CN114502334A - 能够机械地编程的封闭流体致动系统 - Google Patents

Abstract

本公开的方面涉及用于致动软机器人的方法、设备以及系统。致动系统包括：凸轮轴；马达，其配置成驱动凸轮轴以围绕旋转轴线旋转，以及气囊，其配置成在压缩期间将流体从气囊排出，以及在解除压缩期间将流体抽吸到气囊中。该系统进一步包括联接到凸轮轴的凸轮，凸轮配置成在凸轮轴被驱动时，围绕旋转轴线旋转，并且在凸轮围绕旋转轴线旋转时，基于凸轮的物理轮廓而使气囊压缩或解除压缩。该系统还包括联接到气囊的软机器人，其中，软机器人基于在压缩期间被引入到软机器人中的流体或在解除压缩期间从软机器人移除的流体而被致动以移动。

Description

能够机械地编程的封闭流体致动系统

对相关申请的交叉引用

本申请要求根据提交于2019年10月3日的标题为“能够机械地编程的封闭流体致动系统（MECHANICALLY PROGRAMMABLE CLOSED FLUID ACTUATION SYSTEM）”的序号为62/910367的美国临时申请和提交于2020年10月1日的标题为“能够机械地编程的封闭流体致动系统（mechanically programmable closed fluid actuation system）”的序号为17/061527的美国非临时申请的优先权及其利益，所述临时申请和非临时申请的全部内容通过引用来并入于本文中，如以其整体在下文中完整地阐明的那样，并且用于所有适用的目的。

技术领域

下文中所讨论的技术总体上涉及流体致动系统，并且更特别地涉及用于致动软机器人的流体致动系统。

背景技术

机器人在诸如制造、工业应用、医疗应用等等的许多行业中使用。大多数机器人系统是“坚硬的”，即，由具有基于常规轴承的接头的金属结构组成。为了扩展机器人在其中操作的环境范围，近年来软机器人已成为显著感兴趣的领域。在传统上，软机器人提供与用于抓持物体的机器人系统连接而采用的软的、适形的且适应性的抓持器。例如，如果物体位于搁架上、移动带上或从搁架移动到带，则末端效应器可以适于将物体从各种方向拾起。随着软机器人的领域已发展，已出现其他应用，诸如使用可食用软机器人的食品应用。

一般而言，软机器人可以由配置成在压力下展开、拉伸和/或弯折的弹性材料（例如，橡胶、塑料或凝胶）或其他合适的相对软的材料形成。可以例如通过将一件或多件弹性材料模制成期望的形状来创建软机器人。软机器人可以包括能够用流体（诸如，空气（或其他气体））或水（或其他液体）填充的中空内部以对软机器人施压、使其膨胀和/或致动。在致动时，软机器人的形状或轮廓改变。在一些情况下，致动可能引起软机器人弯曲或变直成预确定的目标形状。可以通过使软机器人部分地膨胀来实现完全地未被致动的形状与完全地被致动的形状之间的一个或多个中间目标形状。替代地或另外，可以使用真空来致动软机器人，以将膨胀流体从软机器人移除，并且由此改变软机器人弯折、扭转和/或延伸所达的程度。因此，软机器人允许可能难以利用传统的坚硬机器人来实现的运动或运动（包括弯折、扭转、延伸、扩展以及收缩）的组合的类型。

随着软机器人的领域进一步发展，需要与先前的软机器人致动系统相比不那么动力密集、不那么电子地复杂并且更容易维持的致动软机器人的系统。

发明内容

下文呈现本公开的一个或多个方面的简化概要，以便提供对这样的方面的基本理解。该概要并非本公开的所有的所设想的特征的广泛综述，并且既不旨在确认本公开的所有方面的关键或决定性元素，也不旨在划定本公开的任何或所有方面的范围。其唯一目的是，作为对于稍后呈现的更详细的描述的序言，来以简化形式呈现本公开的一个或多个方面的一些概念。

本公开的方面涉及用于致动软机器人的方法、设备以及系统。致动系统包括：凸轮轴；马达，其配置成驱动凸轮轴以围绕旋转轴线旋转；以及气囊，其配置成在压缩期间将流体从气囊排出，并且在解除压缩期间将流体抽吸到气囊中。该系统进一步包括联接到凸轮轴的凸轮，凸轮配置成在凸轮轴被驱动时，围绕旋转轴线旋转，并且在凸轮围绕旋转轴线旋转时，基于凸轮的物理轮廓而使气囊压缩或解除压缩。该系统还包括联接到气囊的软机器人，其中，软机器人基于在压缩期间被引入到软机器人中的流体或在解除压缩期间从软机器人移除的流体而被致动以移动。还要求保护并且描述了其他方面、实施例以及特征。

在一个示例中，公开了一种用于致动软机器人的致动系统。该致动系统包括：凸轮轴；马达，其配置成驱动凸轮轴以围绕旋转轴线旋转；气囊，其配置成在气囊的压缩期间将流体从气囊排出，并且在气囊的解除压缩期间将流体抽吸到气囊中；凸轮，其联接到凸轮轴，并且配置成在凸轮轴被驱动时，围绕旋转轴线旋转，并且在凸轮围绕旋转轴线旋转时基于凸轮的物理轮廓而使气囊压缩或解除压缩；以及软机器人，其联接到气囊，其中，软机器人基于在气囊的压缩期间被引入到软机器人中的从气囊排出的流体或在气囊的解除压缩期间被抽吸到气囊中的从软机器人移除的流体而被致动以移动。

