。
当软体机器人被致动时(图1a，底部部分)，软体机器人弯曲(105’)且位置传感器处于不同位置中(101’)，该信息也通过有线装置或无线装置传送至处理器。因此，可以根据位置传感器的新位置来确定软体机器人的位置，并且该位置可以被表示为如图1a(中间下部部分)所示的设定的弯曲线。
这样的形态信息可以用作用于有限元方法(FEM)分析的数据输入(图1a，右侧部分)。有限元分析(FEA)是一种计算方法，用于预测产品如何对真实世界的力、振动、热、流体流和其它物理效应作出反应。有限元分析显示产品是否将破坏、磨损、或以它被设计的方式工作。作为示例，位置数据(在不同压力下获得的)可以在有限元分析中使用，以模拟在不同压力下致动期间所经历的应变。
上文提及的状态估计方法的非限制的示例性应用包括：1)事后数据分析——获得数据以校验部件的FEM模拟，获得数据用于评估设备的失效模式，或者作为数据输入用于产生简化的运动学模型，所述简化的运动学模型可以在以后被用作用于实时控制致动器的方法的一部分；和2)实时数据分析——数据可以被实时使用，用于作为闭环控制系统的一部分的状态估计；或者数据可以被实时使用，作为失效保护系统的一部分，该失效保护系统可以识别即将发生的破裂并触发系统以在毁灭性失效之前从致动器释放压力。
应变传感器
在一些实施例中，一个或多个应变传感器可以集成到软体致动器中或者联接到软体致动器，以感测软体致动器的物理状态。应变传感器不报告软体致动器的点位置，相反，测量随着应变而变化的局部增量位置变化。可以将应变传感器提供的应变数据进行积分，以复原位置信息(见图1b)。图1b示出了感测位置/形态/应力/应变状态变化的应变传感器。如图1b所示，未充胀的软体机器人125具有应变受限层121和弹性体本体127，弹性体本体包含经由管道129连接至外部流体源的多个可充胀的腔室123。在该示例中，软体致动器具有三个应变传感器121，这三个应变传感器嵌入在软体设备的本体中或者附接至弹性体本体127的表面。当软体机器人未被致动(125)时，弹性体本体127将不弯曲，应变传感器将向计算机提供极少的应变读数(或者不提供应变读数)，计算机分析软体设备的相关部分的应变(图1b，中间上部部分)，这进而给出对软体设备的不同部分的位置的估计。当软体机器人被致动(125’)时，弹性体本体127将弯曲，应变传感器将经受应变(121’)并因此为计算机/微处理器提供较高的应变读数，以估计软体设备的相关部分的新位置(图1b，中间下部部分)。该应变信息提供了用于有限元方法(FEM)分析的基础(图1b，右侧部分)。
在一些实施例中，应变传感器数据发送至机器人上的处理器或者发送至机器人外部的处理器，该处理器包含软件包，软件包可以将应变数据与致动器的弯曲、扭转和/或延伸相关联。这可以通过将致动器充胀至不同的弯曲、扭转和/或延伸状态并记录对应的应变传感器读数来完成。这样，可以生成经验查找表，该经验查找表提供传感器读数与致动器状态之间的关系。可替代地，可以使用FEM模拟一系列的潜在致动器状态。该模拟将提供在致动器上的已经放置传感器的点处的期望应变的测量，用于致动器的任意给定模拟状态。该数据然后可以用于生成查找表，该查找表提供在致动器的本体上的测量应变分布与包含相同应变分布的致动器的模拟状态之间的关系。在任一情况下，如果查找表不包含对应于传感器读数的机器人状态，软件可以从查找表选择包含类似于测量值的读数的一组状态并且执行插值以估计机器人的当前状态。
在一些实施例中，软体机器人的单一特性(状态变量)由传感器测量，且可以根据传感器的读数来控制软体机器人的单一自由度。例如，如图8所示，具有单一自由度(其曲率)的致动器由跨致动器的大型应变传感器测量。该单一数据输入可以用于预测系统的曲率，因为每个曲率状态将具有唯一的传感器读数。根据该读数，可以施加正确量的压力，以获得期望的致动器曲率。在其它实施例中，软体机器人的多个特性(多个状态变量)由传感器测量，可以根据传感器的读数控制软体机器人的多于一个的自由度。
在某些实施例中，应变传感器是跨整个致动器或者跨致动器的长度的大部分的大型应变传感器，应变传感器的标量输出经常是平均应变。如果致动器的物理性质是已知的，则可以确定致动器的变形状态，并且软体致动器可以由一个自由度控制(例如，单个气动软体致动器可以由压力输入的标量值控制)。致动器的物理特性可以用于指代致动器致动的程度与压力流体的压力之间的关系。
在该情况下，假设致动器正常工作，则致动器的位置信息可以由单个应变传感器来预测(图2a)。图2a-2c示出了构造应变感测网络的各种方式。特别地，可以使用跨致动器205的弹性体本体207(应变受限层示出为203)的整个表面的大型应变传感器201(图2a)。一旦致动器被致动(示出为205’)，则传感器将被伸展(示出为201’)并提供应变读数。在该实施例中，获得了用于整个致动器的单一应变值，该单一应变值用于确定软体机器人的状态(例如，位置、弯曲)。
可替代地，局部传感器阵列，例如包含应变传感器条的传感器网络，可以被嵌入在致动器中。在此使用的传感器网络指的是应用了多于一个的传感器。这些应变传感器可以设计成一起工作，以在致动器被充胀到新构造(图2b)时提供关于致动器的多个定位的应变读数。图2b示出了具有多个应变传感器211的软体致动器215(带有类似于图1b的构造)。一旦致动器被致动(示出为215’)，则传感器将被伸展(示出为211’)并提供应变读数。在仅感测局部应变的小型应变传感器的情况下，每个应变传感器仅提供关于单个点的变形的信息，因此，需要多个应变传感器以实现用于孔致动器或机器人的空间应变信息，特别是借助于插值方法。用于插值的方法与针对点式传感器提及的方法相同。在该构造中，感测网络具有更多个自由度(等于嵌入在软体致动器或机器人中的应变传感器的数量)。如果感测自由度大于致动器或机器人中的自由度，则感测网络将具有能力去预测致动器或机器人是否正常工作，并使用该数据引导其动作(图2b)。类似于点式传感器，用户或处理器可以处理来自传感器的读出值，以在给定软体致动器的材料特性和来自应变传感器的应变数据的情况下确定软体致动器的应变状态。因此，可以收集应力-应变曲线，用于弹性体的测试样本。由此形成的数据集合能够用于形成查找表，该查找表关联了在致动器上的点处的测量应变与在致动器的该点处的对应材料应力之间的关系。
