通過引用的并入

本文引用的所有專利、專利申請和出版物都在此通過引用整體上并入本文。這些出版物的公開內(nèi)容在此通過引用整體上并入本申請中，以便更全面地描述到本文所述的本發(fā)明日期為止本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)。

相關(guān)申請

本申請要求于2015年1月12日提交的美國臨時申請62/102,363的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用整體上并入本文。本申請涉及于2015年8月21日提交的國際申請no.pct/us15/46350，其內(nèi)容通過引用整體上并入本文。

政府權(quán)利

本發(fā)明是依據(jù)由國防高級研究計劃署(darpa)授予的w91inf-1-1-1-0094和國防科學(xué)基金會(nsf)授予的dmr-0820484在政府的支持下進(jìn)行的。美國政府對發(fā)明有一定的權(quán)利。

該技術(shù)一般而言涉及集成傳感器的軟機(jī)器人或軟致動器。

背景技術(shù)：

軟設(shè)備是由軟材料(例如，彈性體、凝膠、液體)構(gòu)建的機(jī)器。這些軟設(shè)備由于在電氣、化學(xué)、氣動、鐵磁流體或液壓致動方面容易改變其尺寸和形狀的能力而有用。此外，用來構(gòu)造這些設(shè)備的彈性體材料的低剛度(楊氏模量<10mpa)使其能夠響應(yīng)于外力而容易地變形。這些屬性允許軟設(shè)備執(zhí)行對硬機(jī)器具有挑戰(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，以及執(zhí)行非結(jié)構(gòu)化任務(wù)(例如，抓握未定義形狀的物體)。機(jī)器(無論是硬還是軟)通常都需要電氣部件(例如，馬達(dá)、傳感器、微控制器、顯示器、泵、電池等)的集成，以便執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。必須控制這些設(shè)備，以便創(chuàng)建自主或半自主的軟機(jī)器人系統(tǒng)。

了解軟致動器的形態(tài)對于制作用于軟機(jī)器人的控制系統(tǒng)是重要的。這是因為，與硬機(jī)器人不同，軟機(jī)器人可以基于氣動或液壓充氣壓力或由于外部環(huán)境中的力而改變體積和形狀。此外，與硬機(jī)器人不同，致動器的軟材料對于力(無論是外部的還是內(nèi)部的)的響應(yīng)是高度非線性的，從而使得預(yù)測致動器響應(yīng)于力的行為的計算非常復(fù)雜和困難。必須知道機(jī)器人的形態(tài)是在常規(guī)硬機(jī)器人的世界中不那么突出的緊急問題。在硬機(jī)器人中，來自外部環(huán)境的力量生成更簡單的結(jié)果。例如，施加到硬機(jī)器人臂的力將使臂移動固定的距離，這個距離容易計算，因為機(jī)器人由一系列在標(biāo)準(zhǔn)操作期間不變形的硬部件和連桿構(gòu)成。相反，當(dāng)來自外部環(huán)境的力施加到軟機(jī)器人臂時，由于軟臂將既移動又變形，因此獲得非常復(fù)雜的結(jié)果。

此外，組成致動器的彈性體的剛度可以在致動期間改變。例如，如果充氣壓力處于致動器的最大充氣壓力的30％，那么彈性體處于低應(yīng)變狀態(tài)，其中彈性體具有剛度“a”；并且當(dāng)充氣壓力處于最大充氣壓力的80％時，彈性體處于具有不同剛度“b”的較高應(yīng)變狀態(tài)。因此，需要不同量的力來實現(xiàn)每個致動增量。

由于彈性體的固有特性，應(yīng)力相對應(yīng)變的分布曲線可以對于伸展和松弛不同。彈性體在裝載和卸載循環(huán)期間顯示高度的滯后性。裝載和卸載分布曲線之間的差異將依賴于在兩者之間循環(huán)多快而改變。因此，系統(tǒng)有記憶。彈性體的這個方面將使得軟致動器難以僅使用致動器的充氣壓力的知識來控制。另見http://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/stress-and-strain/revise-it/stress-strain-graphs。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一方面，提供了具有傳感器或傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟機(jī)器人設(shè)備，其提供關(guān)于機(jī)器人的狀態(tài)和/或其環(huán)境的信息。這種傳感器的非限制性示例包括光學(xué)傳感器、光纖傳感器、倏逝波傳感器、等離子體傳感器、基于光柵的傳感器、熒光傳感器和非線性光學(xué)傳感器。這些光學(xué)傳感器可以經(jīng)由一系列光學(xué)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，諸如光纖、平面波導(dǎo)、定制的波導(dǎo)和pcf。其它非限制性示例包括能夠進(jìn)行化學(xué)、生物檢測的傳感器，可以測量應(yīng)力、應(yīng)力的方向、聲音的傳感器。在還有的其它實施例中，傳感器包括熱傳感器、化學(xué)傳感器、生物分析物傳感器、聲音傳感器、光學(xué)傳感器和放射性傳感器。在某些實施例中，(一個或多個)傳感器用于確定沿著軟致動器或軟機(jī)器人的點處的位置、形態(tài)和/或物理狀態(tài)。傳感器或傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用將允許對軟機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)(例如其在空間中的三維位置、速度、加速度)的實時觀察，以及對關(guān)于其環(huán)境的信息(例如溫度、輻射、照明、聲音、某種化學(xué)或生物制劑的存在)的感測/感知。來自傳感器的反饋可以用作到控制系統(tǒng)的輸入，該控制系統(tǒng)確定軟機(jī)器人設(shè)備的后續(xù)動作。

在另一方面，描述了一種軟機(jī)器人假體系統(tǒng)，其包括被配置為輔助用戶的一個或多個肌肉或身體部分的運(yùn)動的軟機(jī)器人，并且該軟機(jī)器人包括具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室的彈性體主體以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體，以致動軟機(jī)器人；至少一個傳感器，被配置為檢測物理、化學(xué)或電子信號；至少一個處理器中，被配置為可操作地鏈接到傳感器，以從所述傳感器接收讀出并解釋所述讀出；以及控制系統(tǒng)，被配置為基于由所述一個或多個傳感器生成的讀出或所述處理器對所述讀出的解釋來致動軟機(jī)器人，以輔助用戶的一個或多個肌肉或身體部分的移動。

在還有另一方面，描述了具有沿著軟機(jī)器人主體的一個或多個成像區(qū)域的軟機(jī)器人設(shè)備，用于通過運(yùn)動捕捉計算機(jī)程序或x射線成像系統(tǒng)確定沿著致動器的點處的位置、速度、加速度、朝向、動量和應(yīng)變/形態(tài)。成像區(qū)域可以是具有任何可識別顏色或放射性對比劑(例如，可經(jīng)由醫(yī)學(xué)成像識別的化學(xué)物質(zhì))的著色區(qū)域。

在一方面，描述了一種軟機(jī)器人設(shè)備，其包括：彈性體主體，其具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體；以及至少一個基于光纖bragg光柵的光學(xué)傳感器。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器被配置為檢測物理、化學(xué)、生物或電子信號。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器選自由以下傳感器構(gòu)成的組：傾斜光纖bragg光柵傳感器、啁啾光柵傳感器和長周期bragg光柵傳感器。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器被配置為提供關(guān)于軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)的信息。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)選自由以下構(gòu)成的組：在沿著軟機(jī)器人設(shè)備的點處的壓力、溫度、位置、長度、曲率、朝向、速度、加速度、形態(tài)、應(yīng)力、應(yīng)變和物理狀態(tài)。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器被配置為提供關(guān)于軟機(jī)器人設(shè)備的外部環(huán)境的信息。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器被配置為檢測軟機(jī)器人設(shè)備的外部環(huán)境中的溫度、濕度、化學(xué)制劑或生物制劑；或者基于光柵的傳感器被配置為檢測軟機(jī)器人的應(yīng)變、力、磁場、流、彎曲、定向彎曲、三維狀態(tài)、振動、壓力、溫度信息。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器被嵌入彈性體主體中或附連到彈性體主體的外部。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器被模制或共同模制到彈性體主體中。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器被縫合、膠合或卡扣到彈性體主體上，或者用鉤和環(huán)固定到彈性體主體上。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器可從彈性體主體移除。

在本文所述的任何實施例中，基于光柵的傳感器螺旋卷繞在彈性體主體或彈性體主體的一部分周圍。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；并且軟機(jī)器人設(shè)備包括嵌入或附連到應(yīng)變受限層的一個或多個基于光柵的傳感器。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括具有不同周期的多個光譜分離的基于光柵的傳感器。

在本文所述的任何實施例中，具有不同周期的多個光譜分離的基于光柵的傳感器沿著單個光纖的長度部署在一起，或者單獨部署并拼接在一起。

在本文所述的任何實施例中，加壓入口被配置為從外部流體源接收流體。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層，并且軟機(jī)器人設(shè)備包括嵌入或附連到應(yīng)變受限層的一個或多個基于光柵的傳感器以及嵌入或附連到彈性體主體的一個或多個基于光柵的傳感器。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括一個或多個附加傳感器，每個附加傳感器獨立地選自由以下傳感器構(gòu)成的組：基于光柵的傳感器、生物分析物傳感器、聲音傳感器、光學(xué)傳感器、放射性傳感器、熱傳感器、應(yīng)變傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、神經(jīng)傳感器、壓力傳感器、大氣壓力傳感器、真空傳感器、高度計、電導(dǎo)率傳感器、阻抗傳感器、慣性測量單元、力感測電阻器、激光測距儀、聲學(xué)測距儀、磁力計、霍爾效應(yīng)傳感器、磁電二極管、磁電晶體管、mems磁場傳感器、麥克風(fēng)、光電檢測器、加速度計、陀螺儀傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、化學(xué)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、沉降傳感器、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、氮氣傳感器、天然氣傳感器、化學(xué)武器傳感器、vx氣體傳感器、沙林氣體傳感器、芥子氣體傳感器、爆炸物探測器、金屬探測器和電流傳感器。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括至少一個處理器，被配置為可操作地鏈接到基于光柵的傳感器以便從基于光柵的傳感器接收讀出并解釋所述讀出；以及控制系統(tǒng)，被配置為基于由基于光柵的傳感器生成的讀出或處理器對讀出的解釋來控制軟機(jī)器人的移動。

