CN107249833A - 用于软机器人和软致动器的传感器 - Google Patents

Abstract

描述了具有各种传感器和/或成像区域的软机器人设备。传感器和/或成像区域可以嵌入在软机器人设备的软主体或应变限制层中、附连到软机器人设备的软主体或应变限制层，或以其它方式链接到软机器人设备的软主体或应变限制层。

Description

用于软机器人和软致动器的传感器

通过引用的并入

本文引用的所有专利、专利申请和出版物都在此通过引用整体上并入本文。这些出版物的公开内容在此通过引用整体上并入本申请中，以便更全面地描述到本文所述的本发明日期为止本领域技术人员已知的现有技术的状态。

相关申请

本申请要求于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，其内容通过引用整体上并入本文。本申请涉及于2015年8月21日提交的国际申请No.PCT/US15/46350，其内容通过引用整体上并入本文。

政府权利

本发明是依据由国防高级研究计划署(DARPA)授予的W91INF-1-1-1-0094和国防科学基金会(NSF)授予的DMR-0820484在政府的支持下进行的。美国政府对发明有一定的权利。

技术领域

该技术一般而言涉及集成传感器的软机器人或软致动器。

背景技术

软设备是由软材料(例如，弹性体、凝胶、液体)构建的机器。这些软设备由于在电气、化学、气动、铁磁流体或液压致动方面容易改变其尺寸和形状的能力而有用。此外，用来构造这些设备的弹性体材料的低刚度(杨氏模量<10MPa)使其能够响应于外力而容易地变形。这些属性允许软设备执行对硬机器具有挑战性的功能。示例包括与精细的软材料(例如，生物组织)交互，以及执行非结构化任务(例如，抓握未定义形状的物体)。机器(无论是硬还是软)通常都需要电气部件(例如，马达、传感器、微控制器、显示器、泵、电池等)的集成，以便执行复杂的任务。必须控制这些设备，以便创建自主或半自主的软机器人系统。

了解软致动器的形态对于制作用于软机器人的控制系统是重要的。这是因为，与硬机器人不同，软机器人可以基于气动或液压充气压力或由于外部环境中的力而改变体积和形状。此外，与硬机器人不同，致动器的软材料对于力(无论是外部的还是内部的)的响应是高度非线性的，从而使得预测致动器响应于力的行为的计算非常复杂和困难。必须知道机器人的形态是在常规硬机器人的世界中不那么突出的紧急问题。在硬机器人中，来自外部环境的力量生成更简单的结果。例如，施加到硬机器人臂的力将使臂移动固定的距离，这个距离容易计算，因为机器人由一系列在标准操作期间不变形的硬部件和连杆构成。相反，当来自外部环境的力施加到软机器人臂时，由于软臂将既移动又变形，因此获得非常复杂的结果。

此外，组成致动器的弹性体的刚度可以在致动期间改变。例如，如果充气压力处于致动器的最大充气压力的30％，那么弹性体处于低应变状态，其中弹性体具有刚度“A”；并且当充气压力处于最大充气压力的80％时，弹性体处于具有不同刚度“B”的较高应变状态。因此，需要不同量的力来实现每个致动增量。

由于弹性体的固有特性，应力相对应变的分布曲线可以对于伸展和松弛不同。弹性体在装载和卸载循环期间显示高度的滞后性。装载和卸载分布曲线之间的差异将依赖于在两者之间循环多快而改变。因此，系统有记忆。弹性体的这个方面将使得软致动器难以仅使用致动器的充气压力的知识来控制。另见http://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/stress-and-strain/revise-it/stress-strain-graphs。

发明内容

在一方面，提供了具有传感器或传感器网络的软机器人设备，其提供关于机器人的状态和/或其环境的信息。这种传感器的非限制性示例包括光学传感器、光纤传感器、倏逝波传感器、等离子体传感器、基于光栅的传感器、荧光传感器和非线性光学传感器。这些光学传感器可以经由一系列光学结构来实现，诸如光纤、平面波导、定制的波导和PCF。其它非限制性示例包括能够进行化学、生物检测的传感器，可以测量应力、应力的方向、声音的传感器。在还有的其它实施例中，传感器包括热传感器、化学传感器、生物分析物传感器、声音传感器、光学传感器和放射性传感器。在某些实施例中，(一个或多个)传感器用于确定沿着软致动器或软机器人的点处的位置、形态和/或物理状态。传感器或传感器网络的使用将允许对软机器人的当前状态(例如其在空间中的三维位置、速度、加速度)的实时观察，以及对关于其环境的信息(例如温度、辐射、照明、声音、某种化学或生物制剂的存在)的感测/感知。来自传感器的反馈可以用作到控制系统的输入，该控制系统确定软机器人设备的后续动作。

在另一方面，描述了一种软机器人假体系统，其包括被配置为辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的运动的软机器人，并且该软机器人包括具有部署在主体内的一个室或多个互连的室的弹性体主体以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体，以致动软机器人；至少一个传感器，被配置为检测物理、化学或电子信号；至少一个处理器中，被配置为可操作地链接到传感器，以从所述传感器接收读出并解释所述读出；以及控制系统，被配置为基于由所述一个或多个传感器生成的读出或所述处理器对所述读出的解释来致动软机器人，以辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动。

在还有另一方面，描述了具有沿着软机器人主体的一个或多个成像区域的软机器人设备，用于通过运动捕捉计算机程序或X射线成像系统确定沿着致动器的点处的位置、速度、加速度、朝向、动量和应变/形态。成像区域可以是具有任何可识别颜色或放射性对比剂(例如，可经由医学成像识别的化学物质)的着色区域。

在一方面，描述了一种软机器人设备，其包括：弹性体主体，其具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；以及至少一个基于光纤Bragg光栅的光学传感器。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被配置为检测物理、化学、生物或电子信号。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器选自由以下传感器构成的组：倾斜光纤Bragg光栅传感器、啁啾光栅传感器和长周期Bragg光栅传感器。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被配置为提供关于软机器人设备的状态的信息。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备的状态选自由以下构成的组：在沿着软机器人设备的点处的压力、温度、位置、长度、曲率、朝向、速度、加速度、形态、应力、应变和物理状态。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被配置为提供关于软机器人设备的外部环境的信息。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被配置为检测软机器人设备的外部环境中的温度、湿度、化学制剂或生物制剂；或者基于光栅的传感器被配置为检测软机器人的应变、力、磁场、流、弯曲、定向弯曲、三维状态、振动、压力、温度信息。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被嵌入弹性体主体中或附连到弹性体主体的外部。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被模制或共同模制到弹性体主体中。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被缝合、胶合或卡扣到弹性体主体上，或者用钩和环固定到弹性体主体上。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器可从弹性体主体移除。

在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器螺旋卷绕在弹性体主体或弹性体主体的一部分周围。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且软机器人设备包括嵌入或附连到应变受限层的一个或多个基于光栅的传感器。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括具有不同周期的多个光谱分离的基于光栅的传感器。

在本文所述的任何实施例中，具有不同周期的多个光谱分离的基于光栅的传感器沿着单个光纤的长度部署在一起，或者单独部署并拼接在一起。

在本文所述的任何实施例中，加压入口被配置为从外部流体源接收流体。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层，并且软机器人设备包括嵌入或附连到应变受限层的一个或多个基于光栅的传感器以及嵌入或附连到弹性体主体的一个或多个基于光栅的传感器。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括一个或多个附加传感器，每个附加传感器独立地选自由以下传感器构成的组：基于光栅的传感器、生物分析物传感器、声音传感器、光学传感器、放射性传感器、热传感器、应变传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、大气压力传感器、真空传感器、高度计、电导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力感测电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁电二极管、磁电晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电检测器、加速度计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化学电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉降传感器、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、化学武器传感器、VX气体传感器、沙林气体传感器、芥子气体传感器、爆炸物探测器、金属探测器和电流传感器。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括至少一个处理器，被配置为可操作地链接到基于光栅的传感器以便从基于光栅的传感器接收读出并解释所述读出；以及控制系统，被配置为基于由基于光栅的传感器生成的读出或处理器对读出的解释来控制软机器人的移动。

在另一方面，描述了一种软机器人假体系统，包括：软机器人，被配置为辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动，并且包括具有部署在主体内的一个室或多个互连的室的弹性体主体以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体，以致动软机器人；至少一个传感器，被配置为检测物理、化学或电子信号；以及至少一个处理器，被配置为可操作地链接到所述传感器，以从所述传感器接收读出并解释所述读出；以及控制系统，被配置为基于由所述一个或多个传感器生成的读出或所述处理器对所述读出的解释来致动软机器人，以辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动。

在本文所述的任何实施例中，传感器选自由以下传感器构成的组：电传感器、磁传感器、光学传感器、热传感器、听觉传感器、应变传感器、化学传感器和机械传感器。

在本文所述的任何实施例中，传感器在软机器人的外部或者附连到或嵌入软机器人中。

在本文所述的任何实施例中，传感器是被配置为从用户接收语音命令的声音传感器。

在本文所述的任何实施例中，传感器是被配置为测量用户的肌肉的应变或软弹性体主体的应变的应变传感器。

在本文所述的任何实施例中，传感器是被配置为经由用户的一个或多个肌肉群中的肌肉激发来测量电信号的电传感器。

在本文所述的任何实施例中，传感器是被配置为经由用户的大脑的神经元激发来测量电信号的电传感器。

在本文所述的任何实施例中，传感器被配置为测量与震颤相关联的肌肉或神经活动，并且控制系统被配置为响应于抵消该震颤来致动软机器人。

在还有另一方面，描述了一种软机器人设备，包括：

弹性体主体，具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；以及

一个或多个成像区域，被配置为提供与软机器人设备的其它区域不同的视觉信号，并且被配置为提供关于软机器人设备的状态的信息。

在本文所述的任何实施例中，成像区域中的至少一个在弹性体主体的表面上或者嵌入弹性体主体内。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且成像区域中的至少一个在应变受限层的表面上或嵌入应变受限层内。

在本文所述的任何实施例中，成像区域中的至少一个是具有与软机器人设备的其它区域不同颜色的着色区域。

在本文所述的任何实施例中，着色区域具有可由肉眼、成像设备或运动检测系统识别的颜色。

在本文所述的任何实施例中，成像区域中的至少一个是具有与软机器人设备的其它区域不同颜色的着色区域，并且软机器人设备还包括被配置为跟踪和/或检测着色区域的形状、面积和颜色强度的变化的运动检测系统。

在本文所述的任何实施例中，着色区域被配置为提供关于软机器人设备的应力和应变状态的信息。

在本文描述的任何实施例中，成像区域中的至少一个是具有与软机器人设备的其它区域不同颜色的着色区域，并且软机器人设备还包括被配置为跟踪和/或检测着色区域的运动检测系统。

在本文所述的任何实施例中，着色区域被配置为提供关于软机器人设备的位置的信息。

在本文所述的任何实施例中，成像区域中的至少一个包括被配置为可由成像设备检测的放射性对比剂材料。

在本文所述的任何实施例中，放射性对比剂包括钡盐。

在本文所述的任何实施例中，成像设备包括X射线机。

在本文所述的任何实施例中，成像设备包括CT(X射线计算机断层摄影)成像系统或荧光镜成像系统。

在本文所述的任何实施例中，射线对比材料包括MRI染料，并且成像设备包括MRI。

在本文所述的任何实施例中，，软机器人设备的状态选自由以下构成的组：软机器人设备的压力、位置、长度、曲率、朝向、速度、加速度、应变、应力、形态和物理状态。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括一个或多个附加传感器，每个附加传感器独立地选自由以下传感器构成的组：基于光栅的传感器、热传感器、化学传感器、生物分析物传感器、声音传感器、光学传感器、放射性传感器、热传感器、应变传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、大气压力传感器、真空传感器、高度计、电导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力感测电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁电二极管、磁电晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电检测器、加速度计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化学电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉降传感器、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、化学武器传感器、VX气体传感器、沙林气体传感器、芥子气体传感器、爆炸物探测器、金属探测器和电流传感器。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括被配置为检测成像区域的运动跟踪系统和被配置为检测成像区域的成像设备中的至少一个；以及控制系统，被配置为基于由运动跟踪系统或成像设备生成的读出来控制软机器人的移动。