存在一些能够大变形的可伸展软体传感器和传感器网络。在弹性体中嵌入离子凝胶导体、传导脂或eGaIn的层能够工作用于该目的。利用能够大变形的软体导体，可以通过将弹性体的隔离层夹在弹性体或液体导体的层之间来制造电容性软体应变传感器。示例性可伸展软体传感器描述在Zhigang Suo等人发表在Science 341，984-987(2013)上的文章中。
在进一步的实施例中，具有蜿蜒状连接线222的硬体应变传感器211的网络可以嵌入到或者附接到致动器225(图2c)。通过使用以可伸展几何形状(例如，蜿蜒状或波浪状图案)图案化的金属导体，可以嵌入已有的硬体电子应变传感器以感测小的局部应变，并可以将这些硬体传感器与这些可伸展金属导体连接，从而形成总体上顺应的应变感测网络(图2c)。因此，当软体机器人被致动且处于弯曲状态(225’)中时，由蜿蜒状线222’连接的硬体应变传感器221’仍保持它们的适当功能并提供关于致动器的状态的信息。一个示例是“箔型”应变仪，其典型地由安装在背衬材料上的电阻箔的图案构成。应变仪基于如下原理操作：当箔经受应力时，箔的电阻以已知的方式改变。
在其它实施例中，通过使用嵌入在弹性体中的填充有传导液体(比如液态金属共晶镓-铟(eGaIn)、离子液体或碳脂)的通道来制作软体应变传感器。当传感器处于应变状态下时，流体通道改变形状，因此使其中的传导液体变形。由于传导液体的电阻率恒定，液体填充通道的电阻将随着通道形状的变化而改变，从而产生信号。这些不是制作软体应变传感器或可伸展传感器网络的仅有的可行方式。能够大变形的任何可伸展应变传感器或可伸展传感器网络可以用作用于软体致动器的应变感测系统。
在其它实施例中，不同类型的应变传感器、传感器网络或传感器系统可以用在软体致动器的应变受限层中。因为应变受限层在致动期间经历有限的变形，所以所使用的适当传感器可以具有更大的刚度和更小的柔性。在这些实施例中，一个或多个传感器可以嵌入在或集成在应变受限层中或者附接至或联接至应变受限层。如本文所述描述的，在一个或多个实施例中，应变受限层与弹性体本体相比具有更大的刚度或具有更小的可伸展性，应变受限层的刚度比弹性体本体大超过约10％、20％、>50％、>100％、或者>500％。
磁性传感器
探测软体致动器的物理状态的传感器不局限于点式位置传感器和应变传感器。在其它实施例中，其它传感器也可以作为用于软体致动器的物理状态指示器，其可以离散地嵌入/附接，彼此相互作用，或者可以连续地嵌入/附接，能够变形，比如软体应变传感器。在一个实施例中，磁性传感器结合多个电磁体一起使用，多个电磁体作为有源标记物并串联地嵌入在软体致动器中(图3a-3b)。在某些实施例中，系统拆分成，磁体可以在致动器上，而磁性传感器可以在周围环境中；或者磁体可以在周围环境中，而磁性传感器可以在致动器上。对于磁性感测系统来说，可以通过测量通过周围环境中的励磁线圈集合的相对磁通量来计算磁性标记物的位置和取向。在某些实施例中，这些线圈也可以与磁体一起位于致动器中。线圈的电压或电流的相对强度可以允许该系统计算磁性标记物的位置和取向两者。此外，放置在软体致动器上的每个电磁标记物可以设计成发射磁脉冲。因此，如果沿着软体致动器的本体的磁性标记物在那里以时间序列发射磁脉冲，则磁性感测系统将可以区分标记物之间的区别并因此将每个信号依次指派给沿着致动器的各点。
图3a-3b示出了用于软体致动器的磁性感测网络。因此，如图3a所示，软体机器人301具有附接至其表面的三个磁性传感器(300A、300B和300C)。在致动期间，软体机器人处于弯曲状态(301’)，磁性传感器处于不同定位(示出为300A’、300B’和300C’)。这些磁性传感器的磁场读数将被接收器记录并被传递至计算机/处理器且被计算机/处理器分析(图3a)。可替代地，如果沿着软体致动器301的本体的每个传感器300A、300B和300C均以独特的频率发射磁脉冲，则磁性感测系统或处理器将可以通过对由励磁线圈的网络测量的基于时间的信号实施傅里叶变换而同时测量来自所有传感器的信号(图3b)。在任一情况中，传感器都可以通过接收器连接至计算机/处理器，计算机/处理器将该数据转化成致动器在三维空间中的实时位置和形态图谱(map)。因为每个发射器发射不同频率的信号，由此形成的基于时间的场测量由于所有的单独发射器信号的干扰而是一个复杂的信号。依然地，因为傅里叶变换能够将该复杂的基于时间的信号转化成信号的功率谱图，所以易于区分所测量的来自机器人上的不同发射器的强度。对于给定的信号，功率谱给出信号功率(单位时间的能量)的落入给定的频率窗口中的那部分的图。因为每个频率对应于机器人上的特定发射器，所以该功率谱实际上是针对机器人上的每个位置的信号功率的图。接下来，因为针对给定位置的功率与发射器和接收器之间的距离成比例，所以该功率谱能够用于确定接收器和在机器人上的每个发射器之间的距离。
压力传感器
用于确定软体致动器或软体机器人的状态的另一替代方案是使用压力传感器的网络，压力传感器连接至或嵌入至多腔室软体机器人的每个气动腔室(图4a-4b)。软体致动器403具有嵌入式压力传感器401和多个气动腔室。传感器401可以嵌入在气动腔室(未示出)中，并因此提供气动腔室内部的压力的信息。传感器可以用于在软体致动器未被致动时(图4a，403)以及在软体致动器被致动时(在图4b中示出为403’，传感器示出为传感器401’)提供关于气动腔室内部的压力的信息。在任一情况中，来自传感器的压力读出值都可以被联接/馈送至计算机系统/处理器，以使压力信息与软体致动器的形态相关联(例如，通过使用已知模拟数据的在先测量值)。因此，通过知晓每个腔室的压力，可以通过执行FEA分析或通过使用经验导出的查找表来确定软体致动器或软体机器人的形态，所述查找表包含每个腔室的随压力变化的致动程度。在一些实施例中，由压力传感器获得的信息被进一步传递至控制系统，控制系统构造成根据来自传感器的读出值调节流体充胀压力。
