CN114184135A - 在传感器或显示器中使用的波导 - Google Patents

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R·夏泊德
赵慧婵
黄如康
白鹤丹
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Abstract

本申请公开了光波导，比如光导，其完全由弹性材料制成或在外表面上具有凹痕。这些改进的波导可被用于传感器、软机器人或显示器。例如，波导可以用在应变传感器、曲率传感器或力传感器中。在一个例子中，波导可以用在手部假体中。本申请还公开了使用所公开的波导的传感器和制造波导的方法。

Description

在传感器或显示器中使用的波导
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2016年2月25日提交的、申请号为62/299,582的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请的内容通过引用并入本申请。本申请还要求2016年9月1日提交的、申请号为62/382,484的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请的内容通过引用并入本申请。
技术领域
本申请涉及波导，更具体地，涉及可以在传感器或显示器中使用的波导。
背景技术
波导，如光导(light guides)，可以约束并引导波。这可以使波(例如光波)能够被传输一定的距离。波导具有许多用途，包括在传感器中使用。
软机器人技术是一个新兴的领域，其展示出用作外骨骼的巨大潜力，因为软机器人技术具有内在的柔顺性(compliance)，这是安全人机交互的重要特征。由有机弹性体组成的软机器人系统具有内在的柔顺性，由于其柔顺性、安全性和舒适性，其已展示出作为可穿戴设备的潜力。内在的柔顺性源于材料与生物组织相若的低弹性模量。虽然内在柔顺的致动器(如“McKibben人造肌肉”)已经存在了数十年，但流体动力的弹性体致动器(FEA)的新设计已显示出作为可穿戴矫形器的巨大潜力。然而，缺乏可靠、易结合并且经济的柔顺传感器，这限制了软机器人技术的应用。
对于可穿戴式软致动器，当它们通过驱动关节移动而工作时，弯曲是最常用的运动。因此，可能需要一种弯曲曲率传感器，因为曲率是要控制的直接变量。然而，制造精确、可靠且价格合理的曲率传感器是很困难的。
目前正在开发的手部矫形器通常具有两种功能：(1)康复训练或(2)协助日常生活活动。这两种用途都需要安全可靠并具有可预测表现以及反馈控制的系统。尽管FEA的设计和制造越来越精妙，但这些致动器的传感和控制仍处于初期阶段。控制精妙性滞后的主要原因是这些系统的高非线性和软传感器所需的相对专业化的制造。虽然针对FEA开发了柔顺和可拉伸的传感器，但开环控制仍然是最常用的操作方法。相对于目前可实现的情况，许多控制系统要求更高的精度、可重复性以及分辨率。除了简单的开环控制外，FEA的一些其他的控制方法还包括自适应控制、实时有限元法(finite element method)以及基于视觉的比例-积分-微分(PID)控制。自适应控制已经应用于McKibben肌肉，其本质上是线性致动器而不是弯曲的FEA。实时有限元法可以很好地判断致动器的行为，但是这种方法需要足够的系统知识来执行精确的模拟。基于计算机视觉的传统PID反馈控制已经应用于液压FEA，但是该方法需要外部相机，而这些外部相机限制了穿戴者的潜在移动性。
流体动力的软致动器已显示出作为假体和矫形器的潜力。与电机驱动的对应设备相比，这些设备更轻，同时通过简单的控制输入可以进行连续和更自然的变形，还更易于制造，并且由于其液相的处理，更有可能在批量生产(例如，注塑成型)中实现。然而，很少有软假体能展示出与基于刚性连杆的手部假体相当的感应能力，基于刚性连杆的手部假体通过电机运动编码器多次实现本体感受的感测并通过薄膜力传感器多次实现触觉感测。相反，流体驱动的软系统通过在通常大于50％的应变(e＝L-L0/L)下对它们的主体拉伸来操作。大多数现有的传感器与这些应变是不相容的，并且虽然在开发软致动器的可拉伸传感器的领域正在努力，但仍有机会获得可靠、易于制造、安全且化学稳定的传感器。
试图改善性能，测试了在外壁上涂有薄反射金属层涂层的可拉伸光波导。由于封装反射壁，发射的光在内部被反射而没有损失。然而，随着波导变形，因为反射层不会拉伸，在反射层中会形成微裂纹。微裂纹使得光能够逃逸，这与施加到波导的变形有关。因此，反射层不能确保全反射，这意味着沿界面会发生光损失。反射层由诸如金之类的材料制成，这是昂贵的并且需要额外的应用步骤。此外，微裂纹是随机而不是以受控的方式形成的，这在作为传感器工作时会增加噪声。
因此，需要一种改进的波导。
发明内容
本申请公开了波导(如光导)以及制造和使用它们的方法。在第一实施例中，公开了一种具有使用至少两种弹性体材料的光波导的装置。光波导中的弹性体是有损耗的，并且随着光波导的变形增加，更多的光损失到环境中。在第二实施例中，公开了一种具有光导的传感器，该光导包括在光导的外表面上的至少一个凹痕。光导被布置在光源和光电探测器之间，其中光导的第一点与光源光学联通，并且光导的第二点与光电探测器光学联通。这些改进的波导可以用在例如传感器、软机器人、显示器、或其他设备中。本申请公开了波导的应用，例如用于传感器或显示器中。在一个示例中，波导可以被用在应变传感器、曲率传感器或力传感器中。在另一个示例中，波导可以用在手部假体中。本申请还公开了制造和使用波导的方法。
以下的陈述是出于说明目的而提出的，并非旨在进行限制。其他的实施例、组合和变化都是可能的。
陈述1：一种装置，所述装置包括：光波导，所述光波导包括至少两种弹性体材料，其中所述弹性体材料是有损耗的，并且随着所述光波导的变形的增加，更多的光被损失到环境中。
陈述2：根据陈述1所述的装置，其中所述弹性体材料的折射率的差值大于或等于0.0001。
陈述3：根据陈述2所述的装置，其中所述折射率的差值为0.001到1。
陈述4：根据陈述2所述的装置，其中所述折射率的差值为0.003到1。
陈述5：根据陈述2所述的装置，其中所述折射率的差值为1到2。
陈述6：根据陈述2所述的装置，其中所述折射率的差值为0.001到2。
陈述7：根据陈述6所述的装置，其中所述折射率的差值为0.001到1。
陈述8：根据陈述2所述的装置，其中所述折射率的差值为0.003到2。
陈述9：根据陈述8所述的装置，其中所述折射率的差值为0.003到1。
陈述10：根据陈述2所述的装置，其中所述折射率的差值为0.06。
陈述11：根据陈述1所述的装置，其中所述光波导是全部由所述弹性体材料制造的。
陈述12：根据陈述1-11中任一项所述的装置，其中所述光波导是阶跃折射率的多模光纤。
陈述13：根据陈述1-12中任一项所述的装置，其中所述光波导具有芯体/包层界面粗糙度，所述芯体/包层界面粗糙度包括1纳米至500纳米尺寸的结构。
陈述14：根据陈述1-13中任一项所述的装置，其中所述弹性体材料包括合成橡胶、天然乳胶橡胶或可生物降解材料。
陈述15：根据陈述14所述的装置，其中一种或多种所述弹性体材料包括至少一个官能团，所述官能团被接枝到所述弹性体材料的至少一个主链上，以修改芯体和/或包层的光学性质。
陈述16：根据陈述14所述的装置，其中胶体或颗粒被混合到一种或多种所述弹性体材料的预聚物中以调节折射率。
陈述17：根据陈述14所述的装置，其中胶体或颗粒被混合到一种或多种所述弹性体材料的预聚物中以选择性地控制光发射。
陈述18：根据陈述1-17中任一项所述的装置，其中所述弹性体材料是聚氨酯橡胶和硅树脂复合材料。
陈述19：根据陈述1-18中任一项所述的装置，其中所述光波导的极限伸长率大于50％。
陈述20：根据陈述1-19中任一项所述的装置，其中所述光波导的极限伸长率是400％。
陈述21：根据陈述1-19中任一项所述的装置，其中所述光波导的极限伸长率是700％。
陈述22：根据陈述1-19中任一项所述的装置，其中所述光波导的极限伸长率是1000％。
陈述23：根据陈述1-22中任一项所述的装置，其中所述光波导是可拉伸的、非金属的以及抗裂的。
陈述24：根据陈述1-23中任一项所述的装置，其中所述光波导还包括围绕所述光波导的至少一部分的涂层，其中所述涂层被配置为将光包含在所述光波导内。
陈述25：根据陈述24所述的装置，其中所述涂层被配置成可拉伸的、非金属的、抗裂的，并且包括具有高折射率的掺杂剂。
陈述26：根据陈述1-25中任一项所述的装置，其中所述光波导不包括围绕所述光波导的至少一部分的涂层。
陈述27：根据陈述1-26中任一项所述的装置，其中所述光波导限定平坦区域或盘形区域。
陈述28：根据陈述1-27中任一项所述的装置，其中所述光波导具有1厘米到10米的长度。
陈述29：根据陈述1-28中任一项所述的装置，其中所述光波导是3D打印的或模压的。
陈述30根据陈述1-29中任一项所述的装置，其中所述装置还包括：光源；以及光电探测器。
陈述31：根据陈述30所述的装置，其中所述光源是发光二极管。
陈述32：根据陈述30所述的装置，其中所述光波导、光源和光探测器被配置成用于应变传感器、曲率传感器或力传感器中的一个或多个传感器。
陈述33：一种用于假体的感测系统，其中所述感测系统包括陈述30-32中任一项所述的装置。
陈述34：根据陈述33所述的感测系统，其中所述假体包括假手。
陈述35：一种显示器，其中所述显示器包括陈述1-29中任一项所述的装置。
陈述36：一种包括陈述1-29中任一项所述的装置的可伸缩显示器，其中所述显示器包括多个柔性面板，其中至少一个所述光波导被布置在所述柔性面板之间，并且其中所述柔性显示器包括光源，所述光源被布置在所述光波导的一端上。
陈述37：一种方法，所述方法包括：形成用于包层的模具；将预弹性体包层材料浇注到所述模具中；固化所述模具中的预弹性体包层材料；从所述模具剥离所述包层；用预弹性体芯体材料填充所述包层；以及浇注所述预弹性体包层材料以包封所述预弹性体芯体材料。
陈述38：根据陈述37所述的方法，其中所述方法还包括在波导的每个端部铸造孔，其中所述波导由所述预弹性体包层材料和所述预弹性体芯体材料形成。
陈述39：根据陈述37-38中任一项所述的方法，其中所述形成的步骤包括3D打印。
陈述40：根据陈述37-39中任一项所述的方法，其中所述方法还包括将光源和光电探测器连接到波导，其中所述波导由所述预弹性体包层材料和所述预弹性体芯体材料形成。
陈述41：根据陈述37-40中任一项所述的方法，其中所述预弹性体芯体材料是聚氨酯橡胶。
陈述42：根据陈述37-41所述的方法，其中所述预弹性体包层材料是硅树脂复合材料。
陈述43.：根据陈述37-42所述的方法，其中所述方法还包括：形成多个波导，其中所述波导由所述预弹性体包层材料和所述预弹性体芯体材料形成；以及使用包覆成型将每个所述波导铸造成手指致动器，其中所述手指的主体是硅树脂。