在一个示例中，公开了一种用于致动软机器人的方法。该方法包括：驱动凸轮轴以围绕旋转轴线旋转；当凸轮轴被驱动时，使联接到凸轮轴的凸轮围绕旋转轴线旋转；在凸轮围绕旋转轴线旋转时，基于凸轮的物理轮廓而使气囊压缩或解除压缩；在气囊的压缩期间，将流体从气囊排出，并且，在气囊的解除压缩期间，将流体抽吸到气囊中；以及基于在气囊的压缩期间被引入到软机器人中的从气囊排出的流体或在气囊的解除压缩期间被抽吸到气囊中的从软机器人移除的流体而致动联接到气囊的软机器人以移动。

在一个示例中，公开了一种用于致动软机器人的致动系统。该致动系统包括：主凸轮轴；马达，其配置成驱动主凸轮轴以围绕第一旋转轴线旋转；分支凸轮轴，其以非共线方式联接到主凸轮轴，其中，当主凸轮轴围绕第一旋转轴线旋转时，分支凸轮轴围绕第二旋转轴线旋转；气囊，其配置成在气囊的压缩期间将流体从气囊排出，并且在气囊的解除压缩期间将流体抽吸到气囊中；凸轮，其联接到分支凸轮轴，并且配置成在主凸轮轴被驱动时，围绕第二旋转轴线旋转，并且在凸轮围绕第二旋转轴线旋转时，基于凸轮的物理轮廓而使气囊压缩或解除压缩；以及软机器人，其联接到气囊，其中，软机器人基于在气囊的压缩期间被引入到软机器人中的从气囊排出的流体或在气囊的解除压缩期间被抽吸到气囊中的从软机器人移除的流体而被致动以移动。

附图说明

图1示明了根据本公开的方面的能够机械地编程的封闭流体致动系统的示例的侧视图；

图2示明了根据本公开的方面的能够机械地编程的封闭流体致动系统的另一个示例的斜列视图；

图3示明了根据本公开的另一个方面的能够机械地编程的封闭流体致动系统的示例；

图4是示明根据本公开的方面的用于使期望或记录的压力轮廓（profile）转换成当形成于旋转凸轮轴上或联接到旋转凸轮轴时产生期望或记录的压力轮廓的凸轮形状的示例性过程的流程图；

图5是示明根据本公开的方面的用于致动软机器人的示例性过程的流程图。

具体实施方式

在下文中与附图结合而阐明的详细描述旨在作为各种配置的描述，并且不旨在表示其中可以实践本文中所描述的概念的仅有的配置。详细描述包括了具体细节，以用于提供对各种概念的透彻理解的目的。然而，将对本领域技术人员显而易见的是，可以在不存在这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些实例中，众所周知的结构和部件以框图形式示出，以便避免使这样的概念晦涩难懂。虽然在本申请中通过对一些示例的示明来描述方面和实施例，但本领域技术人员将理解，在许多不同的布置和场景下，可能出现附加的实现方案和使用案例。本文中所描述的创新可以跨许多不同的平台类型、装置、系统、形状、大小和/或封装布置实现。

用于致动软机器人的先前的方法包括使用许多电动致动器来直接地操纵流体（例如，气体或液体）以用于使软机器人弯折、扭转和/或延伸的致动系统。先前的致动系统通过例如使用电子计算控制系统来压缩或进行阀调节而促进流体流动。因此，先前的致动系统可能是动力密集且电子地复杂的。此外，基于泵的系统（例如，用于压缩）或基于阀的系统（例如，用于阀调节）的使用可能使得难以在系统中维持气密密封。例如，可能针对食品应用（诸如，软机器人糖果）而要求气密地密封的系统。然而，防止食品污染物进入基于泵或基于阀的系统的每个部件可能是挑战性的和/或昂贵的。因此，本公开的方面提供配置成致动软机器人的能够机械地编程的封闭流体致动系统，其与先前的软机器人致动系统相比不那么动力密集、不那么电子地复杂并且更容易气密地密封。

本公开的方面涉及用于软机器人流体致动系统的机械地编程控制的系统和方法。编程性控制允许输入单个恒定速度旋转运动以驱动具有复杂的输出行为的封闭系统中的许多压力驱动式致动器。在此，封闭系统指其中流体被包含在系统本身中的流体致动系统。

在封闭、压力驱动式系统中，流体能够经由机械装置（诸如，能够使用马达致动的汽缸、球状物、管或注射器）被施压。单个马达能够用于致动封闭系统。例如，一系列注射器可以经由单个实验室注射器泵来控制。作为结果，所有注射器都可以以相同方式（即，同时并且在相同的压力下）被致动。为了以复杂方式致动注射器（例如，注射器以不同的速率、时间等等泵送），同时仍然使用一个输入控制，注射器可以经由诸如具有抵靠注射器推动的部件的凸轮轴、连结系统或旋转盘之类的机构被致动。