用于执行软体设备的形态的实时测量的一个重要应用是补偿设备的充胀行为的迟滞。例如，当软体致动器被充胀至给定的压力Y、之后被充胀至新压力X(其中，X>Y)、并且之后再充胀至压力Y时，根据条件，有时观察到在第二次充胀至Y时发生更大程度的致动。对于其中该迟滞效应显著的系统来说，知晓供应至软体设备的压力不足以确定其形态。在这些情况下，可以使用帮助测量独立于压力的参数的传感器或标记物(例如，应变传感器、磁性标记物、LED标记物等等)的网络来确定软体致动器或机器人的形态。这样的传感器系统可以用于确保不管设备记忆的过去充胀如何均可实现软体设备的期望形态。
力传感器
在一些实施例中，软体机器人设备是软体夹持器。在一些实施例中，软体机器人设备(例如，软体夹持器)包括用于软体设备/机器人的状态估计的力传感器。如本文所描述的，如果软体致动器正与物体接触，知晓用于充胀致动器的空气的压力和体积可能不具有足够的信息来知晓致动器的形态。在该情况下，可以使用关于用于充胀致动器的空气的充胀压力和体积的数据并结合来自致动器的表面上的力传感器的读数来确定致动器的形态。压力、空气流和力信息的这种组合对于控制软体机器人夹持器来说将是重要的。
当前，构建用于操纵精细物体的夹持器(或末端执行器)被认为是有挑战性的。这部分地是由于使用了由诸如用于构建手指的金属或塑料的材料制成的传统夹持器。这些材料是非顺应的，这导致在手指与正夹持的物体之间产生极小的接触面积，从而产生可以破坏物体的大的力集中的点。一种规避该问题的方式是构建高度关节化的手指，从而允许手指与物体相符地接触，并且将传感器嵌入在手指中，以使得计算机可以在手指的硬体区段之一对物体施加过大的力之前停止手指。这样的策略是有效的，但是也存在问题，因为它也使得夹持器更复杂和更昂贵。软体夹持器更好地适用于操纵精细物体，因为软体夹持器由软材料制成。然而，在一些情况下，即使是软体夹持器也可能对精细物体施加过大的力。因此，将力传感器集成到软体夹持器中是有用的，其能够结合控制系统使用，该控制系统防止施加给物体的力上升超过设定的阈值力。在某些实施例中，控制系统构造成根据来自传感器的压力读出值来调节流体充胀压力、并因此调节夹持压力和软体本体的刚度。力传感器的敏感性是可变的并且可以被设计成检测在一定量级范围内的力。在某些实施例中，力数据可以被用作反馈系统的一部分，该反馈系统允许产生用于夹持器的定制夹持分布。用于各种物体的可接受的力分布在本领域是已知的，为此，可以使用同一软体夹持器来操纵多种物体。例如，可以使用本文描述的软体夹持器以操纵西红柿、鱼块和牛奶盒以便在杂货店装填购物袋。在外科手术时，可以使用本文描述的软体机器人夹持器(例如，牵开器)以牵开肠、肌肉和筋膜。
图9示出了具有集成的力传感器的软体夹持器901。夹持器901包括：柔软的弹性体本体910，该弹性体本体包括通过入口903连接至流体源的多个腔室905；应变受限层909；和用于感测用于夹持易碎物体907的力的两个力传感器909。在某些实施例中，这些力传感器可以结合运动控制器使用，以确保绝对不将过大的力施加至正夹持的物体，从而防止损坏物体。例如，控制器可以用于控制用于充胀腔室905的流体的量并因此控制用于夹持物体的力。
在其它实施例中，力传感器可以用于软体机器人上的“夹持检测”。特别地，一个或多个力传感器可以被包含在软体机器人手的手指上，并且告知手指是否已经与手指试图夹持的物体相接触、而不是仅仅卷曲空的空间并因此什么也没抓到。该类型的探测非常重要，因为如果没有夹持到物体，其不能够向前移动并且进行与那个物体相关的操作。
下面描述形成用于软体机器人的力传感器的几种示例性方式：
1)：可以在软体手指的末端处将传统的气压传感器浇铸到弹性体中。RobertD.Howe及其同事示出了常规测量空气压力的气压传感器可以被制成能够测量施加至弹性体块上的力的嵌入式传感器。参见例如，“The Feel of MEMS Barometers:Inexpensiveand Easily Customized Tactile Array Sensors”,Robotics&Automation Magazine,IEEE(第21卷，第3期，第89-95页，2014年)。在这些实施例中，传感器可以放置在未固化的弹性体中并且被真空除气，使得传感器内部的空气被未固化的弹性体取代。接下来，传感器被嵌入到用于接触物体的软体手指的表面上的弹性体中。
2)：可以将软体电容器浇铸到软体手指的末端中，使用该电容器作为施加压力传感器。软体电容器先前已经由在Harvard SEAS的Zhigang Suo制出，申请人在较早的时候在本申请中的软体应变传感器部分中提到过。电容器通过将作为介电层的弹性体隔离层夹在弹性体导体的层之间来制成。在该情况下，不是通过伸长软体电容器而把软体电容器用作应变传感器，而是将通过压缩软体电容器而把软体电容器用作压力传感器。压缩将使弹性体导体的两个层之间的弹性体电隔离层变薄，从而产生可测电容变化。
3)：在其它实施例中，可以使用典型作为可极小延伸的薄片设备被售卖的“力感测电阻器(FSR)”(参见en.wikipedia.org/wiki/Force-sensing_resistor)。可以将FSR附接至软体致动器的应变限制层或弹性体本体。FSR可以利用胶合剂附接至应变限制层、包覆模制在应变限制层上、附接至织物(或者“工程级纺织品”)并接着将织物放置在致动器上、或者因为FSR仅仅是可极小延伸的，它能够起作为致动器的应变限制层和作为传感器的双重作用。只要FSR位于应变限制层的中性弯曲平面上，FSR仅仅可极小延伸的事实就不应会妨碍致动器的操作。关于柔性电子器件和软体致动器的集成的进一步的细节描述在美国临时申请62,040/905中，其全部内容通过援引明确地并入。