在还有另一方面，描述了一种软机器人系统，包括：

软机器人，包括弹性体主体，所述弹性体主体具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；

传感器网络，用于感测信号；以及

处理器，可操作地链接到传感器网络并且被配置为基于传感器的读出来确定信号的位置、梯度和/或存在。

在本文所述的任何实施例中，处理器包括基于传感器的读出来计算信号的位置和/或梯度的算法。

在本文所述的任何实施例中，软机器人系统还包括控制系统，该控制系统被配置为基于由一个或多个传感器生成的读出或处理器对读出的解释来控制软机器人的移动。

在本文所述的任何实施例中，控制系统被配置为控制软机器人朝着或远离信号的位置移动。

在本文所述的任何实施例中，信号是选自光、声、热、放射性物质、化学品、生物、电场和磁场中的一种或多种信号。

在本文所述的任何实施例中，传感器中的至少一个位于弹性体主体的表面上或嵌入在弹性体主体内。

在本文所述的任何实施例中，软机器人系统还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且传感器中的至少一个位于应变受限层的表面上或嵌入应变受限层内。

在本文所述的任何实施例中，公开了一种用于感测本文所述的任何一个实施例的软机器人设备的状态的方法，包括从所述一个或多个传感器获得读出；以及确定软机器人设备的状态。

在还有另一方面，描述了一种软机器人设备，包括：

弹性体主体，其具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；以及

一个或多个传感器，选自由以下构成的组：被配置为测量流入和/或流出所述室或所述多个互连的室的流体的体积的体积检测系统，以及被配置为测量所述室或所述多个互连的室内部的流体的压力的压力传感器。

在本文所述的任何实施例中，体积检测系统和/或压力传感器被配置为提供关于软机器人设备的致动状态的信息。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备的状态选自软机器人设备的室的充气状态、应力、应变、压力、曲率和形态构成的组。

在本文所述的任何实施例中，其中软机器人设备是被配置为抓握物体的夹具，并且体积检测系统和/或压力传感器被配置为提供抓握力、被抓握的物体的尺寸、或物体的合规性分布曲线的夹具的信息。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括处理器和/或控制器系统以及嵌入在处理器或控制器中的指令，以便，如果体积检测系统检测到室内的流体体积超过阈值和/或如果压力传感器检测到室内的压力超过阈值，那么指示控制系统开始校正动作。

在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括配置成检测依赖于时间的流量和/或压力变化的处理器和/或控制器系统。

在本文所述的任何实施例中，处理器和/或控制器系统被配置为检测流量和/或压力的突然增加、减少或振荡，并且指示控制器系统停止流体进一步流入(一个或多个)室。

在本文所述的任何实施例中，处理器和/或控制器系统被配置为检测流量/压力分布曲线，其特征在于流量和/或压力的突然减小，随后流体连续流入(一个或多个)室，以及指示控制器系统停止流体进一步流入(一个或多个)室中。

在还有另一方面，描述了一种软机器人系统，包括：

软机器人，包括弹性体主体，具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；

一个或多个热传感器；以及

处理器，可操作地链接到一个或多个热传感器，并且被配置为基于热传感器的读出来控制室的流体加压。

在本文所述的任何实施例中，热传感器中的至少一个中嵌入或附连到软机器人的弹性体主体。

在本文所述的任何实施例中，软机器人还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且热传感器中的至少一个附连到应变受限层的表面或嵌入在应变受限层内。

在本文所述的任何实施例中，热传感器中的至少一个位于离软机器人一定距离处。

在本文所述的任何实施例中，热传感器中的至少一个位于离软机器人大约0.1m、0.3m、0.5m、1m、5m、10m、50m、100m、200m、500m或1000m处。

在本文所述的任何实施例中，处理器被配置为基于热传感器的读出来控制被配置成调节室内的流体量和/或压力的流体泵。

在本文所述的任何实施例中，处理器被配置为解释来自热传感器的读出，以执行软机器人设备的刚度和/或形态的实时测量，以及控制室的流体加压，以补偿依赖温度的弹性体的刚度的变化。

如本文所使用的，术语“软机器人设备”是指软机器人或软致动器。如本文所使用的，术语“应变受限层”和“应变限制层”可互换使用。应变是关于主体的相对位移的变形的描述。在这种情况下，例如通过加压力，由所施加的力引起的应力产生变形。因为具有较低刚度或较小弹性模量的材料将比具有较高弹性模量的材料变形更大，所以低刚度材料经受更大的应变或变形。因此，越高刚度或越大弹性模量的材料中的应变越小或“受限”。如本文所使用的，在较低阈值力下延伸、弯曲、膨胀或展开的软机器人的层或壁或其部分是“可延伸”或“低应变”构件。在较高阈值力下延伸、弯曲、膨胀或展开的软机器人的层或壁或其部分在本文中被称为“应变受限”层或壁或膜。

在某些实施方案中，术语“应变限制层”是指比弹性体主体更硬或更不易拉伸并且被附连或固定到弹性体主体的层。在一个或多个实施例中，应变限制层比弹性体主体硬大约10％、20％、>50％、>100％或>500％。

如本文所使用的，软机器人的术语“状态”是指软机器人的一般操作状况。软机器人或其系统的状态由状态变量的集合描述。系统的状态变量是可测量量的任意集合，它们一起提供关于系统的足够信息来描述机器人对用户的当前和/或未来行为；或用户期望观察的变量集合。充足的状态变量集合可以由单个可测量的量或可测量的量的集合组成，这依赖于系统和用户希望观察的内容。用于将状态变量集合定义为足够的标准是该集合提供足够的信息以准确地预测或近似用户期望观察的可测量量或可测量量集合的当前和/或未来行为。用于软机器人的状态变量的非限制性示例包括机器人的位置、机器人的朝向、机器人的速度、机器人的加速度、自动机器人最后一次致动以来经过的时间、机器人最后一次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、沿着机器人主体的点处的材料应力、沿着机器人主体的点处的材料应变、由机器人施加到物体上的力、机器人温度、致动器内部的压力、致动器外部的压力、致动器内部的加压流体与致动器外部环境中的环境压力之间的压力差。

附图说明

以下图像也描述了用于可以结合到结构中的多个应用和特征的细节。在这些示例中，我们假设在软机器人设备中存在到加压流体源的连接。参考以下附图来描述本发明，这些附图仅仅是为了说明的目的而给出的，而不意在限制。在附图中：

图1是光纤Bragg光栅的示意图。

图2是倾斜的光纤Bragg光栅的示意图。

图3是示出了刻印(imprint)在同一光纤的芯中的、具有不同周期的若干TFBG的示意图。

图4A是示出了软触手的示意图，其中光波导嵌入在该软触手的结构中。

图4B是示出了刻印在光纤的芯中的啁啾光栅的示意图。

图4C图示了集成到触臂中的啁啾光栅，由此传感器可以提供臂形状以及末端效应器形状的状态反馈。

图5图示了集成到触臂中的GBS，由此传感器可以提供臂形状以及末端效应器形状的状态反馈。

图6A是基于光栅的传感器的另一个实施例，其中传感器被螺旋卷绕在软设备周围。

图6B图示了由基于光栅的传感器测量的软设备的状态的3D映射。

图7A-图7B是由基于来自微处理器的信号、基于来自连接到人或动物的外部传感器的信号进行充气(图7B)或放气(图7A)的气动控制器调节的软致动器的示意图。

图8A-图8C示出了用于软致动器的电媒介信令。图8A)：臂的移动拉伸具有嵌入式导电材料的弹性带，所述嵌入式导电材料在拉伸时改变电阻。图8B)：当肌肉收缩时，附连到肌肉的电极测量电压电位的波动。图8C)：当神经元被触发时，附连到头部的电极测量电压电位的波动。

图9示出了在其应变表面上具有着色标记的软致动器。

图10示出了在其应变限制表面上具有着色标记的软致动器。图11A示出了包括多个放射性传感器的软机器人设备的示意图。图11B示出了包括多个放射性传感器并且在其致动状态下检测放射性物质的软机器人设备的示意图。

图12A示出了包括检测放射性物质的多个闪烁传感器的软机器人设备的示意图。图12B示出了包括检测放射性物质的多个闪烁传感器的软机器人设备的示意图。

图13示出了包括检测化学源的多个化学传感器的软机器人设备的示意图。

图14示出了包括检测照明源的多个光学传感器的软机器人设备的示意图。

图15A示出了包括多个热传感器的软机器人设备的示意图。图15B示出了包括检测热环境的多个热传感器的软机器人设备的示意图。

图16示出了包括检测声学环境的多个声音传感器的软机器人设备的示意图。

具体实施方式

描述了具有集成、嵌入、附连或以其它方式链接或连接到软机器人设备的一个或多个传感器或成像区域的软机器人设备。在一些实施例中，描述了软机器人，所述软机器人包括具有部署在主体内的一个室或多个互连的室的弹性体主体，弹性体主体包括加压入口，该加压入口被配置为将流体从流体来源接收到室中或所述多个互连的室中；以及沿着弹性体主体的一侧部署的应变受限层；以及至少一个传感器或成像区域。在某些实施例中，传感器被配置为检测物理、化学和/或电子信号和/或提供对软机器人的状态估计。在某些实施例中，一个或多个传感器被嵌入、集成、附连或以其它方式链接或连接到弹性体主体。在某些实施例中，一个或多个传感器被嵌入、集成、附连或以其它方式链接或连接到应变受限层。在某些实施例中，一个或多个传感器被嵌入、集成、附连或以其它方式链接或连接到应变受限层，并且一个或多个其它传感器被嵌入、集成、附连或以其它方式链接或连接到弹性体主体。在某些实施例中，一个或多个传感器在应变受限层或弹性体主体的外部。

在一些实施例中，传感器可以被用来提供对软机器人设备的状态的估计。状态可以选自由软机器人设备的压力、位置、长度、曲率、朝向、速度、加速度、应变、应力、形态和物理状态组成的组。在某些实施例中，给定软致动器的材料特性和来自应变传感器的应变数据，用户或处理器可以处理来自传感器的读出，以确定软致动器的应变状态。因此，可以收集用于弹性体的测试样本的应力-应变分布曲线。结果所得的数据集可以被用来创建查询表，查找表将致动器上的点处测量的应变与致动器上那个点处的对应材料应力之间的关系相关联。

在某些实施例中，传感器选自由以下传感器组成的组中的一个或多个传感器：流量传感器、体积检测系统或体积传感器、基于光栅的传感器、声音传感器、光学传感器、放射性传感器、热传感器、应变传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、大气压力传感器、真空传感器、高度计、电导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力感测电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁电二极管、磁电晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电检测器、加速度计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化学电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉降传感器、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气体传感器、沙林气体传感器、芥子气体传感器、爆炸物探测器、金属探测器、放射性探测器和电流传感器。

在某些实施例中，本文描述的软机器人包括多于一种类型的传感器。在某些实施例中，本文描述的软机器人包括两种或更多种类型的传感器，每种传感器选自由以下传感器组成的组：基于光栅的传感器、声音传感器、光学传感器、放射性传感器、热传感器、应变传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、大气压力传感器、真空传感器、高度计、电导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力感测电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁电二极管、磁电晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电检测器、加速度计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化学电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉降传感器、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、化学武器传感器、VX气体传感器、沙林气体传感器、芥子气体传感器、爆炸物探测器、金属探测器、放射性探测器和电流传感器。在软机器人中使用多于一种类型的传感器将提供关于软机器人的状态的丰富信息(例如，曲率、位置或地点)。