陈述44：一种传感器，所述传感器包括：光源；光电探测器；以及光导，所述光导被布置在所述光源与所述光电探测器之间，其中所述光导在所述光导的外表面上限定至少一个凹痕，其中所述光导的第一点与所述光源光学联通，所述光导的第二点与所述光电探测器光学联通。
陈述45：根据陈述44所述的传感器，其中所述凹痕包括斑马线。
陈述46：根据陈述44或45所述的传感器，其中所述光导是U形的。
陈述47：根据陈述44-46中任一项所述的传感器，其中所述光源是发光二极管。
陈述48：根据陈述44-47中任一项所述的传感器，其中所述光导是光纤线。
陈述49：根据陈述44-48中任一项所述的传感器，其中所述光导被配置成提供大于或等于1％的光传输。
陈述50：根据陈述44-49中任一项所述的传感器，其中所述光导是管形的。
陈述51：根据陈述44-50中任一项所述的传感器，其中所述光导还包括围绕所述光导的至少一部分的涂层，其中所述涂层被配置为将光包含在所述光导内。
陈述52：根据陈述51所述的传感器，其中所述涂层被配置成可拉伸的、非金属的以及抗裂的，并且包括具有高折射率的掺杂剂。
陈述53：根据陈述44-42中任一项所述的传感器，其中所述光导包括多个所述凹痕，其中每个所述凹痕的长度为0.5毫米至4毫米，每个所述凹痕的间隔为0.5毫米至4毫米。
陈述54：根据陈述44-53中任一项所述的传感器，其中所述凹痕自所述光导的外表面的深度为100纳米至1毫米。
陈述55：根据陈述44-54中任一项所述的传感器，其中所述传感器被配置为感测曲率、力、应变、伸长或压力中的至少一项。
56：一种设备，所述设备包括：根据陈述44-55中任一项所述的传感器；以及软致动器。
陈述57：根据陈述56中任一项所述的设备，其中所述软致动器完全包围所述光源、所述光电探测器和所述光导。
陈述58：根据陈述56或57所述的设备，其中所述光源被布置在第一端的所述软致动器中，所述光电探测器被布置在所述第一端的所述软致动器中。
陈述59：根据陈述56-58中任一项所述的设备，其中所述光导是U形的。
陈述60：根据陈述56-59中任一项所述的设备，其中所述软致动器是弹性致动器。
陈述61：根据陈述56-60中任一项所述的设备，其中所述软致动器限定多个腔室。
陈述62.：根据陈述61所述的设备，其中所述软致动器还包括在每个所述腔室的侧壁上的尼龙网。
陈述63：一种方法，所述方法包括：塑造光导；在塑造后，加热所述光导；在加热后，在所述光导的外表面上形成至少一个凹痕；在形成后，在用于软致动器的模具内组装光源、光电探测器和所述光导；以及在组装后，铸造所述软致动器。
陈述64：根据陈述63所述的方法，其中所述塑造包括将所述光导弯曲成U形。
陈述65：根据陈述63或64所述的方法，其中所述加热是在至少50℃的温度下加热至少45分钟。
陈述66：根据陈述63-65所述的方法，其中所述铸造包括旋转铸造和注塑成型中的至少一个。
陈述67：根据陈述63-66所述的方法，其中所述形成至少一个凹痕包括雕刻、喷砂、珠光处理、工具作业、研磨和酸蚀刻中的至少一个。
陈述68：根据陈述67所述的方法，其中所述雕刻包括使用激光器。
陈述69：根据陈述67所述的方法，其中所述工具作业包括使用剃刀。
陈述70：一种方法，所述方法包括：以第一功率级的光输入照射波导；测量从所述波导输出的光输出，其中所述光输出处于第二功率级，所述第二功率级小于所述第一功率级；以及基于所述第一功率级、所述第二功率级、所述波导的总长度和所述波导中材料的衰减系数，确定在所述波导上施加应力的位置。
陈述71：根据陈述70所述的方法，其中所述波导是根据陈述1所述的光导。
陈述72：根据陈述70所述的方法，其中所述波导是根据陈述44所述的光导，以及其中所述照射和测量使用根据陈述44所述的光源和光电探测器。
附图说明
为了更全面地理解本申请的本质和目的，应参考以下附图的详细描述。
图1是原始光导(左)和U形光导(右)的图；
图2是没有凹痕的光导(底部)和带有凹痕的光导(顶部)的图；
图3是在软致动器中铸造之前的传感器组件的图；
图4是根据本申请用来将光纤与LED或光电探测器进行连接的支架的实施例的透视图，其中所述LED或光电探测器被铸造在软致动器内部；
图5是用于软致动器的旋转铸造的模具的透视图；
图6是根据本申请内部铸造有传感器的软致动器的实施例的图；
图7包括内含光纤的矫正器在无动力(顶部)、无动力的同时移动手指(中间)、以及被加压的同时致动使手指移动(底部)的图。
图8是具有多个模具的旋转铸造机的图片，其中模具内的粘性预弹性体流动到涂有粘性预弹性体的内壁并形成无缝致动器；
图9是由激光切割机粗糙化的U形光纤(左)，和用激光切割机粗糙化或切割的光纤(右)的照片；
图10是铸造成单个矫正器的部件装配的示意图，其中光纤和LED/光-达林顿(photo-Darlington)被放在支架中，并且支架通过四个销被固定在模具上；
图11是用于矫正器的测试平台，包括(a)安装的照片，(b)电路安装的示意图，以及(c)电磁阀接通和断开状态下的空气流动的示意图；
图12是嵌入式光学传感器的校准曲线；
图13是由分段线性模型近似的矫正器的准静态状态响应：小曲率范围(左)、中曲率范围(中心)和大曲率范围(右)；
图14是在不同曲率范围下的矫正器的动态响应；
图15是双环路控制系统的框图；
图16是小曲率范围(左)、中曲率范围(中)和大曲率范围(右)的增益调度PID控制性能，其中施加步进参考信号(线性顶部信号)，然后随着时间的推移，通过嵌入式光纤传感器跟踪输入压力(底部)和输出曲率(顶部)，并且其中引入干扰以测试系统的鲁棒性；
图17是软矫形器的图片，软矫形器被配置成使无力的人手以规定的曲率抓住苹果，其中插图显示手指形状的计算机表示，该手指形状使用曲率估计，该曲率由(在反馈控制回路中使用的)嵌入式光纤线缆感测；
图18是手套的示意图，其中每个手指包括LED、压力腔室、光纤、光电探测器、尼龙织物、夹具、供气管和光学元件支架；
图19包括弯曲的致动器的横截面：(a)没有气体施加时的静止状态；以及(b)弯曲平衡状态，其中内部压力被弹性体的拉伸平衡；
图20说明了旋转铸造：(a)铸造工艺：1)模具、2)部分填充的模具、3)旋转铸造工艺、4)最终的弹性体结构，(b)附有多个模具的旋转铸造机，以及(c)使用的模具(顶部)和由这些模具生产的整体式弹性体，其中横截面图显示在右下角；
图21示出了不同部件的包覆成型，其中致动器的内部腔室与包覆模具对齐，U形光纤传感器的一端附接到包覆模具中的固定装置，固定装置通过LED和光电探测器的销钉附接，以及硅胶预弹性体被倒入包覆模具中以在组装后形成带有传感器的单指致动器；
图22示出了控制系统：(a)每个手指如何通过阀门连接到气体供应的图示；(b)控制系统的方框图；(c)在状态机图中表示的控制器，其中误差是根据从目标值中减去的当前测量值计算的，并且a、b和c是三个阈值参数，用来与误差进行比较，并且其中状态1至5的定义在表3内；
图23示出了在致动器的各种曲率下的光电探测器电流输出，其中点是测量结果而线是线性拟合，并且其中最后的图显示在所有手指以20m-1的曲率被弯曲的情况下，校准之后的手套的实时曲率跟踪；
图24示出了通过佩戴手套进行的力测试，其中由用户握住具有力传感器(附接至每个按钮)的手持训练器，并且同时记录EMG信号；
图25示出了具有三个不同参数设置的控制器的阶跃响应，其中直线是输入信号而波浪线是输出信号，并且其中右图示出了对应于左图中的方框的阶跃响应数据的放大视图；
图26示出了从健康用户处收集的EMG信号的指标曲率跟踪；
图27示出了限定平坦区域或盘形区域的光导的示例；
图28示出了可伸缩波导的制造、结构和软指的综合神经支配，其中(A)用于制造波导的步骤和每个步骤的相应横截面；(B)制造的波导，其一端以蜿蜒的形状插入各种颜色的LED；(C)弯曲形状的波导；(D)结中的波导；(E)处于无动力状态(左)和动力状态(右)的软神经支配的手指的示意图及其横截面(右下角)；
图29是波导传感器的表征，用于：(A)纯伸长，(B)纯弯曲，和(C)纯按压；
图30是受神经支配的假手，其中(A)手部结构和部件的示意图；(B)安装在机器人手臂上的制造的手的图，其中每个手指在ΔP＝100kPa下被致动；
图31示出了手的能力，其中(A)拿着咖啡杯；(B)手掌朝下地抓住西红柿；(C)手掌朝上地拿着西红柿；(D)与人手握手；(E)在表面上进行横向扫描以检测粗糙度和形状；以及(F)用中指探测柔软海绵的柔软度；
图32示出了形状和纹理检测，其中(A)不同形状和粗糙度的七个表面和用手重建的表面；(B)横向扫描的图片；(C)在计算机鼠标上的横向扫描；(D)鼠标和重建的形状；
图33显示了柔软度检测，其中(A)对于未阻挡(右)、海绵(中)和丙烯酸(右)的不同气压下的柔软度检测的状态；(B)柔软度检测的模型；(C)对于不同物体的力-曲率曲线；
图34显示M4601 a/b，Ecoflex 30和Vytaflex 20的光学性质，其中(A)在400纳米至1000纳米的折射率；(B)在400纳米至1000纳米的吸光度；
图35显示M4601，Ecoflex 30和Vytaflex 20的机械性能，其中(A)100％弹性模量；(B)极端压力；(C)极限伸长率；
图36显示波导芯体/包层界面的表面轮廓；
图37显示表征设置，其中(A)伸长率；(B)弯曲；(C)按压；
图38显示中指的模具设计；
图39显示尼龙织物和模具组件，其中(A)切割尼龙织物；(B)轧制尼龙织物；(C)组装成指模的波导和尼龙织物；
图40显示用于为LED供电和放大光电二极管电流的电路；
图41显示根据本申请的柔性显示器的实施例；
图42-46示显示操作期间的柔性显示器；
图47显示重复性测试：(A)波导的重复的伸长测试，拉伸至其原始长度的20％、40％和60％；(B)通过不同区域的板按压波导至5N的重复按压测试；
图48是显示施加到波导上的不同点的压力的示意图。
具体实施方式
尽管将根据某些实施例描述所要求保护的主题，但是其它实施例(包括不提供本文所述的所有益处和特征的实施例)也在本申请的范围内。在不脱离本申请的范围的情况下，可以做出各种结构、逻辑、处理步骤和电子方面的改变。
本申请公开了改进的波导(如光导)。这些改进的波导可被用于例如传感器或软机器人中。本申请还公开了制造波导的方法。
完全由弹性材料制成的波导
在一个实施例中，公开了一种完全由弹性材料制成的波导。传感器，例如人手的规模、的传感器，可以使用完全由弹性材料制成的光波导。这种波导被故意制造成有损耗的。因此，当光通过它传导时，一些光会损失到环境中。波导变形越多，光损失越多。光损失的量是应变的输出信号。波导可以是可拉伸的、非金属的和抗裂的。