4)：在其它实施例中，描述了软体力感测电阻器。填充有传导液体(比如碳脂)的流体通道可以嵌入在软体手指的末端中，并且当沿着通道的点被压缩时，通道将在那个区域变细，从而产生所测量的通道的端对端电阻的变化。
惯性测量单元作为传感器
在一些实施例中，一个或多个惯性测量单元(IMU)可以用于测量软体致动器或软体机器人的状态。IMU是电子设备，其使用加速度计、陀螺仪和磁力计的组合来预测设备在三维空间中的定位和取向。在一个示例中，在致动器末端处或附近的IMU可以提供关于致动器末端相对于其起始位置的角度和取向。因为致动器的尺寸和IMU在设备上的放置是已知的(例如，从基部到末端IMU的距离)，所以能够从IMU数据推断出致动器的状态。
通过知晓诸如IMU的初始位置、速度和取向的数据，可以使用IMU的传感器读数(比如来自IMU的加速度计的其加速度测量值和来自IMU的陀螺仪的其取向测量值)来估计在以后某时刻的IMU的状态。该处理已知为航位推测法。应当注意的是，由于IMU读数中潜在的不精确性，其预测的IMU的当前状态将随着从IMU处于已知状态开始的时间的增加而变得越来越不精确。因此，使用航位推测法的系统通常周期性地进入已知状态，以提供用于航位推测算法的新的校准点。在软体致动器的情况下，可以使用致动器未充胀时的状态作为致动器的校准点，并且在致动周期期间仅收集用于状态估计的数据。这将极大地提高能够利用IMU完成的状态估计的质量。
因此，如图10所示，软体机器人设备(例如，夹持器1001)包含附接至设备的表面的两个IMU 1002。在其松弛的未致动状态1003中(虚线)，夹持器不与物体1009接触。当夹持器处于其致动状态1005中时(实线)，夹持器的本体沿着箭头方向移动并夹持物体1009。软体夹持器卷曲时的来自末端IMU的数据将与软体夹持器处于其休止状态时的来自末端IMU的数据截然不同(图10)。
IMU数据还可以用于推断关于正夹持的物体的信息或者推断致动器是否有功能故障。例如，未受妨碍的软体致动器对于给定的输入压力来说具有非常可预测的运动路径，IMU能够记录该运动路径。在给定压力下与期望的运动路径的偏离可以用于推断妨碍致动器的运动的物体的大小/形状以及被施加至物体的力。此外，如果未受妨碍的致动器由IMU测量到产生了不期望的运动路径，则这将向控制器和操作者预示致动器有功能故障。
当致动器在自由空间中被加压时，在致动压力和致动器曲率之间存在广为熟知的关系。如果物体妨碍致动器的路径，则致动器将不能完成其弯曲运动，而是将按压在处于其路径中的物体上。如果夹持器拥有可以包围物体的多个手指并且所有那些手指都具有IMU，则可以确定每个致动器的形状，可以将IMU位置读数的集合处理为正夹持的物体的外部轮廓的测量值。如果致动器上的IMU显示致动器在致动周期期间正运动通过不规则的路径、但嵌入在手指中的力传感器没有测量到施加的手指力的变化，则这将意味着路径的变化不是由于手指与物体的接触而引起的。这更可能是存在手指自身的变化，且潜在地，该变化可能是手指失效的迹象。例如，爆开(popped)的手指在加压时将仍然致动，但是致动的程度将小于未爆开的手指。因此，如果加压机器人的一个手指且该手指仅弯曲到期望的一半，则该手指要么是碰到了物体、要么是其爆开了。
IMU还已经被证实对于测量生物力学运动学是有用的，无需外部运动捕捉装备。IMU和软体致动器的组合能够用在复原和辅助应用中。例如，如图11所示，对于从关节手术或从受伤中恢复的人来说，应用至诸如膝盖的关节的软体致动器1101能够用于执行连续的被动运动锻炼。致动器1101包含连接至其腔室的加压流体管线1103、弹性带1105和IMU1107。一个或多个IMU 1107可以放置在关节上或者关节周围以追踪由软体致动器生成的运动，控制器可以使用该数据来设定产生用于软体致动器的运动范围的限制(图11，该图的左侧部分示出了处于松弛状态的致动器1101，该图的右侧部分示出了处于致动状态的致动器1101’)。应当注意的是，相同的构思可以应用于所有的关节，包括踝关节、肩部、肘部、腕关节、手指、颈部、髋部、脚趾等等)。此外，对于具有多自由度的关节来说，比如踝关节、髋部、肩部、腕关节，将需要多个致动器以支撑这些范围的运动，并且该运动仍能够由一个或多个IMU捕捉。
在此使用的连续被动运动(CPM)设备指的是在软组织手术程序或创伤之后的复原的第一阶段期间使用的设备。复原的第一阶段的目标是：控制手术后的疼痛，减少炎症，提供在特定运动平面中的被动运动，以及保护愈合修复或组织。CPM由CPM设备执行，其使关节在受控的运动范围中恒定地运动；准确的范围依赖于关节，但是在大多数情况下，运动范围随着时间而增加。对于本文描述的软体机器人CPM设备来说，可以使用软体致动器来执行关节的恒定运动任务。因为在康复锻炼期间控制关节的运动范围是至关重要的，所以可以使用安装在机器人上的IMU来追踪关节运动，以确保软体致动器不使关节运动到期望的运动范围之外。又因为IMU需要周期性的校准以保持航位推测状态预测的精确性，所以将需要将运动范围中的某点限定为校准点。为此，可以将一个IMU放置在关节的任一侧上，这样关节的完全打开状态或完全闭合状态可以用作校准点，因为对于患者来说再现这些位置将是容易的并且因此再现IMU之间的相对距离也将是容易的。如果这些关节的位置处于所讨论的用于治疗的期望运动范围之外，则可以构建外部固定装置，外部固定装置将在每个校准步骤之前以已知的角度放置关节。
在某些实施例中，描述了包含控制系统和带有一个或多个IMU的软体机器人的软体机器人系统。IMU运动数据还可以用于在激活软体致动器时通知控制系统。这对于能够启动运动、但难以完成运动任务的患者来说可能是有用的。在这种情形下，IMU和控制器可以检测用户何时达到他的主动运动范围的限制，并且命令可穿戴的软体致动设备提供辅助力以完成运动任务。因此，通过使用处理器监测一个或多个传感器读出值(例如，软体机器人的位置)，可以估计或评估软体机器人的状态。
温度传感器(热传感器)