本公开的方面涉及一种用于通过改变凸轮轴上的凸轮凸角（cam lobe）的形状来对压力驱动式致动系统的行为机械地编程的方法。例如，在使用被单个控制源（例如，马达、手动曲柄、风或水驱动式发电机等等）致动的一系列注射器的系统中，可以通过使具有各种形状和取向的凸轮凸角的凸轮轴旋转来以不同的时间和速率驱动注射器。

在一个方面，通过将不同致动器的组合与彼此串联连接，组合逻辑可以用于控制压力驱动式系统何时激活。例如，致动系统可以包括凸轮轴上的三个凸角，并且，每个凸角使单个注射器压缩。通过将注射器的不同组合连接到三个凸角，七个不同的压力输出行为是可能的。可以实现该方面以创建气动计算机器。

本公开的方面涉及一种用于将期望或记录的压力轮廓（无论是物理的还是模拟的）转换到当形成于旋转凸轮轴上时产生期望或记录的轮廓的凸轮凸角或其他形状的装置的方法或程序（例如，软件程序）。得到的轮廓可以被3D打印或以其他方式制造。

本公开的能够机械地编程的封闭流体致动系统与先前的致动系统相比而具有降低的复杂性且制造起来成本更少，因为，本流体驱动式致动系统不需要阀或电子控制系统来对复杂致动行为编程。而是，本流体驱动式致动系统可以利用一个旋转运动源来驱动许多致动器，其每个被机械地设计为具有不同的复杂的压力行为。先前的系统需要阀和/或许多旋转或线性运动源以及计算控制系统来驱动致动器。

图1示明了根据本公开的方面的能够机械地编程的封闭流体致动系统100的示例的侧视图。图2示明了根据本公开的方面的能够机械地编程的封闭流体致动系统100的另一个示例的斜列视图。参考图1和图2，致动系统100可以形成于壳体150中，壳体150包括内搁架152和上搁架154。致动系统100包括马达102，该马达配置成驱动凸轮轴104以围绕旋转轴线旋转。马达102可以是任何合适的马达，诸如电马达、气动马达、计算机控制的马达、DC马达、手动曲柄马达等等。在一个示例中，马达102可以经由支承结构140联接到凸轮轴104。所利用的马达的类型可以取决于致动系统100所用于的应用的规模。通过可以固定到支承块108的一个或多个轴承组件106来促进凸轮轴104的旋转。

许多凸轮（或凸轮凸角）110、112、114可以形成于凸轮轴104上或联接到凸轮轴104。当凸轮轴104由马达102驱动时，每个凸轮与凸轮轴104一起旋转。尽管在图中描绘了总共三个凸轮，但设想可以取决于用以使许多凸轮旋转的马达102和凸轮轴104的强度而在致动系统100中实现任何数量的凸轮（或凸轮凸角）。凸轮可以由任何类型的材料制成。例如，凸轮可以由将不会容易地磨损的材料制成和/或由低摩擦材料（诸如，低摩擦塑料或高密度低摩擦聚合物）制成。

致动系统100可以进一步包括铰链122，其通过支架126固定到壳体150的后壁。铰链122中的每个配置成在其被对应的旋转凸轮110、112或114接触时远离旋转轴线移动和朝向旋转轴线移动（例如，上下回转）。铰链122远离旋转轴线移动和朝向旋转轴线移动（例如，上下移动）所达的距离（例如，高度）以及移动（例如，上下移动）的速率取决于凸轮110、112或114的物理轮廓。例如，如果凸轮的物理轮廓包括四个小的凸轮凸角，则当凸轮接触铰链时，铰链122将以相对短的最大高度针对每次旋转上下移动四次。在另一个示例中，如果凸轮的物理轮廓包括两个大的凸轮凸角，则当凸轮接触铰链时，铰链122将以相对高的最大高度针对每次旋转上下移动两次。

指状部124可以形成于铰链122上或联接到铰链122，以帮助使气囊116、118、120压缩和解除压缩。例如，指状部124帮助将铰链122的运动放大，以在气囊上施予更强的力。在一个方面，当凸轮轴104使凸轮110、112或114旋转，从而引起铰链122远离旋转轴线（例如，沿向上的方向）移动时，指状部124将会将压力施加到气囊，从而引起气囊压缩并且因此将流体（例如，气体或液体）通过气囊的开口（例如，喷嘴）排出。当凸轮轴104进一步使凸轮110、112或114旋转，从而引起铰链122朝向旋转轴线（例如，沿向下的方向）移动时，指状部124将释放施加到气囊的压力，从而引起气囊解除压缩并且因此将流体通过开口抽吸到气囊中。在一个方面，气囊可以是如图中所描绘的球形注射器。然而，可以在致动系统100中实现能够在一压力下将流体排出/抽吸的任何其他类型的注射器或气囊。

气囊116、118、120可以经由内搁架152被支承在壳体150中。此外，可以通过壳体150的上搁架154使气囊116、118、120的部分暴露，以更容易与要被致动的部件（诸如，软机器人）联接。如图1中所示出的，第一气囊116联接到第一软机器人132，第二气囊118联接到第二软机器人134，并且，第三气囊120联接到第三软机器人136。在一个方面，气囊可以直接地联接到软机器人，如在第二气囊118直接地联接到第二软机器人134的情况中那样。在其他方面，气囊可以经由导管（或管）间接地联接到软机器人，如在第一气囊116经由导管128联接到第一软机器人132的情况中以及在第三气囊120经由导管130联接到第三软机器人136的情况中那样。导管的使用允许在远离气囊的延伸距离发生对应的软机器人的致动。因而，如果驱动致动系统100的马达102远离软机器人的一距离定位，则可以促进减弱声音，使得使用者以较小的强度听到马达102。