在一个示例中，传感的波导是阶跃折射率的多模光纤，其包括较高折射率(ncore)的芯体(例如，约1.46)(横截面积(Acore)为，例如约1mm×1mm)，该芯体包覆有较低折射率(nclad)的弹性体(例如，约1.40)(横截面积(Aclad)为，例如约3mm×3mm)。其他折射率或横截面积的值也是可能的。可以使用具有不同折射率的任何两种弹性体。尽管较小的折射率差异是可接受的，但较大的折射率差异可能是优选的以确保更大的接收角度。在一个实例中，波导具有100μm至1cm的尺寸，包括所有范围以及其中的每1μm的值。折射率差可以是0.0001或更大的任何值。
例如，为了制造可拉伸的光导或波导，使用四步软光刻工艺。如图28a所示：(i)形成用于制造包层的模具(例如，通过3D打印形成)，(ii)将用于包层的预弹性体浇注到模具中并在固化后将其剥离，(iii)用预弹性体芯体材填充包层，以及(iv)浇注包层的预弹性体以封闭芯体。在波导的每一端都铸造两个孔以容纳LED和光电探测器(即光电二极管)。软光刻确保初始模具的所有结构都能被复制在最终的波导中而没有任何细节损失，包括表面粗糙度。LED的波长可以在光电探测器的敏感波长区域内。LED和光电探测器的波长可以是例如红外线或可见光。
也可以使用3D打印来形成本申请公开的波导设计的各种部件。
与所开发的可拉伸波导制造技术兼容的材料包括各种合成橡胶(例如，硅树脂橡胶、聚氨酯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丁二烯、氯丁橡胶等)、天然乳胶橡胶、可生物降解的材料(例如，聚癸二酸)或其组合。各种官能团(例如烯烃、羧酸盐、苯、丙烯酰基团等)都可以被接枝到这些材料的主链上，以改变芯体和包层的光学性质(例如，折射率、光吸收率)。
包层可以是完全或部分不透明的。例如，包层可具有大于10dB/cm的吸光度。在一个例子中，包层可以被配置为吸收光。
胶质和/或颗粒可被混合到波导层中的橡胶的预聚物中以调节它们的折射率(例如，二氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、氧化铪等)或者选择性地控制光发射(例如，量子点)。这些胶质和/或颗粒通常是吸光的。在一个例子中，利用这些胶质和/或颗粒将光发射控制在特定波长。预聚物中胶质和/或颗粒的总重量百分比可以被保持得较低。例如，胶质和/或颗粒可以小于预聚物重量的5％、小于预聚物重量的4％、小于预聚物重量的3％、小于预聚物重量的2％或少于预聚物重量的1％。
在一个示例中，波导限定平坦区域或盘形区域。在图27中可以看到具有平坦区域或盘形区域的光导的示例。如图27所示，光导可以被包裹在另一种材料中，但也可以是独立的。非线性波导可以扩展感测的区域、符合更复杂的形状或者帮助将光导或传感器放入致动器的各个空间中。非线性波导还可以调整感测格式，例如通过使配置能够用作高分辨率的力传感器。
波导可包括围绕波导的至少一部分的涂层或围绕波导的未连接到光源和光电探测器的所有外表面的涂层。涂层可以被配置以将光容纳在波导内。涂层可以被配置为可拉伸的、非金属的、抗裂的，并且包括具有高折射率的掺杂剂。例如，涂层可以是透明的硅树脂橡胶(例如来自Dow Corning的Sylgard 184、来自Smooth-On的Solaris)、透明的聚氨酯橡胶(例如来自Smooth-On的Vytaflex 20)或其他透明的可拉伸材料。波导还可以不包括围绕波导的至少一部分的涂层(例如，整个波导可以不包括涂层)。
在一个示例中，波导的芯体材料是透明的聚氨酯橡胶(例如，由Smooth On公司制造的Vytaflex 20)，其折射率(ncore)为1.461，传播损耗为2.4dB cm-1(在860nm的波长下)。包层材料可以是吸收性的硅胶复合材料(例如，由Wacker Chemie AG制造的
Figure BDA0003401915710000131
M4601 A/B)，其折射率(ncore)为例如1.389，传播损耗为1,500dB cm-1(在860nm的波长下)。由于弹性体的n具有相对较大的差异，数值孔径(860nm处的NA＝0.45)确保了光输入的大的接收角(约为26°的θmax)，因此在波导的范围内降低了LED和光电探测器的耦合困难。典型的市售光纤具有非常小的折射率差(例如，0.003)，而在本申请中公开的实施例中使用的折射率差可以比这大约一个数量级。
在一个示例中，三个波导被制造，并通过使用包覆成型被铸造成手指致动器(图1e)。手指的主体由第三种弹性体制成，其也可以是硅树脂(例如，由Smooth On公司制造的Ecoflex 0030)。传感器和执行器的三维集成意味着波导是主体的一部分，并且当致动器变形时波导也将变形，用作本体感受的传感器。
使用这种波导的传感器包括光源、至少一个波导以及光电探测器。波导被放置在光源和光电探测器之间，并与光源和光电探测器都光学联通。这里公开的传感器的实施例可以将波导嵌入在软致动器中。
光源可以是LED。LED可以提供例如一个或多个红外波长、一个或多个可见光波长或另外的一个或多个波长。在一个示例中，波长约为850纳米。可以使用除LED之外的其他光源。
光电探测器可以是光电晶体管或光电二极管。光-达林顿(photo-Darlington)是可以使用的光电探测器的示例，尽管也可以使用本领域技术人员已知的其他光电探测器。光电探测器可以被配置为对光源的一个或多个波长灵敏。
光波导的长度可以为1cm至10m(例如，1m或更小)。光波导的横截面形状可以是正方形、圆形或其他形状。光波导可以是直的、弯曲的、螺旋形的或其他形状的。
由于若干原因，所得到的波导与现有的波导不同。
首先，本申请公开的波导是高度柔顺和可拉伸的。芯体材料的极限伸长率(eult)约为10，弹性模量(E')约为300kPa(在100％应变下测量)，包层材料的eult约为7，包层材料的E'约为400kPa(图2d)。可以使用任何可拉伸的材料。
波导的极限伸长率可以大于50％。例如，波导的极限伸长率可以大于50％至700％，例如大于50％至100％、大于50％至110％、大于50％至200％、大于50％至500％、大于50％至700％或大于50％至1000％，包括其中1％的所有值和范围。顺应性和可延展性的组合允许这些波导或光导用作弯曲、伸长和/或压力传感器。
在一个示例中，伸长率取决于复合波导中的极限应变的最低值。如果在理想情况下制造波导，则极限伸长率可以是700％或更高。对于700％的极限伸长率，波导可包括硅树脂。然而，在极限应变下，波导可能会损坏，损坏程度增加到接近700％。
对于对波导没有明显损坏的可逆使用，极限伸长率可以是约400％应变。
在另一个示例中，选择弹性体使得波导的极限伸长率约为1000％，而损坏可忽略不计。波导可以由聚氨酯、硅树脂或胶乳中的一种或多种制成，以获得约1000％的极限伸长率。
其次，与用于光纤通信的芯体材料相比，本申请公开的实施例的芯体材料具有相对大的传导损耗。商用光纤具有0.2dB/km的典型传导损耗，而本申请公开的实施例具有大约2dB/cm的传导损耗。本申请公开的波导可以应用于假手以感测，并且这种相对大的传导损失提高了伸长期间的灵敏度，同时仍然允许在人手的尺寸范围内有可检测的光量。
第三，本申请公开的包层材料是吸收性的(例如，-150dB mm-1)。这种低折射率材料不仅用作包层以确保波导的全内反射(TIR)，而且还用作护套，来保护芯体并形成用于LED和光电探测器的耦合室并防止环境光改变信号。
第四，这里使用的模具可以使用聚合物喷射打印机(Objet 30)进行3D打印，用于本申请公开的光波导。这种制造工艺在芯体和包层之间产生约6纳米的表面粗糙度(RMS)。芯体/包层界面的粗糙度可以是几纳米或更小。例如，芯体/包层界面的粗糙度可包括尺寸为1纳米至500纳米(例如，1纳米至100纳米)的结构，包括其间至1nm的所有范围和数值。这种相对粗糙的界面导致散射，从而导致更多的传播损失。然而，3D打印的设计自由度允许用于复杂的传感器形状。
具有两种不同折射率的任何两种可拉伸弹性体都可用于制备本申请公开的波导。在一个示例中，折射率的差异大于或等于0.0001。折射率的差异可以是0.001至2(例如，0.001至1)、0.003至2(例如，0.003至1)、0.001至1,、0.003至1或1至2，包括所有范围和其间0.001的所有数值。在另一个例子中，折射率的差异大于0.01。在特定的例子中，差异是0.06(1.46减1.40)。
本申请公开的波导可以具有使用3D打印得到的复杂形状和图案。例如，波导可以具有多个输入、多个输出、分离器(splitter)、弯曲部分等。
可以使用粘合剂、磁铁、夹子或其他连接方法将本申请公开的波导缝合到结构上或连接到结构上。
本申请公开的实施例可以用在传感器中。例如，本申请公开的光波导的实施例可以为任何软机器人系统提供感测。本申请公开的实施例也可以被单独用作传感器。也可以用作应变传感器、压力传感器、力传感器、曲率传感器或其他类型的传感器。
本申请公开的实施例还可以用在显示器系统中以传输光功率。该显示器可以是柔性的、可拉伸的显示器。例如，本申请公开的光波导的实施例可以用作被动光管(passivelight pipe)，用于LED或自然光传输。本申请公开的光波导的实施方案还可以通过将量子点(quantum dots)结合到芯体中而被用作发光组件。这些量子点可以被通过它们的光激发并且可以发射光子。用作发光部件的光波导可以被形成为薄片。可以使用本申请公开的技术来形成这种片状光波导。
本申请公开的波导可以通过形成用于包层的模具(例如，通过3D打印)来形成。将预弹性体包层材料倒入模具中。预弹性体包层材料在模具中固化。将包层从模具上剥离。以预弹性体芯体材料填充包层。浇注预弹性体包层材料以包封预弹性体芯体材料。可以在由预弹性体包层材料和预弹性体芯体材料形成的波导的每个端部处铸造孔。光源和光电探测器可以被连接到由预弹性体包层材料和预弹性芯体材料形成的波导。预弹性体芯体材料可以是聚氨酯橡胶，预弹性体包层材料可以是硅树脂复合材料。
在一个示例中，可以形成由预弹性体包层材料和预弹性体芯体材料形成的多个波导。每个波导可以使用包覆成型而被做成手指致动器，其中手指的主体是硅树脂。
外表面上有凹痕的波导
在另一个实施例中，公开了一种使用波导(如光纤)的传感器。波导可以是光导。该传感器可与包括弹性致动器的装置一起使用。还公开了一种形成传感器和组装该装置的方法。由于其良好的可靠性、可重复性、灵敏度以及简单的制造工艺、低功耗和低价格，这些传感器可被用于建模和软驱动器的控制。传感器可被用作任何类型的软致动器的曲率传感器。传感器中的迟滞现象被减少或避免。
还展示了一种具有位置控制的软矫形器，其中位置控制是通过嵌入式光导实现的。描述了气动致动器和光学传感器的设计、制造和集成。这种矫正致动器-传感器对是独立的并且被佩戴在人的手指上。当没有动力时，弹性致动器允许流畅的运动，而当气动致动时，矫正器使佩戴者手指弯曲。通过测量来自发光二极管(LED)输入的穿过嵌入式光导的信号强度来实现位置控制。较大的曲率半径使得光强度增加。通过光电探测器监测静态和动态状态，并通过增益调度的比例-积分-微分(PID)控制器精确且稳定地实现规定的曲率，其中增益调度的比例-积分-微分控制器是通过将脉冲宽度调制(PWM)信号施加到螺线管阀门以调节致动器的内部压力而实现的。
