CN109556654A - 用于检测物体的力和姿态的可变形传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于检测物体的力和姿态的可变形传感器和方法。一种方法包括从可变形传感器接收信号，该信号包括来自可变形膜中的变形区域的数据，该变形区域是利用设置在外壳内的内部传感器与物体接触而产生的，并且具有通过介质并朝向可变形膜底部表面的视场。该方法还基于可变形膜的变形区域确定物体的姿态。该方法还基于可变形膜的变形区域确定在可变形膜和物体之间施加的力的大小。

Description

用于检测物体的力和姿态的可变形传感器和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年9月26日提交的美国临时申请62/563,595的优先权，该临时申请通过引用整体并入。

技术领域

本文描述的实施例一般涉及接触传感器，并且更具体地，涉及能够检测物体的接触和几何特征的可变形接触和几何/姿态传感器。实施例还涉及包含可变形接触和几何传感器的机器人。可变形性可以指例如可变形传感器的变形容易程度。空间分辨率可以指例如可变形传感器具有多少像素。像素的数量可以从1(例如，简单地检测与目标物体的接触的传感器)到数千或数百万(例如，由具有数千个像素的飞行时间传感器提供的密集传感器)或任何合适的数量。可变形性可以指可变形膜在接触目标物体时变形的容易程度。可变形传感器可以具有高空间分辨率，具有密集的触觉传感传感器，其被提供作为机器人的末端执行器，从而给予机器人像人的手指一样的良好触感。可变形传感器还可以具有深度分辨率以测量朝向和远离传感器的运动。

背景技术

接触传感器用于确定一个物体是否与另一物体物理接触。例如，机器人通常使用接触传感器来确定机器人的一部分是否与物体接触。然后，机器人的控制可以至少部分地基于来自一个或多个接触传感器的信号。

发明内容

在一个实施例中，用于检测与物体相关联的姿态和力的可变形传感器包括外壳，该外壳具有壳体和连接到壳体的上部的可变形膜，该外壳构造成填充有介质。可变形传感器还可包括设置在外壳内的内部传感器，其具有被配置为被引导通过介质并朝向可变形膜的底表面的视场，其中内部传感器被配置为输出由于与物体接触而引起的变形膜内的变形区域。

在另一个实施例中，一种用于基于传感器检测与物体相关联的姿态和力的方法包括由处理器接收来自可变形传感器的信号，该信号包括关于利用内部传感器可能由于与物体接触而引起的可变形膜中的变形区域的数据，所述内部传感器设置在外壳内并具有引导通过介质并朝向可变形膜的底表面的视场。处理器可以基于可变形膜的变形区域而确定物体的姿态。可变形膜和物体之间施加的力的大小可以由处理器基于可变形膜的变形区域而确定。

在又一个实施例中，一种用于检测与物体相关联的姿态和力的系统可包括外壳，该外壳包括壳体和连接到壳体的上部的可变形膜，该外壳构造成填充有介质。该系统还可以包括设置在外壳内的内部传感器，该内部传感器具有被配置为引导通过介质并朝向可变形膜的底表面的视场。内部传感器可以输出由于与物体接触而引起的在可变形膜内的变形区域。该系统还可包括处理器，该处理器确定物体的姿态和在可变形膜与物体之间施加的力的大小。

鉴于以下详细描述并结合附图，将更全面地理解由在此描述的实施例提供的这些和另外的特征。

附图说明

附图中阐述的实施例本质上是说明性和示例性的，并不旨在限制由权利要求限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中：

图1示意性地示出了根据在此描述和示出的一个或多个实施例的示例性可变形传感器的正视图；

图2示意性地示出了根据在此描述和示出的一个或多个实施例的由图1描绘的示例性可变形传感器的顶部透视图；

图3示意性地描绘了根据在此描述和示出的一个或多个实施例的用于可变形传感器的示例飞行时间传感器；

图4是描绘根据在此描述和示出的一个或多个实施例的电子显示器上的可变形传感器的输出的图像；

图5示意性地示出了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的联接至可变形传感器的可变形膜的滤光器层；

图6示意性地示出了根据在此描述和示出的一个或多个实施例的可变形传感器的传感器的视场内的滤光器；

图7示意性地示出了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的可变形传感器的可变形膜的底表面上的图案；

图8示意性地示出了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的两个示例性机器人，每个机器人具有可变形传感器并操纵物体；

图9示意性地示出了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的具有多个可变形传感器的示例性机器人，所述可变形传感器具有变化的空间分辨率和深度分辨率；

图10示意性地示出了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的具有多个内部传感器的复合内部传感器；

图11是描绘根据本文描述和示出的一个或多个实施例的确定与可变形传感器接触的物体相关联的姿态和力的示例性过程的流程图；

图12是示出根据本文描述和示出的一个或多个实施例的用于实现各种过程和系统的一个或多个设备中使用的计算硬件的框图；和

图13是示出根据本文描述和示出的一个或多个实施例的在一个或多个机器人中用于实现各种过程和系统的硬件的框图。

具体实施方式

作为人类，我们的触觉使我们能够在不看物体的情况下确定物体的形状。此外，我们的触觉提供了如何正确掌握和保持物体的信息。我们的手指比身体的其他部位(如手臂)对触摸更敏感。这是因为我们用手操纵物体。

机器人通常配备有末端执行器，其被配置为执行某些任务。例如，机器人手臂的末端执行器可以被配置为人手，或者被配置为双指夹持器。然而，机器人没有像人类那样具有不同程度的触摸灵敏度。末端执行器可以包括诸如压力传感器的传感器，但是这种传感器提供关于与末端执行器接触的物体的有限信息。因此，机器人可能通过使用过大的力来损坏目标物体，或者因为其没有正确地抓住物体而使物体掉落。