当凸轮轴104旋转时，凸轮110、112或114引起气囊116、118或120压缩并且将流体排出（例如，经由铰链122和指状部124），以致动软机器人132、134或136。在一个方面，软机器人132、134或136由弹性材料（例如，橡胶、塑料或凝胶）或配置成在来自从气囊116、118或120排出的流体的压力下展开、拉伸和/或弯折的其他合适地软的材料形成。可以例如通过将一件或多件弹性材料模制成期望形状来创建软机器人132、134或136。软机器人可以包括能够用前面提到的流体填充的中空内部（或室）以对软机器人施压、使其膨胀和/或致动。在致动时，软机器人的形状或轮廓改变。例如，致动可以引起软机器人弯曲或变直成预确定的目标形状。此外，可以通过使软机器人部分地膨胀来实现完全地未被致动的形状与完全地被致动的形状之间的中间目标形状。替代地或另外，可以使用真空来致动软机器人，以将膨胀流体从软机器人移除，并且由此改变软机器人弯折、扭转和/或延伸所达的程度。

在本公开的一个方面，可以实现致动系统100，以在其中软机器人132、134或136是软机器人糖果（诸如，橡皮糖）的主题公园餐厅和景点中使用。橡皮糖包括能够利用从气囊116、118或120排出的流体而膨胀的柔性气室。可以周密地设计橡皮糖中的室的形状，使得橡皮糖在被气囊致动时如所期望的那样移动。在示例性场景下，致动系统100的许多部件可以放置于餐厅柜台（或食品展示台）下面，而一盘橡皮糖在柜台的顶部上放置成靠近接近于上搁架154，使得橡皮糖可以联接到气囊116、118、120。因此，当致动系统100被激活时，气囊将流体排出并且引起橡皮糖如所设计的那样移动（例如，弯折、扭转、延伸、扩展、收缩等等），从而鼓励顾客购买糖果并且食用糖果。在一个方面，从马达102延伸或与马达102通信的切换器或传感器可以放置于上搁架154或致动系统100的其他外表面上或附近。因此，例如，当切换器被按压（例如，通过一盘橡皮糖）时，或当传感器感测到输入（例如，顾客的手）时，马达102被激活（或马达速度增加/减小），以致动软机器人。

在一些方面，可以考虑气囊的体积容量和软机器人的体积容量。例如，如果气囊的体积容量小，而软机器人的体积容量大，则当气囊将流体排出到软机器人中时，软机器人可能膨胀不足。替代地，如果气囊的体积容量大，而软机器人的体积容量小，则当气囊将流体排出到软机器人中时，软机器人可能过度膨胀和/或爆炸。因此，除非应用是有意地使软机器人膨胀不足或过度膨胀（例如，将软机器人弹出，以用于戏剧性/突然的效果），否则气囊与软机器人之间的一比一的体积容量比率可以对于应用为优选的。此外，可以在致动系统100中实现压力释放阀，以防止软机器人过度膨胀。

致动系统100的优点是它提供了一种对软机器人的期望的移动编程的不那么复杂的方式。在先前的软机器人致动系统中，各个线性致动器或阀被以编程方式控制，以执行期望的压力轮廓。因而，整个系统将必须被电子地编程以控制致动器/阀。相比之下，致动系统100被简化，因为，压力轮廓被直接地编程到凸轮轴104中。如图2中所示出的，凸轮轴104可以具有不同形状的凸轮110、112、114，其形状被利用期望的压力轮廓编码/设计。一些压力轮廓的示例包括心跳轮廓（引起软机器人如心跳那样脉动）、引起软机器人以具体速率膨胀/缩回的轮廓等等。

在本公开的一个方面，可以将致动系统100的两个或更多个凸轮组合。例如，联接到被第一凸轮110致动的第一气囊116的导管128可以与联接到被第三凸轮114致动的第三气囊130的导管130组合。因此，如果导管中的一个以低压或负压将流体排出，并且，另一个导管以正压将流体排出，则基于该组合，压力的混合将是可能的。

在一个方面，尽管致动系统100被描绘成具有单个马达102，但可以实现多个马达。例如，可以利用各自由相同或不同的速度的对应的马达驱动的两个凸轮轴。因而，一个马达可以以增加的速度运行，而另一个马达可以以减小的速度运行。因此，可以将来自每个凸轮轴的压力轮廓组合，以生成合并的压力轮廓。这样的实现方案增加潜在的压力轮廓的数量，而将输入马达的数量保持到最小值。在另一个方面，多个凸轮轴可以被齿轮传动，使得凸轮轴附接到相同的马达，但以不同速度被驱动。