为了更好地改进以前的致动器对于手部矫形器的功能，将用于曲率感测的光学光导进行单片集成。除了制造和集成之外，还公开了一种用于保持FEA的曲率的控制器。具体地，系统的静态和动态响应用实验方法进行表征，并且公开了使用增益调度的PID控制器的曲率控制算法。该算法通过调节致动器的充气压力来实现，该充气压力由压缩空气源通过快速响应的PWM控制的电磁阀产生。
传感器包括光源、光导和光电探测器。光导在光导的外表面上限定至少一个凹痕。光导位于光源和光电探测器之间，并与光源和光电探测器都光学联通。这里公开的传感器的实施例可以将光导(例如光纤)嵌入到软致动器中。
光源可以是LED。LED可以提供例如一个或多个红外波长、一个或多个可见光波长或另外的一个或多个波长。在一个示例中，波长约为850nm。可以使用除LED之外的其他光源。
光电探测器可以是光电晶体管或光电二极管。光-达林顿是可以使用的光电探测器的示例，尽管也可以使用本领域技术人员已知的其他光电探测器。光电探测器可以被配置为对光源的一个或多个波长灵敏。
光导可以是光纤。例如，可以使用光纤线，诸如塑料光纤线。来自光源的光穿过光导到达光电探测器。光导的第一点与光源光学联通，并且光导的第二点与光电探测器光学联通。第一点和第二点可以是例如光导的端口或末端。第一点和第二点可以与光源或光电探测器直接接触。第一点和第二点也可以与光源或光电探测器分开，但仍与光源或光电探测器光学联通。
光导可以具有一个或多个在其表面上形成的凹痕。这些凹痕可以通过例如雕刻、喷砂、珠光处理、工具加工(例如，使用剃刀)、研磨或酸蚀刻来形成。凹痕的长度可以为0.5-4mm，间隔为0.5-4mm，包括其中0.1mm的所有值和所有的范围。凹痕可以被定向为使得凹痕在弯曲时闭合，但是其他定向也是可能的。可以基于灵敏度要求和感测范围的总长度来调整凹痕长度和间隔长度。这些尺寸可以从几毫米到几厘米。凹痕的方向可以为朝向弯曲方向、与弯曲方向相反或者它们之间的其他方向。凹痕距离光导的外表面的深度可以是100纳米至1毫米，包括它们之间1nm的所有值和所有范围。凹痕距离光导的外表面的深度可以是均匀的，或者可以在凹痕之间变化。深度可以表示从光导的外表面到中心的0.5％至49％的值。例如，深度可以是从光导的外表面到中心的1％、2％、3％、4％、5％、10％或15％。
在一个示例中，光导由激光切割机雕刻。在这样的过程中，可以很好地控制雕刻的强度和方式。
具体地，光导被成形(例如，将光导弯曲成U形)并在成形之后被加热(例如，在至少50℃的温度下持续至少45分钟)。在加热之后，在光导的外表面上形成至少一个凹痕。在形成之后，光源、光电探测器和光导被组装在用于软致动器的模具内。在组件被组装之后，软致动器被铸造(例如，通过旋转铸造或注塑成型)。凹痕可以通过雕刻(例如，使用激光)、喷砂、珠光处理、工具加工(例如，使用剃刀)、研磨和酸蚀刻中的至少一种来形成。
凹痕可以以斑马纹作为图案。斑马纹可以在延长总传感长度的同时保留更多光线。
虽然描述了凹痕，但是也可以使用在光导表面上的其他形式的或规则或不规则的粗糙化。
光导可以是U形。这可以防止扭曲并且可以使光源和光电探测器能够被布置在光导的同一端上。然而，除了U形之外，光导也可以是直线形或其他形状。光导的形状可以取决于传感器或其所在的致动器的设计。
光导被配置为提供大于或等于1％的光透射率。光导中的透射率可高达100％。例如，光导可以提供大于或等于10％、25％、50％、75％、90％或99％的透射率。透射是指从光导出射的光的强度与进入到光导的强度之比。
光导可以是可拉伸的或不可拉伸的。可拉伸光导可由弹性体或聚氨酯制成。弹性体可以是或包括硅树脂、丙烯酸树脂或透明橡胶。其他透明的可拉伸材料也是可能的。不可拉伸的光导可以由透明塑料制成，例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
使用光源、光电探测器和光导的传感器被配置成感测曲率、力、应变、伸长或压力中的至少一个。当光导弯曲时，更多的光会损失或不被光电探测器接收。当光导弯曲时，光导上的凹痕或其他粗糙的表面可以使更多的光损失或不被光电探测器接收。这种传感器的实施例可以降低感测操作所需的功耗并且可以避免迟滞现象。
软致动器可包括本申请公开的传感器的实施例。软致动器可以是弹性致动器，可以完全包围光源、光电探测器和光导。光源可被设置在软致动器中与光电探测器在相同的一端。这可以通过具有U形的光导来实现。
为了组装软致动器，可以对光导进行成形然后加热。在加热之后，在光导的外表面上形成至少一个凹痕。然后将光源、光电探测器和光导组装在用于弹性致动器的模具内。然后铸造软致动器。致动器可以使用例如旋转铸造或注塑成型来形成。
在一个实例中，光纤(可以是U形的)在模具中被铸造，并置于温度至少为50℃的烤箱中至少45分钟。激光切割机用于在光纤上雕刻凹痕。LED和光电晶体管被组装在用于致动器的模具内。之后致动器在模具中被铸造。在铸造后，来自光电晶体管的信号被测量和校准。
光源、光电探测器和光导都可以在软致动器中被铸造。由于光源、光电探测器和光导在软致动器的制造期间被铸造，制造过程可以被简化。
在该实施例中公开了一种用于制造可拉伸的波导的技术，该技术可被应用于用于假体的感测系统。基于不同的设计，这些波导可以被用作应变传感器、曲率传感器、力传感器或其组合。此外，这些波导可被结合到软系统中，如软假体，并用作传感器提供本体感知和外感知感测。
示例1
整体式致动器使用旋转铸造形成并且不用封装。以前，在旋转铸造之后，致动器的每个腔室都没有被连接。为了使整个致动器一起致动，需要额外的步骤。这种旋转铸造技术在旋转铸造期间互连每个腔室，使得不需要额外的步骤来致动。
图5是用于软致动器的旋转铸造的模具的透视图。模具部分B填充有预弹性体，并且应变限制织物被放在顶部并沿底部侧表面。盖子(模具部分A)被关闭，并且组装好的模具被固定在旋转铸造机上。将模具不停地旋转3小时。将钢丝插入模具的小孔中。然后将模具置于烘箱中以完全固化。随后将模具从烘箱中取出并除去金属丝。然后剥离致动器并进行测试。
使用该技术，一步式整体致动器通过使用旋转铸造被形成。每个腔室之间都有连接结构设计。在旋转完成之后但在弹性体完全固化之前将金属线插入。应变限制织物提供更大的表面积。
示例2
图7的矫正器具有以下特征：(1)放气时的低刚度，使佩戴者的手指容易移动；(2)高力/扭矩生成；(3)源于其制造技术(旋转铸造)的可重复执行；(4)具有高重复性和分辨率的集成曲率传感器；(5)手指运动的兼容弯曲范围。手指外骨骼的长度为110毫米，有效长度为70毫米，运动范围为0°至105°，提供0kPa至270kPa的压力，并具有0N与5N的尖端力。
具有嵌入式曲率传感器的矫形器的制造过程包括三个阶段：(1)制造内部致动器(图8)，(2)使传感器的光导成形并形成图案(图9)，以及(3)组装并铸造成完整的矫形器(图10)。
内部致动器是整体式结构，其具有一系列的中空的腔室，在一侧结合有尼龙网，以安排充气的弯曲模式。图8示出了用于铸造无缝FEA的旋转铸造机。用于内部致动器的材料是市售硅树脂橡胶的混合物(90％的ELASTOSIL M 4601,10％的来自Smooth On公司的硅树脂稀释剂，按体积计)。
该系统将来自LED的光输入到光导中，并且光-达林顿探测器读取另一侧的输出信号。增加的弯曲导致来自波导的较低光强度和来自光敏探测器的较小电流输出。为了制造光导，将一片直径为1mm的丙烯酸光纤通过热成型弯曲成U形，然后使用激光切割机(来自Epilog的Zing 24)在一侧粗糙化光纤(图9)。各向异性的粗糙化增强了弯曲时的信号变化。
过度的粗糙化会导致输出光强度降至零。因此，光纤被雕刻成以2毫米间隔的2mm粗糙长度(图9)。整个雕刻部分的长度与矫正器的有效弯曲长度相同。为了避免雕刻时出现裂痕而导致致动时断裂，纤维被取向为使其在闭合凹痕的方向上弯曲。在该方向下，由光-达林顿检测的光强度随弯曲曲率而增加。
为了将传感器嵌入矫正器中，将LED、光-达林顿和雕刻的光纤铸造到致动器中。LED的峰值波长和光-达林顿的灵敏波长均在红外光范围内，这消除了可见光的干扰。为了确保致动器内的光纤、LED和光-达林顿的最佳接触角，设计了图10中所示的壳体。由于光纤是不可延展的，所以它与应变限制织物一起靠近致动器的中性弯曲平面放置。然后将硅树脂橡胶预弹性体倒入模具中并将它们浇铸成单件。由此产生的矫形器具有以下特征：七个内部气动室、一侧上的尼龙网状织物、靠近中性面的光纤曲率传感器、封装的LED和光-达林顿、两对外露的引脚作为外部电路的电气连接、用于固定在手指上的橡皮筋以及用于固定在手背上的平坦部分。
为了表征和控制矫正系统，建立了一个由微控制器板、电气继电器和电磁阀、压力传感器(SMC的PSE 530-R06)、光纤传感器电路、恒压空气源和电源组成的平台(图11a)。
微控制器是Arduino MEGA 2560，它从压力和光纤传感器收集模拟数据，并实现PID控制器以输出用于阀门控制的脉冲宽度调制(PWM)信号。电磁阀是SMC公司的VQ110U-5M。它是一个大流量、常闭、三端口的电磁阀，具有很快的响应时间(开：3.5毫秒，关：2毫秒)。气流示意图在图11c中被示出。继电器是Songle Relay的SRD-05VDC-SL-C，其运行时间为10毫秒，释放时间为5毫米。电磁阀和继电器的响应时间可以限制用于控制阀门打开和关闭的PWM频率。使用该继电器和阀门系统，选择60赫兹作为PWM频率。使用丙烯酸光纤(CK-40，Eska公司)和870纳米的LED(IF E91D，Industrial Fiber Optics公司)。光-达林顿探测器(IF D93，Eska公司)的峰值光敏度为850纳米。为了限制电流，分别在LED和光-达林顿的电路中使用220欧姆(R1)和100欧姆(R2)的电阻(图11b)。该测试平台可以被轻松扩展以控制多个FEA或以其他方式扩展到全手矫形器。
在对手指矫形器进行测试之前，使用摄像机和图像处理校准嵌入到弹性矫形器中的光纤传感器。曲率(1r)通过面向矫正器侧面的高分辨率相机实现，并且在中性平面线上拾取7个点以使矫正曲率符合圆形。尽管存在非线性响应(符合如图12中所示的三阶多项式)，但传感器在分辨率、精度、可重复性和曲率范围方面表现出非常好的属性。另外，传感器还表现出良好的动态属性(即，5毫秒的非常短的响应时间)。表1总结了嵌入式曲率传感器的性能。
表1
Figure BDA0003401915710000211
注意，上面收集的数值是矫正传感器特有的。一些属性可以被进一步改进，以满足更严格的要求；例如，通过改变粗糙化图案，传感器的范围可以被扩展到50m-1。