此外，在一些应用中，可能需要可变形/顺应的末端执行器。例如，在机器人-人类交互中可能需要可变形的末端执行器。此外，当机器人操纵易碎物体时，可能需要可变形/顺应的末端执行器。

本公开的实施例涉及可变形/顺应接触和/或几何传感器(下文中称为“可变形传感器”)，其不仅检测与目标物体的接触，还检测目标物体的几何特征、姿态和接触力。特别地，这里描述的可变形传感器包括连接到壳体的可变形膜，该壳体保持能够通过与物体接触来检测可变形膜的位移的传感器。这里描述的可变形传感器不仅检测施加到可变形膜的压力或力，还可以检测物体的几何特征和姿态。因此，这里描述的可变形传感器在操纵物体时为机器人(或其他装置)提供触觉。

现在参照图1和图2，示意性地示出了示例性可变形传感器100。图1是示例性可变形传感器100的正视图，图2是示例性可变形传感器100的顶部透视图。图1和图2描绘了不同的实施例。示例性可变形传感器100通常包括壳体110和例如通过壳体110的上部111连接到壳体110的可变形膜120。壳体110和可变形膜120限定外壳113，外壳113通过一个或多个通路112填充有介质，所述通路可以是阀门或任何其他合适的机构。通路112可用于填充或清空外壳。在一个示例中，介质是气体，例如空气。因此，可以将空气泵送到外壳113中至所需压力，使得可变形膜120形成如图1所示的圆顶形状，但是在其他实施例中可以使用任何合适的形状。在另一个实例中，介质是凝胶，例如硅树脂或其他橡胶状物质。在一些实施例中，诸如固体硅树脂的物质可以在可变形传感器100的组装之前以给定形状铸造。在各种实施例中，介质可以是对内部传感器(下面更详细地讨论)透明的任何物质，例如对飞行时间传感器的波长透明。在一些实施例中，介质可包括通透/透明橡胶。在其他实施方案中，介质可以是液体。在一些示例中，可变形膜120和外壳113内的介质可以由相同的材料制成，例如但不限于硅树脂。在一些实施例中，可变形传感器100可以是可安装的。例如，外壳113可包括安装在任何合适的物体(例如机器人)或材料上的支架。可变形膜120可以是胶乳或任何其他合适的材料，例如合适的薄的无孔橡胶状材料。

可以通过改变可变形膜120的材料和/或外壳113内的压力来调整/修改可变形传感器100的可变形性。通过使用较软的材料(例如，软硅树脂)，可变形传感器100可以更容易变形。类似地，降低外壳113内的压力还可以使可变形膜120更容易变形，这又可以提供更可变形的传感器100。在一些实施例中，机器人由于变化的空间分辨率和/或深度分辨率而具有变化的触摸灵敏度。

能够感测深度的内部传感器130可以设置在外壳113内，其可以通过内部传感器130的深度分辨率来测量。内部传感器130可以具有引导通过介质并朝向底部表面的视场132。在一些实施例中，内部传感器130可以是光学传感器。如下面更详细描述的，当可变形膜120与物体接触时，内部传感器130能够检测可变形膜120的偏转。在一个示例中，内部传感器130是能够测量深度的飞行时间传感器。飞行时间传感器发射光信号(例如，红外信号)并具有单独的检测器(即“像素”)，其检测反射信号返回传感器所花费的时间。飞行时间传感器可以具有任何期望的空间分辨率。像素数越多，空间分辨率越高。可以改变布置在内部传感器130内的传感器的空间分辨率。在一些情况下，可能需要低空间分辨率(例如，检测单个点的位移的一个“像素”)。在其他情况下，敏感的飞行时间传感器可以用作提供密集触觉感测的高空间分辨率内部传感器130。因此，内部传感器130可以是模块化的，因为传感器可以根据应用而改变。图3描绘了示例性飞行时间传感器。飞行时间传感器的非限制性示例是由德国Siegen的PMD Technologies AG销售的Pico Flexx。作为非限制性示例，其他类型的视觉内部传感器包括立体相机、激光范围传感器、结构光传感器/3d扫描仪、单个相机(诸如内部具有点或其他图案)或任何其他合适类型的视觉探测器。例如，内部传感器130可以被配置为能够检测通过物体对可变形膜120的偏转的立体相机。

在一些实施例中，可以在单个可变形传感器100内使用任何合适数量和/或类型的内部传感器130。在一些示例中，并非可变形传感器100内的所有内部传感器130都需要是相同类型的。在各种实施例中，一个可变形传感器100可以利用具有高空间分辨率的单个内部传感器130，而另一个可变形传感器100可以使用多个内部传感器130，每个内部传感器130具有低空间分辨率。在一些实施例中，由于内部传感器130的数量的增加，可变形传感器100的空间分辨率可以增加。在一些示例中，可变形传感器100内的内部传感器130的数量的减少可以通过至少一些其余内部传感器130的空间分辨率的相应增加而补偿。如下面更详细地讨论的，可以根据机器人的一部分中的可变形传感器100中的变形分辨率或深度分辨率来测量总变形分辨率。在一些实施例中，总变形分辨率可以基于机器人的一部分中的可变形传感器的数量和从该部分中的每个可变形传感器获得的变形分辨率。

再次参照图1，可以在外壳113中使用导管114以通过导管提供电力和/或数据/信号，例如通过导管到内部传感器130，例如用于USB(通用串行总线)或任何其他合适类型的电源和/或信号/数据连接。如本文所用，气密导管可包括任何类型的通道，空气或任何其他流体(例如液体)不能通过该通道。在该实例中，气密导管可以提供通道，固体物体(例如电线/电缆)可以穿过该通道，在气密导管的每个端部处围绕这些电线/电缆形成气密密封。其他实施例利用无线内部传感器130来发送和/或接收数据和/或电力。在介质不是气体例如硅树脂的各种实施例中，外壳113和/或导管114可以不必是气密的。