在另一方面，描述了一種軟機(jī)器人假體系統(tǒng)，包括：軟機(jī)器人，被配置為輔助用戶的一個或多個肌肉或身體部分的移動，并且包括具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室的彈性體主體以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體，以致動軟機(jī)器人；至少一個傳感器，被配置為檢測物理、化學(xué)或電子信號；以及至少一個處理器，被配置為可操作地鏈接到所述傳感器，以從所述傳感器接收讀出并解釋所述讀出；以及控制系統(tǒng)，被配置為基于由所述一個或多個傳感器生成的讀出或所述處理器對所述讀出的解釋來致動軟機(jī)器人，以輔助用戶的一個或多個肌肉或身體部分的移動。

在本文所述的任何實施例中，傳感器選自由以下傳感器構(gòu)成的組：電傳感器、磁傳感器、光學(xué)傳感器、熱傳感器、聽覺傳感器、應(yīng)變傳感器、化學(xué)傳感器和機(jī)械傳感器。

在本文所述的任何實施例中，傳感器在軟機(jī)器人的外部或者附連到或嵌入軟機(jī)器人中。

在本文所述的任何實施例中，傳感器是被配置為從用戶接收語音命令的聲音傳感器。

在本文所述的任何實施例中，傳感器是被配置為測量用戶的肌肉的應(yīng)變或軟彈性體主體的應(yīng)變的應(yīng)變傳感器。

在本文所述的任何實施例中，傳感器是被配置為經(jīng)由用戶的一個或多個肌肉群中的肌肉激發(fā)來測量電信號的電傳感器。

在本文所述的任何實施例中，傳感器是被配置為經(jīng)由用戶的大腦的神經(jīng)元激發(fā)來測量電信號的電傳感器。

在本文所述的任何實施例中，傳感器被配置為測量與震顫相關(guān)聯(lián)的肌肉或神經(jīng)活動，并且控制系統(tǒng)被配置為響應(yīng)于抵消該震顫來致動軟機(jī)器人。

在還有另一方面，描述了一種軟機(jī)器人設(shè)備，包括：

彈性體主體，具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體；以及

一個或多個成像區(qū)域，被配置為提供與軟機(jī)器人設(shè)備的其它區(qū)域不同的視覺信號，并且被配置為提供關(guān)于軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)的信息。

在本文所述的任何實施例中，成像區(qū)域中的至少一個在彈性體主體的表面上或者嵌入彈性體主體內(nèi)。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；并且成像區(qū)域中的至少一個在應(yīng)變受限層的表面上或嵌入應(yīng)變受限層內(nèi)。

在本文所述的任何實施例中，成像區(qū)域中的至少一個是具有與軟機(jī)器人設(shè)備的其它區(qū)域不同顏色的著色區(qū)域。

在本文所述的任何實施例中，著色區(qū)域具有可由肉眼、成像設(shè)備或運(yùn)動檢測系統(tǒng)識別的顏色。

在本文所述的任何實施例中，成像區(qū)域中的至少一個是具有與軟機(jī)器人設(shè)備的其它區(qū)域不同顏色的著色區(qū)域，并且軟機(jī)器人設(shè)備還包括被配置為跟蹤和/或檢測著色區(qū)域的形狀、面積和顏色強(qiáng)度的變化的運(yùn)動檢測系統(tǒng)。

在本文所述的任何實施例中，著色區(qū)域被配置為提供關(guān)于軟機(jī)器人設(shè)備的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)的信息。

在本文描述的任何實施例中，成像區(qū)域中的至少一個是具有與軟機(jī)器人設(shè)備的其它區(qū)域不同顏色的著色區(qū)域，并且軟機(jī)器人設(shè)備還包括被配置為跟蹤和/或檢測著色區(qū)域的運(yùn)動檢測系統(tǒng)。

在本文所述的任何實施例中，著色區(qū)域被配置為提供關(guān)于軟機(jī)器人設(shè)備的位置的信息。

在本文所述的任何實施例中，成像區(qū)域中的至少一個包括被配置為可由成像設(shè)備檢測的放射性對比劑材料。

在本文所述的任何實施例中，放射性對比劑包括鋇鹽。

在本文所述的任何實施例中，成像設(shè)備包括x射線機(jī)。

在本文所述的任何實施例中，成像設(shè)備包括ct(x射線計算機(jī)斷層攝影)成像系統(tǒng)或熒光鏡成像系統(tǒng)。

在本文所述的任何實施例中，射線對比材料包括mri染料，并且成像設(shè)備包括mri。

在本文所述的任何實施例中，，軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)選自由以下構(gòu)成的組：軟機(jī)器人設(shè)備的壓力、位置、長度、曲率、朝向、速度、加速度、應(yīng)變、應(yīng)力、形態(tài)和物理狀態(tài)。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括一個或多個附加傳感器，每個附加傳感器獨立地選自由以下傳感器構(gòu)成的組：基于光柵的傳感器、熱傳感器、化學(xué)傳感器、生物分析物傳感器、聲音傳感器、光學(xué)傳感器、放射性傳感器、熱傳感器、應(yīng)變傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、神經(jīng)傳感器、壓力傳感器、大氣壓力傳感器、真空傳感器、高度計、電導(dǎo)率傳感器、阻抗傳感器、慣性測量單元、力感測電阻器、激光測距儀、聲學(xué)測距儀、磁力計、霍爾效應(yīng)傳感器、磁電二極管、磁電晶體管、mems磁場傳感器、麥克風(fēng)、光電檢測器、加速度計、陀螺儀傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、化學(xué)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、沉降傳感器、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、氮氣傳感器、天然氣傳感器、化學(xué)武器傳感器、vx氣體傳感器、沙林氣體傳感器、芥子氣體傳感器、爆炸物探測器、金屬探測器和電流傳感器。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括被配置為檢測成像區(qū)域的運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)和被配置為檢測成像區(qū)域的成像設(shè)備中的至少一個；以及控制系統(tǒng)，被配置為基于由運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)或成像設(shè)備生成的讀出來控制軟機(jī)器人的移動。

在還有另一方面，描述了一種軟機(jī)器人系統(tǒng)，包括：

軟機(jī)器人，包括彈性體主體，所述彈性體主體具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體；

傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于感測信號；以及

處理器，可操作地鏈接到傳感器網(wǎng)絡(luò)并且被配置為基于傳感器的讀出來確定信號的位置、梯度和/或存在。

在本文所述的任何實施例中，處理器包括基于傳感器的讀出來計算信號的位置和/或梯度的算法。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)被配置為基于由一個或多個傳感器生成的讀出或處理器對讀出的解釋來控制軟機(jī)器人的移動。

在本文所述的任何實施例中，控制系統(tǒng)被配置為控制軟機(jī)器人朝著或遠(yuǎn)離信號的位置移動。

在本文所述的任何實施例中，信號是選自光、聲、熱、放射性物質(zhì)、化學(xué)品、生物、電場和磁場中的一種或多種信號。

在本文所述的任何實施例中，傳感器中的至少一個位于彈性體主體的表面上或嵌入在彈性體主體內(nèi)。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人系統(tǒng)還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；并且傳感器中的至少一個位于應(yīng)變受限層的表面上或嵌入應(yīng)變受限層內(nèi)。

在本文所述的任何實施例中，公開了一種用于感測本文所述的任何一個實施例的軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)的方法，包括從所述一個或多個傳感器獲得讀出；以及確定軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)。

在還有另一方面，描述了一種軟機(jī)器人設(shè)備，包括：

彈性體主體，其具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體；以及

一個或多個傳感器，選自由以下構(gòu)成的組：被配置為測量流入和/或流出所述室或所述多個互連的室的流體的體積的體積檢測系統(tǒng)，以及被配置為測量所述室或所述多個互連的室內(nèi)部的流體的壓力的壓力傳感器。

在本文所述的任何實施例中，體積檢測系統(tǒng)和/或壓力傳感器被配置為提供關(guān)于軟機(jī)器人設(shè)備的致動狀態(tài)的信息。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)選自軟機(jī)器人設(shè)備的室的充氣狀態(tài)、應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、曲率和形態(tài)構(gòu)成的組。

在本文所述的任何實施例中，其中軟機(jī)器人設(shè)備是被配置為抓握物體的夾具，并且體積檢測系統(tǒng)和/或壓力傳感器被配置為提供抓握力、被抓握的物體的尺寸、或物體的合規(guī)性分布曲線的夾具的信息。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括處理器和/或控制器系統(tǒng)以及嵌入在處理器或控制器中的指令，以便，如果體積檢測系統(tǒng)檢測到室內(nèi)的流體體積超過閾值和/或如果壓力傳感器檢測到室內(nèi)的壓力超過閾值，那么指示控制系統(tǒng)開始校正動作。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括配置成檢測依賴于時間的流量和/或壓力變化的處理器和/或控制器系統(tǒng)。

