通過(guò)援引并入

本文引用的所有專利、專利申請(qǐng)和公布的全部?jī)?nèi)容通過(guò)援引而并入在此。這些公布的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)援引而并入本申請(qǐng)，以便更加完整地描述截止到本文描述的本發(fā)明的日期對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)已知的現(xiàn)有技術(shù)。

相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求在2014年8月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)62/040，905和在2015年1月12日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)62/102,363的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)援引并入在此。

政府權(quán)利

本申請(qǐng)利用了如下政府支持而作出：由美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(darpa)給予的資助w911nf-11-1-0094和由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(nsf)給予的資助dmr-0820484。美國(guó)政府對(duì)本申請(qǐng)具有某些權(quán)利。

本技術(shù)總體上涉及集成了傳感器的軟體機(jī)器人或軟體致動(dòng)器。

背景技術(shù)：

軟體設(shè)備是利用軟材料(例如，彈性體、凝膠體、液體)構(gòu)建的機(jī)器。這些軟體設(shè)備的能力是用于在電致動(dòng)、化學(xué)致動(dòng)、氣動(dòng)致動(dòng)、磁流體致動(dòng)或液壓致動(dòng)下容易地改變它們的大小和形狀。另外，用于構(gòu)造這些設(shè)備的彈性體材料的低剛度(楊氏模量<10mpa)使得它們能夠響應(yīng)于外力而容易地變形。這些屬性允許軟體設(shè)備執(zhí)行對(duì)于硬體機(jī)器來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性的功能。示例包括與精細(xì)的軟材料(例如，生物組織)交互作用以及執(zhí)行非結(jié)構(gòu)性任務(wù)(例如，夾持未限定形狀的物體)。機(jī)器，不管它們是硬體的還是軟體的，通常需要集成電氣部件(例如，馬達(dá)、傳感器、微型控制器、顯示器、泵、電池等等)，以便執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。這些設(shè)備必須受控，以便產(chǎn)生自動(dòng)的或半自動(dòng)的軟體機(jī)器人系統(tǒng)。

對(duì)于開(kāi)發(fā)用于軟體機(jī)器人的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，知曉軟體致動(dòng)器的形態(tài)學(xué)是重要的。這是因?yàn)椴幌裼搀w機(jī)器人，軟體機(jī)器人能夠基于氣動(dòng)或液壓充脹壓力或者通過(guò)外部環(huán)境中的力而改變體積和形狀。另外，不像硬體機(jī)器人，致動(dòng)器的軟材料對(duì)力(無(wú)論是外部的還是內(nèi)部的)的響應(yīng)是高度非線性的，使得預(yù)測(cè)致動(dòng)器響應(yīng)于力的行為的計(jì)算非常復(fù)雜和困難。

必須知曉機(jī)器人的形態(tài)是緊急的問(wèn)題，該問(wèn)題在傳統(tǒng)的硬體機(jī)器人世界中不是如此顯著。在硬體機(jī)器人中，來(lái)自外部環(huán)境的力產(chǎn)生更簡(jiǎn)單的結(jié)果。例如，施加至硬體機(jī)器人臂的力將使該臂移動(dòng)一固定距離，該固定距離容易計(jì)算，因?yàn)橛搀w機(jī)器人由一系列在標(biāo)準(zhǔn)操作期間不變形的硬體部件和聯(lián)動(dòng)裝置制成。相反，當(dāng)來(lái)自外部環(huán)境的力施加至軟體機(jī)器人臂時(shí)，會(huì)得到非常復(fù)雜的結(jié)果，因?yàn)檐涹w臂將既移動(dòng)又變形。

另外，構(gòu)成致動(dòng)器的彈性體的剛度在致動(dòng)期間可以變化。例如，如果充脹壓力為致動(dòng)器的最大充脹壓力的30％，則彈性體處于該彈性體具有剛度“a”的低應(yīng)變狀態(tài)；當(dāng)充脹壓力為最大充脹壓力的80％時(shí)，彈性體處于具有不同剛度“b”的較高應(yīng)變狀態(tài)。結(jié)果，需要不同量的力實(shí)現(xiàn)每一致動(dòng)增量。

由于彈性體的固有特性，應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)于拉伸和松弛來(lái)說(shuō)可以是不同的。在加載和卸載的周期期間，彈性體顯示出高度的遲滯性。在加載和卸載曲線之間的該差異將根據(jù)加載和卸載之間循環(huán)的快慢而變化。這樣的結(jié)果是，系統(tǒng)具有記憶。彈性體的該方面將使得僅僅使用致動(dòng)器的充脹壓力的知識(shí)難以對(duì)軟體致動(dòng)器進(jìn)行控制。還可以參見(jiàn)http://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/stress-and-strain/revise-it/stress-strain-graphs.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)方面，提出一種具有集成的傳感器的軟體機(jī)器人設(shè)備，該集成的傳感器提供關(guān)于機(jī)器人的狀態(tài)和/或其環(huán)境的信息。

在一個(gè)方面，描述了一種具有傳感器或傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟體機(jī)器人設(shè)備。在某些實(shí)施例中，傳感器(多個(gè)傳感器)用于確定沿著軟體致動(dòng)器或軟體機(jī)器人的各點(diǎn)處的位置、形態(tài)、和/或物理狀態(tài)。傳感器可以包括電子傳感器、機(jī)械傳感器、光學(xué)傳感器、超聲傳感器、壓電傳感器、或磁性傳感器。使用傳感器或傳感器網(wǎng)絡(luò)將允許實(shí)時(shí)觀察軟體機(jī)器人設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，例如其在空間中的三維位置、速度、加速度以及感測(cè)/感知關(guān)于其環(huán)境的信息，例如，溫度、某一化學(xué)或生物藥劑的存在。來(lái)自傳感器的反饋能夠用作控制系統(tǒng)的輸入，該控制系統(tǒng)確定軟體機(jī)器人設(shè)備的隨后動(dòng)作。

因此，在某些實(shí)施例中，即刻公布的系統(tǒng)和方法根據(jù)與軟體致動(dòng)器的狀態(tài)有關(guān)的數(shù)據(jù)來(lái)控制致動(dòng)器。

在一個(gè)方面，描述了一種軟體機(jī)器人設(shè)備，包括：

彈性體本體，所述彈性體本體具有：布置在彈性體本體內(nèi)的一個(gè)腔室或者多個(gè)互連的腔室；和加壓入口，所述加壓入口構(gòu)造成接收用于所述腔室或者所述多個(gè)互連的腔室的流體；和

至少一個(gè)傳感器，所述傳感器構(gòu)造成生成與軟體機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)相關(guān)的讀出值(readout)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)是選自由如下構(gòu)成的組的一個(gè)或多個(gè)變量：軟體機(jī)器人設(shè)備的位置、軟體機(jī)器人設(shè)備的取向、軟體機(jī)器人設(shè)備的速度、軟體機(jī)器人設(shè)備的加速度、從軟體機(jī)器人設(shè)備的最后致動(dòng)開(kāi)始的逝去時(shí)間、在軟體機(jī)器人設(shè)備的最后致動(dòng)期間使用的加壓流體的最大壓力、軟體機(jī)器人設(shè)備中加壓流體的體積、彈性體本體的表面曲率、在沿著彈性體本體的各點(diǎn)處的材料應(yīng)力或應(yīng)變、在沿著彈性體本體的各點(diǎn)處的材料應(yīng)變、由軟體機(jī)器人設(shè)備施加在物體上的力、軟體機(jī)器人設(shè)備的溫度、軟體機(jī)器人設(shè)備的內(nèi)部壓力和外部壓力、以及在腔室內(nèi)部的加壓流體與軟體機(jī)器人設(shè)備的外部環(huán)境中的外界壓力之間的壓差。

在本文描述的任意實(shí)施例中，傳感器構(gòu)造成檢測(cè)物理、化學(xué)、或電子信號(hào)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，傳感器嵌入到或者附接到彈性體本體。

在本文描述的任意實(shí)施例中，加壓入口構(gòu)造成接收來(lái)自外部流體源的流體。

在本文描述的任意實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備還包括沿著彈性體本體的一側(cè)布置的應(yīng)變受限層；并且其中，傳感器嵌入到或者附接到所述應(yīng)變受限層。

在本文描述的任意實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備包括嵌入到或者附接到所述應(yīng)變受限層的一個(gè)或多個(gè)傳感器以及嵌入到或者附接到所述彈性體本體的一個(gè)或多個(gè)其它傳感器。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述應(yīng)變受限層比所述彈性體本體具有更大的剛度或者更小的可伸展性。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述傳感器選自由如下構(gòu)成的組：熱傳感器、應(yīng)變傳感器、應(yīng)力傳感器、體積傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、剪切力傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、神經(jīng)傳感器、壓力傳感器、氣壓傳感器、真空傳感器、高度計(jì)、傳導(dǎo)率傳感器、阻抗傳感器、慣性測(cè)量單元、力敏電阻器、激光測(cè)距儀、聲學(xué)測(cè)距儀、磁力計(jì)、霍爾效應(yīng)傳感器、磁敏二極管、磁敏晶體管、mems磁場(chǎng)傳感器、麥克風(fēng)、光電探測(cè)器、加速計(jì)、陀螺儀傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、化敏電阻器、揮發(fā)性有機(jī)化合物傳感器、重金屬傳感器、ph傳感器、沉淀傳感器、心臟消融傳感器、肌電傳感器、電子鼻、氣體傳感器、氧氣傳感器、氮?dú)鈧鞲衅?、天然氣傳感器、vx氣傳感器、沙林氣傳感器、芥子氣傳感器、爆炸物探測(cè)器、金屬探測(cè)器、輻射探測(cè)器、電壓傳感器、和電流傳感器。

在本文描述的任意實(shí)施例中，傳感器選自由如下構(gòu)成的組：體積傳感器、位置傳感器、應(yīng)變傳感器、流量傳感器、慣性測(cè)量單元(imu)、溫度傳感器、和磁性傳感器。

在本文描述的任意實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備包括至少兩個(gè)不同的傳感器。

在本文描述的任意實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備包括分布在軟體機(jī)器人設(shè)備中的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，傳感器是不可伸展的或者是可伸展的。

在本文描述的任意實(shí)施例中，傳感器之一是微機(jī)電系統(tǒng)(mems)傳感器、壓力傳感器、力傳感器、或者慣性測(cè)量單元(imu)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備是夾持器或者機(jī)器人手。

在本文描述的任意實(shí)施例中，夾持器包括構(gòu)造成執(zhí)行夾持檢測(cè)的傳感器或者構(gòu)造成控制夾持器施加至它正夾持的物體上的力的傳感器。

在本文描述的任意實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備是用于機(jī)器人臂、delta機(jī)器人、scara機(jī)器人、龍門系統(tǒng)、或移動(dòng)式機(jī)器人平臺(tái)的手臂端部工具。

在另一方面，描述了一種軟體機(jī)器人系統(tǒng)，包括：

如本文描述的任意一個(gè)實(shí)施例所述的軟體機(jī)器人設(shè)備；以及

處理器和控制系統(tǒng)中的至少一者，所述處理器可操作地聯(lián)接至傳感器，以接收來(lái)自傳感器的讀出值并解讀所述讀出值；

所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)來(lái)自傳感器的讀出值或者處理器對(duì)讀出值的解讀來(lái)控制軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述處理器包括磁性運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器包括電磁傳感器網(wǎng)絡(luò)，以起到用于磁性運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的有源標(biāo)記物的作用，所述有源標(biāo)記物用作用于處理器的數(shù)據(jù)輸入，以進(jìn)行有限元分析或者擬合用于軟體機(jī)器人設(shè)備的簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器包括應(yīng)變傳感器、加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀、轉(zhuǎn)矩傳感器、剪切力傳感器、力傳感器、或者慣性測(cè)量單元(imu)傳感器套件的網(wǎng)絡(luò)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述處理器構(gòu)造成進(jìn)行有限元分析或者根據(jù)傳感器讀出值擬合簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器包括壓力傳感器、流量傳感器、體積傳感器、或者壓力傳感器網(wǎng)絡(luò)、流量傳感器網(wǎng)絡(luò)、體積傳感器網(wǎng)絡(luò)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述處理器構(gòu)造成根據(jù)來(lái)自壓力傳感器的讀出值擬合簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型或者進(jìn)行有限元分析。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述軟體機(jī)器人系統(tǒng)還包括：

嵌入在處理器中的指令，用以在壓力傳感器生成的壓力讀出值超過(guò)閾值時(shí)指示控制系統(tǒng)開(kāi)始修正動(dòng)作；或者

嵌入在處理器中的指令，用以在流量傳感器生成的流率讀出值超過(guò)閾值時(shí)指示控制系統(tǒng)開(kāi)始修正動(dòng)作；或者

嵌入在處理器中的指令，用以在體積傳感器生成的腔室內(nèi)部的流體體積超過(guò)閾值時(shí)指示控制系統(tǒng)開(kāi)始修正動(dòng)作。