在一些实施例中，内部传感器130可包括一个或多个内部压力传感器(气压计、压力传感器等，或其任何组合)，用于检测可变形膜120通过介质的总体变形。在一些实施例中，可变形传感器100和/或内部传感器130可以例如通过上面讨论的导管114接收/发送各种数据，无线数据传输(Wi-Fi、蓝牙等)或任何其他合适的数据通信协议。例如，可变形传感器100内的压力可以由加压参数指定，并且可以与可变形传感器100的可变形性成反比。在一些实施例中，可以通过改变外壳113内的压力或可变形膜120的材料来修改可变形传感器100的可变形性。在一些实施例中，接收更新的参数值可导致实时或延迟更新(加压等)。

图4描绘了示例性物体215移动示例性可变形传感器100的可变形膜120的图像。在所示实施例中，当物体215接触可变形膜120和/或使其变形时，显示设备140实时地输出可变形传感器100的输出以用于在设备上显示。应当理解，显示设备140仅用于说明目的，并且可以在没有显示设备的情况下使用实施例。当物体215被压入可变形膜120中时，物体215将其形状赋予可变形膜120，使得可变形膜120符合物体215的形状。内部传感器130的空间分辨率可以使得内部传感器130检测移位的可变形膜120的几何特征和/或姿态。例如，当内部传感器130是飞行时间传感器时，从被物体偏转的可变形膜120的底表面反射的光学信号具有比由可变形膜120在偏转区域外部的区域处反射的光学信号更短的飞行时间。因此，可以在显示设备140上输出并显示具有与物体215的形状匹配的几何特征和/或姿态的接触区域142(或者在此可替换地使用的移位区域)。

因此，可变形传感器100不仅可以检测与物体215的接触的存在，而且还可以检测物体215的几何特征。以这种方式，配备有可变形传感器100的机器人可以基于与物体的接触来确定物体的几何特征。另外，还可以基于由可变形传感器100感测的几何信息来确定物体215的几何特征和/或姿态。例如，当确定物体215的姿态时，例如，可以显示垂直于接触区域142中的表面的矢量144。例如，矢量144可以由机器人或其他设备使用以确定特定物体215可以朝向哪个方向。

现在参照图5，在一些实施例中，可选的滤光器层123可以设置在可变形膜120的底表面121上。如下面更详细地描述并且在图7中所示，可变形膜120的底表面121可以具有可以通过作为非限制性示例的立体相机检测的图案(例如，网格图案122、点图案或任何其他合适类型的图案)，以检测位移。滤光器层123可以配置成帮助内部传感器130检测可变形膜120的变形。在一些实施例中，滤光器层123减少由内部传感器130发射的一个或多个光信号的眩光或不适当的反射。在一些实施例中，滤光器层123可以散射由内部传感器130发射的一个或多个光学信号。滤光器层123可以是固定到可变形膜120的底表面121的附加层，或者它可以是施加于可变形膜120的底表面121的涂层和/或图案。

参照图6，在一些实施例中，内部传感器滤光器135可以设置在内部传感器130的视场132内。内部传感器滤光器135可以优化由内部传感器130发射的光学信号，以在可变形膜120的底部表面121上反射。与滤光器层123类似，内部传感器滤光器135可以设置在内部传感器130的视场132内，并且可以减少由内部传感器130发射的任何光信号的眩光或不适当的反射。在一些实施例中，内部传感器滤光器135可以散射由内部传感器130发射的一个或多个光学信号。在一些实施例中，可以使用内部传感器滤光器135和滤光器层123。

现在参照图7，网格图案122可以应用于可变形膜120的底表面121，以帮助检测可变形膜120的变形。例如，当内部传感器130是立体相机时，网格图案122可以帮助检测变形。例如，可以利用对网格图案122的不同程度的变形来辨别已经发生了多少变形。在该示例中，平行线之间的距离和/或测量网格图案122中的线的曲率可以用于确定网格中的每个点处的变形量。应当理解，实施例不限于网格图案，因为其他类型的图案是可能的，例如点、形状等。底表面121上的图案可以是随机的，并且不必布置成如图7所示的网格图案122或阵列。

图8示意性地描绘了具有第一可变形传感器100a的示例性非限制性第一机器人200a和具有第二可变形传感器100b的示例性第二机器人200b。在该示出的示例中，第一机器人200a和第二机器人200b可以协作用于双臂操纵，其中第一可变形传感器100a和第二可变形传感器100b都接触物体215。如上所述，这里描述的可变形传感器100可以是用作机器人的末端执行器来操纵物体。由于可变形膜120的柔性特性，可变形传感器100可允许机器人处理易碎的物体215。此外，可变形传感器100可用于机器人到人的接触，因为在一些实施例中，可变形膜120可以更柔软和/或更柔韧/可变形，而不是触摸刚性的(不可变形或几乎如此)。