在一些实施例中，传感器、传感器网络或传感器系统通常是柔性和顺应的，并且能够有与软致动器本身相等或更大范围的大变形。

软机器人可以是具有可膨胀的主体的任何机器人，其能够在压力变化时膨胀或塌陷。在一些实施例中，软机器人设备的软主体具有加压入口，该加压入口被配置为与流体源、可膨胀主体和固定到可膨胀主体的一部分的应变受限层连通。软机器人的实际构造的示例是非限制性的，并且可膨胀主体可以例如由多个可膨胀的流体连通的室制成；其中加压入口被配置为与该多个可膨胀的互连的室连通，或者使用一个或多个弹性室制造，这些弹性室被配置为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，可膨胀主体由一个或多个柔性或可延伸的室制成，该柔性或可延伸的室被配置为在流体加压时展平(unbend)或打开(unfold)。软主体机器人设备还包括应变受限层，该应变受限层附连到弹性体主体，其不柔软或者与弹性体主体相比更不柔软。在一个或多个实施例中，应变受限层是不可延伸的，或者应变受限层可以适应小于35％或小于40％或小于50％的应变，并且例如可以在0-50％应变范围内。软机器人设备中的弹性体主体可以被配置为当室或多个互连的室被流体加压时优先膨胀，从而引起围绕应变限制层的弯曲运动。在其它实施例中，应变受限层螺旋卷绕在主体周围，以形成扭转致动器。对于适于本发明的软致动器的非限制性描述，参见WO 2012/148472；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No.61/885092，其内容其通过引用并入本文。

在某些实施例中，软机器人还包括用于至少部分地基于从一个或多个传感器或成像区域获得的数据来控制软机器人的移动的控制系统。

用于对软设备的形态执行实时测量的一个重要应用是补偿设备的充气行为中的滞后。例如，当软致动器被充气到给定的压力Y，然后被充气到新的压力X，其中X>Y，并且然后被再次充气到压力Y时，依赖于条件，有时观察到在第二次充气到Y时发生较大的致动程度。对于这种滞后效应显著的系统，知道供给软设备的压力不足以确定其形态。在这些情况下，有助于测量独立于压力的参数的传感器或标记(例如，应变传感器、磁性标记、LED标记等)的网络可以被用来确定软致动器或机器人的形态。这种传感器的系统可以被用来保证实现软设备的期望形态，而不管设备对过去充气的记忆。

体积检测系统和压力传感器

在一些实施例中，描述了具有一个或多个体积传感器、体积检测系统(例如，流量传感器)或压力传感器的软机器人或软致动器。体积检测系统(例如，流量传感器)或压力传感器各自可以嵌入在软机器人或软致动器的室中，并且各自被配置为测量流入或流出室的流体的体积或者室内部的压力。如本文所使用的，术语“体积检测系统”一般指被配置为确定软致动器的(一个或多个)室中的流体体积的任何传感器或系统。体积检测系统的具体示例是流量传感器。

因此，在一些实施例中，流量传感器被配置为测量流入软机器人或软致动器的空气流量量。在其它实施例中，流量传感器被配置为测量从软机器人或软致动器流出的空气流量。在还有的其它实施例中，单个流量传感器或一系列流量传感器各自被用来测量进入和离开软机器人或软致动器的空气流量。在其它实施例中，软机器人或软致动器是包括处理器和控制系统中的至少一个的软机器人系统的一部分。处理器被配置为接收从体积或压力传感器读出的数据。基于对读出的解释，处理器可以向控制系统发送指令以减少或停止更多体积的流体进入室，或者调节室内的压力。因此，来自体积或压力传感器的读出可以用作软机器人的室的充气状态的指示器。

在某些实施例中，软机器人包括一个或多个阀门，其控制流体流进和流开(一个或多个)室。在一些实施例中，在软机器人的室用具有期望体积和/或压力的流体充气之后，阀门被关闭。在这些实施例中，当软机器人在其路径中遇到障碍物时(例如，软机器人夹具与机器人碰撞时)，软机器人的室内的压力可以由于软致动器的压缩而升高或振荡。对于这些实施例，可以用压力传感器检测碰撞，该压力传感器感测由于致动器在碰撞时的压缩引起的压力的上升或振荡。

在其它实施例中，阀门在操作期间保持打开，并且由控制器系统(例如，电气或机械气动调节器)维持致动器中的期望压力。在一些实施例中，当软机器人在其路径中遇到障碍物时(例如，软机器人夹具抓握物体时)，控制器系统将在与物体碰撞时停止向(一个或多个)致动器的(一个或多个)室提供加压流体，因为向致动路径被阻塞的致动器提供附加流体将需要将致动器中的内部压力提高到由控制器系统维持的设定压力以上。在达到期望的压力后，控制器系统可以关闭阀门。

在某些实施例中，流体(例如，空气)经由压力调节器(机械或电气)供应到软致动器，然后致动器将能够维持固定的压力，而不管其与其环境的相互作用如何。在这些实施例中，致动器内部的空气的体积可以依赖于外力是否被施加到致动器上而改变。结果，在某些实施例中，体积检测系统可以被用来测量进入和离开致动器的空气流量，以确定致动器的状态是否发生变化。例如，如果软致动器被充气并且其致动路径不被阻塞，那么它将在那个压力下充气至其完全体积(这可以由体积检测系统测量)。

如果力被施加到致动器上(例如，由于阻塞)，那么致动器中的一些空气会在致动器变形时流出致动器。因此，在一些具体的实施例中，由体积检测系统测量的致动器内的体积变化被用于检测/感测软机器人与物体的碰撞。在一些实施例中，软致动器被充气，并且其致动路径被阻挡(例如抓握物体)，致动器将不会充气到其完全体积，因为它将在其碰到那个物体之后不久停止充气。在还有的其它实施例中，软夹具中的软致动器抓住可能脱离其抓握的物体。致动器可以开始吸入空气并且充气到其完全体积，因为一旦物体丢失，致动器(例如，夹具)就不被阻塞。

在还有的其它实施例中，流量传感器被配置为确定/估计被抓握的物体的尺寸。在某些实施例中，软机器人夹具将被用来抓握不同尺寸的物体。如果被抓握的物体小，那么致动器将需要接收大量的空气以几乎将夹具完全关闭。如果物体大，那么仅需要提供少量的流体(例如，空气)，因为在夹具接触物体以形成抓握之前，夹具不需要很大程度地关闭。通过测量抓握物体所需的流体量，可以估计物体的尺寸。

在还有的其它实施例中，致动器的充气分布曲线(例如，致动器内部的流体体积根据流量传感器测量的时间的变化)可以被用来测量物体的顺应性。物体可以具有软的主体(例如，海绵)并且容易符合致动器的抓握力。在这种情况下，致动器将快速填充空气，直到致动器的抓握路径由于与海绵碰撞而阻塞。然后，当致动器缓慢压缩海绵时，致动器将开始缓慢地填充空气。人们可以测量流体(例如，空气)流入软机器人或软致动器的速度的变化，以确定/估计机器人何时抓握住物体，即，压力和/或体积的依赖于时间的变化的测量。当物体易碎时，用户或控制系统可以停止向夹具供应空气，以防止物体进一步变形。因此，体积传感器可以提供信息，以使用户能够防止软夹具由于过度压缩而损坏物体。因此，在一些实施例中，包括体积传感器的软机器人设备还包括具有如下指令的处理器和/或控制器系统，该指令被嵌入在处理器或控制器系统中，以在体积传感器检测到室内的流体体积超过阈值的情况下指示控制系统开始校正动作。在其它实施例中，体积传感器还包括具有如下指令的处理器和/或控制器系统，该指令嵌入在处理器或控制器系统中，以在测量到流入或流出致动器的流体的速度的对应于使物体破碎的异常变化的情况下指示控制系统开始校正动作。

在一些实施例中，软机器人设备(例如，夹具)被配置为响应于异常的压力或流量读数，以例如识别和校正对应于不期望事件的时间依赖流量或压力响应中的模式。在一些实施例中，软机器人设备(例如，夹具)还包括被配置为检测依赖于时间的流量和/或压力变化的处理器和/或控制器系统。在某些实施例中，软机器人夹具的致动器中的压力由调节器维持，并且处理器和/或控制器系统被配置为检测流量的突然增加或振荡和/或压力的突然减小或振荡(例如，当夹具意外掉落抓握的物体时)，并指示控制器系统尝试再次抓握物体。在其它实施例中，处理器和/或控制器系统被配置为检测如下的流量分布曲线并指示控制器系统以阻止进一步的流体流入(一个或多个)室中，该流量分布曲线的特征在于流量的突然减小，随后是流入(一个或多个)室的流体的速度连续且较慢。例如，这可以在检测到抓握之后(这将被视为流量的突然减少)随后压缩抓握的物体(这将被视为与抓握目标的缓慢压缩相对应的较慢的流速)时发生。当检测到流量的这种特征模式时，处理器或控制器系统可以选择停止向致动器的(一个或多个)室提供流体(例如，空气)，以便停止被抓握的物体的持续压缩。

在一些实施例中，软机器人设备(例如，软夹具)包括用于软设备/机器人的状态估计的力传感器。如本文所述，如果软致动器与物体接触，那么知道用来使致动器充气的空气的压力和体积对于知道致动器形态可能是不足够的信息。在这种情况下，可以使用关于充气压力和用来使致动器充气的空气的体积的数据结合来自致动器表面上的力传感器的读数来确定致动器形态。压力、空气流量和力信息的这种组合对于控制软机器人夹具是重要的。

用于基于光纤Bragg光栅的软致动器的光学传感器

在一方面，描述了软机器人设备，包括：弹性体主体，其具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；以及至少一个基于光栅的传感器。在一些实施例中，基于光栅的传感器被配置为检测物理、化学和/或电子信号。

感测可以用各种不同的光学传感器来实现。如本文所使用的，基于光栅的传感器是指通过在光波导中包括/嵌入光栅状结构而制成的传感器。光波导是诸如引导光的传播的光纤或光学平板波导之类的结构。由于波导和环境之间的折射率失配，或由于波导的不同层(例如，芯和包层)之间的折射率失配，光的引导是可能的。光波导的示例包括平面波导，脊波导，圆形、沟道和光子晶体光纤波导。典型的光波导是具有内芯(通常具有较高折射率)和围绕芯的外包层的光纤。基于光栅的传感器可以是位于芯和/或包层中的波导的整体部件。在某些实施例中，软机器人设备还包括至少一个处理器，其被配置为可操作地链接到基于光栅的传感器，以从基于光栅的传感器接收读出并解释该读出；以及控制系统，被配置为基于由基于光栅的传感器生成的读出或处理器对读出的解释来控制软机器人的移动。在某些实施例中，短语“基于光栅的传感器”是指光纤。在其它实施例中，短语“基于光栅的传感器”是指包括感测信号所需的全部项的系统，其包括1)馈送到光纤中的光源，2)光纤Bragg光栅，和3)测量从光纤出来的光的光谱仪；和/或4)解释测量的光谱的分析软件。因此，在某些实施例中，软机器人设备包括读取基于光栅的传感器读出的光谱仪，并且然后处理器可以解释来自光谱仪的结果。

在一些实施例中，基于光栅的传感器是基于光纤Bragg光栅的光学传感器。在一个或多个实施例中，光纤Bragg光栅被集成到光纤中。光纤可以由玻璃、聚合物或玻璃/聚合物混合物、任何种类的透光材料制成。基于光栅的传感器的非限制性示例包括光纤Bragg光栅、倾斜的光纤Bragg光栅(TFBG)、啁啾光栅传感器和长周期Bragg光栅传感器。

光纤Bragg光栅是刻印在光纤芯中的周期性光学元件。它通过反射其波长与光栅周期成比例的反射光来起作用。光栅周期与其Bragg波长之间的关系可以用以下方式描述：

λB＝2ηeffΛ， (1)