在本文所述的任何實施例中，處理器和/或控制器系統(tǒng)被配置為檢測流量和/或壓力的突然增加、減少或振蕩，并且指示控制器系統(tǒng)停止流體進(jìn)一步流入(一個或多個)室。

在本文所述的任何實施例中，處理器和/或控制器系統(tǒng)被配置為檢測流量/壓力分布曲線，其特征在于流量和/或壓力的突然減小，隨后流體連續(xù)流入(一個或多個)室，以及指示控制器系統(tǒng)停止流體進(jìn)一步流入(一個或多個)室中。

在還有另一方面，描述了一種軟機(jī)器人系統(tǒng)，包括：

軟機(jī)器人，包括彈性體主體，具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體；

一個或多個熱傳感器；以及

處理器，可操作地鏈接到一個或多個熱傳感器，并且被配置為基于熱傳感器的讀出來控制室的流體加壓。

在本文所述的任何實施例中，熱傳感器中的至少一個中嵌入或附連到軟機(jī)器人的彈性體主體。

在本文所述的任何實施例中，軟機(jī)器人還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；并且熱傳感器中的至少一個附連到應(yīng)變受限層的表面或嵌入在應(yīng)變受限層內(nèi)。

在本文所述的任何實施例中，熱傳感器中的至少一個位于離軟機(jī)器人一定距離處。

在本文所述的任何實施例中，熱傳感器中的至少一個位于離軟機(jī)器人大約0.1m、0.3m、0.5m、1m、5m、10m、50m、100m、200m、500m或1000m處。

在本文所述的任何實施例中，處理器被配置為基于熱傳感器的讀出來控制被配置成調(diào)節(jié)室內(nèi)的流體量和/或壓力的流體泵。

在本文所述的任何實施例中，處理器被配置為解釋來自熱傳感器的讀出，以執(zhí)行軟機(jī)器人設(shè)備的剛度和/或形態(tài)的實時測量，以及控制室的流體加壓，以補(bǔ)償依賴溫度的彈性體的剛度的變化。

如本文所使用的，術(shù)語“軟機(jī)器人設(shè)備”是指軟機(jī)器人或軟致動器。如本文所使用的，術(shù)語“應(yīng)變受限層”和“應(yīng)變限制層”可互換使用。應(yīng)變是關(guān)于主體的相對位移的變形的描述。在這種情況下，例如通過加壓力，由所施加的力引起的應(yīng)力產(chǎn)生變形。因為具有較低剛度或較小彈性模量的材料將比具有較高彈性模量的材料變形更大，所以低剛度材料經(jīng)受更大的應(yīng)變或變形。因此，越高剛度或越大彈性模量的材料中的應(yīng)變越小或“受限”。如本文所使用的，在較低閾值力下延伸、彎曲、膨脹或展開的軟機(jī)器人的層或壁或其部分是“可延伸”或“低應(yīng)變”構(gòu)件。在較高閾值力下延伸、彎曲、膨脹或展開的軟機(jī)器人的層或壁或其部分在本文中被稱為“應(yīng)變受限”層或壁或膜。

在某些實施方案中，術(shù)語“應(yīng)變限制層”是指比彈性體主體更硬或更不易拉伸并且被附連或固定到彈性體主體的層。在一個或多個實施例中，應(yīng)變限制層比彈性體主體硬大約10％、20％、>50％、>100％或>500％。

如本文所使用的，軟機(jī)器人的術(shù)語“狀態(tài)”是指軟機(jī)器人的一般操作狀況。軟機(jī)器人或其系統(tǒng)的狀態(tài)由狀態(tài)變量的集合描述。系統(tǒng)的狀態(tài)變量是可測量量的任意集合，它們一起提供關(guān)于系統(tǒng)的足夠信息來描述機(jī)器人對用戶的當(dāng)前和/或未來行為；或用戶期望觀察的變量集合。充足的狀態(tài)變量集合可以由單個可測量的量或可測量的量的集合組成，這依賴于系統(tǒng)和用戶希望觀察的內(nèi)容。用于將狀態(tài)變量集合定義為足夠的標(biāo)準(zhǔn)是該集合提供足夠的信息以準(zhǔn)確地預(yù)測或近似用戶期望觀察的可測量量或可測量量集合的當(dāng)前和/或未來行為。用于軟機(jī)器人的狀態(tài)變量的非限制性示例包括機(jī)器人的位置、機(jī)器人的朝向、機(jī)器人的速度、機(jī)器人的加速度、自動機(jī)器人最后一次致動以來經(jīng)過的時間、機(jī)器人最后一次致動期間使用的加壓流體的最大壓力、致動器中的加壓流體的體積、致動器的表面曲率、沿著機(jī)器人主體的點處的材料應(yīng)力、沿著機(jī)器人主體的點處的材料應(yīng)變、由機(jī)器人施加到物體上的力、機(jī)器人溫度、致動器內(nèi)部的壓力、致動器外部的壓力、致動器內(nèi)部的加壓流體與致動器外部環(huán)境中的環(huán)境壓力之間的壓力差。

附圖說明

以下圖像也描述了用于可以結(jié)合到結(jié)構(gòu)中的多個應(yīng)用和特征的細(xì)節(jié)。在這些示例中，我們假設(shè)在軟機(jī)器人設(shè)備中存在到加壓流體源的連接。參考以下附圖來描述本發(fā)明，這些附圖僅僅是為了說明的目的而給出的，而不意在限制。在附圖中：

圖1是光纖bragg光柵的示意圖。

圖2是傾斜的光纖bragg光柵的示意圖。

圖3是示出了刻印(imprint)在同一光纖的芯中的、具有不同周期的若干tfbg的示意圖。

圖4a是示出了軟觸手的示意圖，其中光波導(dǎo)嵌入在該軟觸手的結(jié)構(gòu)中。

圖4b是示出了刻印在光纖的芯中的啁啾光柵的示意圖。

圖4c圖示了集成到觸臂中的啁啾光柵，由此傳感器可以提供臂形狀以及末端效應(yīng)器形狀的狀態(tài)反饋。

圖5圖示了集成到觸臂中的gbs，由此傳感器可以提供臂形狀以及末端效應(yīng)器形狀的狀態(tài)反饋。

圖6a是基于光柵的傳感器的另一個實施例，其中傳感器被螺旋卷繞在軟設(shè)備周圍。

圖6b圖示了由基于光柵的傳感器測量的軟設(shè)備的狀態(tài)的3d映射。

圖7a-圖7b是由基于來自微處理器的信號、基于來自連接到人或動物的外部傳感器的信號進(jìn)行充氣(圖7b)或放氣(圖7a)的氣動控制器調(diào)節(jié)的軟致動器的示意圖。

圖8a-圖8c示出了用于軟致動器的電媒介信令。圖8a)：臂的移動拉伸具有嵌入式導(dǎo)電材料的彈性帶，所述嵌入式導(dǎo)電材料在拉伸時改變電阻。圖8b)：當(dāng)肌肉收縮時，附連到肌肉的電極測量電壓電位的波動。圖8c)：當(dāng)神經(jīng)元被觸發(fā)時，附連到頭部的電極測量電壓電位的波動。

圖9示出了在其應(yīng)變表面上具有著色標(biāo)記的軟致動器。

圖10示出了在其應(yīng)變限制表面上具有著色標(biāo)記的軟致動器。圖11a示出了包括多個放射性傳感器的軟機(jī)器人設(shè)備的示意圖。圖11b示出了包括多個放射性傳感器并且在其致動狀態(tài)下檢測放射性物質(zhì)的軟機(jī)器人設(shè)備的示意圖。

圖12a示出了包括檢測放射性物質(zhì)的多個閃爍傳感器的軟機(jī)器人設(shè)備的示意圖。圖12b示出了包括檢測放射性物質(zhì)的多個閃爍傳感器的軟機(jī)器人設(shè)備的示意圖。

圖13示出了包括檢測化學(xué)源的多個化學(xué)傳感器的軟機(jī)器人設(shè)備的示意圖。

圖14示出了包括檢測照明源的多個光學(xué)傳感器的軟機(jī)器人設(shè)備的示意圖。

圖15a示出了包括多個熱傳感器的軟機(jī)器人設(shè)備的示意圖。圖15b示出了包括檢測熱環(huán)境的多個熱傳感器的軟機(jī)器人設(shè)備的示意圖。

圖16示出了包括檢測聲學(xué)環(huán)境的多個聲音傳感器的軟機(jī)器人設(shè)備的示意圖。

具體實施方式

描述了具有集成、嵌入、附連或以其它方式鏈接或連接到軟機(jī)器人設(shè)備的一個或多個傳感器或成像區(qū)域的軟機(jī)器人設(shè)備。在一些實施例中，描述了軟機(jī)器人，所述軟機(jī)器人包括具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室的彈性體主體，彈性體主體包括加壓入口，該加壓入口被配置為將流體從流體來源接收到室中或所述多個互連的室中；以及沿著彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；以及至少一個傳感器或成像區(qū)域。在某些實施例中，傳感器被配置為檢測物理、化學(xué)和/或電子信號和/或提供對軟機(jī)器人的狀態(tài)估計。在某些實施例中，一個或多個傳感器被嵌入、集成、附連或以其它方式鏈接或連接到彈性體主體。在某些實施例中，一個或多個傳感器被嵌入、集成、附連或以其它方式鏈接或連接到應(yīng)變受限層。在某些實施例中，一個或多個傳感器被嵌入、集成、附連或以其它方式鏈接或連接到應(yīng)變受限層，并且一個或多個其它傳感器被嵌入、集成、附連或以其它方式鏈接或連接到彈性體主體。在某些實施例中，一個或多個傳感器在應(yīng)變受限層或彈性體主體的外部。