除了几何特征和姿态估计之外，可变形传感器100可以用于确定机器人200a(或其他设备)施加在目标物体215上的力多大。虽然参考了第一机器人200a，但是任何这样的参考可以在一些实施例中利用第二机器人200b、任何其他合适的装置和/或其任何组合。机器人200a可以使用该信息来更准确地抓住物体215。例如，可以对可变形膜120的位移进行建模。可变形膜120的位移模型可以用于确定向目标物体215施加多大的力。然后可以使用由可变形膜120的位移测量的确定的力来控制机器人200a以更准确地抓住物体215。作为示例，机器人200a(下面更详细地讨论)施加到易碎物体215的力的大小可能是重要的，使得机器人200a不会破坏易碎的物体215。在一些实施例中，可以为物体215分配柔软度值(或脆性值)，其中机器人200a可以被编程以基于软度值(可以在处理器处，例如，从数据库、服务器、用户输入等接收)而与所有物体215交互。在一些实施例中，可以(例如在图4的140、图12的1204等所示的显示设备上)提供用户界面以指定用于初始化和/或更新的任何合适的值(图1中的可变形传感器100内的压力、与物体215有关的柔软度值等)。在其他实施例中，机器人200a可以能够识别特定物体215(诸如通过视觉系统中的物体识别等)，由此可以修改柔软度值，这可以导致使用另一可变形传感器100，其具有更合适的可变形性、总空间分辨率、深度分辨率、压力和/或可变形膜120的材料。在一些实施例中，机器人200a中的处理器可以从内部传感器130接收表示接触区域142的数据。在各种实施例中，机器人200a中的处理器可以基于表示接触区域142的数据而确定垂直于物体215的表面的矢量144，并利用矢量144来确定物体215朝向哪个方向。

在实施例中，可以在机器人200上的各个位置处提供多个可变形传感器。图9描绘了在不同位置处具有多个可变形传感器100、100'和100”的示例性机器人200。可变形传感器100可以用作机器人200的末端执行器，并且具有高空间分辨率和/或深度分辨率。在一些实施例中，可变形传感器100的可变形性可以是可变形膜120的材料和可变形传感器100内的内部压力的某种组合的函数。在一些实施例中，可变形传感器100可具有夹具或其他合适的附件机构。例如，可变形传感器100可以可拆卸地连接到机器人200，和/或机器人200可以具有提供可变形传感器100的附接和/或移除的特征。在一些实施例中可以使用任何合适类型的夹具、紧固件或附件机构。

每个可变形传感器100可以具有期望的空间分辨率和/或期望的深度分辨率，这取决于其在机器人200上的位置。在所示实施例中，可变形传感器100'设置在第一臂部分201和第二臂部分202上(术语“臂部分”和“部分”在全文中可互换使用)。臂部分可以具有一个或多个可变形传感器100，或者根本没有。可变形传感器100'可以成形为符合第一臂部分201和/或第二臂部分202的形状。可以注意到，这里描述的可变形传感器100可以根据应用而呈现任何形状。可变形传感器100'可以非常柔韧并因此可变形。这在人机交互中可能是有益的。以这种方式，机器人200可以接触人(例如，给予人“拥抱”)而不会由于可变形传感器100'的柔软性和/或由于控制与物体接触的力的能力而造成伤害。根据应用，臂部分201、202中的一个或多个变形传感器100'的空间分辨率可以高或低。在图9的示例中，机器人200的基部203附近的可变形传感器100”可以具有低空间分辨率，并且可以被配置为仅检测与目标物体的接触。可以基于机器人200的应用来设置机器人200的基部附近的可变形传感器100”的可变形性。传感器100的深度分辨率和/或空间分辨率可以沿机器人200的不同部分而变化。例如一个部分203可能不需要识别与特定可变形传感器100接触的物体的形状和/或姿态，因为简单地记录与物体的接触可以提供足够的信息，而与另一部分(例如201)接触可以产生从接触导出的姿态和/或形状信息。如图9所示，可变形传感器100可以具有任何合适的尺寸，其即使在臂部分内也可以改变。尽管臂部分201、202、203被描绘为离散/非重叠的，但是在其他实施例中可以发生重叠。

如上所述，机器人200的一部分可以提供大于另一部分的总空间分辨率。在一些实施例中，第一机器人200a的一部分可以与第二机器人200b的一部分同时协调地与物体215交互，并且第一机器人200a的所述部分的总空间分辨率可以等于第二机器人200b的所述部分的空间分辨率。在一些实施例中，可以基于与所述部分相互作用的一个或多个物体215的柔软度值来确定和/或修改例如在机器人200a的一部分中的可变形性。在各种实施例中，基于被配置为与具有不同柔软度值的多个物体215交互的两个部分，该部分的总空间分辨率可以与另一部分的总空间分辨率不同。在一些实施例中，该部分的总空间分辨率的修改可以基于调整可变形膜120的数量、一个或多个可变形膜120内的内部传感器130的数量和/或至少一个内部传感器130的空间分辨率。在一些实施例中，各个部分可以串联工作。例如，如上所述，一个部分可以利用高空间分辨率来确定物体的姿态/形状和/或物体上的表面上的图案，而另一部分(在相同或不同的机器人上)可以仅检测接触的位置，这些部分可以彼此通信或与从两个部分接收信息的另一个部件通信。

现在参照图10，一个实施例描绘了复合内部传感器1000，其可以在可变形传感器(未示出)内使用。描绘了多个内部传感器1002，其在该实施例中是飞行时间相机(如上面在图3中所讨论的)。其他实施例可以使用各种类型的内部传感器的任何组合。在该实施例中，电缆1004用于向内部传感器提供数据通信和/或电力，但是其他实施例可以使用不同数量的电缆和/或无线连接来获得数据和/或电力。在该实施例中描绘了支撑结构1006，但是其他实施例可以使用多个支撑结构或不使用支撑结构。在该实施例中，支撑结构是刚性的，但是在一些实施例中，一个或多个支撑结构可以是柔性的以改变内部传感器1002的取向。在该实施例中，电缆1004可以连接到基座部分1008，用于数据通信和/或电力。