在一个方面，凸轮和气囊可以设计成具体地致动一个或多个软机器人，使得取决于如何设置凸轮到软机器人的组合，软机器人呈现为以接近随机的方式移动（即，软机器人的移动不会重复达长时段）。因此，凸轮和气囊以及其组合可以设计成在某时间量内以足够的变化致动，使得软机器人的移动呈现为看起来随机的。在另外的方面，凸轮和气囊以及其组合可以设计成生成任何任意的压力轮廓。这可以对各种气动操作（例如，具有基于气动压力而移动的嘴部或基于对话而移动的任何特定嘴部轮廓的动画形象）有用。

在一个方面，单个软机器人可以包括两个分开的气室。被一个凸轮致动的一个气囊可以与软机器人的一个气室一起操作，而被不同凸轮致动的另一个气囊可以与软机器人的另一个气室一起操作。作为示例性结果，可以基于来自一个凸轮的致动而引起软机器人向左倾斜，并且，可以基于来自另一个凸轮的致动而引起软机器人向右倾斜。另外，如果一个气室通过一个气囊被膨胀，而空气正通过另一个气囊从另一个气室抽出，则可以使软机器人在其向左或向右倾斜时的移动加强。

在本公开的一个方面，可以代替使用凸轮轴104而使用其他类型的驱动机构来致动气囊。例如，致动系统100可以利用具有致动气囊116、118、120的凸块、凹口、谷或凹槽的盘。盘可以围绕竖直轴线旋转，类似于记录件在记录件播放机上的旋转。在另一个示例中，致动系统100可以利用鼓状物，该鼓状物具有形成于鼓状物的内壁和/或外壁上的凸块，其中，凸块致动气囊。在另外的示例中，致动系统100可以利用具有用于致动气囊的凸块或凹槽的带。

在一个方面，记录件型致动系统的盘上的凸块或凹槽可以被放大。例如，杠杆或杆连结系统可以用于以转矩为代价而将运动的规模放大。即，如果在致动系统中使用的马达具有足够的量的转矩，并且，抵抗凸块或凹槽移动元件的力足够大，则移动元件的运动可以被放大。因此，非常小的凸块或凹槽可以在软机器人上造成非常大的末端效应。

在一个方面，当实现记录件型致动系统的盘时，可以代替铰链122而利用具有滚子的活塞。当盘的凸块或凹槽围绕竖直轴线旋转时，滚子可以与凸块或凹槽一起滚动，从而引起活塞上下移动。这可以对在致动系统100中实现（比使用铰链122所可能实现的）更多的致动机构是有用的。

在一个方面，如果要从软机器人抽吸空气，则当气囊至少部分地被压缩时，软机器人可以附接到气囊（或联接到气囊的导管）。当气囊扩展时，气囊将从软机器人抽吸空气。而后，气囊可以被压缩超过其初始的部分地被压缩的状态，以使软机器人膨胀。在另外的方面，致动系统100还可以包括复位凸轮，该复位凸轮可以周期性地或按需接合气囊，以中和系统中的压力。复位凸轮保持气囊开放，以使气囊复位到初始或默认状态。

在本公开的一个方面，可以由单个凸轮致动多个气囊。例如，致动系统可以包括具有竖直取向的驱动轴。因此，多个气囊可以围绕竖直地取向的驱动轴布置，使得联接到驱动轴的单个凸轮可以配置成当凸轮由驱动轴驱动以围绕竖直轴线旋转时致动气囊。

在本公开的一个方面，可以经由接头机构将两个或更多个凸轮轴组合，使得单个马达能够通过复杂接头结构驱动多个凸轮轴。例如，图3示明了根据本公开的方面的能够机械地编程的封闭流体致动系统300的示例。流体致动系统300包括马达302和主凸轮轴304。主凸轮轴304沿竖直方向取向。因此，马达302配置成驱动主凸轮轴304以围绕第一旋转轴线（例如，竖直轴线）旋转。主凸轮轴304经由万向接头308以一角度（以非共线方式）联接到分支凸轮轴306。当马达302驱动主凸轮轴304以围绕第一旋转轴线旋转时，马达302的旋转动力以一定角度（经由万向接头308）传递到分支凸轮轴306，从而引起分支凸轮轴306围绕第二旋转轴线旋转。当分支凸轮轴306旋转时，引起联接到分支凸轮轴306的凸轮310旋转并且使气囊316压缩（例如，经由未示出的铰链和/或指状部）。当被压缩时，气囊316将流体排出，以致动软机器人332（例如，经由导管328）。

在一个方面，可以在具有一个或多个分支的装饰性树结构中实现图3的致动系统300。马达302可以容纳于树的基部处，并且，主凸轮轴304可以在树的枝干内竖直地延伸。此外，分支凸轮轴306、凸轮310以及气囊316可以容纳于树的枝干内，而软机器人332可以放置于分支之外。

在本公开的一个方面，在本公开的致动系统中使用的流体是对于食用和/或呼吸为安全的气体（食品安全气体），诸如环境空气、氧气、氮气等等。当使用氮气时，致动系统可以进一步包括用于将氮气注入到气囊和软机器人中的分开的阀调节件。可以在将两个部件联接在一起之前，将氮气注入到气囊和软机器人中。这有助于以更有效的方式用氮气替换该系统中的环境空气。在操作中，当用氮气填充的软机器人从气囊断开连接时，氮气安全地泄漏到大气中。