在一些实施例中，描述了具有一个或多个温度传感器的软体机器人或软体致动器。温度传感器可以嵌入在软体机器人或软体致动器的应变限制层或气动层中。在其它实施例中，温度传感器可以附接至软体机器人或软体致动器的应变限制层或气动层的表面。在某些实施例中，温度传感器包含在气动层内部，以测量气动层内部的气体或流体的温度。
可以使用在本领域中已知的任何温度传感器。温度传感器的非限制性示例包括热敏电阻、电阻式温度检测器和热电偶。
弹性体材料的机械性能(比如刚度)与温度关联性很强。温度的变化能够可逆地或者永久地改变软体致动器的物理行为。嵌入到或附接到软体致动器的温度传感器可以检测在致动器的构造中使用的弹性体材料的工作温度的变化，并且基于微处理器的控制系统可以调节用于致动所述致动器的流体压力，以补偿弹性体的机械性能的变化。例如，因为弹性体的刚度随着温度而变化，所以软体致动器将需要不同的充胀压力以在不同的温度下实现给定的致动形状。在某些实施例中，控制系统设计成使用温度数据，以便确保不管其温度如何都根据需要调节致动压力而使软体致动器充胀至相同的形状。
在某些实施例中，可以测量致动器内部的温度以确定温度是否处于构成致动器的弹性体的安全工作范围之外，从而触发机器人系统的关停。例如，如果致动器的温度低于某一阈值(对于硅酮来说，典型低于-100℃)，弹性体将变脆。所以，充胀致动器可能会导致致动器的破裂，从而毁坏机器人。在图12中示出了包括多个热传感器1203的软体机器人1201。
因为软体致动器的表面在致动期间发生应变，所以传感器之间的相对距离将不保持固定。如果打算使用依赖于分析在整个分布式传感器阵列上的信号强度的梯度的方法，则在网络中的传感器之间的相对距离的该变化将使确定所关注的信号的方向复杂化。为了使该问题最小化，在某些实施例中，传感器的空间分布网络可以应用至软体机器人的应变限制层(例如，嵌入在应变限制层中或者附接到应变限制层的表面)，因为应变限制层是软体机器人的在致动期间经受最小应变的部分。
体积传感器
在一些实施例中，描述了具有一个或多个体积传感器的软体机器人或软体致动器。体积传感器可以嵌入在软体机器人或软体致动器的腔室中，并且构造成测量流到腔室中的流体的体积。在其它实施例中，软体机器人或软体致动器是软体机器人系统的一部分，软体机器人系统包括处理器和控制系统中的至少一者。处理器构造成接收来自体积传感器的数据读出值。根据读出值的解读，处理器可以将指令发送至控制系统，以降低或停止更多体积的流体进入到腔室中。因此，来自体积传感器的读出值可以作为用于软体机器人的腔室的加压状态的指示器。
能够夹持的软体机器人(软体手)
在一个或多个实施例中，能够致动的电子软体机器人可以通过使用模制处理来制备。可延伸的弹性体材料被浇铸到模具中，以生成柔性的和可伸展的气动、液压或真空致动网络。该网络在一侧上背衬有不可延伸的或可极小延伸的应变受限层，该应变受限层将电子器件结合到应变受限层中。在一些实施例中，应变受限层比弹性体本体具有更大的刚度或更小的可伸展性，其刚度比弹性体本体大超过10％、20％、>50％、>100％、或>500％、或者在这里提及的任意值界定的任意范围内。
在一个或多个实施例中，电子器件包括应变传感器，应变传感器允许监测在致动期间由软体机器人经受的应变。例如，电子软体机器人可以包括具有模仿人手的运动的致动器的机器人，软体机器人可以装备有应变传感器，该应变传感器测量致动器在致动期间的曲率。
软体机器人的一个有前途的应用是出于创作软假体目的而创作软体机器手或者创作用于协作机器人的手。软体手与电子传感器集成，以创作能够感测软体手与其正夹持的物体交互作用的手。
图5a和5b示出了用于制造具有嵌入式曲率传感器的软体气动手状夹持器的程序。通过将Ecoflex硅酮预聚物浇铸在塑料模具中，使用软刻蚀技术制造气动致动层，所述塑料模具通过三维打印技术产生。应变传感器是位于聚酯/纤维素混合纸张片材上的压阻应变传感器。包含压阻传感器的柔性电子应变限制层使用如图5a所示的三步骤工艺来制备。首先，利用胶带将铝电极附接至纸张片材上。接下来，使用镂空掩模打印由炭黑和聚二甲基硅氧烷聚合物sylgard 184(c-PDMS)的混合物制成的曲率传感器，其与铝电极部分地重叠。c-PDMS线在100℃下固化10分钟。最后，通过将Ecoflex聚合物致动层放置在纸基柔性电子应变限制层的顶部上并使用Ecoflex预聚物来结合两个部件来完成手状致动器的组装。整个纸张接收薄的Ecoflex硅酮预聚物涂层，以将纸张转化成气密复合物。在60摄氏度下整体固化1小时之后，利用剪刀裁剪过量的纸张和聚合物。
在图6a-6m中示出了该手的操作。图6a是示出了在可延伸的弹性体层中的气动网络的手状软体机器人的俯视照片。图6b是示出了具有打印压阻传感器的应变受限层的手状软体机器人的仰视照片。手指致动器能够独立地操作、或者一起地操作，以实施人手的典型运动。图6h-6m例如展示了手状软体机器人捡起鸡蛋的能力。
打印在夹持器的应变限制层上的压阻c-PDMS传感器允许感测操作期间每个手指的曲率。当夹持器的手指在加压时弯曲的时候，其曲率传感器伸展。该伸展降低了传感器的渗流网络的连通性，从而增大其电阻。应变限制层中的纸张在中性弯曲平面附近(中性平面是梁中梁材料不受应力所在的表面)。因为传感器被打印在纸张的面对较少延伸的层的那侧上的中性弯曲平面之上，所以传感器在致动期间经受拉伸力。如果传感器被打印在相反一侧上，则传感器将在致动期间经受压缩力，导致传感器的电阻下降。在释放气动通道的压力之后，c-PDMS传感器完全恢复其初始形状和电阻。应变传感器的电阻可以被监测，并且可以与由每个手指致动器经受的曲率的量相关联。每个手指致动器可以被独立地监测。图7a-7e是对于手状软体致动器的每个手指致动器的电阻-曲率曲线(用方形数据点绘出)。这是在能够承受中等应变的应变受限层上的电子器件的示例。实际上，中等应变用于其感测能力。
电子软体机器人的属性在于：电子电路能够是强健的，并且在应变或被压时能抵抗功能故障。该特征在许多应用中是有吸引力的，在这些应用中，机器人意图在有害条件下或者在没有直接人类监督的情形下操作。图7a-7e示出了柔性电子器件的性能在利用锤子重复撞击之后未改变(利用圆形数据点绘出的数据)。因此，这些柔性电子器件能够在一些将使用软体致动器的苛刻环境中生存。
