CN108290284A - 独立型机器人抓持器系统 - Google Patents

Abstract

实施例涉及软机器人系统的改进，其允许软机器人末端执行器成为独立型系统，而不依赖于系接件将膨胀流体递送到末端执行器的(多个)致动器。根据一些实施例，可以提供包括软致动器和转毂的机器人系统。转毂的主体可以包括集成式压力源，该集成式压力源被构造成通过致动器接口将膨胀流体供应到软致动器。压力源可以是例如压缩机(如双头压缩机)或反应室，该反应室被构造成蒸发燃料以产生高温加压气体并将加压气体递送到致动器。一个以上的蓄压器可随时间从压缩机接收膨胀流体(或部分真空)，并储存处于压力的膨胀流体，从而允许在相对短的时间段内致动。

Description

独立型机器人抓持器系统

相关申请

本申请要求于2015年7月30日提交的、题为“独立型软机器人抓持器系统”的美国临时专利申请序列号62/199,029的优先权。上述申请的内容被援引纳入本文。

背景技术

机器人系统可以在一些不同环境中被采用并可被要求执行各种不同任务。机器人通常使用机器人操纵器如单个致动器、抓持器或末端执行器来操纵它们周围的物体。

最近，软机器人致动器已在许多环境中被采用。不同于由金属或硬塑料形成的传统的硬机器人致动器，软机器人致动器可以由弹性材料如橡胶、或以构造成在压力下展开、拉伸、扭转和/或弯曲的手风琴式结构布置的薄壁塑料、或其它合适的相对软的材料形成。软机器人材料自适应、廉价、重量轻、可定制并且易于使用。

软机器人致动器可能出现的一个问题是致动器须被加压，这通常通过用膨胀流体填充致动器来实现。通常，该膨胀流体经由将机器人系统(如机器人臂)系结到加压系统的流体管线供应。这个问题以及本文所更详述的其它问题可能会阻止软机器人系统完全独立。

发明内容

实施例涉及软机器人系统的改进，其允许软机器人末端执行器成为不依赖于用于将膨胀流体递送到末端执行器的(多个)致动器的独立型系统的系接件。

根据一些实施例，可以提供包括软致动器和转毂的机器人系统。软致动器可以包括被构造成接收膨胀流体的弹性囊。转毂可以包括具有致动器接口的第一端，该致动器接口被构造成接收软致动器。转毂的第二端可以包括被构造成安装到机器人臂或其它机器人系统的安装凸缘。

转毂的主体可包括集成式压力源，该集成式压力源被构造成通过致动器接口将膨胀流体供应到软致动器。该压力源可以是如直接或间接地对致动器加压(如通过蓄压器)的压缩机。在一些实施例中，压力源可以是与致动器分开的反应室并被构造为执行化学试剂的反应(如燃料燃烧)，从而产生并储存反应的气体产物，随后作为膨胀流体被直接或间接地递送。

蓄压器可随时间从压缩机接收膨胀流体并储存处于压力的膨胀流体。因此，与单独使用压缩机的情况相比，致动器的致动可以在更短的时间段内进行。在一些实施例中，可以采用多个蓄压器。第一蓄压器可以用作正压力容器用于加压致动器，而第二蓄压器可以用作负压力容器用于减压致动器。一个以上的蓄压器可以连接到致动器(并且彼此连接)，并且可以与致动器一起共同设定尺寸，以便在(多个)蓄压器和集成的末端执行器之间产生流体传导路径时，由于膨胀流体在现在较大的连接体积内达到平衡，所以可以获得预定的致动压力或部分真空。

在压力源和致动器之间可设置方向控制阀，以允许膨胀流体沿第一方向流动和/或移除膨胀流体以在第二方向上产生部分真空。流量控制阀也可用于控制膨胀流体进入或离开致动器的速度。

根据一些实施例，可以使用双头压缩机。根据控制阀的形态，双头压缩机可以被构造成并联或串联地操作。控制器可被构造成在对应于每个压缩机头的流量分布相交的时间启动控制阀。

压缩机可以由电机供电。在一些实施例中，电机可以在其正常规格之外操作，例如通过在升高的电压或电流下驱动。因此，对于不频发的致动，致动器可以更快速地膨胀，同时仍然允许足够的时间来耗散由过电的电机产生的额外热量。通过在电机附近提供换热器可以进一步耗散热量。换热器可以在电机和膨胀流体之间交换热量。由于膨胀流体在进入致动器时膨胀，膨胀流体可能迅速冷却。可利用这种现象来积极地冷却过电的电机。通过这种构造产生的膨胀流体温度升高具有进一步增加致动器上产生的压力的功能益处。