在本文描述的任意實(shí)施例中，傳感器是力傳感器，軟體機(jī)器人系統(tǒng)還包括嵌入在處理器中的指令，用以一旦力傳感器檢測(cè)到的力讀出值超過(guò)閾值，就指示控制系統(tǒng)開(kāi)始修正動(dòng)作。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述力傳感器附接至彈性體本體的表面，所述處理器構(gòu)造成解讀所述力傳感器的讀出值，以確定所述彈性體本體的形態(tài)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述處理器構(gòu)造成根據(jù)所述力傳感器的讀出值并結(jié)合由所述一個(gè)腔室或所述多個(gè)互連的腔室接收的流體的充脹壓力和體積來(lái)確定軟體機(jī)器人設(shè)備的形態(tài)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，傳感器是慣性測(cè)量單元(imu)；和/或其中，所述控制系統(tǒng)使用傳感器的讀出值或處理器對(duì)所述讀出值的解讀來(lái)控制軟體機(jī)器人設(shè)備的動(dòng)作。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述處理器構(gòu)造成根據(jù)傳感器的讀出值擬合用于軟體機(jī)器人設(shè)備的簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型或進(jìn)行有限元分析，或者構(gòu)造成根據(jù)傳感器的讀出值估計(jì)與軟體機(jī)器人設(shè)備接觸的物體的大小和/或形狀。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)控制軟體機(jī)器人設(shè)備，以執(zhí)行一定范圍的運(yùn)動(dòng)、或者限制一定范圍的運(yùn)動(dòng)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述軟體機(jī)器人系統(tǒng)是外科手術(shù)設(shè)備，所述外科手術(shù)設(shè)備選自由如下構(gòu)成的組：牽開(kāi)器、支架、內(nèi)窺鏡、關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡、和腹腔鏡器械。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器包括溫度傳感器，以監(jiān)測(cè)軟體機(jī)器人的操作溫度的變化；所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)溫度傳感器的讀出值響應(yīng)于溫度的變化來(lái)控制流體入口的壓力。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器包括流量傳感器，以監(jiān)測(cè)通過(guò)流體入口的加壓流體的操作流率或操作壓力的變化；所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)流量傳感器的讀出值來(lái)控制加壓流體的流率。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述處理器構(gòu)造成解讀來(lái)自傳感器的讀出值，以執(zhí)行對(duì)軟體機(jī)器人設(shè)備的形態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量以及向控制系統(tǒng)發(fā)送指令以補(bǔ)償遲滯。

在又一方面中，公開(kāi)了一種用于感測(cè)根據(jù)本文描述的任意實(shí)施例的軟體機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)的方法，包括：獲得被傳遞至處理器的來(lái)自一個(gè)或多個(gè)傳感器的讀出值；以及確定軟體機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述方法還包括根據(jù)來(lái)自壓力傳感器的讀出值，使用處理器來(lái)擬合簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型或者進(jìn)行有限元分析。

在本文描述的任意實(shí)施例中，所述傳感器是流量傳感器、壓力傳感器、imu、體積傳感器、或力傳感器，所述方法還包括：

在壓力傳感器生成的壓力讀出值超過(guò)閾值時(shí)指示控制系統(tǒng)開(kāi)始修正動(dòng)作；或者

在流量傳感器生成的流率讀出值超過(guò)閾值時(shí)指示控制系統(tǒng)開(kāi)始修正動(dòng)作；或者

在體積傳感器生成的腔室內(nèi)部的流體體積超過(guò)閾值時(shí)指示控制系統(tǒng)開(kāi)始修正動(dòng)作；或者

一旦力傳感器檢測(cè)的力讀出值超過(guò)閾值，就指示控制系統(tǒng)開(kāi)始修正動(dòng)作；或者

解讀力傳感器的讀出值以確定彈性體本體的形態(tài)；或者

根據(jù)傳感器的讀出值擬合用于軟體機(jī)器人設(shè)備的簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型或者進(jìn)行有限元分析；或者

根據(jù)傳感器的讀出值估計(jì)與軟體機(jī)器人設(shè)備接觸的物體的大小和/或形狀；或者

解讀來(lái)自傳感器的讀出值以執(zhí)行軟體機(jī)器人設(shè)備的形態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量以及向控制系統(tǒng)發(fā)送指令以補(bǔ)償遲滯。

在又另一方面中，公開(kāi)了一種感測(cè)根據(jù)本文描述的任意實(shí)施例的軟體機(jī)器人系統(tǒng)的狀態(tài)的方法，包括：獲得來(lái)自一個(gè)或多個(gè)傳感器的讀出值；可選地，通過(guò)使用處理器解讀所述讀出值；以及根據(jù)所述讀出值控制軟體機(jī)器人的致動(dòng)和/或運(yùn)動(dòng)。

在此使用的術(shù)語(yǔ)“軟體機(jī)器人設(shè)備”指的是軟體機(jī)器人或者軟體致動(dòng)器。在此使用的術(shù)語(yǔ)“應(yīng)變受限層”和“應(yīng)變限制層”可互換使用。應(yīng)變是關(guān)于本體的相對(duì)位移的變形的描述。變形是由施加的力(在本文情況中，例如，由加壓力)所誘導(dǎo)的應(yīng)力引起的。因?yàn)檩^低剛度或者較小彈性模量的材料將比更大彈性模量的材料變形至更大的程度，因此低剛度的材料經(jīng)受更大的應(yīng)變或變形。結(jié)果，更高剛度或更大彈性模量的材料中的應(yīng)變較小或者“受限”。在此使用的在較小閾值力下延伸、彎曲、膨脹或展開(kāi)的軟體機(jī)器人的層、壁或其部分是“可延伸的”或者“低應(yīng)變的”構(gòu)件。在較大閾值力下延伸、彎曲、膨脹或展開(kāi)的軟體機(jī)器人的層、壁或其部分在本文稱為“應(yīng)變受限”層或壁或膜。

在某些實(shí)施例中，術(shù)語(yǔ)“應(yīng)變限制層”指的是具有比彈性體本體更大的剛度或者更小的可伸展性且附接或固定至彈性體本體的層。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)變受限層的剛度比彈性體本體的剛度大超過(guò)約10％、20％、>50％、>100％、或>500％。

在此使用的術(shù)語(yǔ)軟體機(jī)器人的“狀態(tài)”指的是軟體機(jī)器人的一般操作狀態(tài)。軟體機(jī)器人或其系統(tǒng)的狀態(tài)通過(guò)一組狀態(tài)變量來(lái)描述。系統(tǒng)的狀態(tài)變量是可測(cè)量的量的任意集合，這些可測(cè)量的量一起提供了足夠的用以描述機(jī)器人的當(dāng)前和/或?qū)?lái)的行為的關(guān)于系統(tǒng)的信息，并且用戶想要觀察的充足的變量集合是用戶期望觀察的系統(tǒng)行為的可測(cè)量的量或者可測(cè)量的量的集合。根據(jù)系統(tǒng)和用戶期望觀察的內(nèi)容，充足的狀態(tài)變量的集合可以由單個(gè)可測(cè)量的量或者由一組可測(cè)量的量構(gòu)成。用于限定充足的狀態(tài)變量的集合的標(biāo)準(zhǔn)是：該集合提供足夠的信息用以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)或估計(jì)用戶期望觀察的可測(cè)量的量或者可測(cè)量的量的集合的當(dāng)前和/或?qū)?lái)的行為。用于軟體機(jī)器人的狀態(tài)變量的非限制示例包括機(jī)器人的位置、機(jī)器人的取向、機(jī)器人的速度、機(jī)器人的加速度、從機(jī)器人的最后致動(dòng)開(kāi)始的逝去時(shí)間、在機(jī)器人的最后致動(dòng)期間使用的加壓流體的最大壓力、致動(dòng)器中的加壓流體的體積、致動(dòng)器的表面曲率、在沿著機(jī)器人的本體的各點(diǎn)處的材料應(yīng)力、在沿著機(jī)器人的本體的各點(diǎn)處的材料應(yīng)變、由機(jī)器人施加在物體上的力、機(jī)器人的溫度、致動(dòng)器的內(nèi)部壓力、致動(dòng)器的外部壓力、致動(dòng)器內(nèi)部的加壓流體與致動(dòng)器的外部環(huán)境中的外界壓力之間的壓差。

附圖說(shuō)明

以下圖像還描述了用于多個(gè)應(yīng)用的細(xì)節(jié)以及可以結(jié)合到根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的軟體機(jī)器人或軟體致動(dòng)器中的特征。本發(fā)明參照以下附圖描述，以下附圖僅出于闡釋目的給出而非旨在進(jìn)行限制。在附圖中：

圖1a示出了感測(cè)位置/形態(tài)/應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)變化的點(diǎn)式傳感器；圖1b示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的感測(cè)位置/形態(tài)/應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)變化的應(yīng)變傳感器。

圖2a示出了跨整個(gè)致動(dòng)器的大應(yīng)變傳感器；圖2b示出了一起工作的局部應(yīng)變傳感器的陣列；圖2c示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的具有蜿蜒連接線的位于應(yīng)變隔離層上的硬體應(yīng)變傳感器的網(wǎng)絡(luò)。

圖3a示出了附接至軟體致動(dòng)器的電磁體的網(wǎng)絡(luò)；圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的用于對(duì)電磁體順序擊發(fā)(firing)以提供每個(gè)信號(hào)的空間原點(diǎn)的差別的脈沖序列。

圖4a示出了在未致動(dòng)狀態(tài)下的用于軟體致動(dòng)器的內(nèi)壓感測(cè)網(wǎng)絡(luò)；圖4b示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的用于在致動(dòng)狀態(tài)下的軟體致動(dòng)器的內(nèi)壓感測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

圖5a示出了混合聚酯/纖維素紙張的片材，其裝飾有附著的鋁電極和模板打印c-pdms傳感器以制造紙基柔性電子器件；圖5b示出了ecoflex氣動(dòng)層被放置成與浸有未固化的彈性體的柔性電子器件接觸，并且最終，組件被熱固化。

圖6a示出了手狀軟體機(jī)器人夾持器的俯視圖；圖6b示出了該手狀軟件機(jī)器人夾持器的仰視圖；圖6c、6d、6e、6f、6g分別示出了通過(guò)控制不同氣動(dòng)通道的充脹來(lái)致動(dòng)小指、無(wú)名指、中指、食指、拇指；圖6h、6i、6j、6k、6l、6m示出了撿起生雞蛋的操縱器的照片。

圖7a、7b、7c、7d和7e示出了在利用錘子打擊軟體致動(dòng)器十次之前和之后、c-pdms傳感器的電阻分別與小指、無(wú)名指、中指、食指和拇指的曲率的依賴關(guān)系。

圖8a是具有附著的軟體應(yīng)變傳感器的軟體致動(dòng)器的圖示，軟體應(yīng)變傳感器由彈性體、碳脂電阻器和稱為e片(e-flecks)的鋼絲絨電引線制成；圖8b是示出了碳脂通道在軟體致動(dòng)器充脹時(shí)的變細(xì)和伸長(zhǎng)的圖示；圖8c是軟體設(shè)備處于其未充脹狀態(tài)的照片；圖8d是軟體設(shè)備處于其充脹狀態(tài)的照片，充脹狀態(tài)由在該圖像的右下側(cè)中的屏幕所顯示的電阻增大指示。

圖9是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的具有集成的力傳感器的軟體夾持器的圖示。

圖10是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的具有慣性測(cè)量單元(imu)的夾持器的側(cè)視圖的圖示，慣性測(cè)量單元用于估計(jì)夾持器的狀態(tài)。

圖11示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的支撐/驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)屈曲和伸展的軟體致動(dòng)器設(shè)備，軟體致動(dòng)器設(shè)備具有一個(gè)或多個(gè)慣性測(cè)量單元。

圖12是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的具有熱傳感器的軟體機(jī)器人的示意圖。

圖13示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例描述的軟體機(jī)器人系統(tǒng)的操作的流程圖。

圖14a示出了在玻璃板下爬行的軟體機(jī)器人的照片；圖14b(在左邊)示出了在圖14a所示的機(jī)器人的頂層上的氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的圖示，(在右邊)示出了在圖14a所示的機(jī)器人的底部上的應(yīng)變限制層的圖示；圖14c示出了在軟體機(jī)器人的應(yīng)變限制層上的傳感器的分布式網(wǎng)絡(luò)的圖示。