在一些實施例中，傳感器可以被用來提供對軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)的估計。狀態(tài)可以選自由軟機(jī)器人設(shè)備的壓力、位置、長度、曲率、朝向、速度、加速度、應(yīng)變、應(yīng)力、形態(tài)和物理狀態(tài)組成的組。在某些實施例中，給定軟致動器的材料特性和來自應(yīng)變傳感器的應(yīng)變數(shù)據(jù)，用戶或處理器可以處理來自傳感器的讀出，以確定軟致動器的應(yīng)變狀態(tài)。因此，可以收集用于彈性體的測試樣本的應(yīng)力-應(yīng)變分布曲線。結(jié)果所得的數(shù)據(jù)集可以被用來創(chuàng)建查詢表，查找表將致動器上的點處測量的應(yīng)變與致動器上那個點處的對應(yīng)材料應(yīng)力之間的關(guān)系相關(guān)聯(lián)。

在某些實施例中，傳感器選自由以下傳感器組成的組中的一個或多個傳感器：流量傳感器、體積檢測系統(tǒng)或體積傳感器、基于光柵的傳感器、聲音傳感器、光學(xué)傳感器、放射性傳感器、熱傳感器、應(yīng)變傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、神經(jīng)傳感器、壓力傳感器、大氣壓力傳感器、真空傳感器、高度計、電導(dǎo)率傳感器、阻抗傳感器、慣性測量單元、力感測電阻器、激光測距儀、聲學(xué)測距儀、磁力計、霍爾效應(yīng)傳感器、磁電二極管、磁電晶體管、mems磁場傳感器、麥克風(fēng)、光電檢測器、加速度計、陀螺儀傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、化學(xué)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、沉降傳感器、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、氮氣傳感器、天然氣傳感器、vx氣體傳感器、沙林氣體傳感器、芥子氣體傳感器、爆炸物探測器、金屬探測器、放射性探測器和電流傳感器。

在某些實施例中，本文描述的軟機(jī)器人包括多于一種類型的傳感器。在某些實施例中，本文描述的軟機(jī)器人包括兩種或更多種類型的傳感器，每種傳感器選自由以下傳感器組成的組：基于光柵的傳感器、聲音傳感器、光學(xué)傳感器、放射性傳感器、熱傳感器、應(yīng)變傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、神經(jīng)傳感器、壓力傳感器、大氣壓力傳感器、真空傳感器、高度計、電導(dǎo)率傳感器、阻抗傳感器、慣性測量單元、力感測電阻器、激光測距儀、聲學(xué)測距儀、磁力計、霍爾效應(yīng)傳感器、磁電二極管、磁電晶體管、mems磁場傳感器、麥克風(fēng)、光電檢測器、加速度計、陀螺儀傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、化學(xué)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、沉降傳感器、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、氮氣傳感器、天然氣傳感器、化學(xué)武器傳感器、vx氣體傳感器、沙林氣體傳感器、芥子氣體傳感器、爆炸物探測器、金屬探測器、放射性探測器和電流傳感器。在軟機(jī)器人中使用多于一種類型的傳感器將提供關(guān)于軟機(jī)器人的狀態(tài)的豐富信息(例如，曲率、位置或地點)。

在一些實施例中，傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)或傳感器系統(tǒng)通常是柔性和順應(yīng)的，并且能夠有與軟致動器本身相等或更大范圍的大變形。

軟機(jī)器人可以是具有可膨脹的主體的任何機(jī)器人，其能夠在壓力變化時膨脹或塌陷。在一些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備的軟主體具有加壓入口，該加壓入口被配置為與流體源、可膨脹主體和固定到可膨脹主體的一部分的應(yīng)變受限層連通。軟機(jī)器人的實際構(gòu)造的示例是非限制性的，并且可膨脹主體可以例如由多個可膨脹的流體連通的室制成；其中加壓入口被配置為與該多個可膨脹的互連的室連通，或者使用一個或多個彈性室制造，這些彈性室被配置為在流體加壓時膨脹和/或在真空致動時收縮。在其它實施例中，可膨脹主體由一個或多個柔性或可延伸的室制成，該柔性或可延伸的室被配置為在流體加壓時展平(unbend)或打開(unfold)。軟主體機(jī)器人設(shè)備還包括應(yīng)變受限層，該應(yīng)變受限層附連到彈性體主體，其不柔軟或者與彈性體主體相比更不柔軟。在一個或多個實施例中，應(yīng)變受限層是不可延伸的，或者應(yīng)變受限層可以適應(yīng)小于35％或小于40％或小于50％的應(yīng)變，并且例如可以在0-50％應(yīng)變范圍內(nèi)。軟機(jī)器人設(shè)備中的彈性體主體可以被配置為當(dāng)室或多個互連的室被流體加壓時優(yōu)先膨脹，從而引起圍繞應(yīng)變限制層的彎曲運(yùn)動。在其它實施例中，應(yīng)變受限層螺旋卷繞在主體周圍，以形成扭轉(zhuǎn)致動器。對于適于本發(fā)明的軟致動器的非限制性描述，參見wo2012/148472；2013年2月28日提交的國際申請no.pct/us13/28250；2013年1月22日提交的國際申請no.pct/us13/22593和2013年10月1日提交的美國臨時申請序列no.61/885092，其內(nèi)容其通過引用并入本文。

在某些實施例中，軟機(jī)器人還包括用于至少部分地基于從一個或多個傳感器或成像區(qū)域獲得的數(shù)據(jù)來控制軟機(jī)器人的移動的控制系統(tǒng)。

用于對軟設(shè)備的形態(tài)執(zhí)行實時測量的一個重要應(yīng)用是補(bǔ)償設(shè)備的充氣行為中的滯后。例如，當(dāng)軟致動器被充氣到給定的壓力y，然后被充氣到新的壓力x，其中x>y，并且然后被再次充氣到壓力y時，依賴于條件，有時觀察到在第二次充氣到y(tǒng)時發(fā)生較大的致動程度。對于這種滯后效應(yīng)顯著的系統(tǒng)，知道供給軟設(shè)備的壓力不足以確定其形態(tài)。在這些情況下，有助于測量獨立于壓力的參數(shù)的傳感器或標(biāo)記(例如，應(yīng)變傳感器、磁性標(biāo)記、led標(biāo)記等)的網(wǎng)絡(luò)可以被用來確定軟致動器或機(jī)器人的形態(tài)。這種傳感器的系統(tǒng)可以被用來保證實現(xiàn)軟設(shè)備的期望形態(tài)，而不管設(shè)備對過去充氣的記憶。

體積檢測系統(tǒng)和壓力傳感器

在一些實施例中，描述了具有一個或多個體積傳感器、體積檢測系統(tǒng)(例如，流量傳感器)或壓力傳感器的軟機(jī)器人或軟致動器。體積檢測系統(tǒng)(例如，流量傳感器)或壓力傳感器各自可以嵌入在軟機(jī)器人或軟致動器的室中，并且各自被配置為測量流入或流出室的流體的體積或者室內(nèi)部的壓力。如本文所使用的，術(shù)語“體積檢測系統(tǒng)”一般指被配置為確定軟致動器的(一個或多個)室中的流體體積的任何傳感器或系統(tǒng)。體積檢測系統(tǒng)的具體示例是流量傳感器。

因此，在一些實施例中，流量傳感器被配置為測量流入軟機(jī)器人或軟致動器的空氣流量量。在其它實施例中，流量傳感器被配置為測量從軟機(jī)器人或軟致動器流出的空氣流量。在還有的其它實施例中，單個流量傳感器或一系列流量傳感器各自被用來測量進(jìn)入和離開軟機(jī)器人或軟致動器的空氣流量。在其它實施例中，軟機(jī)器人或軟致動器是包括處理器和控制系統(tǒng)中的至少一個的軟機(jī)器人系統(tǒng)的一部分。處理器被配置為接收從體積或壓力傳感器讀出的數(shù)據(jù)?；趯ψx出的解釋，處理器可以向控制系統(tǒng)發(fā)送指令以減少或停止更多體積的流體進(jìn)入室，或者調(diào)節(jié)室內(nèi)的壓力。因此，來自體積或壓力傳感器的讀出可以用作軟機(jī)器人的室的充氣狀態(tài)的指示器。

在某些實施例中，軟機(jī)器人包括一個或多個閥門，其控制流體流進(jìn)和流開(一個或多個)室。在一些實施例中，在軟機(jī)器人的室用具有期望體積和/或壓力的流體充氣之后，閥門被關(guān)閉。在這些實施例中，當(dāng)軟機(jī)器人在其路徑中遇到障礙物時(例如，軟機(jī)器人夾具與機(jī)器人碰撞時)，軟機(jī)器人的室內(nèi)的壓力可以由于軟致動器的壓縮而升高或振蕩。對于這些實施例，可以用壓力傳感器檢測碰撞，該壓力傳感器感測由于致動器在碰撞時的壓縮引起的壓力的上升或振蕩。