在更进一步的实施例中，转毂可以是三件式转毂，其中这些部分可连接以形成转毂。靠近机器人臂的第一部分可以包括泵和控制阀，用于接收膨胀流体并将膨胀流体供应到第二部分。

第二部分可以由集成式蓄压器组成或可以包括集成式蓄压器。蓄压器可以适形于转毂的形状，因此可以节省转毂/末端执行器系统中的空间。例如，蓄压器可以是矩形的，具有异形空穴；它可能是非圆柱形或非球形的。隔膜可以设置在蓄压器中，以将转毂的第二部分的内部结构分成正压力腔室和负压力腔室。

转毂的第三部分可以包括用于将膨胀流体从蓄压器供应到一个以上的连接的软机器人致动器的阀。

气动流动路径可以被集成到转毂的结构体中，因此减少或消除了对不必要地增加转毂占据的总体积的内部气动连接和传导路径的需要。

尽管结合布置在机器人臂末端的软机器人致动器描述了实施例，但是本领域的普通技术人员将认识到，这些技术也可以应用于其它环境中的软致动器。

附图说明

图1A-1D示出了适用于本文描述的实施例的示例性软机器人致动器。

图2示出了简单的独立型软机器人控制系统的实施例，其经由微型方向控制阀直接从微型压缩机驱动集成致动器转毂。

图3示出了安装在轻型机器人操纵器上并抓握目标物体的示例性气动独立型软机器人控制系统。

图4A-4D示出了一个实施例，其中双压缩机与螺线管驱动的方向控制阀结合操作以产生组合的目标流量分布。

图5A-5C示出了一个实施例，其中一个蓄压器致动软机器人致动器。

图6A-6B示出了集成泵、阀和蓄压器的示例性转毂组件。

图7示出了示例性的三件式转毂组件。

具体实施方式

实施例涉及被设计或构造成提供独立型软机器人末端执行器系统的机器人系统。

软机器人臂端工具(EOAT)可以安装在机器人操纵器的末端。这些操纵器具有规定的有效负载能力，它们能够操纵而不会对臂的动态产生负面影响。这种允许的有效负载大小、重量和惯性矩通常比控制操纵器本身小许多倍，因此较小的可实现的有效负载产生不成比例地提高的安装能力和空间需求。此外，在安装软机器人EOAT之后，必须保留足够的能力用于操纵目标(将被移动或重新取向的物体)。独立型软机器人末端执行器系统在其设计中必须非常高效，以确保其最终的物理性能与传统的系留软机器人末端执行器相当。虽然独立型系统可能稍大或更重，但它们不得在狭窄和拥挤的空间内损害上一级的操作系统进行操纵和抓取的能力。

除了物理特性之外，创建完全独立型软机器人控制系统还受到许多其它挑战和制约。在EOAT本身的形状因素内，发出足够的电力来压缩气体或存储压缩的或液化的气体的空间是困难的。然而，当与作为主机的移动机器人平台配对时，可以将这些子系统分布在移动机器人平台中，以从EOAT本身移除更大的系统部件。例如，用于储存压缩气体或液化气体的较大的压缩机和储罐可定位在移动机器人平台的基座内，在那里平台的电池和驱动系统已经被定位以作为压载物。只有较小的集成系统例如方向控制阀、流量控制阀或传感部件将留在包括EOAT的软致动器和接口转毂附近。为了减轻主机平台的空间、重量和电力需求，必须显著地优化压缩机尺寸和动力消耗或致动流体的存储和传递。以下部分描述了几种用于提供独立型软机器人控制系统的技术以及集成它们的移动系统。

首先将提供软机器人致动器和抓持器的简要概述，随后是实施例的各个方面的详细描述。除非另有说明，否则可想到所述每个实施例可以以彼此的任何组合使用。

软机器人抓持器的背景技术

传统的机器人抓持器或致动器可能是价格昂贵的且不能在某些环境操作，其中待处理物体的重量、尺寸和形状的不确定性和多样性已经导致无法采用如过去那样的自动化解决方案。本申请描述了自适应、廉价、重量轻、可定制的并且易于使用的新型软机器人致动器的应用。

软机器人致动器可由弹性材料例如橡胶或以构造成在压力下打开、拉伸、扭转和/或弯曲的手风琴式结构布置的塑料薄壁或其它适用的相对软的材料形成。例如它们可通过将一片或多片弹性材料成型为期望的形状来产生。软机器人致动器可包括可被流体例如空气、水或盐水填充的中空内部以使该致动器加压、膨胀和/或致动。在致动时，致动器的形状或轮廓会改变。在手风琴式致动器的情况下(下文进行更详细地描述)，致动可以使致动器弯曲或拉直成预定的目标形状。处于完全未致动形状和完全致动形状之间的一个以上的中间目标形状可通过使致动器局部地膨胀来实现。替代地或另外地，可利用真空来致动致动器以使膨胀流体流出致动器，从而改变致动器弯曲、扭转和/或延伸的程度。

