[发明专利]用于软机器人和软致动器的传感器

说明书

通过引用的并入

本文引用的所有专利、专利申请和出版物都在此通过引用整体上并入本文。这些出版物的公开内容在此通过引用整体上并入本申请中，以便更全面地描述到本文所述的本发明日期为止本领域技术人员已知的现有技术的状态。

相关申请

本申请要求于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，其内容通过引用整体上并入本文。本申请涉及于2015年8月21日提交的国际申请No.PCT/US15/46350，其内容通过引用整体上并入本文。

政府权利

本发明是依据由国防高级研究计划署(DARPA)授予的W91INF-1-1-1-0094和国防科学基金会(NSF)授予的DMR-0820484在政府的支持下进行的。美国政府对发明有一定的权利。

技术领域

该技术一般而言涉及集成传感器的软机器人或软致动器。

背景技术

软设备是由软材料(例如，弹性体、凝胶、液体)构建的机器。这些软设备由于在电气、化学、气动、铁磁流体或液压致动方面容易改变其尺寸和形状的能力而有用。此外，用来构造这些设备的弹性体材料的低刚度(杨氏模量<10MPa)使其能够响应于外力而容易地变形。这些属性允许软设备执行对硬机器具有挑战性的功能。示例包括与精细的软材料(例如，生物组织)交互，以及执行非结构化任务(例如，抓握未定义形状的物体)。机器(无论是硬还是软)通常都需要电气部件(例如，马达、传感器、微控制器、显示器、泵、电池等)的集成，以便执行复杂的任务。必须控制这些设备，以便创建自主或半自主的软机器人系统。

了解软致动器的形态对于制作用于软机器人的控制系统是重要的。这是因为，与硬机器人不同，软机器人可以基于气动或液压充气压力或由于外部环境中的力而改变体积和形状。此外，与硬机器人不同，致动器的软材料对于力(无论是外部的还是内部的)的响应是高度非线性的，从而使得预测致动器响应于力的行为的计算非常复杂和困难。必须知道机器人的形态是在常规硬机器人的世界中不那么突出的紧急问题。在硬机器人中，来自外部环境的力量生成更简单的结果。例如，施加到硬机器人臂的力将使臂移动固定的距离，这个距离容易计算，因为机器人由一系列在标准操作期间不变形的硬部件和连杆构成。相反，当来自外部环境的力施加到软机器人臂时，由于软臂将既移动又变形，因此获得非常复杂的结果。

此外，组成致动器的弹性体的刚度可以在致动期间改变。例如，如果充气压力处于致动器的最大充气压力的30％，那么弹性体处于低应变状态，其中弹性体具有刚度“A”；并且当充气压力处于最大充气压力的80％时，弹性体处于具有不同刚度“B”的较高应变状态。因此，需要不同量的力来实现每个致动增量。

由于弹性体的固有特性，应力相对应变的分布曲线可以对于伸展和松弛不同。弹性体在装载和卸载循环期间显示高度的滞后性。装载和卸载分布曲线之间的差异将依赖于在两者之间循环多快而改变。因此，系统有记忆。弹性体的这个方面将使得软致动器难以仅使用致动器的充气压力的知识来控制。另见http://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/stress-and-strain/revise-it/stress-strain-graphs。

发明内容

在一方面，提供了具有传感器或传感器网络的软机器人设备，其提供关于机器人的状态和/或其环境的信息。这种传感器的非限制性示例包括光学传感器、光纤传感器、倏逝波传感器、等离子体传感器、基于光栅的传感器、荧光传感器和非线性光学传感器。这些光学传感器可以经由一系列光学结构来实现，诸如光纤、平面波导、定制的波导和PCF。其它非限制性示例包括能够进行化学、生物检测的传感器，可以测量应力、应力的方向、声音的传感器。在还有的其它实施例中，传感器包括热传感器、化学传感器、生物分析物传感器、声音传感器、光学传感器和放射性传感器。在某些实施例中，(一个或多个)传感器用于确定沿着软致动器或软机器人的点处的位置、形态和/或物理状态。传感器或传感器网络的使用将允许对软机器人的当前状态(例如其在空间中的三维位置、速度、加速度)的实时观察，以及对关于其环境的信息(例如温度、辐射、照明、声音、某种化学或生物制剂的存在)的感测/感知。来自传感器的反馈可以用作到控制系统的输入，该控制系统确定软机器人设备的后续动作。