在其它實施例中，閥門在操作期間保持打開，并且由控制器系統(tǒng)(例如，電氣或機(jī)械氣動調(diào)節(jié)器)維持致動器中的期望壓力。在一些實施例中，當(dāng)軟機(jī)器人在其路徑中遇到障礙物時(例如，軟機(jī)器人夾具抓握物體時)，控制器系統(tǒng)將在與物體碰撞時停止向(一個或多個)致動器的(一個或多個)室提供加壓流體，因為向致動路徑被阻塞的致動器提供附加流體將需要將致動器中的內(nèi)部壓力提高到由控制器系統(tǒng)維持的設(shè)定壓力以上。在達(dá)到期望的壓力后，控制器系統(tǒng)可以關(guān)閉閥門。

在某些實施例中，流體(例如，空氣)經(jīng)由壓力調(diào)節(jié)器(機(jī)械或電氣)供應(yīng)到軟致動器，然后致動器將能夠維持固定的壓力，而不管其與其環(huán)境的相互作用如何。在這些實施例中，致動器內(nèi)部的空氣的體積可以依賴于外力是否被施加到致動器上而改變。結(jié)果，在某些實施例中，體積檢測系統(tǒng)可以被用來測量進(jìn)入和離開致動器的空氣流量，以確定致動器的狀態(tài)是否發(fā)生變化。例如，如果軟致動器被充氣并且其致動路徑不被阻塞，那么它將在那個壓力下充氣至其完全體積(這可以由體積檢測系統(tǒng)測量)。

如果力被施加到致動器上(例如，由于阻塞)，那么致動器中的一些空氣會在致動器變形時流出致動器。因此，在一些具體的實施例中，由體積檢測系統(tǒng)測量的致動器內(nèi)的體積變化被用于檢測/感測軟機(jī)器人與物體的碰撞。在一些實施例中，軟致動器被充氣，并且其致動路徑被阻擋(例如抓握物體)，致動器將不會充氣到其完全體積，因為它將在其碰到那個物體之后不久停止充氣。在還有的其它實施例中，軟夾具中的軟致動器抓住可能脫離其抓握的物體。致動器可以開始吸入空氣并且充氣到其完全體積，因為一旦物體丟失，致動器(例如，夾具)就不被阻塞。

在還有的其它實施例中，流量傳感器被配置為確定/估計被抓握的物體的尺寸。在某些實施例中，軟機(jī)器人夾具將被用來抓握不同尺寸的物體。如果被抓握的物體小，那么致動器將需要接收大量的空氣以幾乎將夾具完全關(guān)閉。如果物體大，那么僅需要提供少量的流體(例如，空氣)，因為在夾具接觸物體以形成抓握之前，夾具不需要很大程度地關(guān)閉。通過測量抓握物體所需的流體量，可以估計物體的尺寸。

在還有的其它實施例中，致動器的充氣分布曲線(例如，致動器內(nèi)部的流體體積根據(jù)流量傳感器測量的時間的變化)可以被用來測量物體的順應(yīng)性。物體可以具有軟的主體(例如，海綿)并且容易符合致動器的抓握力。在這種情況下，致動器將快速填充空氣，直到致動器的抓握路徑由于與海綿碰撞而阻塞。然后，當(dāng)致動器緩慢壓縮海綿時，致動器將開始緩慢地填充空氣。人們可以測量流體(例如，空氣)流入軟機(jī)器人或軟致動器的速度的變化，以確定/估計機(jī)器人何時抓握住物體，即，壓力和/或體積的依賴于時間的變化的測量。當(dāng)物體易碎時，用戶或控制系統(tǒng)可以停止向夾具供應(yīng)空氣，以防止物體進(jìn)一步變形。因此，體積傳感器可以提供信息，以使用戶能夠防止軟夾具由于過度壓縮而損壞物體。因此，在一些實施例中，包括體積傳感器的軟機(jī)器人設(shè)備還包括具有如下指令的處理器和/或控制器系統(tǒng)，該指令被嵌入在處理器或控制器系統(tǒng)中，以在體積傳感器檢測到室內(nèi)的流體體積超過閾值的情況下指示控制系統(tǒng)開始校正動作。在其它實施例中，體積傳感器還包括具有如下指令的處理器和/或控制器系統(tǒng)，該指令嵌入在處理器或控制器系統(tǒng)中，以在測量到流入或流出致動器的流體的速度的對應(yīng)于使物體破碎的異常變化的情況下指示控制系統(tǒng)開始校正動作。

在一些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備(例如，夾具)被配置為響應(yīng)于異常的壓力或流量讀數(shù)，以例如識別和校正對應(yīng)于不期望事件的時間依賴流量或壓力響應(yīng)中的模式。在一些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備(例如，夾具)還包括被配置為檢測依賴于時間的流量和/或壓力變化的處理器和/或控制器系統(tǒng)。在某些實施例中，軟機(jī)器人夾具的致動器中的壓力由調(diào)節(jié)器維持，并且處理器和/或控制器系統(tǒng)被配置為檢測流量的突然增加或振蕩和/或壓力的突然減小或振蕩(例如，當(dāng)夾具意外掉落抓握的物體時)，并指示控制器系統(tǒng)嘗試再次抓握物體。在其它實施例中，處理器和/或控制器系統(tǒng)被配置為檢測如下的流量分布曲線并指示控制器系統(tǒng)以阻止進(jìn)一步的流體流入(一個或多個)室中，該流量分布曲線的特征在于流量的突然減小，隨后是流入(一個或多個)室的流體的速度連續(xù)且較慢。例如，這可以在檢測到抓握之后(這將被視為流量的突然減少)隨后壓縮抓握的物體(這將被視為與抓握目標(biāo)的緩慢壓縮相對應(yīng)的較慢的流速)時發(fā)生。當(dāng)檢測到流量的這種特征模式時，處理器或控制器系統(tǒng)可以選擇停止向致動器的(一個或多個)室提供流體(例如，空氣)，以便停止被抓握的物體的持續(xù)壓縮。

在一些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備(例如，軟夾具)包括用于軟設(shè)備/機(jī)器人的狀態(tài)估計的力傳感器。如本文所述，如果軟致動器與物體接觸，那么知道用來使致動器充氣的空氣的壓力和體積對于知道致動器形態(tài)可能是不足夠的信息。在這種情況下，可以使用關(guān)于充氣壓力和用來使致動器充氣的空氣的體積的數(shù)據(jù)結(jié)合來自致動器表面上的力傳感器的讀數(shù)來確定致動器形態(tài)。壓力、空氣流量和力信息的這種組合對于控制軟機(jī)器人夾具是重要的。

用于基于光纖bragg光柵的軟致動器的光學(xué)傳感器

在一方面，描述了軟機(jī)器人設(shè)備，包括：彈性體主體，其具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體；以及至少一個基于光柵的傳感器。在一些實施例中，基于光柵的傳感器被配置為檢測物理、化學(xué)和/或電子信號。

感測可以用各種不同的光學(xué)傳感器來實現(xiàn)。如本文所使用的，基于光柵的傳感器是指通過在光波導(dǎo)中包括/嵌入光柵狀結(jié)構(gòu)而制成的傳感器。光波導(dǎo)是諸如引導(dǎo)光的傳播的光纖或光學(xué)平板波導(dǎo)之類的結(jié)構(gòu)。由于波導(dǎo)和環(huán)境之間的折射率失配，或由于波導(dǎo)的不同層(例如，芯和包層)之間的折射率失配，光的引導(dǎo)是可能的。光波導(dǎo)的示例包括平面波導(dǎo)，脊波導(dǎo)，圓形、溝道和光子晶體光纖波導(dǎo)。典型的光波導(dǎo)是具有內(nèi)芯(通常具有較高折射率)和圍繞芯的外包層的光纖?；诠鈻诺膫鞲衅骺梢允俏挥谛竞?或包層中的波導(dǎo)的整體部件。在某些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括至少一個處理器，其被配置為可操作地鏈接到基于光柵的傳感器，以從基于光柵的傳感器接收讀出并解釋該讀出；以及控制系統(tǒng)，被配置為基于由基于光柵的傳感器生成的讀出或處理器對讀出的解釋來控制軟機(jī)器人的移動。在某些實施例中，短語“基于光柵的傳感器”是指光纖。在其它實施例中，短語“基于光柵的傳感器”是指包括感測信號所需的全部項的系統(tǒng)，其包括1)饋送到光纖中的光源，2)光纖bragg光柵，和3)測量從光纖出來的光的光譜儀；和/或4)解釋測量的光譜的分析軟件。因此，在某些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備包括讀取基于光柵的傳感器讀出的光譜儀，并且然后處理器可以解釋來自光譜儀的結(jié)果。

在一些實施例中，基于光柵的傳感器是基于光纖bragg光柵的光學(xué)傳感器。在一個或多個實施例中，光纖bragg光柵被集成到光纖中。光纖可以由玻璃、聚合物或玻璃/聚合物混合物、任何種類的透光材料制成?；诠鈻诺膫鞲衅鞯姆窍拗菩允纠ü饫wbragg光柵、傾斜的光纖bragg光柵(tfbg)、啁啾光柵傳感器和長周期bragg光柵傳感器。