致动也可允许致动器在被抓持或被推动的物体上施加力。但是，与传统的硬机器人致动器不同，软致动器在被致动时保持自适形性，以使软致动器可以部分地或完全地适形于要被抓持的物体的形状。它们还可以在与物体碰撞时偏转，这在从一堆或箱子中取出物体时尤其相关，因为，致动器很可能与不是抓取目标的一堆物体中的相邻物体或箱子的边碰撞。此外，因为材料可容易地变形，所以所施加的力的大小可以可控的方式在整个更大表面区域分布。通过这种方式，软机器人致动器可抓持物体而不损坏它们。

此外，软机器人致动器允许难以或不可能用传统硬机器人致动器实现的新型的运动或运动(包括弯曲、扭转、拉伸、收缩)或其组合。

图1A-1D示出了示例性软机器人致动器。具体地说，图1A示出了软机器人致动器的部分侧视图。图1B示出了图1A中的部分俯视图。图1C示出了包括可被使用者操作的泵的软机器人致动器的部分侧视图。图1D示出了图1C所示部分的替代实施例。

致动器可为如图1A所示出的软机器人致动器100，其可利用膨胀流体例如空气、水或盐水而膨胀。膨胀流体可经由膨胀装置120通过流体连接器118来提供。

致动器100可处于未膨胀状态，其中在致动器100内存在基本与周围环境压力相同的有限量的膨胀流体。致动器100也可处于完全膨胀的状态，其中在致动器100内存在预定量的膨胀流体(预定量对应于致动器100待施加的预定的最大力或由膨胀流体施加到致动器100上的预定的最大压力)。致动器100也可处于完全真空的状态，其中所有的流体从致动器100中流出，或处于部分真空的状态，其中部分流体存在于致动器100中，但是处于小于周围环境压力的压力。进一步，致动器100可处于部分膨胀的状态，其中致动器100包含少于在完全膨胀状态下存在的预定量的膨胀流体，但是多于没有膨胀或非常有限膨胀下的流体。

在膨胀状态，致动器100表现出如图1A所示绕着中心轴弯曲的趋势。为便于讨论，本发明定义了几个方向。如图1B所示，轴向穿过中心轴，致动器100围绕中心轴弯曲。径向方向在垂直于轴向的方向上、在由膨胀的致动器100构成的部分圆的半径方向上延伸。周向方向沿着膨胀的致动器100的外周延伸。

在膨胀状态，致动器100可沿着致动器100的内周边缘在径向上施加力。例如，致动器100的远端尖端的内侧向内朝着中心轴施加力，这可被利用以允许致动器100抓取物体(可能与一个或更多的附加的致动器100相结合)。由于致动器100所使用的材料以及总体结构，软机器人致动器100可在膨胀时保持相对地适形。

致动器100可由允许相对软或带适形结构的一种或多种弹性材料构成。根据应用，弹性材料可以从一组食品安全的、生物相容的或医疗安全的、食品药品监督管理局(FDA)批准的材料中选择。弹性材料也可以是用于耐化学性的含氟聚合物弹性体。致动器100可采用符合药品生产质量管理规范(“GMP”)的设备来加工。

致动器100可包括基本平坦的基座102(但是各种改型或附加物可被增加到基座以提升致动器的抓持和/或弯曲性能)。基座102可形成抓取目标物体的抓持表面。

致动器100可包括一个以上的手风琴式延伸部104。该手风琴式延伸部104允许致动器100在膨胀时弯曲或挠曲，从而有助于限定致动器100在处于膨胀状态时的形状。手风琴式延伸部104包括一系列的脊106和槽108。手风琴式延伸部104的尺寸与脊106和槽108的布置可改变以得到不同的形状或延伸轮廓。

虽然图1A-1D中示例致动器在展开时呈“C”形或椭圆形，但是本领域普通技术人员将会认识到本发明不仅限于此。通过改变致动器100主体的形状或手风琴式延伸部104的尺寸、位置或形态，可获得不同的尺寸、形状和形态。而且，改变提供给致动器100的膨胀流体的量允许致动器100呈在未膨胀状态和膨胀状态之间的一个以上的中间尺寸或形状。因此，单独的致动器100通过改变膨胀量在尺寸和形状方面是可缩放的，并且通过用具有不同尺寸、形状或形态的另一个致动器100来代替一个致动器100，可在尺寸和形状方面进一步缩放致动器。

致动器100从近端112向远端110延伸。近端112与接口114相连。接口114允许致动器100与机器人系统的其它部分可拆卸地连接。接口114可由医疗安全材料例如聚乙烯，聚丙烯，聚碳酯，聚醚醚酮，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(“ABS”)或缩醛均聚物制成。接口114可与致动器100和软管118中的一个或两个可拆卸地连接。接口114可具有用于与致动器100连接的端口。不同的接口114可具有不同的尺寸、数量或构造的致动器端口，以便适应较大或较小的致动器、不同数量的致动器或不同构造的致动器。

用从膨胀装置120穿过流体连接器例如软管118被供应的膨胀流体可以使致动器100膨胀。接口114可包括阀116或可被附接至阀116，以允许流体进入致动器100而防止流体从致动器中流出(除非阀是打开的)。软管118也可或替代地附接至位于膨胀装置120处的膨胀器阀124，以调节在膨胀装置120位置处的膨胀流体的供应。