具體實(shí)施方式

描述了具有一個(gè)或多個(gè)傳感器的軟體機(jī)器人設(shè)備，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器集成到、嵌入到、附接到、或以其它方式聯(lián)接到或連接到軟體機(jī)器人設(shè)備。在一個(gè)方面，描述了一種軟體機(jī)器人，其包括：彈性體本體，彈性體本體具有布置在本體中的一個(gè)腔室或者多個(gè)互連的腔室，彈性體本體包括加壓入口，加壓入口構(gòu)造成將流體從流體源接收到所述一個(gè)腔室或所述多個(gè)互連的腔室中；以及可選地，沿著彈性體本體布置的應(yīng)變受限層；和至少一個(gè)傳感器。在某些實(shí)施例中，傳感器構(gòu)造成檢測(cè)物理、化學(xué)和/或電子信號(hào)。在某些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)傳感器嵌入到、集成到、附接到、或以其它方式聯(lián)接到或連接到彈性體本體。在某些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)傳感器嵌入到、集成到、附接到、或以其它方式聯(lián)接到或連接到應(yīng)變受限層。在某些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)傳感器嵌入到、集成到、附接到、或以其它方式聯(lián)接到或連接到應(yīng)變受限層，并且一個(gè)或多個(gè)其它傳感器嵌入到、集成到、附接到、或以其它方式聯(lián)接到或連接到彈性體本體。

在某些實(shí)施例中，傳感器選自由如下構(gòu)成的組中的一個(gè)或多個(gè)傳感器：熱傳感器、應(yīng)變傳感器、應(yīng)力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、體積傳感器、剪切力傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、神經(jīng)傳感器、壓力傳感器、氣壓傳感器、真空傳感器、高度計(jì)、傳導(dǎo)率傳感器、阻抗傳感器、慣性測(cè)量單元、力敏電阻器、激光測(cè)距儀、聲學(xué)測(cè)距儀、磁力計(jì)、霍爾效應(yīng)傳感器、磁敏二極管、磁敏晶體管、mems磁場(chǎng)傳感器、麥克風(fēng)、光電探測(cè)器、加速計(jì)、陀螺儀傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、化敏電阻器、揮發(fā)性有機(jī)化合物傳感器、重金屬傳感器、ph傳感器、沉淀傳感器、心臟消融傳感器、肌電傳感器、電子鼻、氣體傳感器、氧氣傳感器、氮?dú)鈧鞲衅?、天然氣傳感器、vx氣傳感器、沙林氣傳感器、芥子氣傳感器、爆炸物探測(cè)器、金屬探測(cè)器、輻射探測(cè)器、電壓傳感器、和電流傳感器。

在某些實(shí)施例中，本文描述的軟體機(jī)器人包括多于一種類型的傳感器。在某些實(shí)施例中，本文描述的軟體機(jī)器人包括選自由如下構(gòu)成的組中的兩種或更多種類型的傳感器：熱傳感器、體積傳感器、應(yīng)變傳感器、應(yīng)力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、剪切力傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、神經(jīng)傳感器、壓力傳感器、氣壓傳感器、真空傳感器、高度計(jì)、傳導(dǎo)率傳感器、阻抗傳感器、慣性測(cè)量單元、力敏電阻器、激光測(cè)距儀、聲學(xué)測(cè)距儀、磁力計(jì)、霍爾效應(yīng)傳感器、磁敏二極管、磁敏晶體管、mems磁場(chǎng)傳感器、麥克風(fēng)、光電探測(cè)器、加速計(jì)、陀螺儀傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、化敏電阻器、揮發(fā)性有機(jī)化合物傳感器、重金屬傳感器、ph傳感器、沉淀傳感器、心臟消融傳感器、肌電傳感器、電子鼻、氣體傳感器、氧氣傳感器、氮?dú)鈧鞲衅?、天然氣傳感器、vx氣傳感器、沙林氣傳感器、芥子氣傳感器、爆炸物探測(cè)器、金屬探測(cè)器、輻射探測(cè)器、電壓傳感器、和電流傳感器。通過(guò)在軟體機(jī)器人中使用多于一種類型的傳感器將提供關(guān)于軟體機(jī)器人的狀態(tài)的豐富信息(例如，曲率、位置或定位)。

在一些實(shí)施例中，傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)、或傳感器系統(tǒng)典型是柔性的和順應(yīng)性的，并且能夠具有等于或大于軟體致動(dòng)器自身的范圍的大變形。

在其它實(shí)施例中，傳感器包括金屬導(dǎo)體，通過(guò)將金屬導(dǎo)體以圖案的方式形成在蜿蜒狀或波浪狀金屬薄板中而使金屬導(dǎo)體能夠伸展，所述金屬薄板比如為在johnrogers和sigurdwagner的作品中示出的那些(參見(jiàn)“ashapelyfutureforcircuits”，www.economist.com/node/18304110)。

在進(jìn)一步的實(shí)施例中，具有蜿蜒狀連接線的硬體傳感器網(wǎng)絡(luò)可以嵌入到或附接到致動(dòng)器。參見(jiàn)，例如圖14c中的蜿蜒狀線1407。通過(guò)使用以可伸縮的幾何形狀(例如，蜿蜒狀或波浪狀圖案)圖案化的金屬導(dǎo)體，可以將已有的硬體電子傳感器嵌入到可伸展的金屬導(dǎo)體并且將這些硬體傳感器與可伸展的金屬導(dǎo)體連接，從而形成總體上順應(yīng)的感測(cè)網(wǎng)絡(luò)。因此，當(dāng)軟體機(jī)器人被致動(dòng)并且處于彎曲狀態(tài)時(shí)，由蜿蜒狀線連接的硬體傳感器仍保持它們的適當(dāng)功能并提供關(guān)于致動(dòng)器的狀態(tài)的信息。

在其它實(shí)施例中，如果傳感器的尺寸較小(例如，其最長(zhǎng)尺寸小于100mm、50mm、或10mm)，則可以使用非順應(yīng)(非柔性)的傳感器。在某些實(shí)施例中，傳感器具有小于約200mm²、150mm²、100mm²、50mm²、10mm²、或5mm²的大小。已經(jīng)描述了在彈性體上的非常小的傳感器和電路的網(wǎng)絡(luò)(參見(jiàn)“ashapelyfutureforcircuits”，www.economist.com/node/18304110)。硬體部件放置在“應(yīng)變隔離”島上，“應(yīng)變隔離”島在彈性體設(shè)備的表面上形成網(wǎng)絡(luò)。在該情況下，當(dāng)系統(tǒng)(彈性體+電子器件)為長(zhǎng)形的時(shí)候，應(yīng)變隔離島周圍的彈性體區(qū)域伸長(zhǎng)，但是應(yīng)變隔離島自身僅經(jīng)受小程度的應(yīng)變。結(jié)果，在這些島上的電子器件保持不受損害。一般來(lái)說(shuō)，如果嵌入在彈性體中的剛性物體足夠小，就可以依賴系統(tǒng)仍將伸展的事實(shí)。在這些實(shí)施例中，小型傳感器可以嵌入到或附接到彈性體本體和/或應(yīng)變受限層。

在某些實(shí)施例中，使用這種島方法，軟體致動(dòng)器的表面(在彈性體本體和/或應(yīng)變受限層上)可以包括小型隆起狀微機(jī)電系統(tǒng)(mems)傳感器(例如，加速計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀)，用于確定軟體致動(dòng)器的形態(tài)、位置、速度和加速度。在某些實(shí)施例中，使用這種島方法，軟體致動(dòng)器的表面(在彈性體本體和/或應(yīng)變受限層上)可以包括小型隆起狀微機(jī)電系統(tǒng)(mems)傳感器。在其它實(shí)施例中，使用該島方法，小型隆起狀微機(jī)電系統(tǒng)(mems)傳感器可以嵌入在軟體致動(dòng)器中。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，傳感器是構(gòu)造成提供電阻測(cè)量值的應(yīng)變傳感器，電阻與應(yīng)變受限層或彈性體本體的曲率、位置或定位相關(guān)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)變傳感器構(gòu)造成提供電容測(cè)量值，電容與應(yīng)變受限層或彈性體本體的曲率、位置或定位相關(guān)。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，傳感器是構(gòu)造成提供軟體機(jī)器人在三維空間中的定位的位置測(cè)量值。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，傳感器是構(gòu)造成提供壓力測(cè)量值的壓力傳感器，壓力測(cè)量值與軟體機(jī)器人的夾持強(qiáng)度相關(guān)。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，傳感器是溫度傳感器。在某些特定實(shí)施例中，溫度傳感器是構(gòu)造成提供電壓測(cè)量值的熱電偶，電壓與應(yīng)變受限層或彈性體本體的溫度相關(guān)。在其它實(shí)施例中，溫度傳感器是電阻溫度探測(cè)器、熱敏電阻、或齊納二極管，測(cè)量電阻或電壓用于確定溫度。在某些實(shí)施例中，已知彈性體的剛度隨溫度變化，因此可以根據(jù)溫度讀出值確定彈性體的剛度，并且進(jìn)而使用有限元分析確定致動(dòng)器在已知的致動(dòng)壓力和溫度下的曲率，以獲得基于溫度的曲率標(biāo)定方法。在其它實(shí)施例中，可以在不同溫度下使致動(dòng)器充脹并且測(cè)量致動(dòng)器隨壓力而變化的曲率，來(lái)經(jīng)驗(yàn)性地開(kāi)發(fā)標(biāo)定方法。

軟體機(jī)器人可以是具有可膨脹本體的任何機(jī)器人，可膨脹本體能夠隨壓力的變化而膨脹或收縮。在一些實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備的軟體本體具有加壓入口，加壓入口構(gòu)造成與流體源、可膨脹本體、以及固定至可膨脹本體的一部分的應(yīng)變受限層連通。軟體機(jī)器人的實(shí)際構(gòu)造的示例是非限制性的，且可膨脹本體可以例如由多個(gè)可膨脹的流體互連的腔室制成；其中，加壓入口構(gòu)造成與所述多個(gè)可膨脹的互連的腔室連通，或者使用一個(gè)或多個(gè)彈性體腔室制成，所述一個(gè)或多個(gè)彈性體腔室構(gòu)造成在流體加壓時(shí)膨脹和/或在真空致動(dòng)時(shí)收縮。在其它實(shí)施例中，可膨脹本體由一個(gè)或多個(gè)柔性的或可延伸的腔室制成，所述一個(gè)或多個(gè)柔性的或可延伸的腔室構(gòu)造成在流體加壓時(shí)變直或展開(kāi)?？蛇x地，軟體機(jī)器人設(shè)備還包括附接至彈性體本體的應(yīng)變受限層，該應(yīng)變受限層比彈性體本體具有更大的剛度或更小的可伸展性。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)變受限層的剛度比彈性體本體大超過(guò)約10％、20％、>50％、>100％、或者>500％。軟體機(jī)器人設(shè)備中的彈性體本體可以構(gòu)造成在所述一個(gè)腔室或多個(gè)互連的腔室被流體加壓時(shí)優(yōu)先地膨脹，從而導(dǎo)致在應(yīng)變限制層周圍的彎曲運(yùn)動(dòng)。在其它實(shí)施例中，應(yīng)變受限層以螺旋的形式包裹在本體的周圍，以形成扭轉(zhuǎn)致動(dòng)器。對(duì)于適于在本發(fā)明中使用的軟體致動(dòng)器的非限制性描述，參見(jiàn)wo2012/148472；2013年2月28日提交的國(guó)際申請(qǐng)no.pct/us13/28250；2013年1月22日提交的國(guó)際申請(qǐng)no.pct/us13/22593和2013年10月1日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/885092，它們的內(nèi)容通過(guò)援引并入本文。

在某些實(shí)施例中，軟體機(jī)器人系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，用于至少部分地根據(jù)從一個(gè)或多個(gè)傳感器獲得的數(shù)據(jù)來(lái)控制軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

用于軟體致動(dòng)器或軟體機(jī)器人的狀態(tài)估計(jì)的傳感器

現(xiàn)在詳細(xì)地描述用于軟體致動(dòng)器的狀態(tài)估計(jì)的傳感器。為了控制機(jī)器人的動(dòng)作，可以使用機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)的實(shí)時(shí)觀察(例如，其在空間中的三維位置、速度和加速度)來(lái)作為至控制系統(tǒng)的輸入，該控制系統(tǒng)確定機(jī)器人的隨后動(dòng)作。另外，記錄機(jī)器人的狀態(tài)隨時(shí)間變化對(duì)于分析機(jī)器人的行為用于測(cè)試、失效分析或者作為數(shù)據(jù)輸入用于開(kāi)發(fā)用于預(yù)測(cè)機(jī)器人的致動(dòng)行為的簡(jiǎn)化物理模型是有用的。傳感器可以集成到軟體致動(dòng)器或軟體機(jī)器人中以確定其物理狀態(tài)?？赡艿淖x出值的非限制性示例包括軟體機(jī)器人的位置、形態(tài)、內(nèi)壓、速度、加速度和應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)。