使用校准的曲率传感器，测试矫正器的准稳态响应(图13)。对于矫正系统，假设一个沿矫正器的恒定曲率，并选择压力(P)作为输入以及曲率(κ＝1/r)作为输出。单输入单输出(SISO)系统在公式1中被描述。
Figure BDA0003401915710000221
在内部压力固定且假设κ＝0的情形下，该系统的准稳态响应被记录并示于图13中。由于超弹性弹性体的非线性特性和致动器设计的几何形状，它是一个非线性系统。然而，它适用于分段的线性系统。根据它们的斜率将响应分为三个范围：(1)小曲率范围(0到4m-1)；(2)中等曲率范围(4-7m-1)；以及(3)大曲率范围(7-26m-1)。在每个范围内，系统呈现线性。该近似允许系统动态响应的表征以及增益调度控制器设计的实现。
对于上述三个范围中的每一个，通过使用PWM信号产生不同频率的正弦输入来测试矫正器的动态响应(图14)。结果表明，每个区域的动态响应是相似的。然而，增益(即曲率与压力之比)是不同的。该矫正器具有大约8赫兹的带宽，允许其吸收由PWM信号的相对较低的频率(60赫兹)引起的压力的高频振荡。
使用双环PID来控制自由移动的矫形器的曲率。控制系统的框图如图15所示。内环是一个低级PID控制器，它使用来自压力传感器的输入来调节软矫形器的内部压力，这是必需的，因为自低频PWM信号产生的压力是非线性并是与频率相关的。由于覆盖，整个范围将导致高曲率范围的不稳定或小曲率范围的慢响应。因此，增益调度的PID控制器用于外环，并且基于图13中系统的静态响应，调度变量被选择以作为参考曲率(κref)。由微控制器对增益调度的PID控制器的离散实现在公式2中表示。
Pcommand,κ＝KP,jer,k+KD,j(er,k-er,k-1)+KI,jΣer,i (2)
在公式2中，Σ是从1到k。当κref∈[0,4]m-1时，j等于小范围。当κref∈[4,7]m-1时，j等于中等范围。当κref∈[7,26]m-1时，j等于大范围。
为了测试系统吸收外部干扰并保持其规定曲率的能力，在达到平衡后有意引入不同强度(范围从2m-1到5m-1)的干扰(图16)。通过使用重量阻挡其到达规定曲率的方式来证明其抗干扰能力。它可以很容易地推动一个小的重量(例如1N)并达到其目标曲率，但是当该重物达到大的重量(例如，5N)时，它会振荡并表现出不稳定性。而且，当参考曲率变化非常快时，系统也表现出不稳定性。这些动态不稳定性在分段线性函数中的每个范围的阈值处最明显。复杂的控制器可以解释这些高度动态的系统。增益调度的PID控制器参数和性能总结在表2中。尽管跟踪误差小且抑制干扰性能良好，但双环增益调度的PID控制器的上升时间很长，因此难以执行时变参考信号的动态跟踪。使用更简单的不连续控制器可以减少上升时间。
表2
Figure BDA0003401915710000231
本申请展示了带有通过嵌入式固态曲率和压力传感器的位置控制的软矫形器。在该实施例中公开了每个部件的制造，包括旋转铸造的内部致动器、激光切割的光纤化曲率传感器以及它们与现成硬件的集成。公开了用于光学和压力传感系统的PID控制系统，并且执行传感器校准、静态表征、动态表征以及演示的曲率反馈控制。
这些结果不仅提供了有关FEA的更多知识，包括它们的非线性特征、动态响应和控制复杂性，而且还展示了一种低成本、可靠且易于实现的光纤化传感器。尽管恒定曲率的假设被使用于模型以及用来控制手指矫形器，但是可以包括多个纤维用于分段曲率感测。
示例3
由于它们的持续使用以及复杂而精致的构成，手和手指是最易受伤害的人体部位之一。美国有超过300万人患有手或前臂残疾，而全球手部受伤占所有工伤的三分之一。由于手的重要性和手部问题的普遍存在，人们越来越努力地开发手部矫形器。已经证明，主动的手矫形器有助于康复训练和部分手部功能的恢复。许多矫形器使用机械柔顺性来确保安全性并降低控制复杂性。机械柔顺的致动器使用欠驱动连杆或低刚度材料和结构(例如，橡胶和柔性线)。在这些选择中，由弹性体材料组成的那些选择往往是舒适的，因为它们具有的非常低的弹性模量(10kPa<G′<1MPa)，类似于人体皮肤的弹性模量(～100kPa)。
由弹性体制成并由流体压力驱动的矫正系统显示出康复和抓握辅助方面的潜力。大多数系统都是“开环”的，主要是由于传感器在提供基于反馈的控制方面具有局限性。市售的柔性传感器通常具有低灵敏度、低重复性和严重的偏移。基于液体金属的电阻和电容传感器可以具有很高的灵敏度，但目前它们很昂贵，需要多步骤的构造工艺。计算机视觉可以提供高质量的位置感测和控制，但是外部摄像机系统除了昂贵和复杂之外还会干扰用户的运动。
为了解决这些问题，本申请公开了一种低成本、闭环控制的软矫形器。使用三项改进以低成本地实现合理的功能：(i)使用新的旋转铸造技术制造，然后对手套进行包覆成型加工；(ii)在模制到位(molded-into-place)的蚀刻塑料光纤电缆中创新使用光学损耗来测量手指运动；(iii)用于致动的廉价气动开关的基于状态机的非连续控制系统。复合手套是纯粹的聚合物并且高度柔顺的，在不加压时会对自然运动提供很小的抵抗力。当充气时，手套的手指弯曲并变硬。在该实施例中公开了手套的设计和构造、传感器、控制器以及所得产品的功能。
在图17中示出了软矫形器的总体设计。手套具有多种功能：1)它是一种主动供电的辅助装置，可以帮助每个独立的手指弯曲；2)它是一种独立的传感装置，使得模制到指状物中的光纤用作曲率传感器，因此即使在装置未通电时也可以近似偏转；3)通过组合致动和控制，手套是机器人手，其中手指可以实现规定的配置和轨迹。
手套的主体由硅树脂弹性体(
Figure BDA0003401915710000241
M4601 A/B；Wacker Chemie,AG)制成，其中添加来自Smooth-On公司的10％硅树脂稀释剂(Silicone Thinner)(图18)。每个指状物具有一系列相互连接的气室以及沿每个手指的手掌侧的相对不可伸展的尼龙织物，以便在气动充气时引起抓握运动。在梁理论的语言描述中，用于弯曲的中性平面轴靠近该应变限制织物，而不是在手指的中间。
光纤传感器从手指的根部到尖端和后部，弯曲成U形围绕尼龙纤维并大致在弯梁的中性面中。在每根光纤的一端是LED，在另一端是光电探测器(例如，通过放大电流对光强度做出反应的光-达林顿)。这些发射器-传感器对通过定制的3D打印的支架固定到光纤的端部，并且它们通过细电线供电(见图17)。气动力通过管道来自外部压力源，所述管道插在被模制到手套的腕部侧面的孔中。所述管道通过三位置(加压、保持和排气)的电磁阀连接到压力源。
构成软矫形器的五个手指中的每一个手指都具有一系列互连的中空腔室。图19示出了单个手指在两种配置中的横截面：(a)它的“静止状态”，当内部和外部之间的压力差为零时(ΔP＝0)；(b)弯曲到由压力差引起的角度(ΔP>0)。
矫正手套的这个实施例是使用新的旋转铸造技术接着进行包覆成型加工构造的。光纤传感器也是由创新的方法制造的。
存在几种制造软致动器的方法，每种方法都有其自身的缺点。复制模塑(也称为软光刻)可导致材料粘合时的分层。熔模铸造(也称为失蜡铸造)包含对每个部件的模具的构建和销毁，这是昂贵且耗时的。然而，使用旋转铸造，可重复使用的模具同时用于生产多个致动器，这些致动器在加压时不会发生分层(图20)。可重复使用的模具可以3D打印，部分填充粘性预弹性体，固定在铸造机上，并旋转直到模具内的材料固化成固体弹性体。最后，将致动器从模具上剥离(图20c)。
应变传感器是由一片塑料光纤制成的光导。首先通过50℃热成型将光导成形为U形。然后使用激光雕刻机(50瓦的Epilog Zing 24；图21显示了未蚀刻和蚀刻的光导的横截面)从一侧取下U形片的薄层。通过雕刻，光导的包层被取下或破坏，因此，通过全内反射的光的捕获被减少。换句话说，当光行进光导的长度时，部分光会损失。因为仅一侧被雕刻，所以光散射的量受到弯曲的影响，可以通过光传感器测量从光导损失的光强度，该原始数据可以被转换为曲率。选择U形以使光导的雕刻侧与来自佩戴者手指和致动器弯曲的压缩可靠地对准(图21)。
如果光导的太多部分被雕刻，则光散射可能在光导传感器仍处于期望的曲率工作范围内时饱和。为确保传感器低于此饱和极限，以交替顺序对光导进行部分雕刻。光纤传感器响应于雕刻侧的伸展和压缩。弯曲压缩雕刻侧是优选的，因为如果以这种方式定向，则沿着光导的光传输会增加。另外，通过压缩光纤的雕刻侧，减小了光导疲劳断裂的可能性，其中这种光导的疲劳断裂是由重复的拉伸应力被施加到雕刻过程中引入的微裂纹而导致的。
在准备好旋转铸造的内部腔室和激光雕刻的有损光导传感器之后，将它们组装到3D打印的手指模具中并包覆成型为独立的手指致动器。如图21所示，使用钢丝连接内部致动器和模具盖，以确保内部腔室被固定在模具内的正确位置和方向。各个腔室在成型取出后，还被导线连接在一起。定制的3D打印支架被使用以连接光纤传感器、LED、光电探测器，并将光纤传感器固定到正确的位置和方向。组装后，将更多的硅树脂预弹性体浇注到模具中，以便包覆成型成具有整体致动器和传感器的完整手指。在模制五个适当长度的手指之后，将手指铸成完整的手部矫形器。
控制系统使用图22中所示的状态机控制器。使用3位置的阀门(进气、保持和排气)实现每个手指的驱动。使用两个2位置的阀门(进气和排气)和压力歧管(pressuremanifold)实现每个三位置的阀门。这些流量控制阀门被致动以控制每个手指的曲率。控制信号是非线性的并且基于简单的逻辑：空气流入致动器腔室以增加曲率，以及空气被释放以减小曲率。如果曲率在目标的死区(deadband)内，则停止流动，保持致动器压力并防止设定点搜索(point hunting)。在死区区域附近，状态转换减慢以防止由于过冲(overshoot)引起的控制振荡。
每个手指使用两个双向常闭阀门(图22a；来自Parker Hannifin公司的X-阀门)。这些阀门由功率晶体管(TIP120)驱动。充气阀门将气源连接到致动器，放气阀门使得致动器排气到大气中。当充气阀门打开并且放气阀门关闭时，来自气源的气体对致动器加压，这是“进气”状态。当充气阀门关闭且放气阀门打开时，气体从致动器排放到大气，这是“排出”状态。当两者都关闭时，气体被保留在致动器内部，这是“保持”状态。硬件原理图和控制器框图可以在图22a、b中找到。由于材料的粘弹性和气体的质量传递导致的、来自输入(进入致动器的气体)的输出(曲率)时间延迟，具有死区的简单的开关控制器将导致振荡。小的死区不会缓和这种行为，而一个足够大以防止振荡的死区将导致系统在准确性方面的响应不佳。为了防止振荡并保持理想的系统响应，在“保持”状态和“进气”或“排气”状态之间添加了新的状态。完整控制器如图22c和表3所示。
表3
Figure BDA0003401915710000261
Figure BDA0003401915710000271