在一些实施例中，传感器自身是柔性的和可伸展的(“软的”)，并且因此能够随着软体机器人的弯曲而弯曲和伸展且仍在软体机器人设备的致动范围内保持其适当的感测功能。在某些实施例中，参照图8a-8d描述了具有附着的软体应变传感器的软体致动器。图8a示出了具有附着的软体应变传感器的软体致动器，软体应变传感器由弹性体、碳脂电阻器和在这里称为E片的钢丝绒电引线制成。图8a的顶部部分示出了具有空气入口管线802和软体应变传感器803的软体致动器801，软体应变传感器附接至软体机器人的弹性体本体的顶表面。图8b的底部部分示出了同一致动器801的侧视图，包括由封装了碳脂电阻器805的弹性体和在这里被称为E片(807)的钢丝绒电引线制成的传感器803的放大部分。
图8b示出了在软体致动器充胀时(示出为弯曲的软体致动器801’)传感器803中的碳脂通道的变细和伸长。图8c示出了处于其未充胀状态的软体设备801的照片，其电阻测量值为38.0kΩ。图8d示出了处于其充胀状态的软体设备801的照片，由该图像的右下侧中的屏幕上示出的电阻增加(现在为91.2kΩ)所指示。因此，来自传感器的电阻读出值可以被处理或被馈送至处理器，该处理器将传感器的电阻与软体机器人的本体的应变状态和/或曲率相关联。
软体机器人系统
在一些实施例中，描述了软体机器人系统，其包括本文描述的带有一个或多个传感器的软体机器人以及处理器和控制系统中的至少一者。因此，在一些实施例中，软体机器人系统包括：软体机器人，所述软体机器人包括：弹性体本体，弹性体本体具有布置在弹性体本体中的一个腔室或多个互连的腔室以及加压入口，加压入口构造成接收用于所述一个腔室或所述多个互连的腔室的流体；至少一个传感器，所述传感器构造成检测物理、化学或电子信号；以及处理器和控制系统中的至少一者，所述处理器构造成可操作地联接至传感器，以接收来自传感器的读出值并解读该读出值；所述控制系统构造成根据由一个或多个传感器生成的读出值或者处理器对读出值的解读来控制软体机器人的运动。
参照图13描述软体机器人系统的操作的非限制性示例。在步骤1301，传感器感测与软体机器人的状态相关的物理、化学或电学特性并产生信号。随后在步骤1302，信号通过有线或者无线被传递到处理器。处理器接收并解读信号，以获得关于软体机器人的状态的信息(步骤1303)。在某些实施例中，根据通过传感器获得的信息，用户和/或处理器可以使用读出值估计机器人的状态。处理器可以使用任何已知的数据拟合方法。最后，控制系统接收关于软体机器人的状态的信息，并且根据需要，改变软体机器人的状态。
能够移动的软体机器人
参照图14a-14c示出了软体机器人的实施例。图14a示出了在玻璃板下面爬行的软体机器人的照片。图14b(在左侧)示出了包含软体致动器1401的图41a中示出的机器人的顶层上的气动网络的图示；图14b(在右侧)示出了图14a中示出的在机器人的底部上的应变限制层1402的图示。图14c示出了在软体机器人的应变限制层上的分布式传感器网络的图示，其包括处理单元1405、传感器1403以及连接传感器1403和处理单元1405的蜿蜒状线1407。这是基于信号强度梯度的检测方法，该方法能够确定从哪个方向信号被发射。因此，单个信号能够由空间分布式传感器网络测量。因为信号强度随着距离信号源的距离而变化，所以可以使用在整个分布式传感器网络上的测量的信号强度的梯度来确定信号传来的方向。例如，可以使用分布式麦克风网络确定声音传来的方向。在该示例中，最靠近声源的麦克风将测量最高强度的声频信号、而最远离声源的麦克风将测量最低强度的声频信号。这些麦克风接下来将把它们的强度测量值发送至处理器以便分析。该处理器将使用整个网络上的强度测量值并结合其对网络中的所有麦克风之间的相对距离的知晓两者来确定声音源自哪个方向。
除非本文另有限定、使用、或特征描述，本文所使用的术语(包括技术术语和科学术语)将被解释为具有与它们在相关领域的背景中被接受的意思相一致的意思，并且不被以理想的或过于正式的意思进行解释，除非本文明确地限定。例如，如果提及特定组成，则该组成可以大体上是纯的，尽管不是完全纯的，如实际和不完美现实中可能的那样；例如，至少微量的杂质(例如，小于1％或2％)的潜在存在可以理解为落入本说明书的范围内；类似地，如果提及特定形状，则该形状被解释为包括偏离理想形状的不完美变形，例如，由于制造公差引起的。本文表述的百分比或浓度可以表示重量或者体积。
尽管术语第一、第二、第三等等可以在此用于描述各个元件，但是这些元件不受限于这些术语。这些术语只是用于区分各个元件。因此，下文讨论的第一元件可以被称作第二元件而不偏离示例性实施例的教导。空间关系术语，比如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等等，可以在此是为了便于描述而使用的，用以描述一个元件与另一个元件之间的关系，如附图所示。将理解的是，除了本文描述以及附图中示出的取向之外，空间关系术语以及示出的构造意图还涵盖装置在使用或操作时的不同取向。例如，如果附图中的装置被颠倒，则描述为在其它元件或特征之“下”或“下方”的元件将定向成在该其它元件或特征之“上”。因此，示例性术语“上”可以涵盖上和下两个取向。装置可以具有其它取向(例如，旋转90度或者其它取向)，并且本文中使用的空间相关描述符相应地进行解释。另外，在本公开中，当元件被称为在另一元件“上”、“连接至”另一元件、“联接至”另一元件、与另一元件“接触”等等时，它可以直接在另一元件上、直接连接至另一元件、直接联接至另一元件、或者直接与另一元件接触，或者可以存在中间介入元件，除非另有说明。
本文使用的术语是出于描述特定实施例的目的，而非意图限制示例性实施例。本文使用的单数形式，比如“一”和“一个”，同样旨在包含复数形式，除非文中另外指定。