在某些實(shí)施例中，描述了包括在此描述的帶有傳感器(例如，位置傳感器)和處理器的軟體機(jī)器人設(shè)備的軟體機(jī)器人系統(tǒng)，其中，傳感器可操作地與處理器(例如，微處理器)連接或聯(lián)接，處理器構(gòu)造成接收由傳感器提供的讀出值并使用在本領(lǐng)域已知的一種或多種數(shù)據(jù)分析/數(shù)據(jù)擬合方法來(lái)處理讀出值，以獲得軟體機(jī)器人狀態(tài)的相關(guān)信息或關(guān)于環(huán)境的信息。處理器可以安裝在軟體機(jī)器人上(“機(jī)載”)或位于遠(yuǎn)處(“場(chǎng)外”)。在某些實(shí)施例中，軟體機(jī)器人系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)構(gòu)造成接收由處理器處理的相關(guān)信息并且根據(jù)所述信息改變軟體機(jī)器人的狀態(tài)(例如，軟體本體的速度、加速度、形態(tài)、致動(dòng)狀態(tài)、曲率、軟體機(jī)器人施加在表面或物體上的力)或運(yùn)動(dòng)(例如，運(yùn)動(dòng)方向)。在其它實(shí)施例中，用戶可以人工地處理讀出值，并且根據(jù)信息指示控制系統(tǒng)改變軟體機(jī)器人的狀態(tài)(例如，軟體本體的速度、加速度、形態(tài)、致動(dòng)狀態(tài)、曲率、軟體機(jī)器人施加在表面或物體上的力)或運(yùn)動(dòng)(例如，運(yùn)動(dòng)方向)。

在某些實(shí)施例中，通過(guò)處理器處理數(shù)據(jù)的方法可以包括樣條函數(shù)或者其它插值方法(例如，線性插值、余弦插值、三次插值、埃爾米特插值、最近鄰插值、反距離加權(quán)等等)。傳感器的密度將決定形態(tài)數(shù)據(jù)的精度。另外，形態(tài)信息提供了關(guān)于致動(dòng)器應(yīng)變狀態(tài)的信息。另外，通過(guò)將該數(shù)據(jù)與軟體致動(dòng)器或軟體機(jī)器人的材料特性的認(rèn)知相結(jié)合，用戶或處理器可以執(zhí)行有限元方法(fem)分析，以確定軟體致動(dòng)器或軟體機(jī)器人的應(yīng)變狀態(tài)(圖1a)。

位置傳感器

在某些實(shí)施例中，傳感器是點(diǎn)式位置傳感器。位置傳感器檢測(cè)事物的表示其參照一些固定點(diǎn)或固定位置或者離開(kāi)這些固定點(diǎn)或固定位置的位置。這些類型的傳感器提供“位置”反饋。此類傳感器測(cè)量并報(bào)告它們自身的物理位置。示例性的位置傳感器包括霍爾效應(yīng)傳感器、gps傳感器、超聲波測(cè)距儀和激光測(cè)距儀。當(dāng)這些位置傳感器放置在軟體致動(dòng)器或軟體機(jī)器人上(例如，在應(yīng)變受限層上、在彈性體本體上、或者在兩者上)的各位置處時(shí)，可以確定軟體設(shè)備的位置和形態(tài)。位置確定可以使用傳統(tǒng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述傳統(tǒng)方法包括樣條函數(shù)或者其它插值方法(例如，線性插值、余弦插值、三次插值、埃爾米特插值、最近鄰插值、反距離加權(quán)等等)。

如圖1a所示，未充脹的軟體機(jī)器人105具有應(yīng)變受限層111和彈性體本體107，彈性體本體包括經(jīng)由管道109連接至外部流體源的多個(gè)可充脹腔室113。多個(gè)點(diǎn)式傳感器101附接至彈性體本體107(例如，機(jī)器人臂)的表面103，例如使用粘合劑或通過(guò)嵌入在臂的本體中。在某些實(shí)施例中，這可以通過(guò)在模制處理期間將傳感器101插入到彈性體本體107中來(lái)實(shí)施、或者通過(guò)在已經(jīng)執(zhí)行模制之后將傳感器嵌入在層與層之間來(lái)實(shí)施。在其它實(shí)施例中，可以通過(guò)將傳感器101集成在應(yīng)變限制層105中來(lái)實(shí)現(xiàn)將不能延伸的傳感器添加到軟體機(jī)器人，所述應(yīng)變限制層在機(jī)器人致動(dòng)時(shí)不伸展(未示出)。對(duì)于將傳感器結(jié)合到應(yīng)變限制層上的細(xì)節(jié)，參見(jiàn)與本申請(qǐng)同日提交且名稱為“flexibleelectronicstrain-limitinglayerforsoftactuators”的共同未決國(guó)際申請(qǐng)，代理人文件號(hào)為0042697.0044wo1。可替代地，如果傳感器需要被添加到在致動(dòng)時(shí)膨脹的軟體層，則可以使用可延伸的軟體傳感器，或者結(jié)合小型硬體傳感器，所述小型硬體傳感器定位于/附接至應(yīng)變隔離塑料或硅箔島上，所述應(yīng)變隔離塑料或硅箔島利用平版印刷沉積的蜿蜒狀金線連接。

當(dāng)軟體機(jī)器人處于休止?fàn)顟B(tài)(未被致動(dòng))時(shí)，位置傳感器通過(guò)有線裝置或無(wú)線裝置將它們的定位傳送至處理器，并且可以由計(jì)算機(jī)/處理器確定軟體機(jī)器人的形態(tài)(形狀)，如處于由位置傳感器設(shè)定的直線中那樣(圖1a，中間上部部分)。這可以通過(guò)進(jìn)行相對(duì)的距離測(cè)量來(lái)完成。在該情況下，存在位于環(huán)境中或者機(jī)器人上的參照物體或者一組參照物體，該參照物體或者一組參照物體的位置是已知的。接下來(lái)，傳感器測(cè)量其離開(kāi)所述參照物體或者所述一組參照物體的距離。在霍爾效應(yīng)傳感器的情況下，可以測(cè)量傳感器和磁體(這里磁體是參照物體)之間的距離。在激光測(cè)距儀的情況下，可以測(cè)量光線離開(kāi)激光測(cè)距儀上的激光器、抵達(dá)用于參照位置的物體表面、并返回至激光測(cè)距儀上的光電檢測(cè)器所花費(fèi)的時(shí)間。該往返時(shí)間則可以用于確定參照物體與位于機(jī)器人上的激光測(cè)距儀之間的相對(duì)距離。該測(cè)量可以通過(guò)使用一系列參照物體來(lái)執(zhí)行，以便對(duì)傳感器相對(duì)于參照物體的位置進(jìn)行三角定位。

當(dāng)軟體機(jī)器人被致動(dòng)時(shí)(圖1a，底部部分)，軟體機(jī)器人彎曲(105’)且位置傳感器處于不同位置中(101’)，該信息也通過(guò)有線裝置或無(wú)線裝置傳送至處理器。因此，可以根據(jù)位置傳感器的新位置來(lái)確定軟體機(jī)器人的位置，并且該位置可以被表示為如圖1a(中間下部部分)所示的設(shè)定的彎曲線。

這樣的形態(tài)信息可以用作用于有限元方法(fem)分析的數(shù)據(jù)輸入(圖1a，右側(cè)部分)。有限元分析(fea)是一種計(jì)算方法，用于預(yù)測(cè)產(chǎn)品如何對(duì)真實(shí)世界的力、振動(dòng)、熱、流體流和其它物理效應(yīng)作出反應(yīng)。有限元分析顯示產(chǎn)品是否將破壞、磨損、或以它被設(shè)計(jì)的方式工作。作為示例，位置數(shù)據(jù)(在不同壓力下獲得的)可以在有限元分析中使用，以模擬在不同壓力下致動(dòng)期間所經(jīng)歷的應(yīng)變。

上文提及的狀態(tài)估計(jì)方法的非限制的示例性應(yīng)用包括：1)事后數(shù)據(jù)分析——獲得數(shù)據(jù)以校驗(yàn)部件的fem模擬，獲得數(shù)據(jù)用于評(píng)估設(shè)備的失效模式，或者作為數(shù)據(jù)輸入用于產(chǎn)生簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，所述簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以在以后被用作用于實(shí)時(shí)控制致動(dòng)器的方法的一部分；和2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析——數(shù)據(jù)可以被實(shí)時(shí)使用，用于作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的一部分的狀態(tài)估計(jì)；或者數(shù)據(jù)可以被實(shí)時(shí)使用，作為失效保護(hù)系統(tǒng)的一部分，該失效保護(hù)系統(tǒng)可以識(shí)別即將發(fā)生的破裂并觸發(fā)系統(tǒng)以在毀滅性失效之前從致動(dòng)器釋放壓力。

應(yīng)變傳感器

在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器可以集成到軟體致動(dòng)器中或者聯(lián)接到軟體致動(dòng)器，以感測(cè)軟體致動(dòng)器的物理狀態(tài)。應(yīng)變傳感器不報(bào)告軟體致動(dòng)器的點(diǎn)位置，相反，測(cè)量隨著應(yīng)變而變化的局部增量位置變化。可以將應(yīng)變傳感器提供的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，以復(fù)原位置信息(見(jiàn)圖1b)。圖1b示出了感測(cè)位置/形態(tài)/應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)變化的應(yīng)變傳感器。如圖1b所示，未充脹的軟體機(jī)器人125具有應(yīng)變受限層121和彈性體本體127，彈性體本體包含經(jīng)由管道129連接至外部流體源的多個(gè)可充脹的腔室123。在該示例中，軟體致動(dòng)器具有三個(gè)應(yīng)變傳感器121，這三個(gè)應(yīng)變傳感器嵌入在軟體設(shè)備的本體中或者附接至彈性體本體127的表面。當(dāng)軟體機(jī)器人未被致動(dòng)(125)時(shí)，彈性體本體127將不彎曲，應(yīng)變傳感器將向計(jì)算機(jī)提供極少的應(yīng)變讀數(shù)(或者不提供應(yīng)變讀數(shù))，計(jì)算機(jī)分析軟體設(shè)備的相關(guān)部分的應(yīng)變(圖1b，中間上部部分)，這進(jìn)而給出對(duì)軟體設(shè)備的不同部分的位置的估計(jì)。當(dāng)軟體機(jī)器人被致動(dòng)(125’)時(shí)，彈性體本體127將彎曲，應(yīng)變傳感器將經(jīng)受應(yīng)變(121’)并因此為計(jì)算機(jī)/微處理器提供較高的應(yīng)變讀數(shù)，以估計(jì)軟體設(shè)備的相關(guān)部分的新位置(圖1b，中間下部部分)。該應(yīng)變信息提供了用于有限元方法(fem)分析的基礎(chǔ)(圖1b，右側(cè)部分)。

在一些實(shí)施例中，應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)器人上的處理器或者發(fā)送至機(jī)器人外部的處理器，該處理器包含軟件包，軟件包可以將應(yīng)變數(shù)據(jù)與致動(dòng)器的彎曲、扭轉(zhuǎn)和/或延伸相關(guān)聯(lián)。這可以通過(guò)將致動(dòng)器充脹至不同的彎曲、扭轉(zhuǎn)和/或延伸狀態(tài)并記錄對(duì)應(yīng)的應(yīng)變傳感器讀數(shù)來(lái)完成。這樣，可以生成經(jīng)驗(yàn)查找表，該經(jīng)驗(yàn)查找表提供傳感器讀數(shù)與致動(dòng)器狀態(tài)之間的關(guān)系?？商娲?，可以使用fem模擬一系列的潛在致動(dòng)器狀態(tài)。該模擬將提供在致動(dòng)器上的已經(jīng)放置傳感器的點(diǎn)處的期望應(yīng)變的測(cè)量，用于致動(dòng)器的任意給定模擬狀態(tài)。該數(shù)據(jù)然后可以用于生成查找表，該查找表提供在致動(dòng)器的本體上的測(cè)量應(yīng)變分布與包含相同應(yīng)變分布的致動(dòng)器的模擬狀態(tài)之間的關(guān)系。在任一情況下，如果查找表不包含對(duì)應(yīng)于傳感器讀數(shù)的機(jī)器人狀態(tài)，軟件可以從查找表選擇包含類似于測(cè)量值的讀數(shù)的一組狀態(tài)并且執(zhí)行插值以估計(jì)機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)。

在一些實(shí)施例中，軟體機(jī)器人的單一特性(狀態(tài)變量)由傳感器測(cè)量，且可以根據(jù)傳感器的讀數(shù)來(lái)控制軟體機(jī)器人的單一自由度。例如，如圖8所示，具有單一自由度(其曲率)的致動(dòng)器由跨致動(dòng)器的大型應(yīng)變傳感器測(cè)量。該單一數(shù)據(jù)輸入可以用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)的曲率，因?yàn)槊總€(gè)曲率狀態(tài)將具有唯一的傳感器讀數(shù)。根據(jù)該讀數(shù)，可以施加正確量的壓力，以獲得期望的致動(dòng)器曲率。在其它實(shí)施例中，軟體機(jī)器人的多個(gè)特性(多個(gè)狀態(tài)變量)由傳感器測(cè)量，可以根據(jù)傳感器的讀數(shù)控制軟體機(jī)器人的多于一個(gè)的自由度。