状态机控制器具有五个状态，它们之间的过渡由误差确定，该误差是参考曲率和测量曲率之间的差值。状态机控制器中有三个阈值参数：“a”定义了足够小的误差的死区区域，其中大的a阻止不间断的校正尝试；“b”和“c”定义了大误差区域的阈值。当超过这些阈值时，连续地充气或放气，使系统尽可能快地趋向规定的曲率。在高误差区域和低误差区域之间，分别引入用于正误差和负误差的两个稳定时间(settling time)变量“X”和“Y”，以允许系统瞬态在接近小误差时平息。通常，a确定跟踪的准确性，但如果设置得太小则会导致不稳定。增加b和c将提高稳定性但降低致动速度。X和Y表示在“进气和保持”以及“排气和保持”状态期间要等待多长时间，这增加了X和Y，提高了稳定性，并降低了速度。使用上述参数在每个采样周期Δt重复做出是否改变状态的决定。
相比之下，先前的控制器使用内部脉冲宽度调制(PWM)控制回路来调节压力，并且使用外部控制回路利用该压力来调节曲率。它的稳定时间范围为2-12秒，这可能很慢，但一直被使用于其他系统。新型控制器产生了良好的性能，几乎没有过冲，没有稳态振荡，并且对源压力或手指成分的变化具有合理的容忍度。
为了校准曲率传感器，每个手指都从垂直于致动器的中性面的视点成像，同时测量来自光电探测器的电流输出(I)(图23)。通过从每个图像中拾取4-7个点(由致动器中的腔室的数量确定)并将它们拟合成圆形来计算曲率(κ)。对于0到35m^(-1)的曲率，所有五个手指的校准与0.23<λ<0.49mA·m的灵敏度(λ∝ΔI/Δκ)范围进行线性拟合。这个灵敏度可以通过改变雕刻图案和LED强度来调节。该传感器的一些其他特征包括：(i)5毫秒的快速响应时间；(ii)0.04m^(-1)的高分辨率；(iii)0.05m^(-1)的优异的重复性，这些特征是通过五种不同测试的单曲率的标准偏差测量的。然而，传感器具有超出测试范围的非线性响应，其中λ在较高曲率处减小。
在校准了全部五个传感器之后，开发了用于软矫形器运动的视觉模拟的界面，如图23所示。
为了更好地理解该矫形器如何被用作手辅助装置，测量四个手指的施加力，同时监测EMG强度作为用户的代谢功率消耗的度量。健康的使用者戴上手套并握住手锻炼器，如图24所示。在手部锻炼器的每个按钮上，连接力传感器(来自Tekscan的FlexiForce A301传感器)以记录施加在其上的力。同时，使用Myo臂带(由Thalmic Labs公司制造)测量前臂肌肉的运用，该臂带使用围绕前臂均匀施加的八个EMG传感器。
佩戴者将四个按钮按压至1.0N的平均力。然后启动矫形器。观察到力从1.0N立即增加到1.6N，然后下降到1.4N。然后矫形器被减压，观察到施加的力立即下降到0.3N，然后上升到1.0N。这个过程以类似的结果重复进行。最后，用户被要求按下按钮以仅使用自己的力量达到1.6N的力。
从上述实验中，致动器在激活和停用时引起了显著的冲击力，然后系统达到稳定状态。在后期，当用户从1.0N达到1.6N的施加力时，记录了EMG强度的增加(臂带的所有八个传感器的总和)。当使用者施加1.0N的力并且矫形器增加至1.6N时，测量的EMG强度保持恒定。该实验证明了矫形器通过将用户的力增加1.6倍来帮助使用者，从而节省代谢消耗。
为了测试控制器的性能，首先进行步进输入的参考跟踪(reference-tracking)测试。控制器使用200赫兹的采样频率在Arduino Mega中运行(Δt＝5ms)。为了跟踪曲率信号，来自光电探测器的电流被直接用作输出和反馈变量。设置a＝0.1mA以及X＝Y＝3，并且选择b和c的三个不同的值。
通过沿时间输入几个阶跃刺激(step stimuli)来测试控制器的阶跃响应(图25)。当b＝c＝a＝0.1mA时，控制器成为具有死区且没有过渡状态的开关控制器，并且观察到参考信号周围的高度振荡。当b＝c＝0.4mA时，观察到良好的精度(在0.1mA内)、良好的稳定性(无振荡或过冲)和高速(上升时间约150ms)。当b＝c＝1.3mA时，上升时间增加到500ms。
为了证明矫正器朝向目标(使用EMG信号用于矫形器的直观控制以遵循用户意图)的潜力，EMG信号被使用以将佩戴者的意图转换为手指致动器的弯曲曲率。使用过滤的EMG信号作为参考是手矫形器的控制策略，以将用户自己的意图转移为矫形器的运动或力输出。
不同于用于处理肌电信号的巴特沃斯低通滤波器，对于控制方法来说所得到的参考信号是不期望的，其中手指施加的恒定力没有转换成恒定的过滤信号。使用Myo臂带以200赫兹从用户的前臂收集EMG信号，并且每200ms使用100个样本的移动平均滤波器以产生具有较少噪声的5赫兹信号。然后将该信号作为参考信号反馈到控制器。图26示出了原始EMG信号和用于跟踪的处理的数据。结果表明，使用状态机控制器的矫形器可以非常好地跟随EMG信号，同时具有小的偏转和小的振荡。
通过流体加压提供动力的弹性致动器是矫正装置的极佳候选，因为它们具有内在的柔顺性和低的弹性模量，用于提高安全性和舒适性。在该实例中公开了用于闭环软矫形器的硬件和控制方法以及它的力增强能力的执行的初始量化。实现了通过嵌入在矫正器中的光纤传感器进行的反馈控制，并且公开了用于跟踪参考信号并实现EMG信号的直观控制的控制器。
然而，材料和致动器设计可能不会产生足够的力或扭矩来为手残患者进行许多需要高力的日常活动。例如，打开罐子需要大约1到2N·m的扭矩，这在10cm直径的盖子上需要几十牛顿的法向力。致动器中更坚韧的材料可以实现更高的力。控制器可以被设计以提高系统的参考跟踪能力。可将柔顺的力传感器结合到系统中以实现刚度和柔顺性控制，以实现与穿着者的环境更好的相互作用。最终，这项工作显示出超越矫形装置的领域的前景，并且可以扩展到EMG控制的假体装置的领域。该装置的低成本加上直观的控制，可以使更多需要上肢假体的患者能够改善他们的生活质量。
示例4
可期望形成可以实现灵巧操作和丰富感知的假手。流体驱动的软致动器显示出作为假体和矫形器的潜力，并且与其电机驱动的对应物相比，它更轻、通过简单的控制能进行连续和更自然的变形、更易于制造，然而缺乏可靠、易于制造、安全且化学稳定的可伸缩传感器。公开了使用可拉伸光学波导用于假手中的应变感测。这些光子应变传感器易于制造、化学活性低并在它们的输出信号中展现出低滞后性和高精度。为了展示它们的潜力，光子应变传感器被用作曲率、伸长和触摸传感器被整合到纤维增强的软假手中。合成的神经支配的假手被使用以进行各种受真手的能力启发的主动传感实验。结果表明，柔软的假手不仅可以进行灵巧的操作，还可以通过简单的神经支配和控制实现各种触觉传感。
人的双手不仅可以提供适于抓握的功能，还可以作为强大的传感器官：人类主要通过他们的双手利用触觉感受世界。因此，失去手不仅意味着失去抓握、操纵和握持的能力，而且还关闭了传感知觉的大门。手截肢者不再能够通过被截肢的手触摸和感知。因此，理想的假手应该实现灵巧的操作以及丰富的传感。幸运的是，正在开发多种脑-计算机接口(BCI)以实现人脑与外部设备之间的直接通信，并且其他研究人员通过患者介入的实验证明了使用反馈传感来增强假手功能的有效性。本申请寻求在柔软和灵巧的假手中增加传感。
先进的假手通过增加自由度(DOF)的数量或使用欠驱动机制实现了灵巧的运动。大多数这些手部假体系统由马达提供动力。最近，流体动力的软致动器已经显示出它们作为假体和矫形器的潜力；与电机驱动的同类产品相比，这些设备更轻、通过简单的控制输入能进行连续和更自然的变形、更易于制造，并且由于它们的液相工艺，更有可能在批量生产中实现(例如，复制成型、注塑成型)。然而，很少有软假体具有与电动手部假体相当的传感能力，电动手动假体通过电机运动编码器多次实现本体感测传感，并通过多轴力/力矩单元实现力传感，其中这种多轴力/力矩单元是体积庞大且刚性的。相反，流体驱动的软系统通过在应变(ε＝(L-L0)/L)>50％下拉伸它们的本体来进行操作。大多数现有的传感器与这些大的应变不相容，尽管在开发用于软致动器的可拉伸传感器方面做出了极大的努力，但仍然存在机会得到可靠、易于制造、安全且化学稳定的传感器。
该实施例使用可拉伸的光学波导用于假手中的应变传感。这些光子应变传感器易于制造、化学活性低，并在它们的输出信号中呈现低滞后性和高精度。作为其潜力的证明，光波导在该实施例中被用作曲率、伸长和触摸传感器整合到纤维增强的软假手中。这种合成的神经支配的假手被使用以进行各种受真手能力启发的主动传感实验。
1.基于波导的可拉伸传感器
本申请公开了一种人手尺度的传感器，该传感器是基于完全由弹性材料构成的光波导。该波导被故意制造成有损耗的。因此，当光通过它传播时，有一些会辐射到环境中，并且变形越多，光损失越多。光功率损失的量是应变的输出信号。具体地说，感测波导是阶跃折射率的多模光纤，由具有高折射率(ncore～1.46)的芯体(横截面积Acore～1mm×1mm)与具有较低折射率的弹性体(nclad～1.40)的包层(横截面积Aclad～3mm×3mm)构成。为了制造可拉伸波导，使用四步软光刻工艺(图28A):(i)3D打印用于制造包层的模具，(ii)将用于包层的预弹性体浇注到模具中并在固化后脱模，(iii)用芯体材料的预弹性体填充包层以及(iv)倒出包层的预弹性体以包围芯体。在波导的每一端还铸造两个孔以容纳LED和光电探测器(即光电二极管)。软光刻确保初始模具的所有结构都被复制在最终波导中而没有任何细节损失，包括表面粗糙度。
波导的芯体材料是透明的聚氨酯橡胶(Vytaflex 20；Smooth On公司)，折射率为ncore＝1.461，在860nm的波长下传播损耗为2.4dB cm-1；包层材料是高吸收性硅树脂复合材料(
Figure BDA0003401915710000311
M 4601A/B，Wacker Chemie AG)，折射率为ncore＝1.389，在860nm的波长下传播损耗为1500dB cm-1。这两种材料在较大波长范围(400nm至1000nm)的光学特性被示于图34A和34B中。由于弹性体的n有相对较大的差异，数值孔径(在860nm时NA＝0.45)确保了光输入的大接收角(θmax～26°)，因此降低了在波导的范围内LED和光电探测器的耦合困难。
得到的波导有几个优点。
(i)它是高度柔顺和可伸缩的。芯体材料具有极限伸长率εult～10和弹性模量E’～300kPa(在100％应变下测量)，包层材料为εult～7和E’～400kPa(图35)。柔顺性和可扩展性的组合允许这些波导作为弯曲、伸长和压力传感器使用。
(ii)与用于光纤通信的芯体材料相比，该芯体材料具有相对较大的传播损耗。由于波导被应用于假手以进行传感，这种相对较大的传播损耗提高了伸长期间的灵敏度，同时仍然允许在人手的尺寸范围上提供使用低成本光电二极管和简单的电流放大电路可检测的光亮度。
(iii)包层材料是吸光的(1500dB cm-1)。这种低折射率材料不仅可用作包层以确保全内反射(TIR)从而允许光在波导内传播，还可用作护套来保护芯体并且形成LED和光电探测器的耦合室，防止环境光改变信号。