在本公开的一个方面，本公开的致动系统可以包括联接到相同的软机器人的两个囊，其中，第一囊用气体（例如，空气）填充，并且，第二囊用液体（例如，水或果汁）填充。每个囊可以被不同凸轮致动。通过使与第一囊对应的凸轮旋转，致动系统可以致动用气体填充的第一囊，以引起软机器人移动（例如，弯折、扭转、延伸等等）。而后，作为软机器人从致动系统断开连接的结果，或有时，可以通过致动系统来使与第二囊对应的凸轮旋转，以抵靠用液体填充的第二囊按压，从而引起液体被喷射。

图4是示明根据本公开的方面的用于使期望或记录的压力轮廓转换成当形成于旋转凸轮轴上或联接到旋转凸轮轴时产生期望或记录的压力轮廓的凸轮（或凸轮凸角）形状的示例性过程400的流程图。得到的轮廓可以通过制作机器（例如，3D打印机、激光切割机等等）来生成。在一些示例中，过程400可以由用于实行下述的功能或算法的计算机或任何合适的设备或器件实行。

在框402处，分析运动轮廓。例如，动画设计师可以根据期望的移动或运动轮廓而使数字角色动画化。因此，该过程包括分析运动轮廓，以便将期望的移动转化到软机器人上。

在框404处，对应于运动轮廓确定用于软机器人的物理设计。即，该过程涉及在软机器人的物理尺寸的方面作出决定，以允许基于运动轮廓所预期的移动的类型。

在框406处，基于软机器人的运动轮廓和物理设计而确定压力轮廓。例如，该过程涉及分析软机器人的运动轮廓和物理设计并且决定将导致软机器人执行运动轮廓的所需要的压力特性（例如，压力的类型、压力的量、压力的速率等等）。

在框408处，基于压力轮廓计算凸轮形状和大小。即，该过程涉及决定凸轮（或凸轮凸角）将被如何机械地制造、成形并且设定大小以便使凸轮创建压力轮廓。该过程可以进一步涉及用于使将创建压力轮廓的凸轮旋转的理想的马达速度。

图5是示明根据本公开的方面的用于致动软机器人的示例性过程500的流程图。如下所述，在本公开的范围内，可以在特定实现方案中省略一些或所有的所示明的特征，并且，一些所示明的特征可以不是针对所有实施例的实现方案都需要的。在一些示例中，过程500可以由图1和图2中所示明的流体致动系统实行。在一些示例中，过程500可以由用于实行下述的功能或算法的任何合适的设备或器件实行。

在框502处，致动系统驱动凸轮轴（例如，凸轮轴104）以围绕旋转轴线旋转。

在框504处，当凸轮轴被驱动时，致动系统使联接到凸轮轴的凸轮（例如，凸轮110、112或114）围绕旋转轴线旋转。

在框506处，致动系统在凸轮围绕旋转轴线旋转时基于凸轮的物理轮廓而使气囊（例如，气囊116、118或120）压缩或解除压缩。在一个方面，致动系统通过在凸轮围绕旋转轴线旋转时基于凸轮的物理轮廓而沿远离旋转轴线的方向（例如，沿向上的方向）或朝向旋转轴线的方向（例如，沿向下的方向）移动铰链（例如，铰链122）来执行气囊的压缩或解除压缩。当铰链沿远离旋转轴线的方向移动时，可以利用形成于铰链上的指状部（例如，指状部124）来使气囊压缩，并且，当铰链沿朝向旋转轴线的方向移动时，可以利用指状部来使气囊解除压缩。

在框508处，致动系统在气囊的压缩期间将流体从气囊排出，并且在气囊的解除压缩期间将流体抽吸到气囊中。流体可以是液体或气体。

在框510处，致动系统基于在气囊的压缩期间被引入到软机器人中的从气囊排出的流体或在气囊的解除压缩期间被抽吸到气囊中的从软机器人移除的流体而致动联接到气囊的软机器人（例如，软机器人132、134或136）以移动（例如，弯折、扭转、延伸、扩展、收缩等等）。在一个方面，软机器人经由导管（例如，导管128或130）联接到气囊。在一个方面，软机器人的体积容量等于气囊的体积容量。

在一个方面，致动系统可以在凸轮轴被驱动时，使联接到凸轮轴的至少一个其他凸轮（例如，凸轮110、112或114）围绕旋转轴线旋转（框504），并且在至少一个其他凸轮围绕旋转轴线旋转时基于至少一个其他凸轮的物理轮廓而使至少一个其他气囊（例如，气囊116、118或120）压缩或解除压缩（框506）。致动系统可以进一步在至少一个其他气囊的压缩期间，将流体从至少一个其他气囊排出，并且在至少一个其他气囊的解除压缩期间，将流体抽吸到至少一个其他气囊中（框508）。致动系统还可以基于在至少一个其他气囊的压缩期间被引入到至少一个其他软机器人中的从至少一个其他气囊排出的流体或在至少一个其他气囊的解除压缩期间被抽吸到至少一个其他气囊中的从至少一个其他软机器人移除的流体而致动联接到至少一个其他气囊的至少一个其他软机器人（例如，软机器人132、134或136）以移动。