在某些實(shí)施例中，應(yīng)變傳感器是跨整個(gè)致動(dòng)器或者跨致動(dòng)器的長(zhǎng)度的大部分的大型應(yīng)變傳感器，應(yīng)變傳感器的標(biāo)量輸出經(jīng)常是平均應(yīng)變。如果致動(dòng)器的物理性質(zhì)是已知的，則可以確定致動(dòng)器的變形狀態(tài)，并且軟體致動(dòng)器可以由一個(gè)自由度控制(例如，單個(gè)氣動(dòng)軟體致動(dòng)器可以由壓力輸入的標(biāo)量值控制)。致動(dòng)器的物理特性可以用于指代致動(dòng)器致動(dòng)的程度與壓力流體的壓力之間的關(guān)系。

在該情況下，假設(shè)致動(dòng)器正常工作，則致動(dòng)器的位置信息可以由單個(gè)應(yīng)變傳感器來(lái)預(yù)測(cè)(圖2a)。圖2a-2c示出了構(gòu)造應(yīng)變感測(cè)網(wǎng)絡(luò)的各種方式。特別地，可以使用跨致動(dòng)器205的彈性體本體207(應(yīng)變受限層示出為203)的整個(gè)表面的大型應(yīng)變傳感器201(圖2a)。一旦致動(dòng)器被致動(dòng)(示出為205’)，則傳感器將被伸展(示出為201’)并提供應(yīng)變讀數(shù)。在該實(shí)施例中，獲得了用于整個(gè)致動(dòng)器的單一應(yīng)變值，該單一應(yīng)變值用于確定軟體機(jī)器人的狀態(tài)(例如，位置、彎曲)。

可替代地，局部傳感器陣列，例如包含應(yīng)變傳感器條的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以被嵌入在致動(dòng)器中。在此使用的傳感器網(wǎng)絡(luò)指的是應(yīng)用了多于一個(gè)的傳感器。這些應(yīng)變傳感器可以設(shè)計(jì)成一起工作，以在致動(dòng)器被充脹到新構(gòu)造(圖2b)時(shí)提供關(guān)于致動(dòng)器的多個(gè)定位的應(yīng)變讀數(shù)。圖2b示出了具有多個(gè)應(yīng)變傳感器211的軟體致動(dòng)器215(帶有類似于圖1b的構(gòu)造)。一旦致動(dòng)器被致動(dòng)(示出為215’)，則傳感器將被伸展(示出為211’)并提供應(yīng)變讀數(shù)。在僅感測(cè)局部應(yīng)變的小型應(yīng)變傳感器的情況下，每個(gè)應(yīng)變傳感器僅提供關(guān)于單個(gè)點(diǎn)的變形的信息，因此，需要多個(gè)應(yīng)變傳感器以實(shí)現(xiàn)用于孔致動(dòng)器或機(jī)器人的空間應(yīng)變信息，特別是借助于插值方法。用于插值的方法與針對(duì)點(diǎn)式傳感器提及的方法相同。在該構(gòu)造中，感測(cè)網(wǎng)絡(luò)具有更多個(gè)自由度(等于嵌入在軟體致動(dòng)器或機(jī)器人中的應(yīng)變傳感器的數(shù)量)。如果感測(cè)自由度大于致動(dòng)器或機(jī)器人中的自由度，則感測(cè)網(wǎng)絡(luò)將具有能力去預(yù)測(cè)致動(dòng)器或機(jī)器人是否正常工作，并使用該數(shù)據(jù)引導(dǎo)其動(dòng)作(圖2b)。類似于點(diǎn)式傳感器，用戶或處理器可以處理來(lái)自傳感器的讀出值，以在給定軟體致動(dòng)器的材料特性和來(lái)自應(yīng)變傳感器的應(yīng)變數(shù)據(jù)的情況下確定軟體致動(dòng)器的應(yīng)變狀態(tài)。因此，可以收集應(yīng)力-應(yīng)變曲線，用于彈性體的測(cè)試樣本。由此形成的數(shù)據(jù)集合能夠用于形成查找表，該查找表關(guān)聯(lián)了在致動(dòng)器上的點(diǎn)處的測(cè)量應(yīng)變與在致動(dòng)器的該點(diǎn)處的對(duì)應(yīng)材料應(yīng)力之間的關(guān)系。

存在一些能夠大變形的可伸展軟體傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)。在彈性體中嵌入離子凝膠導(dǎo)體、傳導(dǎo)脂或egain的層能夠工作用于該目的。利用能夠大變形的軟體導(dǎo)體，可以通過(guò)將彈性體的隔離層夾在彈性體或液體導(dǎo)體的層之間來(lái)制造電容性軟體應(yīng)變傳感器。示例性可伸展軟體傳感器描述在zhigangsuo等人發(fā)表在science341，984-987(2013)上的文章中。

在進(jìn)一步的實(shí)施例中，具有蜿蜒狀連接線222的硬體應(yīng)變傳感器211的網(wǎng)絡(luò)可以嵌入到或者附接到致動(dòng)器225(圖2c)。通過(guò)使用以可伸展幾何形狀(例如，蜿蜒狀或波浪狀圖案)圖案化的金屬導(dǎo)體，可以嵌入已有的硬體電子應(yīng)變傳感器以感測(cè)小的局部應(yīng)變，并可以將這些硬體傳感器與這些可伸展金屬導(dǎo)體連接，從而形成總體上順應(yīng)的應(yīng)變感測(cè)網(wǎng)絡(luò)(圖2c)。因此，當(dāng)軟體機(jī)器人被致動(dòng)且處于彎曲狀態(tài)(225’)中時(shí)，由蜿蜒狀線222’連接的硬體應(yīng)變傳感器221’仍保持它們的適當(dāng)功能并提供關(guān)于致動(dòng)器的狀態(tài)的信息。一個(gè)示例是“箔型”應(yīng)變儀，其典型地由安裝在背襯材料上的電阻箔的圖案構(gòu)成。應(yīng)變儀基于如下原理操作：當(dāng)箔經(jīng)受應(yīng)力時(shí)，箔的電阻以已知的方式改變。

在其它實(shí)施例中，通過(guò)使用嵌入在彈性體中的填充有傳導(dǎo)液體(比如液態(tài)金屬共晶鎵-銦(egain)、離子液體或碳脂)的通道來(lái)制作軟體應(yīng)變傳感器。當(dāng)傳感器處于應(yīng)變狀態(tài)下時(shí)，流體通道改變形狀，因此使其中的傳導(dǎo)液體變形。由于傳導(dǎo)液體的電阻率恒定，液體填充通道的電阻將隨著通道形狀的變化而改變，從而產(chǎn)生信號(hào)。這些不是制作軟體應(yīng)變傳感器或可伸展傳感器網(wǎng)絡(luò)的僅有的可行方式。能夠大變形的任何可伸展應(yīng)變傳感器或可伸展傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用作用于軟體致動(dòng)器的應(yīng)變感測(cè)系統(tǒng)。

在其它實(shí)施例中，不同類型的應(yīng)變傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)或傳感器系統(tǒng)可以用在軟體致動(dòng)器的應(yīng)變受限層中。因?yàn)閼?yīng)變受限層在致動(dòng)期間經(jīng)歷有限的變形，所以所使用的適當(dāng)傳感器可以具有更大的剛度和更小的柔性。在這些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)傳感器可以嵌入在或集成在應(yīng)變受限層中或者附接至或聯(lián)接至應(yīng)變受限層。如本文所述描述的，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)變受限層與彈性體本體相比具有更大的剛度或具有更小的可伸展性，應(yīng)變受限層的剛度比彈性體本體大超過(guò)約10％、20％、>50％、>100％、或者>500％。

磁性傳感器

探測(cè)軟體致動(dòng)器的物理狀態(tài)的傳感器不局限于點(diǎn)式位置傳感器和應(yīng)變傳感器。在其它實(shí)施例中，其它傳感器也可以作為用于軟體致動(dòng)器的物理狀態(tài)指示器，其可以離散地嵌入/附接，彼此相互作用，或者可以連續(xù)地嵌入/附接，能夠變形，比如軟體應(yīng)變傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，磁性傳感器結(jié)合多個(gè)電磁體一起使用，多個(gè)電磁體作為有源標(biāo)記物并串聯(lián)地嵌入在軟體致動(dòng)器中(圖3a-3b)。在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)拆分成，磁體可以在致動(dòng)器上，而磁性傳感器可以在周圍環(huán)境中；或者磁體可以在周圍環(huán)境中，而磁性傳感器可以在致動(dòng)器上。對(duì)于磁性感測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)測(cè)量通過(guò)周圍環(huán)境中的勵(lì)磁線圈集合的相對(duì)磁通量來(lái)計(jì)算磁性標(biāo)記物的位置和取向。在某些實(shí)施例中，這些線圈也可以與磁體一起位于致動(dòng)器中。線圈的電壓或電流的相對(duì)強(qiáng)度可以允許該系統(tǒng)計(jì)算磁性標(biāo)記物的位置和取向兩者。此外，放置在軟體致動(dòng)器上的每個(gè)電磁標(biāo)記物可以設(shè)計(jì)成發(fā)射磁脈沖。因此，如果沿著軟體致動(dòng)器的本體的磁性標(biāo)記物在那里以時(shí)間序列發(fā)射磁脈沖，則磁性感測(cè)系統(tǒng)將可以區(qū)分標(biāo)記物之間的區(qū)別并因此將每個(gè)信號(hào)依次指派給沿著致動(dòng)器的各點(diǎn)。

圖3a-3b示出了用于軟體致動(dòng)器的磁性感測(cè)網(wǎng)絡(luò)。因此，如圖3a所示，軟體機(jī)器人301具有附接至其表面的三個(gè)磁性傳感器(300a、300b和300c)。在致動(dòng)期間，軟體機(jī)器人處于彎曲狀態(tài)(301’)，磁性傳感器處于不同定位(示出為300a’、300b’和300c’)。這些磁性傳感器的磁場(chǎng)讀數(shù)將被接收器記錄并被傳遞至計(jì)算機(jī)/處理器且被計(jì)算機(jī)/處理器分析(圖3a)?？商娲?，如果沿著軟體致動(dòng)器301的本體的每個(gè)傳感器300a、300b和300c均以獨(dú)特的頻率發(fā)射磁脈沖，則磁性感測(cè)系統(tǒng)或處理器將可以通過(guò)對(duì)由勵(lì)磁線圈的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的基于時(shí)間的信號(hào)實(shí)施傅里葉變換而同時(shí)測(cè)量來(lái)自所有傳感器的信號(hào)(圖3b)。在任一情況中，傳感器都可以通過(guò)接收器連接至計(jì)算機(jī)/處理器，計(jì)算機(jī)/處理器將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成致動(dòng)器在三維空間中的實(shí)時(shí)位置和形態(tài)圖譜(map)。因?yàn)槊總€(gè)發(fā)射器發(fā)射不同頻率的信號(hào)，由此形成的基于時(shí)間的場(chǎng)測(cè)量由于所有的單獨(dú)發(fā)射器信號(hào)的干擾而是一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)。依然地，因?yàn)楦道锶~變換能夠?qū)⒃搹?fù)雜的基于時(shí)間的信號(hào)轉(zhuǎn)化成信號(hào)的功率譜圖，所以易于區(qū)分所測(cè)量的來(lái)自機(jī)器人上的不同發(fā)射器的強(qiáng)度。對(duì)于給定的信號(hào)，功率譜給出信號(hào)功率(單位時(shí)間的能量)的落入給定的頻率窗口中的那部分的圖。因?yàn)槊總€(gè)頻率對(duì)應(yīng)于機(jī)器人上的特定發(fā)射器，所以該功率譜實(shí)際上是針對(duì)機(jī)器人上的每個(gè)位置的信號(hào)功率的圖。接下來(lái)，因?yàn)獒槍?duì)給定位置的功率與發(fā)射器和接收器之間的距離成比例，所以該功率譜能夠用于確定接收器和在機(jī)器人上的每個(gè)發(fā)射器之間的距離。