其中Λ是光栅的周期，λB是背反射光的波长，并且ηeff是背反射芯模式的有效折射率[等式1]。图1示出了光纤Bragg光栅的示意图。FBG的结构可以经由折射率或光栅周期而变化。光栅周期可以是均匀的或分级的，并且集中或分布在光栅中。光纤Bragg光栅可以通过使用已建立的技术将折射率的系统(周期性或非周期性)变化“刻入”或“写入”光纤的芯而制成。

相对于光在光纤中传播方向的法线以一定角度刻印Bragg光栅形成倾斜的Bragg光栅(TFBG)。背反射光由几个频率组成，并且它包括背反射芯模式和一组背传播包层模式。激发模式的波长和有效折射率可以使用以下关系找到：

λclad＝(ηeff，core+neff，clad)Λ/cos(α)， (2)

其中λclad是背反射包层模式的波长，ηeff，core是背反射包层模式的有效折射率，neff，clad是背反射芯模式的有效折射率，Λ是光栅的周期，α是光栅的倾斜角。图2示出了TFBG的示意图。

光纤Bragg光栅可以被用来感测各种参数(例如，应变、弯曲、定向弯曲、光纤的3D状态、振动、压力、温度、湿度、化学或生物制剂的存在和浓度)。许多光纤Bragg光栅可以被集成到单个光纤中，以允许传感器在同一光波导内被复用，因此使得能够沿着波导的长度连续监视关注的参数。可以从传感器获得的信息可以被用来导出关于软机器人设备的状态的信息，诸如沿着软机器人设备的点处的压力、位置、长度、曲率、朝向、速度、加速度、形态和物理状态。在其它实施例中，基于光栅的传感器可以被配置为提供关于软机器人设备的外部环境的信息，诸如在软机器人设备的外部环境中的温度、湿度、化学制剂或生物制剂；或者基于光栅的传感器被配置为检测软机器人的应变、力、磁场、流量、弯曲、定向弯曲、三维状态、振动、压力、温度信息。

基于光栅的传感器可以以各种方式连接、链接或附连到软机器人设备。在一些实施例中，基于光栅的传感器被嵌入到弹性体主体中或附连到弹性体主体的外部。在其它实施例中，基于光栅的传感器被模制或共同模制到弹性体主体中。在还有的其它实施例中，基于光栅的传感器被缝合或卡扣到弹性体主体上或者用钩和环固定到弹性体主体上。基于光栅的传感器可以永久地附连到弹性体主体或嵌入弹性体中，或者从弹性体主体可移除。基于光栅的传感器可以螺旋地卷绕在弹性体主体和/或弹性体的末端效应器的周围。在某些实施例中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且软机器人设备包括嵌入或附连到应变受限层的一个或多个基于光栅的传感器。

感测机制：

光栅的倾斜使得能够将芯模式耦合到反向传播的芯和包层模式中。虽然芯模式只能在光纤的芯中传播，包层模式在包层中传播，但是它们可以靠近光纤的表面。这个事实解释了他们对包括化学变化在内的一系列外部参数的敏感性。光栅的温度敏感度可以通过以下事实来解释：如果温度变化，那么光纤的芯将改变其维度。因此，光栅的周期也将改变。因此，直线和倾斜的Bragg光栅可以用于温度监视。

嵌入在软机器人中的Bragg光栅可以为机器人提供结构感测能力。倾斜的光纤Bragg光栅传感器可以被用来监视振动、应变、弯曲和定向弯曲等参数。上面提到的任何参数的改变都可能导致光纤的几何形状(光纤的芯和包层部分的几何形状)的改变。倾斜的光纤Bragg光栅允许通过反向传播的包层模式集合的生成对结构变化进行光谱编码监视。TFBG的透射光谱具有对应于背反射模式和包层模式的多个深度。每个深度具有具体的波长和振幅。监视背反射模式的位置或其振幅允许连续跟踪生成这些变化(包括结构变化)的因素。

此外，倾斜的光纤Bragg光栅传感器可以被用来辨别若干参数(诸如温度和应变、或应变和振动)。因为这些参数对背反射模式的影响，因此参数之间的辨别是可能的。例如，温度的变化以相同的方式影响所有的反向传播模式。结果，如果温度变化，那么背反射模式的波长位置将改变相同的量。另一方面，应变选择性地仅影响其传播受所施加的力干扰的模式。因此，当施加应变时，仅有几个包层模式将经历转变。有可能通过相对于彼此跟踪所选择的谐振的振幅和波长的相对变化来实现温度和应变之间的辨别。

靠近光纤表面的包层模式的传播使得它们的有效折射率能够依赖于外部的折射率。倾斜的光纤Bragg光栅传感器可以成功地应用于监视不同的化学和生物参数。在某些实施例中，本文所述的光纤Bragg光栅传感器被用于湿度感测、化学感测、生物感测和细胞感测。在某些实施例中，通过将光纤Bragg光栅传感器添加到软机器人的表面来实现化学和/或生物感测。在某些实施例中，传感器被部分地嵌入到软机器人的主体中，或使用粘合剂密封到机器人的表面。在这些实施例中，粘合剂不能限制光波导的柔性。现有商业光纤和定制波导的柔性性质应允许传感器结合软机器人的成功应用，即，传感器可以弯曲并且可以改变其形状而不使其性能降级。

长周期Bragg光栅是具有高于100μm的周期的Bragg光栅。除了它们只能激发向前传播的包层和芯模式之外，长周期Bragg光栅的功能类似于倾斜的光纤Bragg光栅传感器。在某些实施例中，长周期Bragg光栅传感器被应用于化学、湿度、生物、压力和弯曲感测。类似于倾斜的光纤Bragg光栅传感器，长周期Bragg光栅可以通过具有不同周期被光谱分离并在同一光波导中多路复用，以便实现沿光纤长度的所关注的参数的连续监视。

在某些实施例中，长周期光栅传感器依赖于应用或者通过使用粘合剂将它们添加到机器人的表面或通过将它们嵌入到软机器人的主体中而集成到软机器人中。在某些实施例中，为了化学和生物感测，传感器被定位在机器人的表面上，并且光纤表面的一部分需要暴露于环境并与所关注的生物或化学制剂相互作用。在某些实施例中，结构感测可以由嵌入在软机器人中或软机器人表面上的传感器来实现。在某些实施例中，通过在模制处理期间将传感器添加到预固化的聚合物或者通过在将机器人放在一起时将它们定位在软层之间来执行嵌入。在一些实施例中，传感器可以被添加到在机器人致动期间将不会经历显著拉伸的应变限制层。在某些实施例中，传感器被添加到在致动时延伸的常规软层，因此光波导将以允许整个结构拉伸的方式被扭转、弯曲或空间修改。

在一些实施例中，光纤可以以蛇形或螺旋形模式嵌入弹性体中，使得其可以在致动器拉伸时展开。以这种方式，光纤可以被放到致动器的拉伸区域中。在某些实施例中，光纤被嵌入在应变限制层中的直线几何形状中。

图3示出了如下的示意图，该示意图示出了刻印在同一光纤的芯中的、具有不同周期的若干倾斜的光纤Bragg光栅传感器。

在一些实施例中，为了布置若干传感器被刻印在同一波导中，并且能够沿着光纤的一定长度监视所关注的参数(例如，梯度或弯曲)，光栅需要被光谱分离。这可以通过确保每个光栅的周期与其它光栅的周期不同来实现。通过制造具有其各自周期的光栅并将它们连接在一起，可以创建可用于监视沿光纤长度的所关注的参数的分布式传感器网络。由于光栅的光谱分离，传感器的响应将不会重叠。每个传感器将具有其自己的光谱宽度，该光谱宽度可以由光栅的倾斜来确定。

在同一光纤内连接不同周期的若干光栅可以通过或者沿单个光纤片段的长度写入若干光栅或者通过在各个光纤片段中写入光栅并且稍后将这些片段拼接在一起来实现。

啁啾光栅或非周期光纤光栅是具有沿光栅长度变化的周期的光栅。

作为非啁啾光栅的复用的替代方案，啁啾光栅可以用于实现分布式结构或分布式化学感测。

在一些实施例中，图4B示出了长度为L的直线啁啾Bragg光栅。光栅的周期从Λ1增加到Λn。沿光栅的长度变化的周期生成空间编码的光谱响应。特别地，这种光栅的响应将具有由特定周期的光栅的特定部分生成的谐振。背反射谐振的波长将由光栅的局部周期规定。那些谐振可以被用来跟踪沿光栅长度发生的结构和化学变化。

具体而言，当在光纤中存在光栅时，它将背反射(即，向后反射)由光栅的周期和光栅的有效折射率确定的某些光。在复用光栅的情况下，将预期在光纤中具有不止一个光栅区域，每个区域具有不同的周期性，使得如果通过光纤发送多个波长的光，那么各个波长将在它们击中适当周期的光栅时被背反射。例如，如果通过光纤发送波长为λBX和波长为λBY的光，那么，当波长为λBX的光击中周期为Λ＝λBX/2ηeff的光栅时，波长为λBX的光将被背反射，并且，当波长为λBY的光击中周期为Λ＝λBY/2ηeff的光栅时，波长为λBY的光将被背反射。因此，如果这两个不同的光栅沿着光纤的长度处于不同的位置，那么可以使用基于光栅的传感器来在这两个分开的位置处提供信息。

使用不同的光栅可能意味着需要对于每个点将具有独特周期性的光栅写入或拼接到光纤中以用于信息收集。在某些实施例中，使用啁啾光栅来解决这个问题。对于啁啾光栅，光栅的周期性沿其长度逐渐变化。因此，被背反射的波长沿其长度逐渐变化。这意味着啁啾光栅在沿光栅的每个点处提供空间分辨的信息。

在一些实施例中，每个背反射提供关于光纤中发生背反射的点处的局部环境和光栅状态的信息。这是因为对光纤的芯、其包层或者对周围环境的折射率的任何干扰都会更改光栅的行为，这更改了背反射的光的特性。例如，如果光栅被加热，那么它将膨胀，从而改变光栅的周期性并且进而改变它将背反射的光的波长。可替代地，如果光栅弯曲，那么它将改变光栅的周期性，这将改变它将背反射的光的波长。

在一些实施例中，啁啾光栅可以通过或者将它们添加到机器人的表面(使用粘合剂密封)或者通过将它们嵌入到软机器人中而被集成到软机器人中。嵌入可以在模制阶段期间或在模制后当几层软机器人放在一起时执行。可替代地，啁啾光栅可以集成或添加到卷绕在致动器周围的织物上。

图4C示出了软触手，其中在触手的表面上添加有啁啾光栅405。在其它实施例中，基于光栅的传感器可以被放在致动器的芯中。光栅的周期沿着光栅的长度(L)从Λ₁到Λ_n变化。这种光栅可以通过由光栅的每个部分生成背反射模式来检测沿着光栅的长度发生的结构或化学变化。背反射模式的波长位置或振幅的跟踪允许监视影响模式传播的因素。

基于光栅的传感器可以与一个或多个相同类型或不同的传感器结合使用。在某些实施例中，软机器人设备还包括沿着弹性体主体的一侧部署的应变受限层，并且软机器人设备包括一个或多个传感器(例如，嵌入或附连到应变受限层的基于光栅的传感器)和嵌入或附连到弹性体主体的一个或多个传感器(例如，基于光栅的传感器)。在一些具体实施例中，软机器人设备还包括一个或多个附加传感器，每个附加传感器独立地选自由以下传感器组成的组：基于光栅的传感器、热传感器、一个化学传感器、生物分析物传感器、声音传感器、光学传感器、放射性传感器、热传感器、应变传感器、多个化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、大气压力传感器、真空传感器、高度计、电导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力感测电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁电二极管、磁电晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电检测器、加速度计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化学电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉降传感器、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气体传感器、沙林气体传感器、芥子气体传感器、爆炸物探测器、金属探测器和电流传感器。