(iv)使用聚合物喷射打印机(Objet 30)3D打印用于光波导的模具。这种制造工艺在芯体和包层之间产生6nm的表面粗糙度(RMS，参见图36)。这种相对较粗糙的界面导致散射并因此导致更多的传播损失，然而，3D打印的设计自由度允许复杂的传感器形状。
在制造波导之后，使用包覆成型将它们中的三个铸造成手指致动器(图28E)。手指的主体由硅树脂弹性体(Ecoflex 0030，Smooth On公司)制成，其光学和机械特性示于图34A和34B中。传感器和致动器的三维集成体意味着波导是主体的一部分，并且当致动器变形时波导也变形，波导用作本体感受传感器。
2.波导传感器的特征
没有弯曲、没有伸长以及没有压制变形的波导的输出功率被定义为基线功率I0。当输出功率为I时，以分贝(dB)计的输出功率损耗被定义为：
a＝10log10(I0/I)
根据这个定义，与基线相比的输出功率损耗始终为0；当功率增加时，a<0；当功率减小时，a>0。
为了表征波导在不同变形模式期间的灵敏度，在以下期间测量一段可伸展波导的输出功率：(i)伸长，(ii)弯曲，以及(iii)按压(参见用于表征方法的图35-37)。
伸长：对于伸长的数据(图29A)，观察到功率损失随应变的高度线性响应曲线。该线性曲线可以从比尔-朗伯(Beer-lambert)定律推导出来：
A＝eLc
其中A是吸光度，L是路径长度，e是材料的吸光系数，c是衰减类(attenuationspecies)的浓度。假设拉伸时e和c不变，A与L成比例，根据A的定义，
A＝log10(I0/I)+b＝a/10+b
其中b是基线吸光度。应变被定义为
ε＝(L-L0)/L0
所以
a＝10ecL0ε
并且10ecL0是一个常数。
使用L0＝100mm的波导的实验结果在Δe～0.85上产生2dB cm-1的线性的、拉伸依赖性损失，其中使用LED(峰值波长～875nm，来自Vishay Intertechnology公司的TSHA4400)和光电二极管(380nm-1100nm，来自OSRAM Licht AG的SFH 229)；然而，使用不同的输入功率、输入光频率或光电探测器会改变这个灵敏度。因此校准波导可能很重要。除了线性度之外，当作为拉伸传感器工作时，波导还在测试范围内显示出高重复性、高精度和高信噪比(误差条显示出噪声)。
弯曲：该实施例中的波导具有各向异性的光传输特性(图29B)。波导芯体界面的“顶部”(在图28A中表示)是原子级光滑的，而“底部”芯体界面由于是从3D印刷表面脱模而具有6nm的RMS粗糙度。这种各向异性的结果是弯曲输出的信号根据传感器被弯曲的方向而不同。朝向顶部表面的弯曲(即，顶部处于压缩状态，底部处于拉伸状态)导致输出功率先升高后下降，而朝向底部表面的弯曲导致输出功率单调减小。利用这种差异，可以确定传感器是向上还是向下弯曲。左右弯曲没有各向异性。光学弯曲损耗率取决于曲率。功率输出是在以高达k～200m-1的均匀曲率的弯曲期间测量的。输出功率损耗相对k在20-70m-1的中等曲率范围和0.02dB·m cm-1的灵敏度下呈线性趋势。虽然传感轮廓是非线性的，但它具有高度可重复性和精确性，因此易于校准。
按压：由于组分弹性体的低弹性模量，施加在指尖区域上的小力可导致波导中的大的局部变形。该属性用于感测按压，并测试对外部施加的变化力的功率输出响应。结果显示急剧的按压(例如，DA<6mm2)导致输出功率的线性响应；然而，迟钝的按压(例如，DA>15mm2)导致非线性响应(图29C)。这些结果意味着可以通过改变其尺寸来改变波导的灵敏度，以适应特定应用的工作范围。
这种柔顺、可拉伸的波导与许多常规开发的软机器人共享相同的材料库。它对伸长、弯曲和局部按压表现出很高的线性，并且是高度可重复的和精确的。为了证明这些波导对软机器人给予感测的能力，将波导并入到软假手的手指中。
3.神经支配的假手设计
假手由四个气动致动的软手指和一个被安装在3D打印的刚性手掌上的拇指组成(图30A)。每个手指都是空心的硅树脂管(外径＝18mm，内径＝1mm；图28E)，其中织物被形成为弹性体。压缩的空气通过它们的中空芯体进入每个手指，充气压力使手指弯曲以及使手抓握。
致动：致动器中的织物被形成，以便在加压时引起类似手指的运动。尼龙织物被激光切割，在一面上是实心的而在另一面上具有裂缝。该设计是基于机械模型的，其中在充气期间约束的周向应变引起更多的轴向致动并且约束的弹性体结构的一侧导致该约束周围的弯曲。裂缝允许径向约束，同时仍然允许其间的间隙伸展用于致动。图28E示出了手指在裂缝之间弯曲，但是只有可以忽略不计的圆周膨胀。在致动器的手掌侧(即中性弯曲平面)，由于尼龙的实心片而没有伸长。
控制：为了演示，所有四个手指和拇指都使用了一个气源，两个电磁阀(X阀，ParkerHannifin公司)分别用于控制致动：一个用于允许流入手指(致动),另一个用于排气(去致动)。控制每个阀的开/关状态以确定每个手指内的压力，从而确定其运动。尽管致动器控制技术是可能的，但是在本申请中使用“开环”以关注可伸展波导对于主动感测的重要性。为了测试假手的能力，将其固定到5-DOF的机械臂的端部接头上(CRS CataLystExpress；图30B)。
感测：为了赋予软假体触摸的感测，光子应变传感器被嵌入到致动器中。在演示中，每个手指都包含三个波导，每个波导都被弯曲成U形(朝向重力驱动的界面)，这样LED就可以通过整个致动器传输光线，光电探测器可以在另一侧上探测到光线(图28E)。位于致动器顶部的光子传感器承受最大的轴向应变，因此对弯曲运动具有最大的灵敏度。第二个传感器被放置在手指的中间平面，该平面具有中等轴向应变，但也传递有关内部压力的信息。
最后的波导用作假手的手指尖的触摸传感器；该单独的功能是通过将其置于中性弯曲平面上来实现的，在中性弯曲平面上没有轴向应变。该光子传感器与其他两个传感器不同，因为它更长并且延伸到手指的尖端。在充气时手指的尖端不会变形，并且仅用于在接触物体时检测接触力。为了调整假手的指尖的外力感测范围，将具有较小接触面积(ΔA～2x3mm2)的硬板与传感器一起集成到指尖中以增强灵敏度(图31A)。这种力放大结构直接将外部尖端力传递到波导。
4.主动触觉感测实验
软假体手是具有强大的运动能力(图31A、B、C)和多功能感测能力(图31D、E、F)的多功能手。手的每个手指都能够进行本体感受(感测内部压力和主动弯曲)和外部感受(感测被动弯曲/指尖处的构造和外力)。为了证明这些能力，设计了由人手的常规任务启发的三个实验，包括：检测形状和纹理、探测柔软度以及物体识别。
用于人手检测表面粗糙度和形状的最常用的探索性程序是横向扫描。使用机器人手臂，引导手掌(作为每个手指在其根部的固定地面)，在多个表面上以固定高度进行横向扫描以区分它们的形状和纹理。手掌与表面成一个浅角(20°)，使每个指尖都接触表面。在进行横向扫描时，柔软的手指可以被看作柔软的弹簧，它触摸的点的高度会改变弹簧的状态——压缩和接触力。接触力用作表面高度的测量值。手指以100kPa(～15psi)被致动以增加“弹簧”的刚度，从而增加灵敏度(k＝ΔF/ΔH)。当手指沿着波状外形的表面移动时，由底部波导传感器测量的手指的尖端力(ΔF)随着表面高度(ΔH)而变化。七个不同的地形图案化的表面被3D打印以供手指区分(图32A，左)。在使用具有已知高度和角度的倾斜平面进行简单的校准之后，重建七个表面的高度轮廓(图32A，右)。根据该数据，观察到手可以区分小至5m-1的曲线和大约100微米的粗糙度。还发现，手可以用于重建简单物体的形状，例如包括滚轮的计算机鼠标(图32C、D)和鼠标按钮的点击。因此，演示了一种具有软手的有前途的系统，用于使用可拉伸的光学传感器复制形状和纹理检测。
柔软度检测
连同形状和纹理，手还可以检测物体的柔软度。为了展示这种能力，使用软手来探测未受阻挡(控制)状态以及五种常见材料/物体：丙烯酸、海绵、硅橡胶、成熟西红柿以及未成熟的西红柿的的柔软度。通过定位未致动(0kPa)的手指的尖端以使其几乎不接触待测物体的顶部来测量柔软度。在未致动状态以及在不同的内部压力下获取尖端力和弯曲程度的读数，分别由底部波导功率损耗和顶部波导功率损耗表示。图33A示出了食指测量未受阻挡状态、海绵和丙烯酸的柔软度。由手指和被探测的材料组成的系统可以被建模为双弹簧系统(图33B)。通过改变手指的刚度(通过内部压力，该内部压力由中间波导功率损耗监测)，为每种测量材料产生应力-应变曲线(图33C)。底部波导中的损耗与物体上的接触力(从而应力)成比例，而顶部波导中的损耗与其变形(从而应变)成比例。对每个物体取四种状态(0kPa、33kPa、67kPa和100kPa)，并将其拟合成线性曲线。这些拟合线的斜率是物体柔软度的选定的指标(较大的斜率表示较硬的物体)。正如预期的那样，该图显示了物体的柔软度按以下顺序降低：未受阻挡、海绵、橡胶、成熟西红柿、未成熟西红柿、丙烯酸。请注意，手可以区分未成熟西红柿和丙烯酸的柔软度，主要是因为物体刚度和手指刚度之间的巨大差别。需要更高的内部压力来检测非常坚硬的物体以实现可检测位置变化。该结果类似于人检测柔软度的过程。施加大的力来检测硬的物体和对软物体施加轻柔的按压。
物体识别
在最后的演示中，将形状和柔软度测量结合起来，以选择排成一行的一组三个西红柿中最成熟(最柔软)的一个。首先，使用横向扫描、形状重建的方法来确定三个西红柿的位置。在确定它们的位置之后，定位食指以测量它们的柔软度。手能够根据其柔软度来定位和选择成熟(红色)的西红柿。在扫描和探测过程中，观察到由软假手执行的类似人的轻柔运动，没有任何破坏西红柿的风险。
III.讨论
公开了一种具有通过可拉伸光波导实现的丰富感测的软假手。该传感器在精度和拉伸性方面优于其他类型的传感器。所开发的可拉伸波导传感器的易制造性、低成本、化学兼容性和高重复性将有益于软机器人领域。此外，还证明了柔软的假手不仅可以执行灵巧的操作，还可以通过神经支配和控制来实现各种触觉感测功能。
手原型的其他实施例是可能的。首先，可以大大增加感测密度。由于波导传感器和致动器的主体共享相同的材料库，因此合并更多传感器以获得本体感受和外部感知的更多信息是没有基本限制的。接着，目前的低灵敏度主要是由于LED的窄功率范围(从基线功率到环境光功率)，并且通过使用高功率的激光二极管，灵敏度可以更接近人的灵敏度。第三，利用3D打印技术可以为波导分布设计出更复杂的形状。最后，波导传感器是基于几何变化的应变传感器。仍然会存在耦合，即使通过将波导放置在致动器的不同位置以解耦信号而被用作弯曲传感器、内部压力传感器和指尖力传感器。但是，机器学习可被应用来解耦通过可重复的精确波导传感器收集的各种信息。流体动力的致动器与可拉伸波导传感器相组合，可以在未来生产出最实用的拟人假体手。
IV.材料和方法