在一个方面，凸轮（例如，凸轮110）和至少一个其他凸轮（例如，凸轮114）可以使相同的气囊压缩或解除压缩。在另一个方面，软机器人包括第一气室和第二气室。因此，气囊（例如，气囊116）可以将流体排出到第一气室中或从第一气室抽吸流体，并且，至少一个其他气囊（例如，气囊120）可以将流体排出到第二气室中或从第二气室抽吸流体。

在本公开内，单词“示例性”用于意指“作用为示例、实例或说明”。在本文中被描述为“示例性”的任何实现方案或方面不必须要被解释为是在本公开的其他方面之上优选或有利的。同样地，用语“方面”不需要本公开的所有方面都包括所讨论的特征、优点或操作的模式。用语“联接”在本文中用于指两个物体之间的直接或间接联接。例如，如果物体A物理地触及物体B，并且，物体B触及物体C，则即使物体A和物体C并非直接地物理地触及彼此，它们也仍然可以被认为联接到彼此。例如，即使第一物体从不与第二物体直接地物理地接触，第一物体也可以联接到第二物体。

图1-5中所示明的部件、步骤、特征和/或功能中的一个或多个可以重新布置和/或组合成单个部件、步骤、特征或功能或在若干部件、步骤或功能中实施。在不脱离本文中所公开的新颖特征的情况下，还可以添加附加的元件、部件、步骤和/或功能。图1-5中所示明的设备、装置和/或部件可以配置成执行本文中所描述的方法、特征或步骤中的一个或多个。本文中所描述的新颖算法也可以有效地在软件中实现和/或嵌入于硬件中。

将理解，所公开的方法中的步骤的具体顺序或层次是示例性过程的说明。基于设计偏好，应理解，可以重新布置方法中的步骤的具体顺序或层次。所附方法权利要求按样本顺序呈现各种步骤的元件，并且不意指限于所呈现的具体顺序或层次，除非在其中具体地陈述。

提供先前的描述来使本领域任何技术人员能够实践本文中所描述的各种方面。对这些方面的各种修改将对本领域技术人员容易地显而易见，并且，本文中所定义的一般原理可以应用于其他方面。因而，权利要求不旨在限于本文中所示出的方面，而是将符合与权利要求的语言一致的全范围，其中，对以单数形式的元件的引用不旨在意指“一个且仅一个”，除非具体地如此叙述，而是意指“一个或多个”。除非另外具体地叙述，否则用语“一些”指一个或多个。涉及一系列的项目“中的至少一个”的短语指那些项目的任何组合，包括单一构件。作为示例，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖：a；b；c；a和b；a和c；b和c；以及a、b和c。对于本领域普通技术人员为已知或而后变得已知的贯穿本公开而描述的各种方面的元件的所有结构上的和在功能上的等效方案都通过引用明确地并入于本文中，并且旨在被权利要求包含。此外，无论这样的公开是否在权利要求中清楚地陈述，本文中所公开的任何事物都不旨在贡献给公众。权利要求的元素不要依据35 U.S.C.§112（f）的规定而解释，除非该元素被使用短语“用于……的器件”来明确地陈述，或在方法权利要求的情况中，该元素被使用短语“用于……的步骤”来陈述。

Claims (20)

1.一种用于致动软机器人的致动系统，所述致动系统包括：

凸轮轴；

马达，其配置成驱动所述凸轮轴以围绕旋转轴线旋转；

气囊，其配置成在所述气囊的压缩期间将流体从所述气囊排出，并且在所述气囊的解除压缩期间将流体抽吸到所述气囊中；

凸轮，其联接到所述凸轮轴，并且配置成：

在所述凸轮轴被驱动时，围绕所述旋转轴线旋转，并且，

在所述凸轮围绕所述旋转轴线旋转时，基于所述凸轮的物理轮廓而使所述气囊压缩或解除压缩；以及

软机器人，其联接到所述气囊，其中，所述软机器人基于在所述气囊的压缩期间被引入到所述软机器人中的从所述气囊排出的所述流体或在所述气囊的解除压缩期间被抽吸到所述气囊中的从所述软机器人移除的所述流体而被致动以移动。

2.根据权利要求1所述的致动系统，进一步包括：

铰链，其配置成与所述凸轮协作；以及

指状部，其形成于所述铰链上，

其中，所述铰链在所述凸轮围绕所述旋转轴线旋转时基于所述凸轮的所述物理轮廓而沿远离所述旋转轴线的方向或朝向所述旋转轴线的方向移动，并且，

其中，所述指状部在所述铰链沿远离所述旋转轴线的所述方向移动时，压缩所述气囊，并且在所述铰链沿朝向所述旋转轴线的所述方向移动时，使所述气囊解除压缩。

3.根据权利要求1所述的致动系统，其中，所述流体是液体或气体。

4.根据权利要求1所述的致动系统，其中，所述软机器人经由导管联接到所述气囊。

5.根据权利要求1所述的致动系统，其中，所述软机器人的体积容量等于所述气囊的体积容量。

6.根据权利要求1所述的致动系统，进一步包括：

至少一个其他气囊，其配置成在所述至少一个其他气囊的压缩期间将流体从所述至少一个其他气囊排出，并且在所述至少一个其他气囊的解除压缩期间将流体抽吸到所述至少一个其他气囊中；