在一些实施例中，软机器人设备还包括处理器，该处理器被配置为可操作地链接到基于光栅的传感器，以从基于光栅的传感器接收读出并解释该读出；和/或控制被配置为基于由基于光栅的传感器生成的读出或处理器对读出的解释来控制软机器人的移动的系统。因此，基于传感器(诸如基于光栅的传感器)的读数，控制系统指示机器人采取某些动作(例如，减少/增加入口流体压力/流量；避免与障碍物接触；朝向/远离化学、生物或物理信号源移动)。

在一些实施例中，状态反馈可以包括：

1)：关于致动器的弯曲的信息。这在例如当弯曲致动器接触物体时相关。在这种情况下，仅仅知道致动器的充气压力不足以知道致动器的弯曲程度，因为物体妨碍致动器的运动。因此，中央控制计算机将需要弯曲数据而不仅仅是压力数据作为输入，以知道如何引导软机器人的活动。这种反馈回路在其中需要在当手指抓握不同形状的物体时知道手指的弯曲的软夹具中将是有用的。在这种情况下，当压力增加不产生弯曲增加时，控制计算机将通过感测该点而知道手指何时触摸物体。当感测到这一点时，计算机可以或者停止使手指充气以轻轻地摇动其正在抓握的物体，或者继续使那个手指充气，以便将力施加到它正在抓握的物体的表面。

2)：关于致动器的温度或环境温度的信息。温度的变化将改变组成软致动器的弹性体的刚度。因此，给定固定的致动压力，致动器的致动程度将根据温度而改变。通过使用致动器的温度数据作为感测反馈回路的一部分，控制计算机可以补偿这种效应，以确保始终为致动器实现期望的致动程度，而不管温度如何。这对于必须走进热环境中的消防救援机器人来说是相关的，在热环境中，控制其门的参数将随温度而不断变化。在一些实施例中，可以通过在致动器上使用TFBG或热电偶或者通过使用诸如红外温度计或恒温器之类的设备远程测量致动器温度来实现对致动器温度的感测。

3)：关于特定化学和生物制剂的存在的信息。这可以与探索化学品泄漏的软机器人相关。例如，如果基于硅酮的软机器人发现其一条腿处于将会损坏机器人的化学物质(例如，己烷、二恶烷、二氯甲烷)的坑中，那么这个信息可以被馈送到控制计算机，在这个时候控制计算机将工作以将机器人引导到安全的地方。

4)：压力感测对于控制软夹具将是有用的。例如，在夹具的其中一个手指弹出的情况下，压力传感器可以将这个信息发送到控制器，控制器开始利用其余手指进行校正动作，以便保证被抓握的物体不会掉落并因此破碎、砸到人身上，或两者兼而有之。在这种场景中，压力传感器可以位于各种地方。例如，传感器可以在使用Bragg光栅或常规压力传感器(如大气压力传感器芯片)的致动器中，或者传感器可以在经由系绳向机器人供应压力的盒子中。

5)：流量传感器对于控制软夹具将是有用的。例如，在夹具的其中一个手指弹出的情况下，流量传感器可以将这个信息发送到控制器，控制器开始利用其余手指进行校正动作，以便保证被抓握的物体不会掉落并因此破碎、砸到人身上，或两者兼而有之。流量传感器可以用在各种地方。例如，如果一旦夹具被完全致动就被充气到静压力，那么到夹具的气流将停止。但是，如果夹具的其中一个手指弹出，那么负责维持夹具中的静压力的电动气动换能器将开始使空气流到该手指，以补偿由于弹出而导致的手指中的压降。结果，手指的这种弹出可以作为异常空气流量来测量。在这个时候，夹具可以开始校正动作。这种流量传感器可以在控制夹具的气动控制盒中，但也可以结合到致动器的主体中。因此，在一些实施例中，利用嵌入式流量传感器来描述软致动器，以监视用作致动器的控制输入的加压流体的操作流速或压力的变化，使得其操作响应于流体流量的变化而被修改。

基于光栅的传感器与软机器人的集成：

传感器可以被添加到软机器人中：1)将具有刻印在其芯中的光栅的商业光纤501(例如，SMF-28)附连到软致动器或软机器人的表面(图5)，以及2)制造定制的光栅嵌入在其结构中的基于聚合物的光波导，该光波导随后将被添加到软致动器或软机器人的表面，或者将被结合到软致动器或软机器人的主体中。可以借助任何一种不会限制软机器人和传感器的柔性的粘合剂来将光学传感器附连到软机器人的表面。如果传感器必须集成在机器人内部，那么传感器可以添加在包括机器人主体的层之间。在一些实施例中，传感器还可以在模制处理期间嵌入到机器人中。

图4A示出了如下的示意图，该示意图示出了在其结构中嵌入有光波导的软触手401。在这些实施例中，多个传感器S₁、S₂...S_n被嵌入在软触手中。波导具有在空间和频谱上分离的N个TFBG传感器，从而提供了在波导L＝L1+L2+L3+....+Ln的长度上监视所关注的参数的机会。由于光纤是不可延伸的，因此可以将其结合到应变限制层。这可以以许多不同的方式完成。以下是非限制性示例的列表：

1)：在三室触手的情况下，光纤可以模制到中心应变限制芯中。

2)：在其它实施例中，可以构建其中光纤是应变限制层的致动器。如果在充气时将光纤模制到可充气弹性体结构的壁中，那么该结构将沿不可延伸的光纤的方向弯曲。可以使用这种做法创建复杂的运动。例如，如果光纤被模制到弹性体管的壁中，使得在充气时光纤形成卷绕在管的壁上的螺旋，那么管将延伸并扭转。

3)在还有的其它实施例中，中空通道可以被模制到软致动器的应变限制层中，使得光纤可以在模制之后插入通道中。然后可以通过用胶水或附加弹性体填充通道而将光纤固定到位。可替代地，可以选择不使用胶水或更多弹性体，而是仅使得光纤自由放置在通道中。还可以使用其端部附连到通道的端部的螺旋或蛇形形状的光纤，使得当致动器弯曲、扭转或延伸时，光纤可以伸长。

4)：光纤可以经由胶合、缝合或编织附连到织物上，然后织物被放在致动器上以充当应变限制层。例如，简单的纺织品可以用作用于软致动器的应变限制层。

在一些实施例中，将绕过光纤不可延伸这一事实的添加光纤的另一种做法是将其放在充气室的中空内部(例如，图4A中所示的中空空间403)中。光纤可以自由放置在充气室中，或者其端部可以固定到充气室的壁，在这种情况下，可以使用具有螺旋或蛇形形状的光纤，以便其在充气室弯曲、扭转或延伸时可以伸长。

在某些实施例中，如果传感器意在测量致动器的弯曲状态，那么它可以被放在致动器的内部或外部。在一些实施例中，如果它意在感测化学或生物材料，那么将需要1)在致动器的外部，使得传感器可以与外部环境接触，或者2)需要位于致动器内用来收集样本的中空管中以使得样本流过传感器。在一些实施例中，如果光纤意在测量致动器的充气压力，那么传感器被固定到充气室的内壁或自由放置在室中。在一些实施例中，如果光纤被用来测量致动器的温度，以便补偿致动器的刚度随着温度的变化，那么可以将传感器安装或嵌入在跨致动器的多个点处。这是因为在硅氧烷和聚氨酯弹性体中传输的热量可能需要大量的时间，因此可以在设备中映射热梯度，而不是在单个点进行一次温度测量。在一些实施例中，如果温度传感器被用来感测外部环境中的温度，例如为了确保机器人不会走入火中，那么传感器可以安装在致动器的外部，以确保传感器具有快响应时间。

波导具有在空间和频谱上分离的N个TFBG传感器，以提供在波导的长度L＝L1+L2+L3+....+Ln上监视所关注的参数的机会。所关注的参数的整体变化可以被发现是传感器响应的总和。这种配置还允许检测测量的参数的空间位置，因为它现在可以被频谱编码到传感器的响应中。

图5图示了集成到触臂500中的基于光栅的传感器501，由此传感器501可以提供臂形状以及末端效应器形状的状态反馈。传感器可以使用粘合剂附连到触臂的表面，或者传感器可以嵌入到臂的主体中。这可以或者通过在模制处理期间将传感器插入触手中或者在执行模制之后将其嵌入到层之间来实现。将传感器添加到软机器人应当通过将传感器与机器人被致动时不会拉伸的应变限制层集成来实现。如果传感器被添加到在致动时膨胀的软层，那么波导应当被定位成螺旋形、弯曲的或其它空间上修改的模式，这将允许整个集成结构的扩展/拉伸。此外，可以检测由夹具/操纵器505的夹钳力或与环境中的物体503的碰撞引起的传感器中的变形。

图6A图示了基于光栅的传感器601的另一个实施例，其中传感器601螺旋卷绕在软设备600的周围。这种配置的优点是传感器最小程度地妨碍设备的运动范围、没有移动的部分、它为软设备提供更大的感觉覆盖并且允许设备长度的延伸和收缩。

图6B图示了由基于光栅的传感器601测量的软设备的状态的3D映射。这种信息可以被馈送到控制器中，以对软设备进行编程，从而执行任务并收集关于设备如何与其环境相互作用的数据。例如，如果螺旋线在意外的点处变形，那么这可能表明与物体发生碰撞。

在一些实施例中，应当指出的是，来自这种传感器和其它传感器(例如，凸块或碰撞传感器、压力传感器)的输出可以被馈送到触觉设备，以物理地通知操作者作用于该设备上的力的位置和强度。例如，操作者可以佩戴传感器化的触觉手套，其中软机器人设备试图模拟手套的状态。如果操作者经由软机器人设备挤压物体，那么软机器人设备中的接触/压力传感器将激活穿戴者手套中的相关触觉致动器。这可以被用来向操作者物理地发信号通知抓握的质量或者何时软设备与物体接触。

软机器人假体系统

在另一方面，描述了一种软机器人假体系统，该系统包括：软机器人，被配置为辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动，并且包括弹性体主体，该弹性体主体具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体来致动软机器人；至少一个传感器，被配置为检测物理、化学、磁性或电子信号；以及至少一个处理器，被配置为可操作地链接到传感器，以从传感器接收读出并解释该读出；以及控制系统，被配置为基于由一个或多个传感器生成的读出或处理器对读出的解释来致动软机器人，以辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动。

如本文所使用的，假体或假体设备是指在外部或植入的、替代或补充身体缺失或缺损部分或者一般而言改善用户的一个或多个身体部分或肌肉的功能/运动的设备。用户的非限制性示例包括人和动物。在一些实施例中，软机器人假体系统被附连到或以其它方式链接到用户的身体，并被配置为辅助或改善用户的身体部分或肌肉的运动。传感器可以在软机器人的外部或内部(例如，附连或嵌入在软主体或应变限制层中)。在某些实施例中，本文所述的软机器人是被配置为抵消身体震颤的可穿戴软机器人。在某些实施例中，传感器被配置为测量与震颤相关联的肌肉或神经活动，并且控制系统被配置为响应于抵消震颤来致动软机器人。

在一些实施例中，软机器人假体系统被用来充当人或动物的假体，从而提供许多重要任务，诸如物理通信、对象操纵和自稳定。为了执行这些任务，软致动器需要来自用户、环境或两者的信号。可以经由本文所述的一个或多个传感器来获得来自环境的传感器。来自用户的信号可以从各种源生成，其中源可以被广泛地分类为但不限于i)电、ii)磁、iii)光、iv)热、v)可听、vi)化学和vii)机械源。磁信号的非限制性示例包括来自脑磁图(MEG)型脑扫描的信号。

图7A-图7B示出了包含由控制器系统(例如，气动控制器703，但是也可以使用液压或真空系统)控制的软致动器701的软机器人系统。气动控制器703可选地连接到微处理器707，微处理器707规定气动控制器是否应当使软致动器充气或放气。微处理器使用来自外部传感器707的信号来确定气动控制器的状态。外部传感器可以由人或动物体生成的任何辨别信号驱动。正被发送的信号可以经由有线或通过任何无线方式完成。图7A和7B分别示出了致动器的松弛状态(701)和致动状态(70)。