将理解的是，尽管出于解释的目的已经示出和描述了特定顺序的步骤，但是在某些方面中，该顺序可以改变，或者步骤可以组合，同时仍获得期望的构造。另外，可以对所公开的实施例和所要求保护的本发明进行修改，且该修改落入本公开的发明的范围之内。
Claims (38)
1.一种软体机器人设备，包括：
弹性体本体，弹性体本体具有：布置在弹性体本体内的一个腔室或多个互连的腔室；和加压入口，加压入口构造成接收用于所述一个腔室或所述多个互连的腔室的流体；和
至少一个传感器，所述传感器构造成生成与软体机器人设备的状态相关联的读出值。
2.如权利要求1所述的软体机器人设备，其中，软体机器人设备的状态是选自由如下构成的组中的一个或多个变量：软体机器人设备的位置、软体机器人设备的取向、软体机器人设备的速度、软体机器人设备的加速度、从软体机器人设备的最后致动开始的逝去时间、在软体机器人设备的最后致动期间使用的加压流体的最大压力、在软体机器人设备中的加压流体的体积、弹性体本体的表面曲率、在沿着弹性体本体的各点处的材料应力或应变、在沿着弹性体本体的各点处的材料应变、由软体机器人设备施加在物体上的力、软体机器人设备的温度、软体机器人设备的内部压力和外部压力、以及在腔室内部的加压流体与软体机器人设备的外部环境中的外界压力之间的压差。
3.如权利要求1或2所述的软体机器人设备，其中，所述传感器构造成检测物理、化学或电子信号。
4.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，所述传感器嵌入在弹性体本体中或者附接到弹性体本体。
5.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，所述加压入口构造成接收来自外部流体源的流体。
6.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，软体机器人设备还包括沿着弹性体本体的一侧布置的应变受限层；并且其中，所述传感器嵌入在所述应变受限层中或者附接到所述应变受限层。
7.如权利要求6所述的软体机器人设备，其中，软体机器人设备包括嵌入在所述应变受限层中或者附接到所述应变受限层的一个或多个传感器以及嵌入在所述弹性体本体中或者附接到所述弹性体本体的一个或多个其它传感器。
8.如权利要求6所述的软体机器人设备，其中，所述应变受限层比所述弹性体本体具有更大的刚度或者更小的可伸展性。
9.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，所述传感器选自由如下构成的组：热传感器、应变传感器、应力传感器、体积传感器、转矩传感器、剪切力传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、气压传感器、真空传感器、高度计、传导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力敏电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁敏二极管、磁敏晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电探测器、加速计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化敏电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉淀传感器、心脏消融传感器、肌电传感器、电子鼻、气体传感器、氧气传感器、氮气传感器、天然气传感器、VX气传感器、沙林气传感器、芥子气传感器、爆炸物探测器、金属探测器、辐射探测器、电压传感器、和电流传感器。
10.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，所述传感器选自由如下构成的组：体积传感器、位置传感器、应变传感器、流量传感器、惯性测量单元(IMU)、温度传感器、和磁性传感器。
11.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，软体机器人设备包括至少两种不同的传感器。
12.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，软体机器人设备包括分布在软体机器人设备中的传感器网络。
13.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，所述传感器是不可伸展的或者是可伸展的。
14.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，所述传感器之一是微机电系统(MEMS)传感器、压力传感器、力传感器、或惯性测量单元(IMU)。
15.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，软体机器人设备是夹持器或机器人手。
16.如权利要求15所述的软体机器人设备，其中，所述夹持器包括构造成执行夹持检测的传感器或者构造成控制夹持器对它正夹持的物体所施加的力的传感器。
17.如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备，其中，软体机器人设备是用于机器人臂、delta机器人、scara机器人、龙门系统、或移动式机器人平台的手臂端部工具。
18.一种软体机器人系统，包括：
如前述权利要求中的任意一项所述的软体机器人设备；以及
处理器和控制系统中的至少一者，所述处理器操作性地联接至传感器，以接收来自传感器的读出值并解读所述读出值；
所述控制系统构造成根据由一个或多个传感器生成的读出值或者所述处理器对读出值的解读来控制软体机器人的运动。
19.如权利要求18所述的软体机器人系统，其中，所述处理器包括磁性运动捕捉系统，所述一个或多个传感器包括电磁传感器网络，以用作用于磁性运动捕捉系统的有源标记物，所述有源标记物用作用于所述处理器的数据输入，以进行有限元分析或者拟合用于软体机器人设备的简化系统模型。