软管118还可包括致动器连接接口122，其用于在一端可拆卸地连接接口114并且在另一端可拆卸地连接膨胀装置120。通过将致动器连接接口122的两部分分离，不同的膨胀装置120可与不同的接口114和/或致动器100连接。

膨胀流体可以是例如空气或盐水。在空气的情形下，膨胀装置120可包括手动操作的球状体或波纹管以便供应环境空气。在盐水的情形下，膨胀装置120可包括注射器或其它合适的流体递送系统。替代地或另外地，膨胀装置120可包括压缩机或泵，以便供应膨胀流体。

膨胀装置120可包括用于供应膨胀流体的流体供给部126。例如流体供给部126可以是用于储存压缩空气、液化或压缩二氧化碳、液化或压缩氮气或盐水的储存器，或者可以是用于向软管118供应环境空气的通风口。

膨胀装置120还包括用于从流体供应部126穿过软管118将膨胀流体供应到致动器100的流体递送装置128，例如泵或压缩机。流体递送装置128能够向致动器100供应流体或从致动器100中抽出流体。流体递送装置128可以通过电力驱动。为供应电力，膨胀装置120可包括电源130，例如电池或电源插座的接口。

电源130也可向控制装置132供电。控制装置132可允许使用者例如通过一个以上的致动按钮134(或替代装置例如开关)来控制致动器的膨胀或收缩。控制装置132可包括用于向流体递送装置128发送控制信号的控制器136，以使流体递送装置128向致动器100供应膨胀流体或从致动器100中抽出膨胀流体。

替代手动触发膨胀，或者除手动触发膨胀外，控制器136还可以被编程为在特定条件下自动地使致动器100膨胀或收缩。

如本文所用，致动器通常是指与致动器100相似的单个部件。当多个致动器一起使用以形成抓持目标的抓持系统时，这种系统常被称为抓持器(尽管一些抓持器可能由单个致动器组成以单独抓持目标)或末端执行器。

嵌入式或便携式气动系统

接下来描述与用于独立型软机器人系统的嵌入式或便携式气动控制系统有关的实施例，这种系统可允许在没有带膨胀流体供应线的系接件的情况下操作软机器人系统(尽管在一些实施例中可提供接口以接收用于电力的电连接；该电连接可以与其上安装有软机器人系统的机器人臂或一些其它的动力源相连接)。在下面描述的实施例中，膨胀流体是压缩空气，尽管本领域的普通技术人员将认识到也可以使用其它膨胀流体。

为独立型软机器人控制系统提供空气供应可能涉及使用压缩机来加压环境空气。替代地或另外地，可以释放储存的加压或液化气体介质来致动末端执行器。典型的工业空气压缩机可能因为它们重达几十到几百磅并且消耗几百瓦的电力而不适合集成到独立型移动系统中。更优选地，实施例采用微型压缩机，其使用设计用于便携式或电池供电的气动系统内的无刷或有刷DC(直流)电机在低DC电压下操作。示例性的压缩机可占据小于1立方英寸的体积，重量小于0.5盎司，并且需要小于0.5W的峰值功率。较大型号的流量可达5scfm(标准立方英尺每分钟，英制流量单位)，并可达到高达150psi(磅/平方英寸)的静态压力。本领域的普通技术人员将认识到，这些说明仅仅是示例性的，并且可以根据具体应用使用不同的压缩机。

较小的软机器人致动器通常利用范围在2-15psi的压力来抓取物体，并且每个消耗0.05至0.15标准升的空气(2-7毫摩尔)。可以交替施加部分真空以在释放物体时分开致动器。通过创建集成多个小型或中型致动器的接口转毂来操纵更大的物体。

通过将压缩机直接连接到致动器可以实现简单的致动。然而，即使是具有前述类型的最佳压缩机选择的小型末端执行器也将产生限制在几秒或几百毫秒长度内的关闭致动速度，而不是类似系留系统典型的几十毫秒。通常，这些速度对于一些移动任务来说是足够的，在这些任务中对物体的抓取需求不频繁且对关闭速度不敏感(例如，当操作目标不在移动系统的参考框架内移动时)。

图2中示出了一个这种简单的独立型软机器人控制系统的实施例。

在所示实施例中，软机器人末端执行器系统200包括两个软机器人致动器100(尽管可以采用更多或更少的致动器，这取决于应用)。致动器100经由致动器接口转毂204连接到转毂体202的第一侧。致动器接口转毂204可以被构造成将致动器100牢固地连接到转毂体202并且将致动器100锁定在转毂体202上的适当位置。致动器接口转毂204可以包括用于连接到致动器连接件206的接口。致动器连接件206可以形成与转毂202内部的压力源流体连通的通道。在一些实施例中，压力源可以在转毂202的外部并且安装到转毂202，或者可以是部分在转毂202的内部、部分在转毂202的外部。通道可以将膨胀流体从压力源供应到致动器100。