光纖bragg光柵是刻印在光纖芯中的周期性光學(xué)元件。它通過反射其波長與光柵周期成比例的反射光來起作用。光柵周期與其bragg波長之間的關(guān)系可以用以下方式描述：

λb＝2ηeffλ，(1)

其中λ是光柵的周期，λb是背反射光的波長，并且ηeff是背反射芯模式的有效折射率[等式1]。圖1示出了光纖bragg光柵的示意圖。fbg的結(jié)構(gòu)可以經(jīng)由折射率或光柵周期而變化。光柵周期可以是均勻的或分級的，并且集中或分布在光柵中。光纖bragg光柵可以通過使用已建立的技術(shù)將折射率的系統(tǒng)(周期性或非周期性)變化“刻入”或“寫入”光纖的芯而制成。

相對于光在光纖中傳播方向的法線以一定角度刻印bragg光柵形成傾斜的bragg光柵(tfbg)。背反射光由幾個頻率組成，并且它包括背反射芯模式和一組背傳播包層模式。激發(fā)模式的波長和有效折射率可以使用以下關(guān)系找到：

λclad＝(ηeff，core+neff，clad)λ/cos(α)，(2)

其中λclad是背反射包層模式的波長，ηeff，core是背反射包層模式的有效折射率，neff，clad是背反射芯模式的有效折射率，λ是光柵的周期，α是光柵的傾斜角。圖2示出了tfbg的示意圖。

光纖bragg光柵可以被用來感測各種參數(shù)(例如，應(yīng)變、彎曲、定向彎曲、光纖的3d狀態(tài)、振動、壓力、溫度、濕度、化學(xué)或生物制劑的存在和濃度)。許多光纖bragg光柵可以被集成到單個光纖中，以允許傳感器在同一光波導(dǎo)內(nèi)被復(fù)用，因此使得能夠沿著波導(dǎo)的長度連續(xù)監(jiān)視關(guān)注的參數(shù)。可以從傳感器獲得的信息可以被用來導(dǎo)出關(guān)于軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)的信息，諸如沿著軟機(jī)器人設(shè)備的點處的壓力、位置、長度、曲率、朝向、速度、加速度、形態(tài)和物理狀態(tài)。在其它實施例中，基于光柵的傳感器可以被配置為提供關(guān)于軟機(jī)器人設(shè)備的外部環(huán)境的信息，諸如在軟機(jī)器人設(shè)備的外部環(huán)境中的溫度、濕度、化學(xué)制劑或生物制劑；或者基于光柵的傳感器被配置為檢測軟機(jī)器人的應(yīng)變、力、磁場、流量、彎曲、定向彎曲、三維狀態(tài)、振動、壓力、溫度信息。

基于光柵的傳感器可以以各種方式連接、鏈接或附連到軟機(jī)器人設(shè)備。在一些實施例中，基于光柵的傳感器被嵌入到彈性體主體中或附連到彈性體主體的外部。在其它實施例中，基于光柵的傳感器被模制或共同模制到彈性體主體中。在還有的其它實施例中，基于光柵的傳感器被縫合或卡扣到彈性體主體上或者用鉤和環(huán)固定到彈性體主體上?；诠鈻诺膫鞲衅骺梢杂谰玫馗竭B到彈性體主體或嵌入彈性體中，或者從彈性體主體可移除?；诠鈻诺膫鞲衅骺梢月菪鼐砝@在彈性體主體和/或彈性體的末端效應(yīng)器的周圍。在某些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；并且軟機(jī)器人設(shè)備包括嵌入或附連到應(yīng)變受限層的一個或多個基于光柵的傳感器。

感測機(jī)制：

光柵的傾斜使得能夠?qū)⑿灸Ｊ今詈系椒聪騻鞑サ男竞桶鼘幽Ｊ街小ｋm然芯模式只能在光纖的芯中傳播，包層模式在包層中傳播，但是它們可以靠近光纖的表面。這個事實解釋了他們對包括化學(xué)變化在內(nèi)的一系列外部參數(shù)的敏感性。光柵的溫度敏感度可以通過以下事實來解釋：如果溫度變化，那么光纖的芯將改變其維度。因此，光柵的周期也將改變。因此，直線和傾斜的bragg光柵可以用于溫度監(jiān)視。

嵌入在軟機(jī)器人中的bragg光柵可以為機(jī)器人提供結(jié)構(gòu)感測能力。傾斜的光纖bragg光柵傳感器可以被用來監(jiān)視振動、應(yīng)變、彎曲和定向彎曲等參數(shù)。上面提到的任何參數(shù)的改變都可能導(dǎo)致光纖的幾何形狀(光纖的芯和包層部分的幾何形狀)的改變。傾斜的光纖bragg光柵允許通過反向傳播的包層模式集合的生成對結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行光譜編碼監(jiān)視。tfbg的透射光譜具有對應(yīng)于背反射模式和包層模式的多個深度。每個深度具有具體的波長和振幅。監(jiān)視背反射模式的位置或其振幅允許連續(xù)跟蹤生成這些變化(包括結(jié)構(gòu)變化)的因素。

此外，傾斜的光纖bragg光柵傳感器可以被用來辨別若干參數(shù)(諸如溫度和應(yīng)變、或應(yīng)變和振動)。因為這些參數(shù)對背反射模式的影響，因此參數(shù)之間的辨別是可能的。例如，溫度的變化以相同的方式影響所有的反向傳播模式。結(jié)果，如果溫度變化，那么背反射模式的波長位置將改變相同的量。另一方面，應(yīng)變選擇性地僅影響其傳播受所施加的力干擾的模式。因此，當(dāng)施加應(yīng)變時，僅有幾個包層模式將經(jīng)歷轉(zhuǎn)變。有可能通過相對于彼此跟蹤所選擇的諧振的振幅和波長的相對變化來實現(xiàn)溫度和應(yīng)變之間的辨別。

靠近光纖表面的包層模式的傳播使得它們的有效折射率能夠依賴于外部的折射率。傾斜的光纖bragg光柵傳感器可以成功地應(yīng)用于監(jiān)視不同的化學(xué)和生物參數(shù)。在某些實施例中，本文所述的光纖bragg光柵傳感器被用于濕度感測、化學(xué)感測、生物感測和細(xì)胞感測。在某些實施例中，通過將光纖bragg光柵傳感器添加到軟機(jī)器人的表面來實現(xiàn)化學(xué)和/或生物感測。在某些實施例中，傳感器被部分地嵌入到軟機(jī)器人的主體中，或使用粘合劑密封到機(jī)器人的表面。在這些實施例中，粘合劑不能限制光波導(dǎo)的柔性。現(xiàn)有商業(yè)光纖和定制波導(dǎo)的柔性性質(zhì)應(yīng)允許傳感器結(jié)合軟機(jī)器人的成功應(yīng)用，即，傳感器可以彎曲并且可以改變其形狀而不使其性能降級。

長周期bragg光柵是具有高于100μm的周期的bragg光柵。除了它們只能激發(fā)向前傳播的包層和芯模式之外，長周期bragg光柵的功能類似于傾斜的光纖bragg光柵傳感器。在某些實施例中，長周期bragg光柵傳感器被應(yīng)用于化學(xué)、濕度、生物、壓力和彎曲感測。類似于傾斜的光纖bragg光柵傳感器，長周期bragg光柵可以通過具有不同周期被光譜分離并在同一光波導(dǎo)中多路復(fù)用，以便實現(xiàn)沿光纖長度的所關(guān)注的參數(shù)的連續(xù)監(jiān)視。

在某些實施例中，長周期光柵傳感器依賴于應(yīng)用或者通過使用粘合劑將它們添加到機(jī)器人的表面或通過將它們嵌入到軟機(jī)器人的主體中而集成到軟機(jī)器人中。在某些實施例中，為了化學(xué)和生物感測，傳感器被定位在機(jī)器人的表面上，并且光纖表面的一部分需要暴露于環(huán)境并與所關(guān)注的生物或化學(xué)制劑相互作用。在某些實施例中，結(jié)構(gòu)感測可以由嵌入在軟機(jī)器人中或軟機(jī)器人表面上的傳感器來實現(xiàn)。在某些實施例中，通過在模制處理期間將傳感器添加到預(yù)固化的聚合物或者通過在將機(jī)器人放在一起時將它們定位在軟層之間來執(zhí)行嵌入。在一些實施例中，傳感器可以被添加到在機(jī)器人致動期間將不會經(jīng)歷顯著拉伸的應(yīng)變限制層。在某些實施例中，傳感器被添加到在致動時延伸的常規(guī)軟層，因此光波導(dǎo)將以允許整個結(jié)構(gòu)拉伸的方式被扭轉(zhuǎn)、彎曲或空間修改。

在一些實施例中，光纖可以以蛇形或螺旋形模式嵌入彈性體中，使得其可以在致動器拉伸時展開。以這種方式，光纖可以被放到致動器的拉伸區(qū)域中。在某些實施例中，光纖被嵌入在應(yīng)變限制層中的直線幾何形狀中。

圖3示出了如下的示意圖，該示意圖示出了刻印在同一光纖的芯中的、具有不同周期的若干傾斜的光纖bragg光柵傳感器。

在一些實施例中，為了布置若干傳感器被刻印在同一波導(dǎo)中，并且能夠沿著光纖的一定長度監(jiān)視所關(guān)注的參數(shù)(例如，梯度或彎曲)，光柵需要被光譜分離。這可以通過確保每個光柵的周期與其它光柵的周期不同來實現(xiàn)。通過制造具有其各自周期的光柵并將它們連接在一起，可以創(chuàng)建可用于監(jiān)視沿光纖長度的所關(guān)注的參數(shù)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于光柵的光譜分離，傳感器的響應(yīng)將不會重疊。每個傳感器將具有其自己的光譜寬度，該光譜寬度可以由光柵的傾斜來確定。