20.如权利要求18或19所述的软体机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括应变传感器、加速度计、磁力计、陀螺仪、转矩传感器、剪切力传感器、力传感器、或惯性测量单元(IMU)传感器套件的网络。
21.如权利要求18至20中的任意一项所述的软体机器人系统，其中，所述处理器构造成根据所述传感器的读出值进行有限元分析或者拟合简化系统模型。
22.如权利要求18至21中的任意一项所述的软体机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括压力传感器、流量传感器、体积传感器、或它们的网络。
23.如权利要求22所述的软体机器人系统，其中，所述处理器构造成根据来自压力传感器的读出值进行有限元分析或者拟合简化系统模型。
24.如权利要求22所述的软体机器人系统，还包括：
嵌入在处理器中的指令，用以在压力传感器生成的压力读出值超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
嵌入在处理器中的指令，用以在流量传感器生成的流率读出值超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
嵌入在处理器中的指令，用以在体积传感器生成的腔室内部的流体体积超过阈值时指示控制系统开始修正动作。
25.如权利要求18至24中的任意一项所述的软体机器人系统，其中，所述传感器是力传感器，所述软体机器人系统还包括嵌入在处理器中的指令，用以一旦力传感器检测到的力读出值超过阈值就指示控制系统开始修正动作。
26.如权利要求18至25中的任意一项所述的软体机器人系统，其中，所述力传感器附接至弹性体本体的表面，所述处理器构造成解读所述力传感器的读出值，以确定所述弹性体本体的形态。
27.如权利要求26所述的软体机器人系统，其中，所述处理器构造成根据所述力传感器的读出值并结合由所述一个腔室或所述多个互连的腔室接收的流体的充胀压力和体积来确定软体机器人设备的形态。
28.如权利要求18至27中的任意一项所述的软体机器人系统，其中，所述传感器是惯性测量单元(IMU)；和/或其中，所述控制系统使用传感器的读出值或处理器对所述读出值的解读来控制软体机器人设备的动作。
29.如权利要求28所述的软体机器人系统，其中，所述处理器构造成根据传感器的读出值进行有限元分析或者拟合用于软体机器人设备的简化系统模型，或者构造成根据传感器的读出值估计与软体机器人设备接触的物体的大小和/或形状。
30.如权利要求28或29所述的软体机器人系统，其中，所述控制系统控制软体机器人设备，以执行一定范围的运动、或限制一定范围的运动。
31.如权利要求18至30中的任意一项所述的软体机器人系统，其中，所述软体机器人系统是选自由如下构成的组的外科手术设备：牵开器、支架、内窥镜、关节内窥镜、和腹腔镜器械。
32.如权利要求18至31中的任意一项所述的软体机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括温度传感器，用以监测软体机器人的操作温度的变化；并且所述控制系统构造成根据温度传感器的读出值响应于温度的变化来控制流体入口的压力。
33.如权利要求18至32中的任意一项所述的软体机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括流量传感器，用以监测通过流体入口的加压流体的操作流率或压力的变化；并且所述控制系统构造成根据流量传感器的读出值来控制加压流体的流率。
34.如权利要求18至33中的任意一项所述的软体机器人系统，其中，所述处理器构造成解读来自传感器的读出值，以执行对软体机器人设备的形态的实时测量以及向控制系统发送指令以补偿迟滞。
35.一种用于感测如权利要求1至17中的任意一项所述的软体机器人设备的状态的方法，包括：获得被传递至处理器的、来自一个或多个传感器的读出值；以及确定软体机器人设备的状态。
36.如权利要求35所述的方法，还包括：使用处理器，根据来自压力传感器的读出值来进行有限元分析或者拟合简化系统模型。
37.如权利要求35或36所述的方法，其中，所述传感器是流量传感器、压力传感器、惯性测量单元、体积传感器、或力传感器，所述方法还包括：
在压力传感器生成的压力读出值超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
在流量传感器生成的流率读出值超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
在体积传感器生成的腔室内部的流体体积超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
在力传感器检测出的力读出值超过阈值时指示控制系统开始修正动作；或者
解读力传感器的读出值以确定弹性体本体的形态；或者
根据传感器的读出值进行有限元分析或者拟合用于软体机器人设备的简化系统模型；或者
根据传感器的读出值估计与软体机器人设备接触的物体的大小和/或形状；或者
解读来自传感器的读出值以执行软体机器人设备的形态的实时测量，并向控制系统发送指令以补偿迟滞。
38.用于感测如权利要求18至34中的任意一项所述的软体机器人系统的状态的方法，包括：获得来自一个或多个传感器的读出值；可选地通过使用处理器解读所述读出值；以及根据所述读出值控制软体机器人的致动和/或运动。
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Application publication date: 20170801 |
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