[发明专利]用于软体机器人和软体致动器的传感器

说明书

通过援引并入

本文引用的所有专利、专利申请和公布的全部内容通过援引而并入在此。这些公布的全部公开内容通过援引而并入本申请，以便更加完整地描述截止到本文描述的本发明的日期对本领域技术人员来说已知的现有技术。

相关申请

本申请要求在2014年8月22日提交的美国临时申请62/040，905和在2015年1月12日提交的美国临时申请62/102,363的权益和优先权，其全部内容通过援引并入在此。

政府权利

本申请利用了如下政府支持而作出：由美国国防部先进研究项目局(DARPA)给予的资助W911NF-11-1-0094和由美国国家科学基金会(NSF)给予的资助DMR-0820484。美国政府对本申请具有某些权利。

技术领域

本技术总体上涉及集成了传感器的软体机器人或软体致动器。

背景技术

软体设备是利用软材料(例如，弹性体、凝胶体、液体)构建的机器。这些软体设备的能力是用于在电致动、化学致动、气动致动、磁流体致动或液压致动下容易地改变它们的大小和形状。另外，用于构造这些设备的弹性体材料的低刚度(杨氏模量<10MPa)使得它们能够响应于外力而容易地变形。这些属性允许软体设备执行对于硬体机器来说具有挑战性的功能。示例包括与精细的软材料(例如，生物组织)交互作用以及执行非结构性任务(例如，夹持未限定形状的物体)。机器，不管它们是硬体的还是软体的，通常需要集成电气部件(例如，马达、传感器、微型控制器、显示器、泵、电池等等)，以便执行复杂的任务。这些设备必须受控，以便产生自动的或半自动的软体机器人系统。

对于开发用于软体机器人的控制系统来说，知晓软体致动器的形态学是重要的。这是因为不像硬体机器人，软体机器人能够基于气动或液压充胀压力或者通过外部环境中的力而改变体积和形状。另外，不像硬体机器人，致动器的软材料对力(无论是外部的还是内部的)的响应是高度非线性的，使得预测致动器响应于力的行为的计算非常复杂和困难。

必须知晓机器人的形态是紧急的问题，该问题在传统的硬体机器人世界中不是如此显著。在硬体机器人中，来自外部环境的力产生更简单的结果。例如，施加至硬体机器人臂的力将使该臂移动一固定距离，该固定距离容易计算，因为硬体机器人由一系列在标准操作期间不变形的硬体部件和联动装置制成。相反，当来自外部环境的力施加至软体机器人臂时，会得到非常复杂的结果，因为软体臂将既移动又变形。

另外，构成致动器的弹性体的刚度在致动期间可以变化。例如，如果充胀压力为致动器的最大充胀压力的30％，则弹性体处于该弹性体具有刚度“A”的低应变状态；当充胀压力为最大充胀压力的80％时，弹性体处于具有不同刚度“B”的较高应变状态。结果，需要不同量的力实现每一致动增量。

由于弹性体的固有特性，应力-应变曲线对于拉伸和松弛来说可以是不同的。在加载和卸载的周期期间，弹性体显示出高度的迟滞性。在加载和卸载曲线之间的该差异将根据加载和卸载之间循环的快慢而变化。这样的结果是，系统具有记忆。弹性体的该方面将使得仅仅使用致动器的充胀压力的知识难以对软体致动器进行控制。还可以参见http://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/stress-and-strain/revise-it/stres s-strain-graphs.

发明内容

在一个方面，提出一种具有集成的传感器的软体机器人设备，该集成的传感器提供关于机器人的状态和/或其环境的信息。

在一个方面，描述了一种具有传感器或传感器网络的软体机器人设备。在某些实施例中，传感器(多个传感器)用于确定沿着软体致动器或软体机器人的各点处的位置、形态、和/或物理状态。传感器可以包括电子传感器、机械传感器、光学传感器、超声传感器、压电传感器、或磁性传感器。使用传感器或传感器网络将允许实时观察软体机器人设备的当前状态，例如其在空间中的三维位置、速度、加速度以及感测/感知关于其环境的信息，例如，温度、某一化学或生物药剂的存在。来自传感器的反馈能够用作控制系统的输入，该控制系统确定软体机器人设备的随后动作。

因此，在某些实施例中，即刻公布的系统和方法根据与软体致动器的状态有关的数据来控制致动器。

在一个方面，描述了一种软体机器人设备，包括：

弹性体本体，所述弹性体本体具有：布置在弹性体本体内的一个腔室或者多个互连的腔室；和加压入口，所述加压入口构造成接收用于所述腔室或者所述多个互连的腔室的流体；和