在同一光纖內(nèi)連接不同周期的若干光柵可以通過或者沿單個光纖片段的長度寫入若干光柵或者通過在各個光纖片段中寫入光柵并且稍后將這些片段拼接在一起來實現(xiàn)。

啁啾光柵或非周期光纖光柵是具有沿光柵長度變化的周期的光柵。

作為非啁啾光柵的復(fù)用的替代方案，啁啾光柵可以用于實現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)或分布式化學(xué)感測。

在一些實施例中，圖4b示出了長度為l的直線啁啾bragg光柵。光柵的周期從λ1增加到λn。沿光柵的長度變化的周期生成空間編碼的光譜響應(yīng)。特別地，這種光柵的響應(yīng)將具有由特定周期的光柵的特定部分生成的諧振。背反射諧振的波長將由光柵的局部周期規(guī)定。那些諧振可以被用來跟蹤沿光柵長度發(fā)生的結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化。

具體而言，當(dāng)在光纖中存在光柵時，它將背反射(即，向后反射)由光柵的周期和光柵的有效折射率確定的某些光。在復(fù)用光柵的情況下，將預(yù)期在光纖中具有不止一個光柵區(qū)域，每個區(qū)域具有不同的周期性，使得如果通過光纖發(fā)送多個波長的光，那么各個波長將在它們擊中適當(dāng)周期的光柵時被背反射。例如，如果通過光纖發(fā)送波長為λbx和波長為λby的光，那么，當(dāng)波長為λbx的光擊中周期為λ＝λbx/2ηeff的光柵時，波長為λbx的光將被背反射，并且，當(dāng)波長為λby的光擊中周期為λ＝λby/2ηeff的光柵時，波長為λby的光將被背反射。因此，如果這兩個不同的光柵沿著光纖的長度處于不同的位置，那么可以使用基于光柵的傳感器來在這兩個分開的位置處提供信息。

使用不同的光柵可能意味著需要對于每個點將具有獨特周期性的光柵寫入或拼接到光纖中以用于信息收集。在某些實施例中，使用啁啾光柵來解決這個問題。對于啁啾光柵，光柵的周期性沿其長度逐漸變化。因此，被背反射的波長沿其長度逐漸變化。這意味著啁啾光柵在沿光柵的每個點處提供空間分辨的信息。

在一些實施例中，每個背反射提供關(guān)于光纖中發(fā)生背反射的點處的局部環(huán)境和光柵狀態(tài)的信息。這是因為對光纖的芯、其包層或者對周圍環(huán)境的折射率的任何干擾都會更改光柵的行為，這更改了背反射的光的特性。例如，如果光柵被加熱，那么它將膨脹，從而改變光柵的周期性并且進(jìn)而改變它將背反射的光的波長?？商娲?，如果光柵彎曲，那么它將改變光柵的周期性，這將改變它將背反射的光的波長。

在一些實施例中，啁啾光柵可以通過或者將它們添加到機(jī)器人的表面(使用粘合劑密封)或者通過將它們嵌入到軟機(jī)器人中而被集成到軟機(jī)器人中。嵌入可以在模制階段期間或在模制后當(dāng)幾層軟機(jī)器人放在一起時執(zhí)行?？商娲兀惫鈻趴梢约苫蛱砑拥骄砝@在致動器周圍的織物上。

圖4c示出了軟觸手，其中在觸手的表面上添加有啁啾光柵405。在其它實施例中，基于光柵的傳感器可以被放在致動器的芯中。光柵的周期沿著光柵的長度(l)從λ1到λn變化。這種光柵可以通過由光柵的每個部分生成背反射模式來檢測沿著光柵的長度發(fā)生的結(jié)構(gòu)或化學(xué)變化。背反射模式的波長位置或振幅的跟蹤允許監(jiān)視影響模式傳播的因素。

基于光柵的傳感器可以與一個或多個相同類型或不同的傳感器結(jié)合使用。在某些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括沿著彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層，并且軟機(jī)器人設(shè)備包括一個或多個傳感器(例如，嵌入或附連到應(yīng)變受限層的基于光柵的傳感器)和嵌入或附連到彈性體主體的一個或多個傳感器(例如，基于光柵的傳感器)。在一些具體實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括一個或多個附加傳感器，每個附加傳感器獨立地選自由以下傳感器組成的組：基于光柵的傳感器、熱傳感器、一個化學(xué)傳感器、生物分析物傳感器、聲音傳感器、光學(xué)傳感器、放射性傳感器、熱傳感器、應(yīng)變傳感器、多個化學(xué)傳感器、生物傳感器、神經(jīng)傳感器、壓力傳感器、大氣壓力傳感器、真空傳感器、高度計、電導(dǎo)率傳感器、阻抗傳感器、慣性測量單元、力感測電阻器、激光測距儀、聲學(xué)測距儀、磁力計、霍爾效應(yīng)傳感器、磁電二極管、磁電晶體管、mems磁場傳感器、麥克風(fēng)、光電檢測器、加速度計、陀螺儀傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、化學(xué)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、沉降傳感器、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、氮氣傳感器、天然氣傳感器、vx氣體傳感器、沙林氣體傳感器、芥子氣體傳感器、爆炸物探測器、金屬探測器和電流傳感器。

在一些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括處理器，該處理器被配置為可操作地鏈接到基于光柵的傳感器，以從基于光柵的傳感器接收讀出并解釋該讀出；和/或控制被配置為基于由基于光柵的傳感器生成的讀出或處理器對讀出的解釋來控制軟機(jī)器人的移動的系統(tǒng)。因此，基于傳感器(諸如基于光柵的傳感器)的讀數(shù)，控制系統(tǒng)指示機(jī)器人采取某些動作(例如，減少/增加入口流體壓力/流量；避免與障礙物接觸；朝向/遠(yuǎn)離化學(xué)、生物或物理信號源移動)。

在一些實施例中，狀態(tài)反饋可以包括：

1)：關(guān)于致動器的彎曲的信息。這在例如當(dāng)彎曲致動器接觸物體時相關(guān)。在這種情況下，僅僅知道致動器的充氣壓力不足以知道致動器的彎曲程度，因為物體妨礙致動器的運(yùn)動。因此，中央控制計算機(jī)將需要彎曲數(shù)據(jù)而不僅僅是壓力數(shù)據(jù)作為輸入，以知道如何引導(dǎo)軟機(jī)器人的活動。這種反饋回路在其中需要在當(dāng)手指抓握不同形狀的物體時知道手指的彎曲的軟夾具中將是有用的。在這種情況下，當(dāng)壓力增加不產(chǎn)生彎曲增加時，控制計算機(jī)將通過感測該點而知道手指何時觸摸物體。當(dāng)感測到這一點時，計算機(jī)可以或者停止使手指充氣以輕輕地?fù)u動其正在抓握的物體，或者繼續(xù)使那個手指充氣，以便將力施加到它正在抓握的物體的表面。

2)：關(guān)于致動器的溫度或環(huán)境溫度的信息。溫度的變化將改變組成軟致動器的彈性體的剛度。因此，給定固定的致動壓力，致動器的致動程度將根據(jù)溫度而改變。通過使用致動器的溫度數(shù)據(jù)作為感測反饋回路的一部分，控制計算機(jī)可以補(bǔ)償這種效應(yīng)，以確保始終為致動器實現(xiàn)期望的致動程度，而不管溫度如何。這對于必須走進(jìn)熱環(huán)境中的消防救援機(jī)器人來說是相關(guān)的，在熱環(huán)境中，控制其門的參數(shù)將隨溫度而不斷變化。在一些實施例中，可以通過在致動器上使用tfbg或熱電偶或者通過使用諸如紅外溫度計或恒溫器之類的設(shè)備遠(yuǎn)程測量致動器溫度來實現(xiàn)對致動器溫度的感測。

3)：關(guān)于特定化學(xué)和生物制劑的存在的信息。這可以與探索化學(xué)品泄漏的軟機(jī)器人相關(guān)。例如，如果基于硅酮的軟機(jī)器人發(fā)現(xiàn)其一條腿處于將會損壞機(jī)器人的化學(xué)物質(zhì)(例如，己烷、二惡烷、二氯甲烷)的坑中，那么這個信息可以被饋送到控制計算機(jī)，在這個時候控制計算機(jī)將工作以將機(jī)器人引導(dǎo)到安全的地方。

4)：壓力感測對于控制軟夾具將是有用的。例如，在夾具的其中一個手指彈出的情況下，壓力傳感器可以將這個信息發(fā)送到控制器，控制器開始利用其余手指進(jìn)行校正動作，以便保證被抓握的物體不會掉落并因此破碎、砸到人身上，或兩者兼而有之。在這種場景中，壓力傳感器可以位于各種地方。例如，傳感器可以在使用bragg光柵或常規(guī)壓力傳感器(如大氣壓力傳感器芯片)的致動器中，或者傳感器可以在經(jīng)由系繩向機(jī)器人供應(yīng)壓力的盒子中。