现在转到图11，流程图1100示出了用于确定与可变形传感器接触的物体相关联的姿态和力的示例性过程。在框1102处，介质(气体、液体、硅树脂等)可被接收在具有壳体110的外壳113内，其中可变形膜120联接到壳体110的上部111。在框1104处，可以通过外壳113中的内部传感器130基于与物体215的接触来测量可变形膜120的变形，该内部传感器130具有引导穿过介质并朝向可变形膜120的底表面121的视场132。在框1106处，可以基于可变形膜120的测量变形(例如接触区域142)确定物体215的姿态。在框1108，基于测量的可变形膜120的变形而确定可变形膜120和物体215之间的力的大小。框1106和1108可以同时进行，但不一定需要。在框1110，确定是否检测到进一步的变形和/或接触。如果是，则流程图可以返回到框1104。如果不是，则流程图可以结束。

转到图12，框图示出了计算设备1200的示例，通过该计算设备1200可以实现本公开的实施例，诸如(作为非限制性示例)可变形传感器100、内部传感器130、机器人200或本文描述的任何其他设备。这里描述的计算设备1200仅是合适的计算设备的一个示例，并不暗示对所呈现的任何实施例的范围的任何限制。关于计算设备1200所示出或描述的任何内容都不应被解释为需要或者针对任何元素或多个元素创建任何类型的依赖性。在各种实施例中，计算设备1200可以包括但不必限于可变形传感器100、内部传感器130、机器人200。在一个实施例中，计算设备1200包括至少一个处理器1202和存储器(非易失性存储器1208和/或易失性存储器1210)。计算设备1200可以包括一个或多个显示器和/或输出设备1204，例如监视器、扬声器、耳机、投影仪、可穿戴显示器、全息显示器和/或打印机。计算设备1200还可以包括一个或多个输入设备1206，作为示例，其可以包括任何类型的鼠标、键盘、磁盘/介质驱动器、记忆棒/拇指驱动器、存储卡、笔、触摸输入设备、生物识别扫描仪、语音/听觉输入设备、运动检测器、相机、比例尺等。

计算设备1200可以包括非易失性存储器1208(ROM、闪存等)、易失性存储器1210(RAM等)或其组合。网络接口1212可以促进经由线路、经由广域网、经由局域网、经由个人区域网络、经由蜂窝网络、经由卫星网络等在网络1214上的通信。合适的局域网可以包括有线以太网和/或无线技术，例如无线保真(Wi-Fi)。合适的个人区域网络可以包括无线技术，例如IrDA、蓝牙、无线USB、Z-Wave、ZigBee和/或其他近场通信协议。合适的个人区域网络可以类似地包括有线计算机总线，例如USB和FireWire。合适的蜂窝网络包括但不限于诸如LTE、WiMAX、UMTS、CDMA和GSM的技术。网络接口1212可以通信地联接至能够经由网络1214发送和/或接收数据的任何设备。因此，网络接口1212的硬件可以包括用于发送和/或接收任何有线或无线通信的通信收发器。例如，网络接口硬件可以包括天线、调制解调器、LAN端口、Wi-Fi卡、WiMax卡、移动通信硬件、近场通信硬件、卫星通信硬件和/或用于与其他网络和/或设备通信的任何有线或无线硬件。

计算机可读存储介质1216可包括多个计算机可读介质，每个计算机可读介质可以是计算机可读存储介质或计算机可读信号介质。计算机可读存储介质1216可以驻留在例如输入设备1206、非易失性存储器1208、易失性存储器1210或其任何组合内。计算机可读存储介质可以包括有形介质，其能够存储与设备或系统相关联或由设备或系统使用的指令。作为非限制性示例，计算机可读存储介质包括：RAM、ROM、高速缓存、光纤、EPROM/闪存、CD/DVD/BD-ROM、硬盘驱动器、固态存储、光学或磁存储装置、软盘、具有电线的电连接或其任何组合。计算机可读存储介质还可以包括例如磁、光、半导体或电子类型的系统或设备。计算机可读存储介质和计算机可读信号介质是互斥的。例如，机器人200和/或服务器可以利用计算机可读存储介质来存储从机器人200上的一个或多个内部传感器130接收的数据。

计算机可读信号介质可以包括不是计算机可读存储介质的任何类型的计算机可读介质，并且可以包括例如采用诸如光学、电磁或其组合的任何数量形式的传播信号。计算机可读信号介质可以包括传播的数据信号，其包含例如载波内的计算机可读代码。计算机可读存储介质和计算机可读信号介质是互斥的。

诸如可变形传感器100、内部传感器130、机器人200的计算设备1200可以包括一个或多个网络接口1212，以促进与一个或多个远程设备的通信，所述远程设备可以包括例如客户端和/或服务器设备。在各种实施例中，计算设备(例如机器人或可变形传感器)可以被配置为通过网络与服务器或其他网络计算设备通信，以从机器人200上的一个或多个可变形传感器100发送和接收数据。网络接口1212也可以被描述为通信模块，因为这些术语可以互换使用。

现在转到图13，示意性地描绘了机器人1300的一个非限制性实施例的示例组件。机器人1300包括壳体1310、通信路径1328、处理器1330、存储器模块1332、触觉显示器1334、惯性测量单元1336、输入装置1338、音频输出装置1340(例如，扬声器)、麦克风1342、相机1344、网络接口硬件1346、触觉反馈装置1348、位置传感器1350、灯1352、接近传感器1354、温度传感器1356、机动轮组件1358、电池1360和充电端口1362。除了壳体1310之外的机器人1300的部件可以容纳在壳体1310内或安装到壳体1310。机器人1300的各种部件及其相互作用将在下面详细描述。