壓力傳感器

用于確定軟體致動(dòng)器或軟體機(jī)器人的狀態(tài)的另一替代方案是使用壓力傳感器的網(wǎng)絡(luò)，壓力傳感器連接至或嵌入至多腔室軟體機(jī)器人的每個(gè)氣動(dòng)腔室(圖4a-4b)。軟體致動(dòng)器403具有嵌入式壓力傳感器401和多個(gè)氣動(dòng)腔室。傳感器401可以嵌入在氣動(dòng)腔室(未示出)中，并因此提供氣動(dòng)腔室內(nèi)部的壓力的信息。傳感器可以用于在軟體致動(dòng)器未被致動(dòng)時(shí)(圖4a，403)以及在軟體致動(dòng)器被致動(dòng)時(shí)(在圖4b中示出為403’，傳感器示出為傳感器401’)提供關(guān)于氣動(dòng)腔室內(nèi)部的壓力的信息。在任一情況中，來(lái)自傳感器的壓力讀出值都可以被聯(lián)接/饋送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)/處理器，以使壓力信息與軟體致動(dòng)器的形態(tài)相關(guān)聯(lián)(例如，通過(guò)使用已知模擬數(shù)據(jù)的在先測(cè)量值)。因此，通過(guò)知曉每個(gè)腔室的壓力，可以通過(guò)執(zhí)行fea分析或通過(guò)使用經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的查找表來(lái)確定軟體致動(dòng)器或軟體機(jī)器人的形態(tài)，所述查找表包含每個(gè)腔室的隨壓力變化的致動(dòng)程度。在一些實(shí)施例中，由壓力傳感器獲得的信息被進(jìn)一步傳遞至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)來(lái)自傳感器的讀出值調(diào)節(jié)流體充脹壓力。

用于執(zhí)行軟體設(shè)備的形態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量的一個(gè)重要應(yīng)用是補(bǔ)償設(shè)備的充脹行為的遲滯。例如，當(dāng)軟體致動(dòng)器被充脹至給定的壓力y、之后被充脹至新壓力x(其中，x>y)、并且之后再充脹至壓力y時(shí)，根據(jù)條件，有時(shí)觀察到在第二次充脹至y時(shí)發(fā)生更大程度的致動(dòng)。對(duì)于其中該遲滯效應(yīng)顯著的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，知曉供應(yīng)至軟體設(shè)備的壓力不足以確定其形態(tài)。在這些情況下，可以使用幫助測(cè)量獨(dú)立于壓力的參數(shù)的傳感器或標(biāo)記物(例如，應(yīng)變傳感器、磁性標(biāo)記物、led標(biāo)記物等等)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定軟體致動(dòng)器或機(jī)器人的形態(tài)。這樣的傳感器系統(tǒng)可以用于確保不管設(shè)備記憶的過(guò)去充脹如何均可實(shí)現(xiàn)軟體設(shè)備的期望形態(tài)。

力傳感器

在一些實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備是軟體夾持器。在一些實(shí)施例中，軟體機(jī)器人設(shè)備(例如，軟體夾持器)包括用于軟體設(shè)備/機(jī)器人的狀態(tài)估計(jì)的力傳感器。如本文所描述的，如果軟體致動(dòng)器正與物體接觸，知曉用于充脹致動(dòng)器的空氣的壓力和體積可能不具有足夠的信息來(lái)知曉致動(dòng)器的形態(tài)。在該情況下，可以使用關(guān)于用于充脹致動(dòng)器的空氣的充脹壓力和體積的數(shù)據(jù)并結(jié)合來(lái)自致動(dòng)器的表面上的力傳感器的讀數(shù)來(lái)確定致動(dòng)器的形態(tài)。壓力、空氣流和力信息的這種組合對(duì)于控制軟體機(jī)器人夾持器來(lái)說(shuō)將是重要的。

當(dāng)前，構(gòu)建用于操縱精細(xì)物體的夾持器(或末端執(zhí)行器)被認(rèn)為是有挑戰(zhàn)性的。這部分地是由于使用了由諸如用于構(gòu)建手指的金屬或塑料的材料制成的傳統(tǒng)夾持器。這些材料是非順應(yīng)的，這導(dǎo)致在手指與正夾持的物體之間產(chǎn)生極小的接觸面積，從而產(chǎn)生可以破壞物體的大的力集中的點(diǎn)。一種規(guī)避該問(wèn)題的方式是構(gòu)建高度關(guān)節(jié)化的手指，從而允許手指與物體相符地接觸，并且將傳感器嵌入在手指中，以使得計(jì)算機(jī)可以在手指的硬體區(qū)段之一對(duì)物體施加過(guò)大的力之前停止手指。這樣的策略是有效的，但是也存在問(wèn)題，因?yàn)樗彩沟脢A持器更復(fù)雜和更昂貴。軟體夾持器更好地適用于操縱精細(xì)物體，因?yàn)檐涹w夾持器由軟材料制成。然而，在一些情況下，即使是軟體夾持器也可能對(duì)精細(xì)物體施加過(guò)大的力。因此，將力傳感器集成到軟體夾持器中是有用的，其能夠結(jié)合控制系統(tǒng)使用，該控制系統(tǒng)防止施加給物體的力上升超過(guò)設(shè)定的閾值力。在某些實(shí)施例中，控制系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)來(lái)自傳感器的壓力讀出值來(lái)調(diào)節(jié)流體充脹壓力、并因此調(diào)節(jié)夾持壓力和軟體本體的剛度。力傳感器的敏感性是可變的并且可以被設(shè)計(jì)成檢測(cè)在一定量級(jí)范圍內(nèi)的力。在某些實(shí)施例中，力數(shù)據(jù)可以被用作反饋系統(tǒng)的一部分，該反饋系統(tǒng)允許產(chǎn)生用于夾持器的定制夾持分布。用于各種物體的可接受的力分布在本領(lǐng)域是已知的，為此，可以使用同一軟體夾持器來(lái)操縱多種物體。例如，可以使用本文描述的軟體夾持器以操縱西紅柿、魚塊和牛奶盒以便在雜貨店裝填購(gòu)物袋。在外科手術(shù)時(shí)，可以使用本文描述的軟體機(jī)器人夾持器(例如，牽開(kāi)器)以牽開(kāi)腸、肌肉和筋膜。

圖9示出了具有集成的力傳感器的軟體夾持器901。夾持器901包括：柔軟的彈性體本體910，該彈性體本體包括通過(guò)入口903連接至流體源的多個(gè)腔室905；應(yīng)變受限層909；和用于感測(cè)用于夾持易碎物體907的力的兩個(gè)力傳感器909。在某些實(shí)施例中，這些力傳感器可以結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器使用，以確保絕對(duì)不將過(guò)大的力施加至正夾持的物體，從而防止損壞物體。例如，控制器可以用于控制用于充脹腔室905的流體的量并因此控制用于夾持物體的力。

在其它實(shí)施例中，力傳感器可以用于軟體機(jī)器人上的“夾持檢測(cè)”。特別地，一個(gè)或多個(gè)力傳感器可以被包含在軟體機(jī)器人手的手指上，并且告知手指是否已經(jīng)與手指試圖夾持的物體相接觸、而不是僅僅卷曲空的空間并因此什么也沒(méi)抓到。該類型的探測(cè)非常重要，因?yàn)槿绻麤](méi)有夾持到物體，其不能夠向前移動(dòng)并且進(jìn)行與那個(gè)物體相關(guān)的操作。

下面描述形成用于軟體機(jī)器人的力傳感器的幾種示例性方式：

1)：可以在軟體手指的末端處將傳統(tǒng)的氣壓傳感器澆鑄到彈性體中。robertd.howe及其同事示出了常規(guī)測(cè)量空氣壓力的氣壓傳感器可以被制成能夠測(cè)量施加至彈性體塊上的力的嵌入式傳感器。參見(jiàn)例如，“thefeelofmemsbarometers:inexpensiveandeasilycustomizedtactilearraysensors”,robotics&automationmagazine,ieee(第21卷，第3期，第89-95頁(yè)，2014年)。在這些實(shí)施例中，傳感器可以放置在未固化的彈性體中并且被真空除氣，使得傳感器內(nèi)部的空氣被未固化的彈性體取代。接下來(lái)，傳感器被嵌入到用于接觸物體的軟體手指的表面上的彈性體中。

2)：可以將軟體電容器澆鑄到軟體手指的末端中，使用該電容器作為施加壓力傳感器。軟體電容器先前已經(jīng)由在harvardseas的zhigangsuo制出，申請(qǐng)人在較早的時(shí)候在本申請(qǐng)中的軟體應(yīng)變傳感器部分中提到過(guò)。電容器通過(guò)將作為介電層的彈性體隔離層夾在彈性體導(dǎo)體的層之間來(lái)制成。在該情況下，不是通過(guò)伸長(zhǎng)軟體電容器而把軟體電容器用作應(yīng)變傳感器，而是將通過(guò)壓縮軟體電容器而把軟體電容器用作壓力傳感器。壓縮將使彈性體導(dǎo)體的兩個(gè)層之間的彈性體電隔離層變薄，從而產(chǎn)生可測(cè)電容變化。

3)：在其它實(shí)施例中，可以使用典型作為可極小延伸的薄片設(shè)備被售賣的“力感測(cè)電阻器(fsr)”(參見(jiàn)en.wikipedia.org/wiki/force-sensing_resistor)?？梢詫sr附接至軟體致動(dòng)器的應(yīng)變限制層或彈性體本體。fsr可以利用膠合劑附接至應(yīng)變限制層、包覆模制在應(yīng)變限制層上、附接至織物(或者“工程級(jí)紡織品”)并接著將織物放置在致動(dòng)器上、或者因?yàn)閒sr僅僅是可極小延伸的，它能夠起作為致動(dòng)器的應(yīng)變限制層和作為傳感器的雙重作用。只要fsr位于應(yīng)變限制層的中性彎曲平面上，fsr僅僅可極小延伸的事實(shí)就不應(yīng)會(huì)妨礙致動(dòng)器的操作。關(guān)于柔性電子器件和軟體致動(dòng)器的集成的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)描述在美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)62,040/905中，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)援引明確地并入。

4)：在其它實(shí)施例中，描述了軟體力感測(cè)電阻器。填充有傳導(dǎo)液體(比如碳脂)的流體通道可以嵌入在軟體手指的末端中，并且當(dāng)沿著通道的點(diǎn)被壓縮時(shí)，通道將在那個(gè)區(qū)域變細(xì)，從而產(chǎn)生所測(cè)量的通道的端對(duì)端電阻的變化。

慣性測(cè)量單元作為傳感器

在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)慣性測(cè)量單元(imu)可以用于測(cè)量軟體致動(dòng)器或軟體機(jī)器人的狀態(tài)。imu是電子設(shè)備，其使用加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)的組合來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備在三維空間中的定位和取向。在一個(gè)示例中，在致動(dòng)器末端處或附近的imu可以提供關(guān)于致動(dòng)器末端相對(duì)于其起始位置的角度和取向。因?yàn)橹聞?dòng)器的尺寸和imu在設(shè)備上的放置是已知的(例如，從基部到末端imu的距離)，所以能夠從imu數(shù)據(jù)推斷出致動(dòng)器的狀態(tài)。

通過(guò)知曉諸如imu的初始位置、速度和取向的數(shù)據(jù)，可以使用imu的傳感器讀數(shù)(比如來(lái)自imu的加速度計(jì)的其加速度測(cè)量值和來(lái)自imu的陀螺儀的其取向測(cè)量值)來(lái)估計(jì)在以后某時(shí)刻的imu的狀態(tài)。該處理已知為航位推測(cè)法。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于imu讀數(shù)中潛在的不精確性，其預(yù)測(cè)的imu的當(dāng)前狀態(tài)將隨著從imu處于已知狀態(tài)開(kāi)始的時(shí)間的增加而變得越來(lái)越不精確。因此，使用航位推測(cè)法的系統(tǒng)通常周期性地進(jìn)入已知狀態(tài)，以提供用于航位推測(cè)算法的新的校準(zhǔn)點(diǎn)。在軟體致動(dòng)器的情況下，可以使用致動(dòng)器未充脹時(shí)的狀態(tài)作為致動(dòng)器的校準(zhǔn)點(diǎn)，并且在致動(dòng)周期期間僅收集用于狀態(tài)估計(jì)的數(shù)據(jù)。這將極大地提高能夠利用imu完成的狀態(tài)估計(jì)的質(zhì)量。

因此，如圖10所示，軟體機(jī)器人設(shè)備(例如，夾持器1001)包含附接至設(shè)備的表面的兩個(gè)imu1002。在其松弛的未致動(dòng)狀態(tài)1003中(虛線)，夾持器不與物體1009接觸。當(dāng)夾持器處于其致動(dòng)狀態(tài)1005中時(shí)(實(shí)線)，夾持器的本體沿著箭頭方向移動(dòng)并夾持物體1009。軟體夾持器卷曲時(shí)的來(lái)自末端imu的數(shù)據(jù)將與軟體夾持器處于其休止?fàn)顟B(tài)時(shí)的來(lái)自末端imu的數(shù)據(jù)截然不同(圖10)。

imu數(shù)據(jù)還可以用于推斷關(guān)于正夾持的物體的信息或者推斷致動(dòng)器是否有功能故障。例如，未受妨礙的軟體致動(dòng)器對(duì)于給定的輸入壓力來(lái)說(shuō)具有非?？深A(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)路徑，imu能夠記錄該運(yùn)動(dòng)路徑。在給定壓力下與期望的運(yùn)動(dòng)路徑的偏離可以用于推斷妨礙致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)的物體的大小/形狀以及被施加至物體的力。此外，如果未受妨礙的致動(dòng)器由imu測(cè)量到產(chǎn)生了不期望的運(yùn)動(dòng)路徑，則這將向控制器和操作者預(yù)示致動(dòng)器有功能故障。