波导的制造。使用Objet以光泽模式3D打印用于包层的模具。将模具放入60℃的烤箱中4小时。将脱模剂施加在模具的表面上。使用行星式离心混合器以2000rpm的速度将ELASTOSIL M4601的A部分和B部分以1:1的比例混合30秒，并将混合的预弹性体倒入用于包层的模具中并放入60℃的烘箱中1小时用于固化。将固化的片从模具中脱模并平放在托盘上。使用行星式离心混合器以2000rpm的速度将Vytaflex 20的A部分和B部分以1:1的比例混合1分钟，并将混合的预弹性体在10分钟内倒入固化的包层片中。将具有未固化芯体的包层放在70℃的热板上1小时。在芯体固化后，将M4601的预弹性体(以与包层片相同的方式制备)倒在芯体的顶部上并在烘箱中固化。
神经支配的手指的制造。预先准备两个较短的波导和一个较长的波导。使用激光切割机切割矩形的尼龙织物(参见图39)。将三个波导、尼龙织物和手指模具组装在一起并且盖上模具盖(参见图39)。将Ecoflex 30的预弹性体倒入模具中。最后，通过模具盖上的细孔将细弹簧钢丝插入模具中。将组件放入60℃的烘箱中30分钟。打开组件，取下钢丝，将固化的手指脱模。从端孔插入管子，并使用夹子固定进气口。
材料的表征。材料的折射率是使用30mm×30mm×3mm的样品通过Woollam光谱椭圆偏振仪进行测量的。使用Shimadzu UV-Vis-NIR光谱仪测量材料的吸光度。机械测试在Zwick拉伸试验机上进行。使用MicroXAM光学表面光度仪测量表面粗糙度。
表征方法
伸长：将波导的两端固定到台钳的两个钳口上并精确地旋转螺钉以将波导拉伸到不同的应变，同时记录功率损失。弯曲：操纵波导以符合激光切割的丙烯酸弧(acrylicarcs)并记录相应的功率损耗。按压：将波导的端部固定并将其平放在刻度上，将具有一定宽度的板放在波导上，然后将不同的重量放在板上并记录每个重量的功率损失。然后将板以不同的宽度进行包覆，并重复上述过程。
数据采集和处理
LED被用作光源，光电探测器被用作为光波导的光传感器。使用电流-电压(I/V)转换器电路(图40)，检测在光电探测器处接收的光功率。由于制造方面的微小变化，一些波导具有比其他波导更高的固有功率损耗。选择LED和I/V转换器电路的电阻值以调整波导之间的这些透射率的差异。选择较小的电阻用于具有低固有损耗的波导，而选择较大的电阻用于具有较高固有损耗的电阻。而且，较低的电阻值与具有较高固有损耗的波导的LED串联。选择适当的电阻值(表1)后，每个波导传感器产生的电压约为5V。通过测量电压的降低，确定传感器在拉伸、弯曲或触摸时的功率损耗。电容选择为4,700pF，以确保低噪音和较快的速度。
电路的输出电压是使用Arduino(Arduino MEGA 2560)微控制器的15个模拟引脚测量的，并且使用了波特率为9600的Arduino的串行端口，以将数据收集到计算机。用于15通道模拟读数的数据采样频率约为60Hz。该数据已传输至MATLAB R2016，以便进一步处理和测绘。
表4，在用于波导的LED-光电二极管电路中使用的电阻器、电容器
Figure BDA0003401915710000371
Figure BDA0003401915710000381
示例5
除了光学传感器之外，包括可拉伸波导的系统可以用在柔软的可拉伸显示器中。可拉伸波导阵列可以通过由橡胶板制成的柔性前板和后板固定在两端(如图41-46所示)。光源可以耦合到后面板上的波导。为了显示光源的原始颜色，芯体材料可能需要是透明的弹性体。波导的附加包层是可选的，因为与弹性体(n～1.4至1.5)相比，空气具有足够低的折射率(n～1.0)。这种折射率的不匹配确保了大的接收角，因此，光源可以选择直下式背光，例如LED束或投射的光，并且由后面的光源形成的任何图案将经由这些波导被传输到前显示板。通过提高波导的密度并引入控制方案，可以使用该系统显示更复杂的静态/动态图案。
可拉伸显示器中的前面板和后面板可以使用各种弹性体材料制作，例如硅树脂或聚氨酯。也可以使用其他的弹性体材料。这些面板可以用作矩阵将波导保持在其相对位置，并为显示器提供可拉伸的基板。前面板和后面板可以通过化学粘合或物理力粘附到波导上。面板材料可以确定显示器的弹性。
如图42-46所示，光可以通过波导传输，并且即使在弯曲时，光也被显示在柔性面板上。图42-46显示，除了单色图案之外，该显示面板还可以响应于多色输入以方形矩阵输出多种颜色。图47表明，由于显示器部分地采用了可拉伸波导传感器的类似原理，因此它具有与这些传感器类似的特性。例如，在被拉紧或受压时，输出功率损耗遵循类似的趋势。
这种可拉伸的显示器可以与软机器和致动器一起使用，其中出现沿主体的大的变形。例如，这些可拉伸显示器可以被集成到水下机器人章鱼的皮肤上，以主动显示用于仿生伪装设施的颜色和主体图案。
示例6
这里公开的实施例可以用作传感器。可以在传感器中使用不同的波长，以确定沿着光纤发生变形的位置。该原理来自这个等式：
Pout＝Pine-γ*L
其中L是在施加应变的情况下改变的光纤(例如，波导或光导)总长度，γ是材料的衰减系数，其是波长相关的，γ(λ)是波长相关的衰减系数。Pin是光源的功率输出(例如，输入到波导的功率)，Pout是波导的功率输出。在γ的适当差异下，功率输出将随波长变化，并且它们在光纤中下降的速率是非线性的。因此，通过观察功率输出(Pin、Pout)的差异，可以确定沿着L发生应变的位置。
图48是多波长传感器的工作原理的示意图。在左边的图中，广谱光源被耦合到可拉伸光导中，并且由于波长相关的衰减系数，RGB光衰减不同的量。中间的图是具有光吸收染料的波导的示例。当具有绿光吸收染料的区域被按压时，所有RGB的强度降低，其中绿光的功率输出降低最多。同样的原理解释了其他染色区域的变形感测。因此，实现了沿光导的变形感测。
对于γ的小差异，可以添加光吸收或散射物质(例如，染料或颗粒)以增强功率输出的差异。染料或颗粒可以被直接添加到波导的芯体中，例如通过粘贴薄层或通过扩散吸收，或者染料或颗粒可以被混合到包层中用于相同的目的。
光源的功率输出可以被选择，或者可以是基于光源的规格。可以使用颜色传感器测量用于不同波长的波导的功率输出。光谱仪、基于半导体的RGB颜色传感器或其他装置可用于确定光的不同波长的功率输出行为。光谱仪、基于半导体的RGB颜色传感器或其他装置可以连接到控制器以确定应变的位置。
尽管已经就一个或多个特定实施例描述了本申请，但是应当理解，在不脱离本申请的范围的情况下，可以做出本申请的其他实施例。因此，本申请被认为仅受所附权利要求及其合理解释的限制。

Claims (20)

1.一种光波导，其特征在于，所述光波导包括：
至少两种弹性体材料，所述至少两种弹性体材料包括弹性体包层材料和弹性体芯体材料，其中所述至少两种弹性体材料是有损耗的，并且随着所述光波导的变形的增加，更多的光被损失到环境中，其中所述光波导的极限伸长率大于50％。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括至少一个在所述光波导的外表面上的凹痕、被配置为使更多的光损失的粗糙表面，和/或吸光包层材料。
3.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括多个凹痕，所述多个凹痕呈斑马线样式。
4.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导具有芯体/包层界面粗糙度，所述芯体/包层界面粗糙度包括1纳米至500纳米尺寸的结构，所述1纳米至500纳米尺寸的结构被配置为导致散射并导致传播损失。
5.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述光波导的吸光包层材料具有大于10dB/cm的吸光度。
6.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导的芯体材料具有2dB/cm或2.4dB/cm的传导损耗。
7.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导限定U形或弯曲的形状，并可选的限定平坦区域或盘形区域。
8.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括至少一个在所述光波导的外表面上的凹痕，其中所述光波导被配置为朝向一个方向弯曲以闭合所述至少一个凹痕。
9.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括至少一个在所述光波导的外表面上的凹痕，其中所述至少一个凹痕的方向包括朝向弯曲方向、与弯曲方向相反或者它们之间的其他方向。
10.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括至少一个在所述光波导的外表面上的凹痕，其中所述至少一个凹痕被布置在所述光波导的包层的至少一部分中。
11.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，取决于曲率，所述光波导的弯曲损耗率在0.2dB/cm到2.0dB/cm的范围内。
12.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导的第一侧的外表面被粗糙化以产生一个表面轮廓，该表面轮廓与所述光波导的第二侧的外表面的表面轮廓不同。
13.一种传感器，其特征在于，所述传感器包括：
光源；
光电探测器；以及
光波导，所述光波导被布置在所述光源与所述光电探测器之间，其中所述光波导包括在所述光波导的外表面上的至少一个凹痕，其中所述光波导的第一点与所述光源光学地联通，所述光波导的第二点与所述光电探测器光学地联通。
14.根据权利要求13所述的传感器，其特征在于，所述光波导包括多个凹痕，其中所述多个凹痕中的每个凹痕的长度为0.5毫米至4毫米，每个所述凹痕与相邻凹痕间隔0.5毫米至4毫米。
15.根据权利要求14所述的传感器，其特征在于，所述凹痕自所述光波导的外表面的深度为100纳米至1毫米。
16.根据权利要求13所述的传感器，其特征在于，所述传感器被配置为感测曲率、力、应变、伸长或压力中的至少一项。
17.一种设备，其特征在于，所述设备包括：
根据权利要求13所述的传感器；以及
软致动器。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述软致动器完全包围所述光源、所述光电探测器和所述光波导。
19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述软致动器限定多个腔室。
20.一种方法，其特征在于，所述方法包括：
以第一功率级的光输入照射权利要求1的光波导；
测量从所述光波导输出的光输出，其中所述光输出处于第二功率级，所述第二功率级小于所述第一功率级；以及
基于所述第一功率级、所述第二功率级、所述光波导的总长度和所述光波导中材料的衰减系数，确定在所述光波导上施加应力的位置。
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