在转毂体202的第二侧上，可以提供安装接口208以与机器人例如机器人臂相连接。例如，安装接口208可以是凸缘，或者可以是另一种类型的机械或非机械连接件。机器人可以具有被构造为与安装接口208配合并将转毂202固定到机器人的对应接口。

上面提到的压力源可以例如是压缩机210。一个实施例利用占据恰好低于4立方英寸的体积的隔膜压缩机，并且在12V的直流电压下利用8W或更少的电力。示例性压缩机210的递送量不低于0.22scfm，并且实现高达24psi的静态压力。

可以使用由控制/传感器电路216控制的方向控制阀212来释放和控制压缩机210。例如，方向控制阀212可以是直接作用的两位五通滑阀，其具有集成在控制回路216内的反馈压力。

在一些实施例中，压缩机210可以结合控制阀212选择性地施加正压力或负压力(例如，部分真空)。在致动器100内不具有产生真空的能力的实施例中，致动器100可以使用居中安装的跨接板来展开。

压缩机210、阀212和/或控制电路216可以是电力驱动的和/或可以利用由机器人的其它部件产生的信号。为了这些目的，可以提供电力和/或信号连接接口214，用于接收电力和/或信号，和/或用于将信号从控制/传感器电路216传送到机器人的其它部分。

转毂202的上述部件可以位于壳体218内。壳体218可以完全或部分地包围这些部件。在一些实施例中，壳体的外壁可以包括提供例如用于膨胀流体的路径的空穴或通道。

在实施例中，整个独立型控制系统和末端执行器装配在100立方英寸或更小的包封内，并且重量为1.9磅或更少。集成到一个密封的接口转毂中的两个小型致动器的关闭致动可以在750毫秒或更短的时间内完成，并且可以通过250毫秒或更短时间内的排气实现开启致动。

图3示出了图2的独立型气动软机器人控制系统，其安装在轻型机器人操纵器上并抓取抓握目标(重约1.5磅的16盎司饮料容器)。该实施例不需要任何外部压缩空气供应，并且利用主机操纵器的机载24V DC电源通过附接到电气和/或信号连接接口214的电缆302来满足其电力需求。

即使是微型化的压缩机也被设计在预定和理想的高效操作点处使用。这个操作点将是一个稳定的状态条件，它提供了一个特定的流量和一定量的递送正压或真空。这种压缩机应用以稳定的低瞬时流量长时间递送大量的压缩空气。这对于寻求以相对高的瞬时流量(＞10scfm)和低压(通常＜10psi)递送少量空气的软机器人控制系统来说可能并不理想。在下面的部分中提出了多种使压缩机系统适应这些目标的手段。

超出规格地操作微型气动压缩机来改善动态响应

为了通过增加瞬时流量来提高致动速度，在一些实施例中，小型气动压缩机可以在其标称规格之外操作。在重量和形状是关键的限制因素的移动机器人和机电一体化系统中，通过在其连续工作电压、电流、转速或温度规格之外操作较小电机，可以使电机“小型化”，但获得与可以安全地连续运行较大电机相同的结果(短时间和可变的时间段)。这种策略也可以应用于微型压缩机。

有几种方法可以增强直流有刷或无刷压缩机电机的性能。如果对闭环电压/功率输送进行控制，则电机可以在短时间内以高于标称电压的方式运行(例如以24V暂时驱动12V标称直流电机)。类似地，通过闭环电流/转矩应用控制的电机可高于标称电流地过度驱动。两种方法都有效地改变了电机的热运行状态，导致其绕组和承载部件比平常更热。电机仍然可以使用相同的压缩机头，但现在能在给定的任何特定背压下以更高速度驱动它。隔膜或活塞式微型压缩机上的较高往复速度将对应于较高瞬时流量。

这种方法可能意味着对压缩机的整体运行寿命和能量效率的不利影响。以更高的往复运动速度或压力操作压缩机将导致更高的负载，这可能导致负载或摩擦轴承部件过早地断裂。这个问题可以在软机器人控制系统中通过单独或组合的各种方式来规避。如果最终应用需要较低的致动占空比(执行时需要快速致动，但很少需要)，那么压缩机不频繁地被启用。可以建立热监控，其自动应用电机功率输出的闭环控制并持续改变致动性能，以保持特定的热负载。而且，可以采用被动或主动热管理技术的任何组合来增强电机快速散热的能力。这些可能包括但不限于散热、对流、强制风冷、被动液体冷却和循环液体冷却。

在另一个实施例中，主动冷却策略可以被用来通过利用加压致动介质本身来控制结构接口转毂内的这些温升，所述加压致动介质本身通过靠近压缩机DC电机壳体的策略性放置的热交换流体传导路径来传送。