當(dāng)致動(dòng)器在自由空間中被加壓時(shí)，在致動(dòng)壓力和致動(dòng)器曲率之間存在廣為熟知的關(guān)系。如果物體妨礙致動(dòng)器的路徑，則致動(dòng)器將不能完成其彎曲運(yùn)動(dòng)，而是將按壓在處于其路徑中的物體上。如果夾持器擁有可以包圍物體的多個(gè)手指并且所有那些手指都具有imu，則可以確定每個(gè)致動(dòng)器的形狀，可以將imu位置讀數(shù)的集合處理為正夾持的物體的外部輪廓的測(cè)量值。如果致動(dòng)器上的imu顯示致動(dòng)器在致動(dòng)周期期間正運(yùn)動(dòng)通過(guò)不規(guī)則的路徑、但嵌入在手指中的力傳感器沒(méi)有測(cè)量到施加的手指力的變化，則這將意味著路徑的變化不是由于手指與物體的接觸而引起的。這更可能是存在手指自身的變化，且潛在地，該變化可能是手指失效的跡象。例如，爆開(kāi)(popped)的手指在加壓時(shí)將仍然致動(dòng)，但是致動(dòng)的程度將小于未爆開(kāi)的手指。因此，如果加壓機(jī)器人的一個(gè)手指且該手指僅彎曲到期望的一半，則該手指要么是碰到了物體、要么是其爆開(kāi)了。

imu還已經(jīng)被證實(shí)對(duì)于測(cè)量生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)是有用的，無(wú)需外部運(yùn)動(dòng)捕捉裝備。imu和軟體致動(dòng)器的組合能夠用在復(fù)原和輔助應(yīng)用中。例如，如圖11所示，對(duì)于從關(guān)節(jié)手術(shù)或從受傷中恢復(fù)的人來(lái)說(shuō)，應(yīng)用至諸如膝蓋的關(guān)節(jié)的軟體致動(dòng)器1101能夠用于執(zhí)行連續(xù)的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)鍛煉。致動(dòng)器1101包含連接至其腔室的加壓流體管線1103、彈性帶1105和imu1107。一個(gè)或多個(gè)imu1107可以放置在關(guān)節(jié)上或者關(guān)節(jié)周圍以追蹤由軟體致動(dòng)器生成的運(yùn)動(dòng)，控制器可以使用該數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定產(chǎn)生用于軟體致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)范圍的限制(圖11，該圖的左側(cè)部分示出了處于松弛狀態(tài)的致動(dòng)器1101，該圖的右側(cè)部分示出了處于致動(dòng)狀態(tài)的致動(dòng)器1101’)。應(yīng)當(dāng)注意的是，相同的構(gòu)思可以應(yīng)用于所有的關(guān)節(jié)，包括踝關(guān)節(jié)、肩部、肘部、腕關(guān)節(jié)、手指、頸部、髖部、腳趾等等)。此外，對(duì)于具有多自由度的關(guān)節(jié)來(lái)說(shuō)，比如踝關(guān)節(jié)、髖部、肩部、腕關(guān)節(jié)，將需要多個(gè)致動(dòng)器以支撐這些范圍的運(yùn)動(dòng)，并且該運(yùn)動(dòng)仍能夠由一個(gè)或多個(gè)imu捕捉。

在此使用的連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(cpm)設(shè)備指的是在軟組織手術(shù)程序或創(chuàng)傷之后的復(fù)原的第一階段期間使用的設(shè)備。復(fù)原的第一階段的目標(biāo)是：控制手術(shù)后的疼痛，減少炎癥，提供在特定運(yùn)動(dòng)平面中的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以及保護(hù)愈合修復(fù)或組織。cpm由cpm設(shè)備執(zhí)行，其使關(guān)節(jié)在受控的運(yùn)動(dòng)范圍中恒定地運(yùn)動(dòng)；準(zhǔn)確的范圍依賴于關(guān)節(jié)，但是在大多數(shù)情況下，運(yùn)動(dòng)范圍隨著時(shí)間而增加。對(duì)于本文描述的軟體機(jī)器人cpm設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以使用軟體致動(dòng)器來(lái)執(zhí)行關(guān)節(jié)的恒定運(yùn)動(dòng)任務(wù)。因?yàn)樵诳祻?fù)鍛煉期間控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍是至關(guān)重要的，所以可以使用安裝在機(jī)器人上的imu來(lái)追蹤關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，以確保軟體致動(dòng)器不使關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到期望的運(yùn)動(dòng)范圍之外。又因?yàn)閕mu需要周期性的校準(zhǔn)以保持航位推測(cè)狀態(tài)預(yù)測(cè)的精確性，所以將需要將運(yùn)動(dòng)范圍中的某點(diǎn)限定為校準(zhǔn)點(diǎn)。為此，可以將一個(gè)imu放置在關(guān)節(jié)的任一側(cè)上，這樣關(guān)節(jié)的完全打開(kāi)狀態(tài)或完全閉合狀態(tài)可以用作校準(zhǔn)點(diǎn)，因?yàn)閷?duì)于患者來(lái)說(shuō)再現(xiàn)這些位置將是容易的并且因此再現(xiàn)imu之間的相對(duì)距離也將是容易的。如果這些關(guān)節(jié)的位置處于所討論的用于治療的期望運(yùn)動(dòng)范圍之外，則可以構(gòu)建外部固定裝置，外部固定裝置將在每個(gè)校準(zhǔn)步驟之前以已知的角度放置關(guān)節(jié)。

在某些實(shí)施例中，描述了包含控制系統(tǒng)和帶有一個(gè)或多個(gè)imu的軟體機(jī)器人的軟體機(jī)器人系統(tǒng)。imu運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)還可以用于在激活軟體致動(dòng)器時(shí)通知控制系統(tǒng)。這對(duì)于能夠啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)、但難以完成運(yùn)動(dòng)任務(wù)的患者來(lái)說(shuō)可能是有用的。在這種情形下，imu和控制器可以檢測(cè)用戶何時(shí)達(dá)到他的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)范圍的限制，并且命令可穿戴的軟體致動(dòng)設(shè)備提供輔助力以完成運(yùn)動(dòng)任務(wù)。因此，通過(guò)使用處理器監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)傳感器讀出值(例如，軟體機(jī)器人的位置)，可以估計(jì)或評(píng)估軟體機(jī)器人的狀態(tài)。

溫度傳感器(熱傳感器)

在一些實(shí)施例中，描述了具有一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器的軟體機(jī)器人或軟體致動(dòng)器。溫度傳感器可以嵌入在軟體機(jī)器人或軟體致動(dòng)器的應(yīng)變限制層或氣動(dòng)層中。在其它實(shí)施例中，溫度傳感器可以附接至軟體機(jī)器人或軟體致動(dòng)器的應(yīng)變限制層或氣動(dòng)層的表面。在某些實(shí)施例中，溫度傳感器包含在氣動(dòng)層內(nèi)部，以測(cè)量氣動(dòng)層內(nèi)部的氣體或流體的溫度。

可以使用在本領(lǐng)域中已知的任何溫度傳感器。溫度傳感器的非限制性示例包括熱敏電阻、電阻式溫度檢測(cè)器和熱電偶。

彈性體材料的機(jī)械性能(比如剛度)與溫度關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)。溫度的變化能夠可逆地或者永久地改變軟體致動(dòng)器的物理行為。嵌入到或附接到軟體致動(dòng)器的溫度傳感器可以檢測(cè)在致動(dòng)器的構(gòu)造中使用的彈性體材料的工作溫度的變化，并且基于微處理器的控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)用于致動(dòng)所述致動(dòng)器的流體壓力，以補(bǔ)償彈性體的機(jī)械性能的變化。例如，因?yàn)閺椥泽w的剛度隨著溫度而變化，所以軟體致動(dòng)器將需要不同的充脹壓力以在不同的溫度下實(shí)現(xiàn)給定的致動(dòng)形狀。在某些實(shí)施例中，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成使用溫度數(shù)據(jù)，以便確保不管其溫度如何都根據(jù)需要調(diào)節(jié)致動(dòng)壓力而使軟體致動(dòng)器充脹至相同的形狀。

在某些實(shí)施例中，可以測(cè)量致動(dòng)器內(nèi)部的溫度以確定溫度是否處于構(gòu)成致動(dòng)器的彈性體的安全工作范圍之外，從而觸發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)停。例如，如果致動(dòng)器的溫度低于某一閾值(對(duì)于硅酮來(lái)說(shuō)，典型低于-100℃)，彈性體將變脆。所以，充脹致動(dòng)器可能會(huì)導(dǎo)致致動(dòng)器的破裂，從而毀壞機(jī)器人。在圖12中示出了包括多個(gè)熱傳感器1203的軟體機(jī)器人1201。

因?yàn)檐涹w致動(dòng)器的表面在致動(dòng)期間發(fā)生應(yīng)變，所以傳感器之間的相對(duì)距離將不保持固定。如果打算使用依賴于分析在整個(gè)分布式傳感器陣列上的信號(hào)強(qiáng)度的梯度的方法，則在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器之間的相對(duì)距離的該變化將使確定所關(guān)注的信號(hào)的方向復(fù)雜化。為了使該問(wèn)題最小化，在某些實(shí)施例中，傳感器的空間分布網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用至軟體機(jī)器人的應(yīng)變限制層(例如，嵌入在應(yīng)變限制層中或者附接到應(yīng)變限制層的表面)，因?yàn)閼?yīng)變限制層是軟體機(jī)器人的在致動(dòng)期間經(jīng)受最小應(yīng)變的部分。

體積傳感器

在一些實(shí)施例中，描述了具有一個(gè)或多個(gè)體積傳感器的軟體機(jī)器人或軟體致動(dòng)器。體積傳感器可以嵌入在軟體機(jī)器人或軟體致動(dòng)器的腔室中，并且構(gòu)造成測(cè)量流到腔室中的流體的體積。在其它實(shí)施例中，軟體機(jī)器人或軟體致動(dòng)器是軟體機(jī)器人系統(tǒng)的一部分，軟體機(jī)器人系統(tǒng)包括處理器和控制系統(tǒng)中的至少一者。處理器構(gòu)造成接收來(lái)自體積傳感器的數(shù)據(jù)讀出值。根據(jù)讀出值的解讀，處理器可以將指令發(fā)送至控制系統(tǒng)，以降低或停止更多體積的流體進(jìn)入到腔室中。因此，來(lái)自體積傳感器的讀出值可以作為用于軟體機(jī)器人的腔室的加壓狀態(tài)的指示器。

能夠夾持的軟體機(jī)器人(軟體手)

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，能夠致動(dòng)的電子軟體機(jī)器人可以通過(guò)使用模制處理來(lái)制備?？裳由斓膹椥泽w材料被澆鑄到模具中，以生成柔性的和可伸展的氣動(dòng)、液壓或真空致動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在一側(cè)上背襯有不可延伸的或可極小延伸的應(yīng)變受限層，該應(yīng)變受限層將電子器件結(jié)合到應(yīng)變受限層中。在一些實(shí)施例中，應(yīng)變受限層比彈性體本體具有更大的剛度或更小的可伸展性，其剛度比彈性體本體大超過(guò)10％、20％、>50％、>100％、或>500％、或者在這里提及的任意值界定的任意范圍內(nèi)。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，電子器件包括應(yīng)變傳感器，應(yīng)變傳感器允許監(jiān)測(cè)在致動(dòng)期間由軟體機(jī)器人經(jīng)受的應(yīng)變。例如，電子軟體機(jī)器人可以包括具有模仿人手的運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器的機(jī)器人，軟體機(jī)器人可以裝備有應(yīng)變傳感器，該應(yīng)變傳感器測(cè)量致動(dòng)器在致動(dòng)期間的曲率。

軟體機(jī)器人的一個(gè)有前途的應(yīng)用是出于創(chuàng)作軟假體目的而創(chuàng)作軟體機(jī)器手或者創(chuàng)作用于協(xié)作機(jī)器人的手。軟體手與電子傳感器集成，以創(chuàng)作能夠感測(cè)軟體手與其正夾持的物體交互作用的手。