在某些实施例中，如上所述的来自用户的六类信号可以以三种方式进行控制：i)通过身体运动(图8A)，ii)通过肌肉激发(图8B)，和iii)神经元激发(图8C)。如图8A中所示，其可以是沿臂的长度延伸以指示臂运动的应变传感器801或应变传感器系统。这里仅绘出了传感器。在一些实施例中，软致动器也沿着臂的长度延伸并且应变传感器被放在致动器的应变限制层上。在这种情况下，当应变传感器测量初始臂运动时，它向控制器802发送信号，控制器开始对附连到臂的软致动器进行充气，由此辅助臂的弯曲运动。

如图8B中所示，在某些实施例中，传感器803测量臂的肌群中的电信号。在这里，如图8A中那样，为了简单起见，图中仅绘出了传感器。在一些实施例中，本文所述的软致动器附连到臂，其中在其应变限制层上的电传感器与臂的表面接触。当这些传感器测量臂的肌肉中的电活动时，控制器804开始对软致动器加压，软致动器进而使臂弯曲，以辅助用户的运动。

如图8C中所示，传感器805被附连到用户的头部的表面或者附连到脑的表面以测量运动皮层中的神经活动。在一些实施例中，传感器被配置为测量运动皮层中与用户移动其臂的意图相关联的神经活动。基于这个传感器的读出，控制器806可以对臂上的软致动器加压，由此辅助臂移动。

光学媒介的信号是无线传输的另一种形式。例如，LED可以被放在发射可见光或红外光的用户的身体上。随着用户的移动，机器人或外部视觉识别设备上的传感器可以跟踪用户移动的变化，并相应地改变软致动器的状态。可替代地，来自外部光源的反射光可以由集线器处理，诸如利用游戏系统(例如，Xbox Kinect)来完成。

具有成像区域的软机器人设备

在还有另一方面，描述了一种软机器人设备，包括：弹性体主体，该弹性体主体具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；以及一个或多个成像区域，被配置为提供与软机器人设备的其它区域不同的视觉信号，并且被配置为提供关于软机器人设备的状态的信息。

在一些实施例中，成像区域中的至少一个被放在弹性体主体的表面上或嵌入在弹性体主体内部。在其它实施例中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且成像区域中的至少一个在应变受限层的表面上或嵌入在应变受限层内。在还有的其它实施例中，软机器人设备可以具有放在弹性体主体的表面上或嵌入在弹性体主体内部的一个或多个成像区域以及在应变受限层的表面上或嵌入在应变受限层内的一个或多个成像区域。

在一些实施例中，成像区域是着色区域(例如着色标记)，其具有与软机器人设备的其它区域不同的颜色。颜色可以由肉眼或者被配置为跟踪和/或检测着色区域的运动检测系统识别。

因此，在一些实施例中，一个或多个着色标记被应用到软机器人设备的表面，例如弹性体主体的表面，以辅助由计算机视觉系统进行的运动跟踪。可以使用任何颜色的标记。这些标记提供沿软机器人的主体的参考点，这些点可以由用于确定软机器人的状态的视觉系统进行区分。由于软机器人的表面在致动期间产生应变，因此这些跟踪颜色标记将改变形状、面积和颜色强度。因此，除了能够使用这些标记来确定沿致动器的点处的位置、速度、加速度、朝向、动量等，还将有可能通过分析形状、面积和颜色强度的这些变化来确定在这些点处的应力状态、应变状态和/或形态。

在其它实施例中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且成像区域中的至少一个在应变受限层的表面上或嵌入在应变受限层内。在一些具体实施例中，成像区域中的至少一个是具有与软机器人设备的其它区域不同颜色的着色区域，并且软机器人设备还包括被配置为跟踪和/或检测着色区域的运动检测系统。因此，在这些实施例中，因为应变限制层基本上不变形，所以着色区域可以基本上保持其形状、面积和颜色强度，并且着色区域可以被用作位置指示器。这种配置可以简化由运动捕获系统对捕获的图像的解释，并降低计算机计算的复杂性。

如图9中所示，若干成像区域(例如，着色标记909)被应用到软致动器901的可充气气动层903的表面上。软致动器901包括可充气气动层903、充气线907、以及与可充气气动层903接触或附连的应变限制层905(图9的顶部部分示出处于未充气状态的软致动器)。在充气期间(图9的底部部分)，应变限制层弯曲(905')，可充气气动层膨胀(903')并且跟踪标记(909')的面积增加；并且它们的形状变化且它们的颜色浓度减小。这种信息可以由成像设备捕获以用于分析。例如，成像设备可以将处于未充气阶段的跟踪标记的颜色浓度与充气阶段的颜色浓度进行比较，并且颜色浓度的降低表示软机器人处于应变或致动状态。类似地，成像设备可以将处于未充气阶段的跟踪标记的面积与充气阶段的面积进行比较，并且面积的增大表示软机器人处于应变或致动状态。

常规机器人使用运动学跟踪标记的主要原因之一是使用计算机视觉系统识别这些标记比使计算机可视地识别机器人本身的主体更容易。使用这种跟踪软机器人运动的方法会是困难的，因为，与硬机器人上的着色标记不同，软机器人上的这些标记将在致动期间改变形状、面积和颜色强度。在某些实施例中，成像区域、运动学跟踪标记被包括在软致动器的应变限制层中。由于应变限制层是软致动器的经历最小应变的部分，因此这个层上的运动学跟踪标记将在致动期间显示出最小程度的形状、面积和颜色强度变化，由此简化使用计算机视觉系统识别和分析这些标记的过程。

本文参考图10来描述这些实施例，其中将若干成像区域(例如，着色标记1009)应用到软致动器1001的应变限制层1005的表面上。软致动器1001包括可充气气动层1003、充气线1007和与可充气气动层1003接触或附连到可充气气动层1003的应变限制层1005(图10的顶部部分示出了处于未充气状态的软机器人)。在充气期间，软致动器被致动(参见1001')，可充气气动层膨胀(参见1003')，应变限制层弯曲(参见1005')，并且跟踪标记(1009')相对位置改变，但是跟踪标记的面积和颜色浓度可以保持不变或仅最小程度地改变(例如，小于大约10％、8％、5％、4％、2％或1％，或者变化在由本文公开的任何百分比界定的范围内)。这种信息可以由成像设备捕获以用于分析。成像设备可以将处于未充气阶段的跟踪标记的位置与充气阶段的位置进行比较，并且其相对位置的变化指示软机器人处于应变或致动状态。

在还有另一个实施例中，成像区域是嵌入或附连到软致动器的表面的标记，该表面由一片放射性对比剂(例如，可经由像医学成像设备之类的成像设备识别的化学品)构成。在某些实施例中，成像系统是PET扫描成像系统。可以使用在医学成像中使用的任何已知的化学品。在某些实施例中，化学品是钡盐，诸如硫酸钡。在一些实施例中，软机器人医疗设备可以包括机器人主体的应变部分中的多片放射性对比剂(例如，硫酸钡)，用于使用X射线成像系统(例如，CT(X射线计算机断层摄影)成像系统或荧光镜成像系统)来确定沿致动器的点处的位置、速度、加速度、朝向、动量和应变/形态。在其它实施例中，放射性对比剂材料包括MRI染料，并且成像设备包括MRI。在某些实施例中，一片纯放射性对比剂可以位于致动器内部的空隙或口袋中，或者对比剂可以混合到用来构建致动器的弹性体中。在某些实施例中，可以在用户不可见的位置处使用包括一片放射性对比剂的软机器人。例如，在腹腔镜手术或结肠镜检查期间，可以在腹部使用软机器人触手。

在一些实施例中，软机器人设备还包括一个或多个附加传感器，每个附加传感器独立地选自由以下传感器构成的组：基于光栅的传感器、一个热传感器、化学传感器、生物分析物传感器、声音传感器、光学传感器、放射性传感器、多个热传感器、应变传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、大气压力传感器、真空传感器、高度计、电导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力感测电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁电二极管、磁电晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电检测器、加速计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化学电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉降传感器、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气体传感器、沙林气体传感器、芥子气体传感器、爆炸物探测器、金属探测器和电流传感器。

在一些其它实施例中，软机器人还包括被配置为检测成像区域的运动跟踪系统和被配置为检测成像区域的成像设备中的至少一个；以及控制系统，被配置为基于由运动跟踪系统或成像设备生成的读出来控制软机器人的移动。

具有分布式传感器网络的软机器人系统：

在另一方面，描述了一种软机器人系统，包括：软机器人，包括弹性体主体，该弹性体主体具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；传感器网络，用于感测信号；以及处理器，可操作地链接到传感器网络并且被配置为基于传感器的读出来确定信号的位置、梯度和/或存在。

在一些实施例中，软机器人系统中的处理器可以包括计算信号位置的合适算法。在一些实施例中，软机器人系统还包括控制系统，该控制系统被配置为基于由一个或多个传感器生成的读出或处理器对读出的解释来控制软机器人的移动。控制系统可以被配置为控制软机器人以朝向或远离信号的位置移动。

在一些实施例中，软机器人系统还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且传感器中的至少一个位于应变受限层的表面上或嵌入在应变受限层内。在其它实施例中，传感器中的至少一个位于弹性体主体的表面上或嵌入弹性体主体内。

在一些实施例中，要检测的信号包括但不限于光、声、热、放射性物质、化学品、生物、电场和磁场。可以使用相应合适的传感器。

在某些实施例中，空间分布的传感器网络被用于确定信号的源的方向和/或信号的源的位置。在某些实施例中，软致动器中包括一个或多个放射性传感器。图11A中示出了一个实施例，其中多个放射学传感器1103包括在软机器人1101中。如图11B中所示，软机器人处于其致动状态1101'并放在放射性物质梯度1104附近，其中越浓的颜色指示放射性物质的越高浓度。放射性传感器1103B最靠近放射性物质浓度最高的区域，因此将产生最强信号(如最暗的色条所指示的)。放射性物质的浓度按照靠近传感器1103A、靠近1103C、靠近1103D的区域的次序减小。因此，由这些传感器产生的信号将以相同的次序减小(1103A>1103C>1103D，如由图11B中其相对色条的暗度所示的那样)。软机器人系统中的处理器可以包括计算信号位置的合适算法。

如图12A中所示，具有闪烁传感器1203A-1203D的软机器人1201被用于检测放射性物质梯度1202。传感器1203A和1203B最靠近放射性物质的最强浓度(如由最暗的色条所指示的那样)，因此将产生最强的闪烁。传感器1203C由于其相对于放射性物质梯度的位置而产生比传感器1203D更强的闪烁信号。图12B示出了软机器人1204的主体与放射性物质梯度1205重叠的情况。在这种情况下，由于放射性物质传感器与放射性物质梯度1205的相对位置，闪烁信号按照闪烁的放射性物质传感器1206B、1206A、1206C和1206D的次序减小。

要指出的是，图12A和图12B示出了在不同位置处的放射源的检测。因此，在图12A和图12B中，各个传感器与沿放射性梯度的点之间的相对距离不同。在图12B中，跨网络测量的信号将不同于图12A。例如，在图12A中，传感器1203B几乎位于梯度的峰值(由箭头a’示出)的顶部，但是在图12B中，传感器1203B更远(由箭头a”示出)。仅这个信息就可能足以估计传感器1203B与辐射源之间的距离，而不足以估计源的方向。

借助于其它传感器，可以找出辐射源的方向以及到辐射源的距离。例如，图12A和图12B中的传感器1203B的信号差异可以使人们得出放射源已经移动。如果源向下移动并移动到图12B中的右边，那么将预期看到传感器1206C和1206D上的信号的上升。但是，在所示的实施例中，在图12B中，源向上和向左移动。结果，将看到传感器1206D相对于图12A中的传感器1203D测量的信号将具有大的下降。类似地，将预期看到图12B中的传感器1206C的信号的下降。结果，可以通过使用多个(例如，两个、三个或更多个)空间分布的传感器来确定信号的方向。