仍然参照图13，通信路径1328可以由能够传输信号的任何介质形成，例如导电线、导电迹线、光波导等。此外，通信路径1328可以由能够发送信号的介质的组合形成。在一个实施例中，通信路径1328包括导电迹线、导线、连接器和总线的组合，其协作以允许将电数据信号传输到诸如处理器、存储器、传感器、输入设备、输出设备和通信设备的组件。因此，通信路径1328可以包括总线。另外，应注意，术语“信号”表示波形(例如，电、光、磁、机械或电磁)，例如DC、AC、正弦波、三角波、方波、振动等，其能够通过媒介传播。通信路径1328可通信地联接机器人1300的各种组件。如本文所使用的，术语“通信地联接”意味着联接的组件能够彼此交换数据信号，例如经由导电介质的电信号、通过空气的电磁信号、通过光波导的光信号等。

机器人1300的处理器1330可以是能够执行机器可读指令的任何设备。因此，处理器1330可以是控制器、集成电路、微芯片、计算机或任何其他计算设备。处理器1330可以通过通信路径1328通信地联接至机器人1300的其他组件。在各种实施例中，这可以允许处理器1330从可以是机器人1300的一部分的一个或多个可变形传感器100接收数据。在其他实施例中，处理器1330可以直接从一个或多个内部传感器130接收数据，内部传感器130是机器人1300上的一个或多个可变形传感器100的一部分。因此，通信路径1328可以将任意数量的处理器彼此通信地联接，并且允许联接至通信路径1328的组件在分布式计算环境中操作。具体地，每个组件可以作为可以发送和/或接收数据的节点操作。虽然图13中描绘的实施例包括单个处理器1330，但是其他实施例可以包括一个以上的处理器。

仍然参照图13，机器人1300的存储器模块1332联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。存储器模块1332可以例如包含检测物体的形状的指令，该物体使可变形传感器100的可变形膜120变形。在该示例中，当由处理器1330执行时，存储在存储器模块1332中的这些指令可以允许基于观察到的可变形膜120的变形来确定物体的形状。存储器模块1332可以包括RAM、ROM、闪存、硬盘驱动器或能够存储机器可读指令的任何非暂时性存储器设备，使得机器可读指令可以由处理器1330访问和执行。机器可读指令可以包括用任何代的任何编程语言(例如，1GL、2GL、3GL、4GL或5GL)编写的逻辑或算法，例如，可以由处理器直接执行的机器语言或汇编语言、面向对象编程(OOP)、脚本语言、微代码等，其可以被编译或汇编成机器可读指令并存储在存储器模块1332中。或者，机器可读指令可以用硬件描述语言(HDL)编写，例如通过现场可编程门阵列(FPGA)配置或专用集成电路(ASIC)或它们的等同物实现的逻辑。因此，这里描述的功能可以以任何传统的计算机编程语言、预编程的硬件元件或硬件和软件组件的组合来实现。虽然图13中描绘的实施例包括单个存储器模块1332，但是其他实施例可以包括一个以上的存储器模块。

触觉显示器1334(如果提供的话)联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。触觉显示器1334可以是能够以可刷新的触觉消息的形式提供触觉输出的任何设备。触觉消息通过触摸向用户传达信息。例如，触觉消息可以是触觉书写系统的形式，例如盲文。触觉消息也可以是任何形状的形式，例如在环境中检测到的物体的形状。触觉显示器1334可以向用户提供关于机器人1300的操作状态的信息。

可以使用任何已知的或尚未开发的触觉显示器。在一些实施例中，触觉显示器1334是包括表面的三维触觉显示器，其部分可以升高以传递信息。在一些实施例中，凸起部分可以机械地致动(例如，机械升高和降低的销)。触觉显示器1334也可以是流体致动的，或者它可以被配置为电振动触觉显示器。

惯性测量单元1336(如果提供的话)联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。惯性测量单元1336可以包括一个或多个加速度计和一个或多个陀螺仪。惯性测量单元1336将感测到的机器人1300的物理运动转换为指示机器人1300的取向、旋转、速度或加速度的信号。机器人1300的操作可取决于机器人1300的取向(例如，机器人1300是否是水平的、倾斜的等)。机器人1300的一些实施例可以不包括惯性测量单元1336，诸如包括加速度计但不包括陀螺仪的实施例，包括陀螺仪但不包括加速度计的实施例，或者既不包括加速度计也不包括陀螺仪的实施例。

仍然参照图13，一个或多个输入设备1338联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。输入设备1338可以是能够将用户接触转换成可以在通信路径1328上传输的数据信号的任何设备，例如按钮、开关、旋钮、麦克风等。在各种实施例中，输入装置1338可以是如上所述的可变形传感器100和/或内部传感器130。在一些实施例中，输入设备1338包括电源按钮、音量按钮、激活按钮、滚动按钮等。可以提供一个或多个输入设备1338，使得用户可以与机器人1300交互，例如导航菜单、进行选择、设置偏好以及本文描述的其他功能。在一些实施例中，输入装置1338包括压力传感器、触敏区域、压力条等。应当理解，一些实施例可以不包括输入装置1338。如下面更详细描述的，机器人1300的实施例可以包括设置在壳体1310的任何表面上的多个输入装置。在一些实施例中，一个或多个输入设备1338被配置为用于解锁机器人的指纹传感器。例如，只有具有注册指纹的用户可以解锁并使用机器人1300。

扬声器1340(即，音频输出设备)联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。扬声器1340将来自机器人1300的处理器1330的音频消息数据转换成产生声音的机械振动。例如，扬声器1340可以向用户提供导航菜单信息、设置信息、状态信息、关于来自一个或多个相机1344的图像数据检测到的环境的信息等。然而，应该理解的是，在其他实施例中，机器人1300可以不包括扬声器1340。

麦克风1342联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。麦克风1342可以是能够将与声音相关联的机械振动转换成指示声音的电信号的任何设备。麦克风1342可以用作输入设备1338以执行诸如导航菜单、输入设置和参数以及任何其他任务的任务。应该理解，一些实施例可以不包括麦克风1342。