由于理想气体的固有特性，当加压气体被迅速传送到致动器并在其内膨胀时，会引起显著的温度变化。这背后的原理被称为焦耳-汤姆逊效应，其中压降导致气体或液体中的温度变化。因此，传送到致动器的致动介质是自然冷却的，并且如果如上所述布置在靠近压缩机电机的换热器内，则可以用作热回收系统，其通过增加气体的温度同时提供电机的强制风冷并增加软致动器内产生的压力。

重构双头压缩机

增加压缩机流量或最大可实现压力的一种方法是利用并联(用于较高流量)或串联(用于较高压力)布置的多个压缩机。具有“双头”的压缩机，也就是说，驱动两个往复式活塞、叶片或隔膜压缩机级的单个双轴电机可用于此目的。这些可以以类似于两个物理上分开的压缩机(并联或串联)的方式构造。独立型软机器人控制系统可以通过创建气动控制方案来实现增强的流动性能，该方案能够在这两种形态之间进行动态选择，从而提高效率。图4A-4D示出了这样的实施例。

如图4A-4C所示，压缩机可以包括第一压缩机头402和第二压缩机头408。第一压缩机头402可以包括入口404和出口406。第二压缩机头408也可以包括入口410和出口412。

图4A示出了以并联布置连接的压缩机头402、408。为了实现这种形态，第一压缩机头402的入口404和第二压缩机头408的入口410均可以并联连接到压力源。类似地，第一压缩机头402的出口406和第二压缩机头408的出口412可以均并联连接到致动器。当以并联布置构造时，压缩机可以在较低的压力下递送较高的瞬时流量，但不能实现较高的压力，如流量/压力图414所示。

图4B示出了串联布置的压缩机头402、408。为了实现这种形态，第一压缩机头402的入口404连接到压力源，并且第一压缩机头402的出口406连接到第二压缩机头408的入口410。第二压缩机头412的出口410连接到致动器。在第一阶段的输出作为第二阶段的输入的串联形态中，压缩机在低压下递送较低的瞬时流量，但在显著提高较高压力下的流量，并且可实现较高的最终静态压力，如流量/压力图416所示。

图4C示出了可重新构造的布置，其中第一压缩机头402和第二压缩机头408经由控制回路418连接，该控制回路418包括用于控制压缩机头的相应入口和出口连接处的一组阀。

如图4D所示，在加压软致动器过程中的临界操作点处，每个压缩机形态的流量分布相交(图4D是有效地将并联形态的压力流量图414叠加在串联形态的压力/流量图416上的压力/流量图420)。在相交点422处，控制回路418可以被构造为将压缩机形态切换到用于致动过程的余下部分的相反模式，以在整个致动过程中的每个点处输送尽可能高的瞬时流量。在部分真空的应用中可以使用类似的重构方法。

此外，利用多个方向控制阀的足够复杂的气动控制回路可以开发成为单个压缩机电子地选择四种操作模式，即并联压力产生、串联压力产生、并联真空产生和串联真空产生。这构成了用于任何双模(压力和真空操作)软机器人末端执行器的高效嵌入式控制系统。下面的部分将描述可以与上述压缩机控制方法独立地使用或者结合地使用的附加方法，以进一步增强独立型软机器人控制系统的性能。

蓄压器作为释放或临时存储加压或液化的致动介质的机构

如图5A-5C所示，独立型软机器人控制系统500可以通过提供容积502被进一步增强，该容积暂时积蓄由压缩机504加压的致动介质或者在显著提高压力的情况下可控地释放储存的气化或液化的致动介质。这些容积502可以使用通常可用的圆柱形或圆形容器来形成，或者可以复杂地集成在设计在软致动器接口转毂506中的凹槽或空隙内。图5A-5C示出了处于未充填状态(图5A)和已充填状态(图5B)的蓄压器的示例以及其中的致动器已通过蓄压器的作用被致动的系统(图5C)。

通过提供容积502，其中通过使用示例性蓄压器在压缩机驱动系统500中提前“预压缩”致动介质，可实现非常快的致动时间(如几十毫秒，其类似于系留软机器人控制系统)。因此，压缩机504相对缓慢地(如几秒钟或更长时间)“充填”蓄压器，直到达到特定的压力，此时系统准备快速地执行单次致动。通过在较长时间内分配这些需求降低了嵌入式系统的最大瞬时功耗，使压缩机504上的负载大大减轻了。这种改进可能特别适合于具有操作占空比的系统，其中致动必须比系留系统相对快，但是仅偶尔需要。

此外，可通过采用多个蓄压器来设计这一构思的高效实施例，所述多个蓄压器用于单独地积蓄用于在释放时关闭致动的正压力或者在暴露时用于打开致动的部分真空。每个可以被定尺寸和加压成，使得当在蓄压器和集成的末端执行器之间产生流体传导路径时，仅仅由于致动介质在现在较大的连接容积内平衡而实现预定量的致动压力或部分真空(没有对压缩机部分的附加的干预)。