在某些实施例中，一个或多个化学传感器(1303A-1303D)被嵌入或附连到软机器人或软致动器1301(图13)的表面，以检测有害化学梯度1302的存在。化学传感器是将化学信息(从具体样本组分的浓度到总的组成分析)变换为分析有用的信号的设备。化学信息可以源自分析物的化学反应或源自所研究的系统的物理特性。可以使用一系列常规硬电子化学传感器，诸如用在呼吸机中的乙醇传感器、基于导电聚合物(例如，聚噻吩)的柔性化学电阻器、或者与敏化化学品混合的碳纳米管。可替代地，可以将弹性体中的导电颗粒悬浮(使弹性体导电)并测量当弹性体由于与所关注的化学品接触而鼓胀时弹性体的电阻变化。在图13中所示的情况下，由于传感器与化学梯度1302的相对位置(越暗的颜色指示具有越大化学浓度的区域)，信号的强度按照传感器1303A>1303C>1303C>1303D的次序减小。基于这些传感器的读出，处理器一般可以确定化学信号的位置，即图的左侧。

在某些实施例中，化学武器传感器或化学传感器可以沿着软机器人的主体的多个点施加，并经由线(例如，光刻构图的蛇形线)连接到中央处理单元(处理器)。然后，这个处理单元将分析由软机器人上的不同传感器测量的化学信号的相对强度。通过将这种信息与每个传感器的相对位置的知识组合，确定化学信号起始的方向。不希望受任何特定理论的约束，相信如果一个传感器越靠近化学品泄漏的位置，那么它将测量越大的信号。因此，通过使用三个或更多个传感器，可以估计/确定三维空间中的化学信号梯度，并因此获得对信号的位置的更好估计。可替代地，计算机可以使用算法来数学拟合传感器数据，以确定化学信号的位置和/或梯度。

从分布式传感器网络剔除的信息可以被用来引导软机器人的动作。例如，这种化学武器传感器网络可以为控制器系统提供信息，以将软监控机器人引导到所关注的化学制剂的位置。在非限制性示例中，描述具有多个化学(例如，VX)传感器(例如，传感器阵列)的软机器人。在步骤1)中，阵列中的传感器将对化学读数进行测量。在步骤2)中，然后，软机器人的处理器将识别传感器阵列中具有最高信号的传感器和具有最低信号的传感器。在步骤3)中，处理器将定义从具有最低信号的传感器到具有最高信号的传感器的直线路径，作为梯度的方向。在步骤4)中，然后，处理器将命令机器人沿着那条直线路径在增加信号的方向上行走固定距离(例如，1米)。步骤5)，软机器人传感器将对传感器阵列中的信号进行另一个测量，并重复该过程。通过迭代这些步骤，软机器人将最终移动到化学源的源头。

在一个或多个实施例中，传感器是被配置为提供电极对或多个电极以及相关电路系统的生物传感器，诸如适于进行免疫测定或检测各种分析物的存在和浓度，诸如但不限于葡萄糖、尿素、离子浓度、重金属、乳酸盐、尿酸等。在非限制性实施例中，传感器是葡萄糖传感器，并且软机器人包括测试区域和用于与安装在软质机器人设备上的仪表(例如，应变受限层)相互作用的电极。

图14中示出的是包括多个光学传感器1405、1407、1409、1411的软机器人1401。由于它们与照明源1403的相对距离，信号的强度按照传感器1405>1407>1409>1411的次序减小。基于这些传感器的读出，处理器一般可以确定照明源的位置。

在一些实施例中，传感器是温度传感器。温度传感器可以嵌入在软机器人或软致动器的应变限制层或气动层中。在其它实施例中，温度传感器可以附连到软机器人或软致动器的应变限制层或气动层的表面。在某些实施例中，温度传感器包括在气动层内，以测量气动层内的气体或流体的温度。

可以使用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、电阻温度检测器和热电偶。

弹性体材料的机械特性(诸如刚度)与温度密切相关。温度变化可以可逆地或永久地改变软致动器的物理行为。嵌入或附连到软致动器的温度传感器可以检测在致动器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来致动致动器的流体压力，以补偿弹性体的机械特性的变化。例如，由于弹性体的刚度随温度而变化，因此软致动器将需要不同的充气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，控制系统被设计为使用温度数据，以便通过根据需要调制致动压力来确保软致动器充气到相同的形状，而不管其温度如何。

在某些实施例中，可以测量致动器内的温度，以确定温度是否在组成致动器的弹性体的安全工作范围之外，由此触发机器人系统的关机。例如，如果致动器的温度低于某个阈值(对于硅氧烷，通常低于-100C)，那么弹性体将变脆。结果，致动器的充气可能导致致动器的破裂，从而破坏机器人。

在还有另一方面，描述了一种软机器人系统，包括：软机器人，包括弹性体主体，该弹性体主体具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；一个或多个热传感器；以及处理器，其可操作地链接到一个或多个热传感器并且被配置为基于热传感器的读出来控制室的流体加压。

在某些实施例中，热传感器中的至少一个嵌入或附连到软机器人的弹性体主体。在其它实施例中，软机器人还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且热传感器中的至少一个被附连到应变受限层的表面或被嵌入在应变受限层内。在其它实施例中，热传感器中的至少一个位于远离软机器人的距离处。热传感器可以被用来测量紧靠软机器人或远离软机器人的环境的环境温度。热传感器中的至少一个可以位于离软机器人大约0.1m、0.3m、0.5m、1m、5m、10m、50m、100m、200m、500m或者1000m的位置处，或者在由本文公开的任何两个值界定的范围内。

因此，在某些实施例中，处理器被配置为基于来自热传感器的温度读数来解释来自热传感器的读出，以执行对软机器人的刚度和/或形态的实时测量或估计。进而，处理器将控制室的流体加压，以补偿致动器和/或周围环境的温度。即，如果弹性体在越冷的温度下越硬，那么处理器将增加室内的流体压力或流体体积，以确保实现期望的充气状态/形态。另一方面，如果弹性体在越热的温度下越不硬，那么处理器将降低室内的流体压力，以确保实现期望的充气状态/形态。

在某些实施例中，处理器通过有线连接或Wi-Fi链接到热传感器，以接收热传感器的读出。基于读出，处理器可以例如通过流体泵来控制室的流体加压，以调节室内的流体量。

图15A中示出的是软机器人1501，其包括多个热传感器1503A-1503D，以检测由箭头1505所指示的垂直热梯度(温度从图15A的顶部到图15A的底部减小)。因为这些传感器基本上处于相同的垂直热梯度，所以传感器1503A-1503D将生成相同或相似的温度读数。但是，在图15B中，软机器人被致动(如1501'所示)，传感器将相对于垂直热梯度驻留在不同的位置。因此，由传感器生成的温度读数会按照1503A>1503B>1503C>1503D的次序减小。基于在机器人的致动和未致动状态下的传感器的不同读数，该过程可以基于计算机算法推导出热梯度的方向。

在某些具体实施例中，温度传感器是被配置为提供电压测量的热电偶并且电压与应变受限层或弹性体的温度相关。在其它实施例中，温度传感器是电阻温度检测器、热敏电阻或齐纳二极管，并且测量电阻或电压以用于温度确定。在某些实施例中，根据温度的弹性体的刚度是已知的，因此可以基于温度读出来确定弹性体的刚度，并进而使用有限元分析来根据充气压力确定致动器的曲率，以实现温度依赖的校准方法。在其它实施例中，可以在不同温度下对致动器进行充气，并且根据压力来测量其曲率，以凭经验开发校准方法。

由于软致动器的表面在致动期间发生变形，因此传感器之间的相对距离将不会保持固定。网络中的传感器之间的相对距离的这种变化将使所关注的信号的方向的确定复杂化。为了最小化这个问题，在某些实施例中，可将空间分布的传感器网络应用于软机器人的应变限制层(例如，嵌入或附连到应变限制层的表面)，因为应变限制层是软机器人在致动期间经历最小应变的部分。

在某些实施例中，传感器是声音传感器。如图16中所示，多个声音传感器1602被附连在软机器人1601的表面上。由于从每个声音传感器到声源1603的距离差异，来自传感器的读出不同。基于这些差异，处理器可以包括推导或计算声源的位置的算法。

在某些实施例中，描述了一种系统，包括根据本文公开的任何实施例描述的软机器人，以及控制机器人运动的处理器和控制系统中的至少一个。在某些实施例中，基于由传感器(例如，各种放射性物质传感器、化学传感器、声音传感器或照明传感器或本文所述的任何传感器)获得的信息，用户和/或处理器可以使用读出来估计信号源(例如，放射性物质、化学品、声源或照明源)的位置。此外，如果软机器人被包括在包括控制软机器人的移动的控制器的系统中，那么控制器可以控制软件机器人移动到靠近信号源，以确认源的位置(如果源位置估计是正确的，那么由传感器获得的信号一般将变得更强)和/或进一步研究源。例如，软机器人还可以包括一个或多个位置传感器，以确定机器人相对于信号源的相对位置，并且控制器可以使用这个信息来引导机器人的移动以移动得靠近或远离信号源。

在某些实施例中，软机器人具有嵌入式或附连的位置传感器，诸如被配置为确定软机器人的绝对位置的GPS单元。在这些实施例中，软机器人可以将其绝对位置(来自GPS单元)的知识与其对信号源的相对位置的估计(本文所描述的正在用传感器阵列或网络测量的任何信号源)组合，以提供对信号源的绝对位置的估计。例如，如果软机器人包括GPS单元和化学传感器阵列(例如，VX传感器)，那么可以确定它自己与来自VX传感器阵列的VX之间的相对距离并将其看作与机器人离GPS传感器的绝对位置的偏移量。这种计算的最终值将是VX源的绝对位置。然后可以将这个信息发送到远程位置处的用户。

在还有另一方面，描述了用于感测本文公开的任何一个实施例的软机器人设备的状态的方法，包括从一个或多个传感器或成像区域获得读出；以及确定软机器人设备的状态。

除非在本文中另有定义、使用或表征，否则在本文中使用的术语(包括技术和科学术语)应当被解释为具有与相关领域背景下其公认含义一致的含义，而不应当以理想化或过度正式的意义来解释，除非本文这样明确定义。例如，如果引用特定组合物，那么该组合物可以基本上但不完全是纯净的，因为实际上并且不完美的现实可以适用；例如，至少微量杂质的潜在存在(例如，小于1％或2％)可以被理解为在本描述的范围内；同样，如果引用特定形状，那么该形状意在包括来自理想形状的不完美变化，例如由于制造公差。本文表达的百分比或浓度可以以或者重量或者体积表示。

虽然术语第一、第二、第三等可以在本文用来描述各种元件，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅仅用来区分一个元件与另一个元件。因此，下面讨论的第一元件可以被称为第二元件，而不背离示例性实施例的教导。在本文中可以使用诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等空间相对术语来描述一个元件与另一个元件的关系，如图所示。将理解的是，空间相对术语以及所示的构造意在涵盖使用或操作中除本文描述并在附图中绘出的朝向之外的设备的不同朝向。例如，如果图中的装置被翻转，那么被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将被定向在所述其它元件或特征“上方”。因此，示例性术语“上方”可以涵盖上方和下方的朝向二者。装置可以以其它方式定向(例如，旋转90度或在其它朝向)，并且本文使用的空间相对描述符被相应地解释。此外，在本公开中，当元件被称为在另一个元件“上”、“连接到”、“耦合到”、“接触”等另一个元件时，它可以直接在该另一个元件上，连接到、耦合到或接触该另一个元件，或者可以存在中间元件、除非另有指定。

本文使用的术语是为了描述特定实施例的目的，而不是意在限制示例性实施例。如本文所使用的，除非上下文另有指示，否则单数形式(诸如“一个”)也意在包括复数形式。

将认识到的是，虽然为了解释的目的已经示出和描述了特定的步骤序列，但是顺序可以在某些方面改变，或者步骤可以组合，同时仍然获得期望的配置。此外，对于所公开的实施例和要求保护的本发明的修改是可能的并且在本公开发明的范围内。