仍然参照图13，相机1344联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。相机1344可以是具有能够检测紫外线波段、可见光波段或红外波段的辐射的感测装置阵列(例如，像素)的任何装置。相机1344可以具有任何分辨率。相机1344可以是全向相机或全景相机。在一些实施例中，一个或多个光学组件，例如镜子、鱼眼镜头或任何其他类型的镜头，可以光学联接至相机1344。如下面更详细描述的，相机1344是成像组件1322的一个组件，其可操作以升高到壳体1310上方以捕获图像数据。

网络接口硬件1346联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。网络接口硬件1346可以是能够经由网络1370发送和/或接收数据的任何设备。因此，网络接口硬件1346可以包括无线通信模块，其被配置为用于发送和/或接收任何有线或无线通信的通信收发器。例如，网络接口硬件1346可以包括用于与其他网络和/或设备通讯的天线、调制解调器、LAN端口、Wi-Fi卡、WiMax卡、移动通信硬件、近场通信硬件、卫星通信硬件和/或用于通信的任何有线或无线硬件。在一个实施例中，网络接口硬件1346包括配置成根据蓝牙无线通信协议操作的硬件。在另一个实施例中，网络接口硬件1346可以包括蓝牙发送/接收模块，用于向/从便携式电子设备1380发送和接收蓝牙通信。网络接口硬件1346还可以包括配置成询问和阅读RFID标签的射频识别(“RFID”)读取器。

在一些实施例中，机器人1300可以经由网络1370通信地联接至便携式电子设备1380。在一些实施例中，网络1370是利用蓝牙技术来通信地联接机器人1300和便携式电子设备1380的个人区域网络。在其他实施例中，网络1370可以包括一个或多个计算机网络(例如，个人区域网络、局域网或广域网)、蜂窝网络、卫星网络和/或全球定位系统及其组合。因此，机器人1300可以经由线路、经由广域网、经由局域网、经由个人区域网络、经由蜂窝网络、经由卫星网络等通信地联接至网络1370。合适的局域网可以包括有线以太网和/或无线技术，例如无线保真(Wi-Fi)。合适的个人区域网络可以包括无线技术，例如IrDA、蓝牙、无线USB、Z-Wave、ZigBee和/或其他近场通信协议。合适的个人区域网络可以类似地包括有线计算机总线，例如USB和FireWire。合适的蜂窝网络包括但不限于诸如LTE、WiMAX、UMTS、CDMA和GSM的技术。

仍然参照图13，如上所述，网络1370可以用于将机器人1300与便携式电子设备1380通信地联接。便携式电子设备1380可以包括移动电话、智能电话、个人数字助理、相机、专用移动媒体播放器、移动个人计算机、膝上型计算机和/或能够与机器人1300通信联接的任何其他便携式电子设备。便携式电子设备1380可包括一个或多个处理器和一个或多个回忆。所述一个或多个处理器可以执行逻辑以与机器人1300通信。便携式电子设备1380可以配置有用于与机器人1300通信的有线和/或无线通信功能。在一些实施例中，便携式电子设备1380可以执行一个这里描述的功能的一个或多个元件，例如在这里描述的功能分布在机器人1300和便携式电子设备1380之间的实施例中。

触觉反馈设备1348联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。触觉反馈设备1348可以是能够向用户提供触觉反馈的任何设备。触觉反馈设备1348可以包括振动设备(诸如在通过振动传递触觉反馈的实施例中)、吹气设备(诸如在通过一股空气传递触觉反馈的实施例中)或压力产生装置(例如在通过产生的压力传递触觉反馈的实施例中)。应当理解，一些实施例可以不包括触觉反馈设备1348。

位置传感器1350联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。位置传感器1350可以是能够生成指示位置的输出的任何设备。在一些实施例中，位置传感器1350包括全球定位系统(GPS)传感器，但是实施例不限于此。一些实施例可以不包括位置传感器1350，诸如机器人1300不确定机器人1300的位置的实施例或者以其他方式确定位置的实施例(例如，基于从相机1344、麦克风1342、网络接口硬件1346、接近传感器1354、惯性测量单元1336等接收的信息)。位置传感器1350还可以被配置为能够通过从一个或多个无线信号天线接收的无线信号对机器人1300和用户的位置进行三角测量的无线信号传感器。

机动轮组件1358连接到连通路径1328并通信地连接到处理器1330。如下面更详细描述的，机动轮组件1358包括由一个或多个马达(未示出)驱动的机动轮(未示出)。处理器1330可以向机动轮组件1358提供一个或多个驱动信号以致动机动轮，使得机器人1300行进到期望位置，例如用户希望获取环境信息的位置(例如，在所需位置处或附近的特定物体的位置)。

仍然参照图13，灯1352联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。灯1352可以是能够输出光的任何设备，例如但不限于发光二极管、白炽灯、荧光灯等。一些实施例包括当机器人1300通电时被点亮的电源指示灯。一些实施例包括当机器人1300处于活动状态或处理数据时被点亮的活动指示灯。一些实施例包括用于照亮机器人1300所在的环境的照明灯。一些实施例可以不包括灯1352。

接近传感器1354联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。接近传感器1354可以是能够输出指示机器人1300接近另一个物体的接近信号的任何设备。在一些实施例中，接近传感器1354可包括激光扫描仪、电容位移传感器、多普勒效应传感器、涡流传感器、超声传感器、磁传感器、内部传感器、雷达传感器、激光雷达传感器、声纳传感器等。一些实施例可以不包括接近传感器1354，诸如其中机器人1300与物体的接近度由其他传感器(例如，相机1344、扬声器1340等)提供的输入而确定的实施例或者不确定机器人1300与物体1315的接近度的实施例。