圖5a和5b示出了用于制造具有嵌入式曲率傳感器的軟體氣動(dòng)手狀?yuàn)A持器的程序。通過(guò)將ecoflex硅酮預(yù)聚物澆鑄在塑料模具中，使用軟刻蝕技術(shù)制造氣動(dòng)致動(dòng)層，所述塑料模具通過(guò)三維打印技術(shù)產(chǎn)生。應(yīng)變傳感器是位于聚酯/纖維素混合紙張片材上的壓阻應(yīng)變傳感器。包含壓阻傳感器的柔性電子應(yīng)變限制層使用如圖5a所示的三步驟工藝來(lái)制備。首先，利用膠帶將鋁電極附接至紙張片材上。接下來(lái)，使用鏤空掩模打印由炭黑和聚二甲基硅氧烷聚合物sylgard184(c-pdms)的混合物制成的曲率傳感器，其與鋁電極部分地重疊。c-pdms線在100℃下固化10分鐘。最后，通過(guò)將ecoflex聚合物致動(dòng)層放置在紙基柔性電子應(yīng)變限制層的頂部上并使用ecoflex預(yù)聚物來(lái)結(jié)合兩個(gè)部件來(lái)完成手狀致動(dòng)器的組裝。整個(gè)紙張接收薄的ecoflex硅酮預(yù)聚物涂層，以將紙張轉(zhuǎn)化成氣密復(fù)合物。在60攝氏度下整體固化1小時(shí)之后，利用剪刀裁剪過(guò)量的紙張和聚合物。

在圖6a-6m中示出了該手的操作。圖6a是示出了在可延伸的彈性體層中的氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的手狀軟體機(jī)器人的俯視照片。圖6b是示出了具有打印壓阻傳感器的應(yīng)變受限層的手狀軟體機(jī)器人的仰視照片。手指致動(dòng)器能夠獨(dú)立地操作、或者一起地操作，以實(shí)施人手的典型運(yùn)動(dòng)。圖6h-6m例如展示了手狀軟體機(jī)器人撿起雞蛋的能力。

打印在夾持器的應(yīng)變限制層上的壓阻c-pdms傳感器允許感測(cè)操作期間每個(gè)手指的曲率。當(dāng)夾持器的手指在加壓時(shí)彎曲的時(shí)候，其曲率傳感器伸展。該伸展降低了傳感器的滲流網(wǎng)絡(luò)的連通性，從而增大其電阻。應(yīng)變限制層中的紙張?jiān)谥行詮澢矫娓浇?中性平面是梁中梁材料不受應(yīng)力所在的表面)。因?yàn)閭鞲衅鞅淮蛴≡诩垙埖拿鎸?duì)較少延伸的層的那側(cè)上的中性彎曲平面之上，所以傳感器在致動(dòng)期間經(jīng)受拉伸力。如果傳感器被打印在相反一側(cè)上，則傳感器將在致動(dòng)期間經(jīng)受壓縮力，導(dǎo)致傳感器的電阻下降。在釋放氣動(dòng)通道的壓力之后，c-pdms傳感器完全恢復(fù)其初始形狀和電阻。應(yīng)變傳感器的電阻可以被監(jiān)測(cè)，并且可以與由每個(gè)手指致動(dòng)器經(jīng)受的曲率的量相關(guān)聯(lián)。每個(gè)手指致動(dòng)器可以被獨(dú)立地監(jiān)測(cè)。圖7a-7e是對(duì)于手狀軟體致動(dòng)器的每個(gè)手指致動(dòng)器的電阻-曲率曲線(用方形數(shù)據(jù)點(diǎn)繪出)。這是在能夠承受中等應(yīng)變的應(yīng)變受限層上的電子器件的示例。實(shí)際上，中等應(yīng)變用于其感測(cè)能力。

電子軟體機(jī)器人的屬性在于：電子電路能夠是強(qiáng)健的，并且在應(yīng)變或被壓時(shí)能抵抗功能故障。該特征在許多應(yīng)用中是有吸引力的，在這些應(yīng)用中，機(jī)器人意圖在有害條件下或者在沒(méi)有直接人類監(jiān)督的情形下操作。圖7a-7e示出了柔性電子器件的性能在利用錘子重復(fù)撞擊之后未改變(利用圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)繪出的數(shù)據(jù))。因此，這些柔性電子器件能夠在一些將使用軟體致動(dòng)器的苛刻環(huán)境中生存。

在一些實(shí)施例中，傳感器自身是柔性的和可伸展的(“軟的”)，并且因此能夠隨著軟體機(jī)器人的彎曲而彎曲和伸展且仍在軟體機(jī)器人設(shè)備的致動(dòng)范圍內(nèi)保持其適當(dāng)?shù)母袦y(cè)功能。在某些實(shí)施例中，參照?qǐng)D8a-8d描述了具有附著的軟體應(yīng)變傳感器的軟體致動(dòng)器。圖8a示出了具有附著的軟體應(yīng)變傳感器的軟體致動(dòng)器，軟體應(yīng)變傳感器由彈性體、碳脂電阻器和在這里稱為e片的鋼絲絨電引線制成。圖8a的頂部部分示出了具有空氣入口管線802和軟體應(yīng)變傳感器803的軟體致動(dòng)器801，軟體應(yīng)變傳感器附接至軟體機(jī)器人的彈性體本體的頂表面。圖8b的底部部分示出了同一致動(dòng)器801的側(cè)視圖，包括由封裝了碳脂電阻器805的彈性體和在這里被稱為e片(807)的鋼絲絨電引線制成的傳感器803的放大部分。

圖8b示出了在軟體致動(dòng)器充脹時(shí)(示出為彎曲的軟體致動(dòng)器801’)傳感器803中的碳脂通道的變細(xì)和伸長(zhǎng)。圖8c示出了處于其未充脹狀態(tài)的軟體設(shè)備801的照片，其電阻測(cè)量值為38.0kω。圖8d示出了處于其充脹狀態(tài)的軟體設(shè)備801的照片，由該圖像的右下側(cè)中的屏幕上示出的電阻增加(現(xiàn)在為91.2kω)所指示。因此，來(lái)自傳感器的電阻讀出值可以被處理或被饋送至處理器，該處理器將傳感器的電阻與軟體機(jī)器人的本體的應(yīng)變狀態(tài)和/或曲率相關(guān)聯(lián)。

軟體機(jī)器人系統(tǒng)

在一些實(shí)施例中，描述了軟體機(jī)器人系統(tǒng)，其包括本文描述的帶有一個(gè)或多個(gè)傳感器的軟體機(jī)器人以及處理器和控制系統(tǒng)中的至少一者。因此，在一些實(shí)施例中，軟體機(jī)器人系統(tǒng)包括：軟體機(jī)器人，所述軟體機(jī)器人包括：彈性體本體，彈性體本體具有布置在彈性體本體中的一個(gè)腔室或多個(gè)互連的腔室以及加壓入口，加壓入口構(gòu)造成接收用于所述一個(gè)腔室或所述多個(gè)互連的腔室的流體；至少一個(gè)傳感器，所述傳感器構(gòu)造成檢測(cè)物理、化學(xué)或電子信號(hào)；以及處理器和控制系統(tǒng)中的至少一者，所述處理器構(gòu)造成可操作地聯(lián)接至傳感器，以接收來(lái)自傳感器的讀出值并解讀該讀出值；所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)由一個(gè)或多個(gè)傳感器生成的讀出值或者處理器對(duì)讀出值的解讀來(lái)控制軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

參照?qǐng)D13描述軟體機(jī)器人系統(tǒng)的操作的非限制性示例。在步驟1301，傳感器感測(cè)與軟體機(jī)器人的狀態(tài)相關(guān)的物理、化學(xué)或電學(xué)特性并產(chǎn)生信號(hào)。隨后在步驟1302，信號(hào)通過(guò)有線或者無(wú)線被傳遞到處理器。處理器接收并解讀信號(hào)，以獲得關(guān)于軟體機(jī)器人的狀態(tài)的信息(步驟1303)。在某些實(shí)施例中，根據(jù)通過(guò)傳感器獲得的信息，用戶和/或處理器可以使用讀出值估計(jì)機(jī)器人的狀態(tài)。處理器可以使用任何已知的數(shù)據(jù)擬合方法。最后，控制系統(tǒng)接收關(guān)于軟體機(jī)器人的狀態(tài)的信息，并且根據(jù)需要，改變軟體機(jī)器人的狀態(tài)。

能夠移動(dòng)的軟體機(jī)器人

參照?qǐng)D14a-14c示出了軟體機(jī)器人的實(shí)施例。圖14a示出了在玻璃板下面爬行的軟體機(jī)器人的照片。圖14b(在左側(cè))示出了包含軟體致動(dòng)器1401的圖41a中示出的機(jī)器人的頂層上的氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的圖示；圖14b(在右側(cè))示出了圖14a中示出的在機(jī)器人的底部上的應(yīng)變限制層1402的圖示。圖14c示出了在軟體機(jī)器人的應(yīng)變限制層上的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖示，其包括處理單元1405、傳感器1403以及連接傳感器1403和處理單元1405的蜿蜒狀線1407。這是基于信號(hào)強(qiáng)度梯度的檢測(cè)方法，該方法能夠確定從哪個(gè)方向信號(hào)被發(fā)射。因此，單個(gè)信號(hào)能夠由空間分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量。因?yàn)樾盘?hào)強(qiáng)度隨著距離信號(hào)源的距離而變化，所以可以使用在整個(gè)分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)上的測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度的梯度來(lái)確定信號(hào)傳來(lái)的方向。例如，可以使用分布式麥克風(fēng)網(wǎng)絡(luò)確定聲音傳來(lái)的方向。在該示例中，最靠近聲源的麥克風(fēng)將測(cè)量最高強(qiáng)度的聲頻信號(hào)、而最遠(yuǎn)離聲源的麥克風(fēng)將測(cè)量最低強(qiáng)度的聲頻信號(hào)。這些麥克風(fēng)接下來(lái)將把它們的強(qiáng)度測(cè)量值發(fā)送至處理器以便分析。該處理器將使用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的強(qiáng)度測(cè)量值并結(jié)合其對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有麥克風(fēng)之間的相對(duì)距離的知曉兩者來(lái)確定聲音源自哪個(gè)方向。

除非本文另有限定、使用、或特征描述，本文所使用的術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))將被解釋為具有與它們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域的背景中被接受的意思相一致的意思，并且不被以理想的或過(guò)于正式的意思進(jìn)行解釋，除非本文明確地限定。例如，如果提及特定組成，則該組成可以大體上是純的，盡管不是完全純的，如實(shí)際和不完美現(xiàn)實(shí)中可能的那樣；例如，至少微量的雜質(zhì)(例如，小于1％或2％)的潛在存在可以理解為落入本說(shuō)明書的范圍內(nèi)；類似地，如果提及特定形狀，則該形狀被解釋為包括偏離理想形狀的不完美變形，例如，由于制造公差引起的。本文表述的百分比或濃度可以表示重量或者體積。

盡管術(shù)語(yǔ)第一、第二、第三等等可以在此用于描述各個(gè)元件，但是這些元件不受限于這些術(shù)語(yǔ)。這些術(shù)語(yǔ)只是用于區(qū)分各個(gè)元件。因此，下文討論的第一元件可以被稱作第二元件而不偏離示例性實(shí)施例的教導(dǎo)?？臻g關(guān)系術(shù)語(yǔ)，比如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等等，可以在此是為了便于描述而使用的，用以描述一個(gè)元件與另一個(gè)元件之間的關(guān)系，如附圖所示。將理解的是，除了本文描述以及附圖中示出的取向之外，空間關(guān)系術(shù)語(yǔ)以及示出的構(gòu)造意圖還涵蓋裝置在使用或操作時(shí)的不同取向。例如，如果附圖中的裝置被顛倒，則描述為在其它元件或特征之“下”或“下方”的元件將定向成在該其它元件或特征之“上”。因此，示例性術(shù)語(yǔ)“上”可以涵蓋上和下兩個(gè)取向。裝置可以具有其它取向(例如，旋轉(zhuǎn)90度或者其它取向)，并且本文中使用的空間相關(guān)描述符相應(yīng)地進(jìn)行解釋。另外，在本公開(kāi)中，當(dāng)元件被稱為在另一元件“上”、“連接至”另一元件、“聯(lián)接至”另一元件、與另一元件“接觸”等等時(shí)，它可以直接在另一元件上、直接連接至另一元件、直接聯(lián)接至另一元件、或者直接與另一元件接觸，或者可以存在中間介入元件，除非另有說(shuō)明。

本文使用的術(shù)語(yǔ)是出于描述特定實(shí)施例的目的，而非意圖限制示例性實(shí)施例。本文使用的單數(shù)形式，比如“一”和“一個(gè)”，同樣旨在包含復(fù)數(shù)形式，除非文中另外指定。

將理解的是，盡管出于解釋的目的已經(jīng)示出和描述了特定順序的步驟，但是在某些方面中，該順序可以改變，或者步驟可以組合，同時(shí)仍獲得期望的構(gòu)造。另外，可以對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例和所要求保護(hù)的本發(fā)明進(jìn)行修改，且該修改落入本公開(kāi)的發(fā)明的范圍之內(nèi)。