Claims (67)

1.一种软机器人设备，包括：

弹性体主体，其具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体；以及

至少一个基于光纤Bragg光栅的光学传感器。

2.如权利要求1所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被配置为检测物理、化学、生物或电子信号。

3.如权利要求1所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器选自由以下传感器构成的组：倾斜光纤Bragg光栅传感器、啁啾光栅传感器和长周期Bragg光栅传感器。

4.如权利要求1所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被配置为提供关于软机器人设备的状态的信息。

5.如权利要求4所述的软机器人设备，其中，软机器人设备的状态选自由以下构成的组：在沿着软机器人设备的点处的压力、温度、位置、长度、曲率、朝向、速度、加速度、形态、应力、应变和物理状态。

6.如权利要求1所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被配置为提供关于软机器人设备的外部环境的信息。

7.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被配置为检测软机器人设备的外部环境中的温度、湿度、化学制剂或生物制剂；或者基于光栅的传感器被配置为检测软机器人的应变、力、磁场、流量、弯曲、定向弯曲、三维状态、振动、压力、温度信息。

8.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被嵌入弹性体主体中或附连到弹性体主体的外部。

9.如权利要求8所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被模制或共同模制到弹性体主体中。

10.如权利要求8所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被缝合、胶合或卡扣到弹性体主体上，或者用钩和环固定到弹性体主体上。

11.如权利要求9所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器可从弹性体主体移除。

12.如权利要求9所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器螺旋卷绕在弹性体主体或弹性体主体的一部分周围。

13.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且软机器人设备包括嵌入或附连到应变受限层的一个或多个基于光栅的传感器。

14.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括具有不同周期的多个光谱分离的基于光栅的传感器。

15.如权利要求14所述的软机器人设备，其中，具有不同周期的所述多个光谱分离的基于光栅的传感器沿着单个光纤的长度部署在一起，或者单独部署并拼接在一起。

16.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，加压入口被配置为从外部流体源接收流体。

17.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层，并且软机器人设备包括嵌入或附连到应变受限层的一个或多个基于光栅的传感器以及嵌入或附连到弹性体主体的一个或多个基于光栅的传感器。

18.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括一个或多个附加传感器，每个附加传感器独立地选自由以下传感器构成的组：基于光栅的传感器、生物分析物传感器、声音传感器、光学传感器、放射性传感器、热传感器、应变传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、大气压力传感器、真空传感器、高度计、电导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力感测电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁电二极管、磁电晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电检测器、加速度计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化学电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉降传感器、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、化学武器传感器、VX气体传感器、沙林气体传感器、芥子气体传感器、爆炸物探测器、金属探测器和电流传感器。

19.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，还包括至少一个处理器，被配置为可操作地链接到基于光栅的传感器以便从基于光栅的传感器接收读出并解释所述读出；以及控制系统，被配置为基于由基于光栅的传感器生成的读出或处理器对读出的解释来控制软机器人的移动。

20.一种软机器人假体系统，包括：

软机器人，被配置为辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动，并且包括具有部署在主体内的一个室或多个互连的室的弹性体主体以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体，以致动软机器人；

至少一个传感器，被配置为检测物理、化学或电子信号；以及

至少一个处理器中，被配置为可操作地链接到传感器，以从所述传感器接收读出并解释所述读出；以及控制系统，被配置为基于由所述一个或多个传感器生成的读出或所述处理器对所述读出的解释来致动软机器人，以辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动。

21.如权利要求20所述的软机器人假体系统，其中，传感器选自由以下传感器构成的组：电传感器、磁传感器、光学传感器、热传感器、听觉传感器、应变传感器、化学传感器和机械传感器。

22.如权利要求20或21所述的软机器人假体系统，其中，传感器在软机器人的外部，或者被附连或嵌入软机器人中。

23.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器是被配置为从用户接收语音命令的声音传感器。

24.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器是被配置为测量用户的肌肉的应变或软弹性体主体的应变的应变传感器。

25.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器是被配置为经由用户的一个或多个肌肉群中的肌肉激发来测量电信号的电传感器。

26.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器是被配置为经由用户的大脑的神经元激发来测量电信号的电传感器。

27.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器被配置为测量与震颤相关联的肌肉或神经活动，并且控制系统被配置为响应于抵消该震颤来致动软机器人。

28.一种软机器人设备，包括：

弹性体主体，具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体；以及

一个或多个成像区域，被配置为提供与软机器人设备的其它区域不同的视觉信号，并且被配置为提供关于软机器人设备的状态的信息。

29.如权利要求28所述的软机器人设备，其中，成像区域中的至少一个在弹性体主体的表面上或者嵌入在弹性体主体内。

30.如权利要求28所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且成像区域中的至少一个在应变受限层的表面上或嵌入应变受限层内。

31.如权利要求28-30中任一项所述的软机器人设备，其中，成像区域中的至少一个是具有与软机器人设备的其它区域不同颜色的着色区域。

32.如权利要求31所述的软机器人设备，其中，着色区域具有可由肉眼、成像设备或运动检测系统识别的颜色。

33.如权利要求29所述的软机器人设备，其中，成像区域中的至少一个是具有与软机器人设备的其它区域不同颜色的着色区域，并且软机器人设备还包括被配置为跟踪和/或检测着色区域的形状、面积和颜色强度的变化的运动检测系统。

34.如权利要求33所述的软机器人设备，其中，着色区域被配置为提供关于软机器人设备的应力和应变状态的信息。

35.如权利要求30所述的软机器人设备，其中，成像区域中的至少一个是具有与软机器人设备的其它区域不同颜色的着色区域，并且软机器人设备还包括被配置为跟踪和/或检测着色区域的运动检测系统。

36.如权利要求35所述的软机器人设备，其中，着色区域被配置为提供关于软机器人设备的位置的信息。

37.如权利要求28-36中任一项所述的软机器人设备，其中，成像区域中的至少一个包括被配置为可由成像设备检测的放射性对比剂材料。

38.如权利要求37所述的软机器人设备，其中，放射性对比剂材料包括钡盐。

39.如权利要求28-38中任一项所述的软机器人设备，其中，成像设备包括X射线机。

40.如权利要求28-38中任一项所述的软机器人设备，其中，成像设备包括X射线计算机断层摄影CT成像系统或荧光镜成像系统。

41.如权利要求37所述的软机器人设备，其中，放射性对比剂材料包括MRI染料，并且成像设备包括MRI。

42.如权利要求28-41中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备的状态选自由以下构成的组：软机器人设备的压力、位置、长度、曲率、朝向、速度、加速度、应变、应力、形态和物理状态。

43.如权利要求28-41中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括一个或多个附加传感器，每个附加传感器独立地选自由以下传感器构成的组：基于光栅的传感器、热传感器、化学传感器、生物分析物传感器、声音传感器、光学传感器、放射性传感器、热传感器、应变传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、大气压力传感器、真空传感器、高度计、电导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力感测电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁电二极管、磁电晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电检测器、加速度计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化学电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉降传感器、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、化学武器传感器、VX气体传感器、沙林气体传感器、芥子气体传感器、爆炸物探测器、金属探测器和电流传感器。

44.如权利要求28-43中任一项所述的软机器人设备，还包括被配置为检测成像区域的运动跟踪系统和被配置为检测成像区域的成像设备中的至少一个；以及

控制系统，被配置为基于由运动跟踪系统或成像设备生成的读出来控制软机器人的移动。

45.一种软机器人系统，包括：

软机器人，包括弹性体主体，所述弹性体主体具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体；

传感器网络，用于感测信号；以及

处理器，可操作地链接到传感器网络并且被配置为基于传感器的读出来确定信号的位置、梯度和/或存在。

46.如权利要求45所述的软机器人系统，其中处理器包括基于传感器的读出来计算信号的位置和/或梯度的算法。

47.如权利要求45或46所述的软机器人系统，还包括控制系统，该控制系统被配置为基于由一个或多个传感器生成的读出或处理器对读出的解释来控制软机器人的移动。

48.如权利要求47所述的软机器人系统，其中，控制系统被配置为控制软机器人朝着或远离信号的位置移动。

49.如权利要求45-48中任一项所述的软机器人系统，其中，信号是选自光、声、热、放射性物质、化学品、生物、电场和磁场构成的组中的一种或多种信号。

50.如权利要求45-49中任一项所述的软机器人系统，其中，传感器中的至少一个位于弹性体主体的表面上或嵌入在弹性体主体内。

51.如权利要求45-50中任一项所述的软机器人系统，其中，软机器人系统还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且传感器中的至少一个位于应变受限层的表面上或嵌入应变受限层内。

52.一种用于感测如权利要求1-27中任一项所述的软机器人设备的状态的方法，包括从所述一个或多个传感器获得读出；以及确定软机器人设备的状态。

53.一种软机器人设备，包括：

弹性体主体，具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体；以及

一个或多个传感器，选自由以下构成的组：被配置为测量流入和/或流出所述室或所述多个互连的室的流体的体积的体积检测系统，以及被配置为测量所述室或所述多个互连的室内部的流体的压力的压力传感器。

54.如权利要求53所述的软机器人设备，其中，体积检测系统和/或压力传感器被配置为提供关于软机器人设备的致动状态的信息。

55.如权利要求54所述的软机器人设备，其中，软机器人设备的状态选自由软机器人设备的室的充气状态、应力、应变、压力、曲率和形态构成的组。

56.如权利要求54所述的软机器人设备，其中，软机器人设备是被配置为抓握物体的夹具，并且体积检测系统和/或压力传感器被配置为提供抓握力、被抓握的物体的尺寸、或物体的合规性分布曲线的夹具的信息。

57.如权利要求56所述的软机器人设备，还包括处理器和/或控制器系统以及嵌入在处理器或控制器中的指令，以便，如果体积检测系统检测到室内的流体体积超过阈值和/或如果压力传感器检测到室内的压力超过阈值，那么指示控制系统开始校正动作。

58.如权利要求53所述的软机器人设备，还包括被配置为检测依赖于时间的流量和/或压力变化的处理器和/或控制器系统。

59.如权利要求58所述的软机器人设备，其中，处理器和/或控制器系统被配置为检测流量和/或压力的突然增加、减少或振荡，并且指示控制器系统停止流体进一步流入一个或多个室。

60.如权利要求58所述的软机器人设备，其中，处理器和/或控制器系统被配置为检测特征在于流量和/或压力的突然减小，随后流体连续流入一个或多个室的流量/压力分布曲线，以及指示控制器系统停止流体进一步流入一个或多个室中。

61.一种软机器人系统，包括：

软机器人，包括弹性体主体，所述弹性体主体具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体；

一个或多个热传感器；以及

处理器，可操作地链接到一个或多个热传感器，并且被配置为基于热传感器的读出来控制室的流体加压。

62.如权利要求61所述的软机器人系统，其中，热传感器中的至少一个被嵌入或附连到软机器人的弹性体主体。

63.如权利要求61所述的软机器人系统，其中，软机器人还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且热传感器中的至少一个被附连到应变受限层的表面或嵌入在应变受限层内。

64.如权利要求61所述的软机器人系统，其中，热传感器中的至少一个位于离软机器人一定距离处。

65.如权利要求64所述的软机器人系统，其中，热传感器中的至少一个位于离软机器人大约0.1m、0.3m、0.5m、1m、5m、10m、50m、100m、200m、500m或1000m处。

66.如权利要求61所述的软机器人系统，其中，所述处理器被配置为基于热传感器的读出来控制被配置为调节室内的流体量和/或压力的流体泵。

67.如权利要求66所述的软机器人系统，其中，所述处理器被配置为解释来自热传感器的读出，以执行对软机器人设备的刚度和/或形态的实时测量，以及控制室的流体加压，以补偿弹性体主体的依赖于温度的刚度变化。