温度传感器1356联接至通信路径1328并且通信地联接至处理器1330。温度传感器1356可以是能够输出指示由温度传感器1356感测的温度的温度信号的任何设备。在一些实施例中，温度传感器1356可包括热电偶、电阻温度装置、红外传感器、双金属装置、状态变化器、温度计、硅二极管传感器等。机器人1300的一些实施例可以不包括温度传感器1356。

仍然参照图13，机器人1300由电池1360供电，电池1360电联接至机器人1300的各种电气部件。电池1360可以是能够存储电能以供机器人1300稍后使用的任何装置。在一些实施例中，电池1360是可充电电池，例如锂离子电池或镍镉电池。在电池1360是可充电电池的实施例中，机器人1300可以包括充电端口1362，其可以用于对电池1360充电。一些实施例可以不包括电池1360，例如其中机器人1300通过电网、通过太阳能或从环境中收集的能量供电的实施例。一些实施例可以不包括充电端口1362，例如其中该设备利用一次性电池供电的实施例。

现在应该理解，本公开的实施例是定向的可变形传感器，其能够检测与物体的接触以及物体的几何特征和姿态。例如，可以在机器人上提供一个或多个可变形传感器。然后，可变形传感器提供的信息可用于控制机器人与目标物体的相互作用。变形传感器的深度分辨率和空间分辨率可以根据机器人上的可变形传感器的位置而变化。

应注意，本文中以特定方式“配置”或“编程”以体现特定属性或以特定方式起作用的本公开的组件的叙述是结构性叙述，与预期使用的叙述相反。更具体地，这里对组件“配置”或“编程”的方式的引用表示组件的现有物理条件，并且因此，将被视为组件的结构特征的明确叙述。

除非另有说明，否则本文所示和所述的本公开的示例中的操作的执行或执行的顺序不是必需的。也就是说，除非另有说明，否则操作可以以任何顺序执行，并且本公开的示例可以包括比本文公开的操作更多或更少的操作。例如，预期在另一操作之前、同时或之后执行或进行特定操作在本公开的方面的范围内。

应注意，术语“基本上”和“约”和“近似”可用于表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有不确定度。这些术语在本文中也用于表示定量表示可以与所述参考变化的程度，而不会导致所讨论主题的基本功能的变化。

虽然本文已说明和描述了特定实施例，但应理解，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以进行各种其他改变和修改。此外，尽管本文已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这些方面不需要组合使用。因此，所附权利要求旨在覆盖在所要求保护的主题的范围内的所有这些改变和修改。

Claims (10)

1.一种用于检测与物体相关的姿态和力的可变形传感器，其包括：

外壳，其包括壳体和连接到壳体的上部的可变形膜，该外壳构造成填充有介质；和

内部传感器，其设置在外壳内，具有被配置为引导通过介质并朝向可变形膜的底表面的视场，其中内部传感器被配置为输出由于与物体接触而在可变形膜内产生的变形区域。

2.根据权利要求1所述的可变形传感器，其中所述壳体包括导管，所述导管被配置提供用于到达或来自所述可变形传感器的电力或信号的电缆；

所述可变形传感器内的压力由加压参数指定，并且与所述可变形传感器的可变形性成反比；

所述可变形传感器的可变形性通过由于膜材料或介质材料引起的所述外壳内的压力变化而改变；

所述内部传感器还包括滤光器，所述滤光器设置在所述内部传感器的视场内并且被配置为散射由所述内部传感器发射的光学信号；

所述内部传感器包括飞行时间传感器；

所述可变形膜还包括滤光器层，所述滤光器层配置成散射由所述内部传感器发射的内部信号；或者

设置在所述可变形膜的底表面上的滤光器层包括涂层或图案。

3.根据权利要求1所述的可变形传感器，还包括设置在所述外壳内的多个内部传感器。

4.一种用于基于传感器检测与物体相关联的姿态和力的方法，其包括：

通过处理器接收来自可变形传感器的信号，该信号包括关于由于利用内部传感器与物体接触而产生的可变形膜中的变形区域的数据，所述内部传感器设置在外壳内并且具有引导通过介质并且朝向可变形膜的底表面的视场；

通过处理器基于可变形膜的变形区域而确定物体的姿态；和

通过处理器基于可变形膜的变形区域而确定施加在可变形膜和物体之间的力的大小。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括通过改变所述外壳内的压力而改变所述可变形传感器的可变形性；或者

当所述物体使所述可变形膜变形时，通过所述处理器输出用于在设备上显示的所述可变形传感器的输出。

6.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述物体的姿态还包括通过所述处理器输出垂直于所述变形区域中的表面的矢量；或者

所述内部传感器包括飞行时间传感器。

7.根据权利要求4所述的方法，还包括经由设置在可变形膜的底表面上的滤光器层散射由内部传感器发射的内部信号的由内部传感器发射的光信号，其中通过所述处理器分析所述变形区域还包括测量所述可变形膜的底表面上的涂层或图案的变化。

8.一种用于检测与物体相关联的姿态和力的系统，其包括：

外壳，其包括壳体和连接到壳体的上部的可变形膜，所述外壳构造成填充有介质；和

内部传感器，其设置在外壳内，具有被配置为引导通过介质并朝向可变形膜的底表面的视场，其中内部传感器被配置为输出由于与物体接触而产生的在可变形膜内的变形区域；和

处理器，其配置为：

从内部传感器接收表示变形区域的数据；

确定物体的姿态；和

确定在可变形膜和物体之间施加的力的大小。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器还被配置为基于表示所述变形区域的数据而确定垂直于所述物体的表面的矢量；并且

利用所述矢量来确定所述物体朝向哪个方向。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述内部传感器包括飞行时间传感器。