膨胀轮廓控制

大多数软机器人致动器的一个细微差别在于，膨胀的形状取决于输入流量分布。例如，加压空气的快速爆发(类似于脉冲控制输入)将导致致动器的远端比致动器的其余部分更快地卷曲，这是因为该区域中的较高动态压力。使加压空气以较慢的受控速度流入致动器将在整个致动器上产生有更恒定的曲率的轮廓，并因此在操纵目标上产生不同的整体抓持。可以控制或选择这些不同的抓持轮廓，以改善具有特定已知的空间或物理特性(例如，具有宽的近似圆形横截面的物体与具有通常薄的高纵横比横截面的物体)的操纵的抓握质量。这种类型的控制可以通过在接口转毂的气动输入处增加流量控制阀来实现，以更精确和动态地控制流量分布。替代地或另外地，方向控制阀可以被指定用于启用/停用，其特征在于具有足够限制的流量系数以实现相同的目的。

燃烧动力致动

电动压缩机可能受到若干限制，这使得它们成为任何独立型软机器人控制系统的负担。首先，压缩机需要大量内部电池或外部电源提供的大量电力。后一种选择降低了系统真正独立的程度。其次，压缩机不能提供快速且高能量的压力分布，而不依赖于前面描述的实施例或者将额外的空间和功率分配给过大的压缩机。尽管这些增加的实施例显著改进了基于压缩机的系统的性能，但是它们难以在真实系统内实施并且需耗时以优化。

为了规避与使用压缩机相关的问题，加压气体可通过反应室内部的燃烧产生。在一些实施例中可以使用液体燃料。液体燃料具有非常高的能量密度和一些在反应室内蒸发并随后被点燃而产生大量的高温加压气体的液滴。在进一步的实施例中，其它材料如叠氮化钠可以进行气体-产生反应。

该气体可以用作用于操作致动器的加压流体。这种方法是有利的，因为它是比使用电动压缩机加压蓄压器更快的过程，并且可以将反应室加压到高于许多小型电动压缩机所能够达到的压力的压力。

反应室的内部可以用部分或完全淬灭反应副产物的材料来涂覆。通过在反应室中淬灭这些副产物，可以防止副产物进入致动器，从而保护致动器免受可能有害的化学暴露，从而延长致动器的寿命。

在该实施例中，蓄压器可以消散来自燃烧的一些冲击、热和反应中间体。这与在软致动器本身中执行燃烧的系统形成对比，后者使弹性体受到永久性损害，这损害了致动器的寿命和功能。在典型情况下，在分段反应室内产生的加压气体可有足够的时间在多次致动之间冷却。这使得焦油和分解的材料在反应室内部而不是软致动器处积聚。类似地，为在能量燃烧过程中产生的自由基的自然淬灭提供足够的时间。随后，该冷却和加压的气体起到与前述实施例中的蓄压器内加压流体的功能相同的功能。

独立型软机器人末端执行器系统

图6A-6B示出了集成泵602、一个以上的阀604和一个以上的蓄压器的转毂600的示例。图6A示出了一个系统，其中一个蓄压器606用作正压力容器。图6B示出了两件式蓄压器设计，其中一个蓄压器606是正压力容器，而另一个蓄压器608是负压力容器。

转毂集成式蓄压器

图7示出了三件式转毂700，其中顶件包括运行该系统所必需的泵、阀和电子器件。

转毂700包括第一转毂部分702。第一转毂部分702具有第一端704，该第一端704支撑用于将转毂700安装到机器人系统的例如为凸缘的接口。第一转毂部分702还包括用于泵送膨胀流体的泵708，以及第二端710，该第二端710包括或被构造为用于连接到第二转毂部分712的第二转毂部分连接器。第二端710还可以包括用于接收来自泵的膨胀流体的泵接口。

第二转毂部分712可具有第一端716，第一端716包括或被构造成第一转毂部分连接器，第一转毂部分连接器被构造成与第一转毂部分702的第二转毂部分连接器配合。第一端716还可包括用于从泵接口接收膨胀流体的流体接口。第二转毂部分712还可具有连接到流体接口的、用于储存处于压力的膨胀流体的集成式蓄压器720。第二转毂部分712的第二端722可包括或可被构造为第三转毂部分连接器。第二端722中的蓄压器接口可接收来自蓄压器的膨胀流体并将膨胀流体递送至第三转毂部分726。

第三转毂部分726可包括第一端728，第一端728具有或被构造为与第二转毂部分712的第三转毂部分连接器匹配的第三转毂部分到第二转毂部分连接器。第三转毂部分726还可包括用于从蓄压器接口接收加压膨胀流体的加压流体接口。第三转毂部分726可进一步包括具有致动器接口的第二端732，该致动器接口用于将加压膨胀流体供应到致动器100。第三转毂部分726还可包括用于控制加压膨胀流体流向致动器100的阀736。