至少一个其他凸轮，其联接到所述凸轮轴，并且配置成：

在所述凸轮轴被驱动时，围绕所述旋转轴线旋转，并且，

在所述至少一个其他凸轮围绕所述旋转轴线旋转时基于所述至少一个其他凸轮的物理轮廓而使所述至少一个其他气囊压缩或解除压缩；以及

至少一个其他软机器人，其联接到所述至少一个其他气囊，其中，所述至少一个其他软机器人基于在所述至少一个其他气囊的压缩期间被引入到所述至少一个其他软机器人中的从所述至少一个其他气囊排出的所述流体或在所述至少一个其他气囊的解除压缩期间被抽吸到所述至少一个其他气囊中的从所述至少一个其他软机器人移除的所述流体而被致动以移动。

7.根据权利要求6所述的致动系统，其中，所述凸轮和所述至少一个其他凸轮进一步配置成使相同的气囊压缩或解除压缩。

8.根据权利要求6所述的致动系统，其中：

所述软机器人包括第一气室和第二气室，

所述气囊配置成将流体排出到所述第一气室中或从所述第一气室抽吸流体，以及，

所述至少一个其他气囊配置成将流体排出到所述第二气室中或从所述第二气室抽吸流体。

9.一种用于致动软机器人的方法，包括：

驱动凸轮轴以围绕旋转轴线旋转；

当所述凸轮轴被驱动时，使联接到所述凸轮轴的凸轮围绕所述旋转轴线旋转；

在所述凸轮围绕所述旋转轴线旋转时，基于所述凸轮的物理轮廓而使气囊压缩或解除压缩；

在所述气囊的压缩期间将流体从所述气囊排出，并且在所述气囊的解除压缩期间将流体抽吸到所述气囊中；以及

基于在所述气囊的压缩期间被引入到所述软机器人中的从所述气囊排出的所述流体或在所述气囊的解除压缩期间被抽吸到所述气囊中的从所述软机器人移除的所述流体而致动联接到所述气囊的软机器人以移动。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述使所述气囊压缩或解除压缩包括：

在所述凸轮围绕所述旋转轴线旋转时，基于所述凸轮的所述物理轮廓而使铰链沿远离所述旋转轴线的方向或朝向所述旋转轴线的方向移动；以及

在所述铰链沿远离所述旋转轴线的所述方向移动时，利用形成于所述铰链上的指状部来使所述气囊压缩，以及，在所述铰链沿朝向所述旋转轴线的所述方向移动时，利用所述指状部来使所述气囊解除压缩。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述流体是液体或气体。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述软机器人经由导管联接到所述气囊。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述软机器人的体积容量等于所述气囊的体积容量。

14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

当所述凸轮轴被驱动时，使联接到所述凸轮轴的至少一个其他凸轮围绕所述旋转轴线旋转；

在所述至少一个其他凸轮围绕所述旋转轴线旋转时，基于所述至少一个其他凸轮的物理轮廓而使至少一个其他气囊压缩或解除压缩；

在所述至少一个其他气囊的压缩期间将流体从所述至少一个其他气囊排出，并且在所述至少一个其他气囊的解除压缩期间将流体抽吸到所述至少一个其他气囊中；以及

基于在所述至少一个其他气囊的压缩期间被引入到所述至少一个其他软机器人中的从所述至少一个其他气囊排出的所述流体或在所述至少一个其他气囊的解除压缩期间被抽吸到所述至少一个其他气囊中的从所述至少一个其他软机器人移除的所述流体而致动联接到所述至少一个其他气囊的至少一个其他软机器人以移动。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述凸轮和所述至少一个其他凸轮使相同的气囊压缩或解除压缩。

16.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述软机器人包括第一气室和第二气室，

所述气囊将流体排出到所述第一气室中或从所述第一气室抽吸流体，以及，

所述至少一个其他气囊将流体排出到所述第二气室中或从所述第二气室抽吸流体。

17.一种用于致动软机器人的致动系统，所述致动系统包括：

主凸轮轴；

马达，其配置成驱动所述主凸轮轴以围绕第一旋转轴线旋转；

分支凸轮轴，其以非共线方式联接到所述主凸轮轴，其中，在所述主凸轮轴围绕所述第一旋转轴线旋转时，所述分支凸轮轴围绕第二旋转轴线旋转；

气囊，其配置成在所述气囊的压缩期间将流体从所述气囊排出，并且在所述气囊的解除压缩期间将流体抽吸到所述气囊中；

凸轮，其联接到所述分支凸轮轴，并且配置成：

在所述凸轮轴被驱动时，围绕所述第二旋转轴线旋转，以及，

在所述凸轮围绕所述第二旋转轴线旋转时，基于所述凸轮的物理轮廓而使所述气囊压缩或解除压缩；以及

软机器人，其联接到所述气囊，其中，所述软机器人基于在所述气囊的压缩期间被引入到所述软机器人中的从所述气囊排出的所述流体或在所述气囊的解除压缩期间被抽吸到所述气囊中的从所述软机器人移除的所述流体而被致动以移动。

18.根据权利要求17所述的致动系统，其中，所述分支凸轮轴经由万向接头联接到所述主凸轮轴。

19.根据权利要求17所述的致动系统，其中，所述流体是液体或气体。

20.根据权利要求17所述的致动系统，其中，所述软机器人经由导管联接到所述气囊。

Images