可选地，在阀736的出口处可以包括散热器以执行热交换过程，如在上面讨论的热管理示例中那样。

在该实施例中，转毂700包含用于软机器人末端执行器的所有系统：动力源、泵形式的压缩机、压力/真空蓄压器、方向控制阀、致动器接口转毂和软致动器。转毂700用作组件的结构元件，所有子系统都刚性附接到转毂上，并且除了由软致动器100感受到的外力外，任何外力都由其支承。因此，转毂700可被设计成机械坚固，同时保持轻便和紧凑的形状因素。

所示实施例包括蓄压器720。常规的蓄压器采取具有球形端部的圆柱体的形状，这可以减小应力集中并且允许高耐压。为了优化空间和重量约束，实施例的蓄压器720可以通过设计被集成在结构化的接口转毂内。在独立型软机器人控制系统(＜40psi)内形成的相对较低的压力下，该集成蓄压器720不需要具有圆形轮廓，并且可被设计成薄矩形或复杂形状的空穴，其将自然地存在于接口转毂的材料结构中。高于40psi的高压应用可使用微型圆柱形或球形蓄压器或带有增强球体或圆柱体的转毂集成式蓄压器。

此外，根据应用要求，可以为此使用不同的材料，例如软金属(黄铜/铝)、复合材料(碳纤维/玻璃纤维)或塑料。

如图7所示，示例性的三件式转毂700具有并入的压力容器，该压力容器用作转毂本身的本体和结构。当需要复杂的通道或结构以进一步最小化组件内的空间时，可以使用增材制造技术。在需要蓄积正压力和负压力两者时，还可以使用隔膜738来实现双蓄压器设计。

嵌入式气动通道/管路布置

作为前述集成式蓄压器的扩展，任何必要的气动路径738可以类似地集成在接口转毂的结构体内。这允许优化这样的流体传导路径用于最小的流动阻力并且消除对庞大的外部管路和连接器的需要。

Claims (17)

1.一种机器人系统，包括：

软致动器，其包括被构造成接收膨胀流体的弹性囊；

转毂，其包括：

第一端，其具有被构造成接收所述软致动器的致动器接口，

第二端，其具有被构造成安装到机器人臂的安装接口，以及

转毂体，其具有被构造成通过所述致动器接口将所述膨胀流体供应到所述软致动器的压力源。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压力源是压缩机。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压力源是根据阀的形态而并联或串联地操作的双头压缩机。

4.根据权利要求3所述的系统，还包括控制器，所述控制器被构造成在对应于每个压缩机头的流量分布相交之时的时刻启动所述阀。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括用于操作所述压力源的电机，其中所述电机被构造成在所述致动器的致动期间以超电力模式操作。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括设置在所述电机附近以在所述电机和所述膨胀流体之间换热的换热器。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压力源是不同于所述致动器的反应室，所述反应室被构造成接受产生气态产物的化学反应。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括方向控制阀，所述方向控制阀用于选择性允许膨胀流体沿着第一方向流入所述致动器或沿第二方向流出所述致动器。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括流量控制阀，所述流量控制阀用于控制所述膨胀流体流入或流出所述致动器的流量。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括蓄压器，所述蓄压器用于接收来自所述压力源的膨胀流体并储存处于压力的膨胀流体。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括多个蓄压器，其中的至少一个蓄压器被构造为正压力容器且至少一个蓄压器被构造为负压力容器。

12.根据权利要求1所述的系统，还包括一个以上的蓄压器，所述一个以上的蓄压器的尺寸被统一设定为当在所述一个以上的蓄压器与所述致动器之间产生流体传导路径时获得预定的致动压力或部分真空。

13.一种用于软机器人系统的模块化转毂，包括：

第一转毂部分，包括：

第一端，其包括用于将所述转毂安装到机器人系统的凸缘，

泵，其用于泵送和接收膨胀流体，和

第二端，其包括第二转毂部分连接器和用于接收来自所述泵的膨胀流体的泵接口；

第二转毂部分，包括：

第一端，其包括被构造成与所述第二转毂部分连接器配合的第一转毂部分连接器和用于接收来自所述泵接口的膨胀流体的流体接口，

连接到所述流体接口的蓄压器，其用于储存处于压力的膨胀流体；和

第二端，其包括第三转毂部分连接器和蓄压器接口；和

第三转毂部分，包括：

第一端，其包括被构造成与所述第三转毂部分连接器配合的第三转毂部分到第二转毂部分连接器和用于从所述蓄压器接口接收加压膨胀流体的加压流体接口，

第二端，其包括被构造成将加压膨胀流体提供给致动器的致动器接口，和

阀，其用于控制加压膨胀流体流向所述致动器。

14.根据权利要求13所述的模块化转毂，还包括集成到所述转毂的主体中的气动流动路径。

15.根据权利要求13所述的模块化转毂，其中，所述蓄压器是非圆柱形的。

16.根据权利要求13所述的模块化转毂，其中，所述蓄压器适形于所述转毂的主体的形状。

17.根据权利要求13所述的模块化转毂，还包括隔膜，所述隔膜将所述蓄压器分成被构造为正压力容器的第一蓄压器区域和被构造为负压力容器的第二蓄压器区域。