5)：流量傳感器對于控制軟夾具將是有用的。例如，在夾具的其中一個手指彈出的情況下，流量傳感器可以將這個信息發(fā)送到控制器，控制器開始利用其余手指進(jìn)行校正動作，以便保證被抓握的物體不會掉落并因此破碎、砸到人身上，或兩者兼而有之。流量傳感器可以用在各種地方。例如，如果一旦夾具被完全致動就被充氣到靜壓力，那么到夾具的氣流將停止。但是，如果夾具的其中一個手指彈出，那么負(fù)責(zé)維持夾具中的靜壓力的電動氣動換能器將開始使空氣流到該手指，以補(bǔ)償由于彈出而導(dǎo)致的手指中的壓降。結(jié)果，手指的這種彈出可以作為異?？諝饬髁縼頊y量。在這個時候，夾具可以開始校正動作。這種流量傳感器可以在控制夾具的氣動控制盒中，但也可以結(jié)合到致動器的主體中。因此，在一些實施例中，利用嵌入式流量傳感器來描述軟致動器，以監(jiān)視用作致動器的控制輸入的加壓流體的操作流速或壓力的變化，使得其操作響應(yīng)于流體流量的變化而被修改。

基于光柵的傳感器與軟機(jī)器人的集成：

傳感器可以被添加到軟機(jī)器人中：1)將具有刻印在其芯中的光柵的商業(yè)光纖501(例如，smf-28)附連到軟致動器或軟機(jī)器人的表面(圖5)，以及2)制造定制的光柵嵌入在其結(jié)構(gòu)中的基于聚合物的光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)隨后將被添加到軟致動器或軟機(jī)器人的表面，或者將被結(jié)合到軟致動器或軟機(jī)器人的主體中?？梢越柚魏我环N不會限制軟機(jī)器人和傳感器的柔性的粘合劑來將光學(xué)傳感器附連到軟機(jī)器人的表面。如果傳感器必須集成在機(jī)器人內(nèi)部，那么傳感器可以添加在包括機(jī)器人主體的層之間。在一些實施例中，傳感器還可以在模制處理期間嵌入到機(jī)器人中。

圖4a示出了如下的示意圖，該示意圖示出了在其結(jié)構(gòu)中嵌入有光波導(dǎo)的軟觸手401。在這些實施例中，多個傳感器s1、s2...sn被嵌入在軟觸手中。波導(dǎo)具有在空間和頻譜上分離的n個tfbg傳感器，從而提供了在波導(dǎo)l＝l1+l2+l3+....+ln的長度上監(jiān)視所關(guān)注的參數(shù)的機(jī)會。由于光纖是不可延伸的，因此可以將其結(jié)合到應(yīng)變限制層。這可以以許多不同的方式完成。以下是非限制性示例的列表：

1)：在三室觸手的情況下，光纖可以模制到中心應(yīng)變限制芯中。

2)：在其它實施例中，可以構(gòu)建其中光纖是應(yīng)變限制層的致動器。如果在充氣時將光纖模制到可充氣彈性體結(jié)構(gòu)的壁中，那么該結(jié)構(gòu)將沿不可延伸的光纖的方向彎曲。可以使用這種做法創(chuàng)建復(fù)雜的運(yùn)動。例如，如果光纖被模制到彈性體管的壁中，使得在充氣時光纖形成卷繞在管的壁上的螺旋，那么管將延伸并扭轉(zhuǎn)。

3)在還有的其它實施例中，中空通道可以被模制到軟致動器的應(yīng)變限制層中，使得光纖可以在模制之后插入通道中。然后可以通過用膠水或附加彈性體填充通道而將光纖固定到位?？商娲?，可以選擇不使用膠水或更多彈性體，而是僅使得光纖自由放置在通道中。還可以使用其端部附連到通道的端部的螺旋或蛇形形狀的光纖，使得當(dāng)致動器彎曲、扭轉(zhuǎn)或延伸時，光纖可以伸長。

4)：光纖可以經(jīng)由膠合、縫合或編織附連到織物上，然后織物被放在致動器上以充當(dāng)應(yīng)變限制層。例如，簡單的紡織品可以用作用于軟致動器的應(yīng)變限制層。

在一些實施例中，將繞過光纖不可延伸這一事實的添加光纖的另一種做法是將其放在充氣室的中空內(nèi)部(例如，圖4a中所示的中空空間403)中。光纖可以自由放置在充氣室中，或者其端部可以固定到充氣室的壁，在這種情況下，可以使用具有螺旋或蛇形形狀的光纖，以便其在充氣室彎曲、扭轉(zhuǎn)或延伸時可以伸長。

在某些實施例中，如果傳感器意在測量致動器的彎曲狀態(tài)，那么它可以被放在致動器的內(nèi)部或外部。在一些實施例中，如果它意在感測化學(xué)或生物材料，那么將需要1)在致動器的外部，使得傳感器可以與外部環(huán)境接觸，或者2)需要位于致動器內(nèi)用來收集樣本的中空管中以使得樣本流過傳感器。在一些實施例中，如果光纖意在測量致動器的充氣壓力，那么傳感器被固定到充氣室的內(nèi)壁或自由放置在室中。在一些實施例中，如果光纖被用來測量致動器的溫度，以便補(bǔ)償致動器的剛度隨著溫度的變化，那么可以將傳感器安裝或嵌入在跨致動器的多個點處。這是因為在硅氧烷和聚氨酯彈性體中傳輸?shù)臒崃靠赡苄枰罅康臅r間，因此可以在設(shè)備中映射熱梯度，而不是在單個點進(jìn)行一次溫度測量。在一些實施例中，如果溫度傳感器被用來感測外部環(huán)境中的溫度，例如為了確保機(jī)器人不會走入火中，那么傳感器可以安裝在致動器的外部，以確保傳感器具有快響應(yīng)時間。

波導(dǎo)具有在空間和頻譜上分離的n個tfbg傳感器，以提供在波導(dǎo)的長度l＝l1+l2+l3+....+ln上監(jiān)視所關(guān)注的參數(shù)的機(jī)會。所關(guān)注的參數(shù)的整體變化可以被發(fā)現(xiàn)是傳感器響應(yīng)的總和。這種配置還允許檢測測量的參數(shù)的空間位置，因為它現(xiàn)在可以被頻譜編碼到傳感器的響應(yīng)中。

圖5圖示了集成到觸臂500中的基于光柵的傳感器501，由此傳感器501可以提供臂形狀以及末端效應(yīng)器形狀的狀態(tài)反饋。傳感器可以使用粘合劑附連到觸臂的表面，或者傳感器可以嵌入到臂的主體中。這可以或者通過在模制處理期間將傳感器插入觸手中或者在執(zhí)行模制之后將其嵌入到層之間來實現(xiàn)。將傳感器添加到軟機(jī)器人應(yīng)當(dāng)通過將傳感器與機(jī)器人被致動時不會拉伸的應(yīng)變限制層集成來實現(xiàn)。如果傳感器被添加到在致動時膨脹的軟層，那么波導(dǎo)應(yīng)當(dāng)被定位成螺旋形、彎曲的或其它空間上修改的模式，這將允許整個集成結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展/拉伸。此外，可以檢測由夾具/操縱器505的夾鉗力或與環(huán)境中的物體503的碰撞引起的傳感器中的變形。

圖6a圖示了基于光柵的傳感器601的另一個實施例，其中傳感器601螺旋卷繞在軟設(shè)備600的周圍。這種配置的優(yōu)點是傳感器最小程度地妨礙設(shè)備的運(yùn)動范圍、沒有移動的部分、它為軟設(shè)備提供更大的感覺覆蓋并且允許設(shè)備長度的延伸和收縮。

圖6b圖示了由基于光柵的傳感器601測量的軟設(shè)備的狀態(tài)的3d映射。這種信息可以被饋送到控制器中，以對軟設(shè)備進(jìn)行編程，從而執(zhí)行任務(wù)并收集關(guān)于設(shè)備如何與其環(huán)境相互作用的數(shù)據(jù)。例如，如果螺旋線在意外的點處變形，那么這可能表明與物體發(fā)生碰撞。

在一些實施例中，應(yīng)當(dāng)指出的是，來自這種傳感器和其它傳感器(例如，凸塊或碰撞傳感器、壓力傳感器)的輸出可以被饋送到觸覺設(shè)備，以物理地通知操作者作用于該設(shè)備上的力的位置和強(qiáng)度。例如，操作者可以佩戴傳感器化的觸覺手套，其中軟機(jī)器人設(shè)備試圖模擬手套的狀態(tài)。如果操作者經(jīng)由軟機(jī)器人設(shè)備擠壓物體，那么軟機(jī)器人設(shè)備中的接觸/壓力傳感器將激活穿戴者手套中的相關(guān)觸覺致動器。這可以被用來向操作者物理地發(fā)信號通知抓握的質(zhì)量或者何時軟設(shè)備與物體接觸。

軟機(jī)器人假體系統(tǒng)

在另一方面，描述了一種軟機(jī)器人假體系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：軟機(jī)器人，被配置為輔助用戶的一個或多個肌肉或身體部分的移動，并且包括彈性體主體，該彈性體主體具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體來致動軟機(jī)器人；至少一個傳感器，被配置為檢測物理、化學(xué)、磁性或電子信號；以及至少一個處理器，被配置為可操作地鏈接到傳感器，以從傳感器接收讀出并解釋該讀出；以及控制系統(tǒng)，被配置為基于由一個或多個傳感器生成的讀出或處理器對讀出的解釋來致動軟機(jī)器人，以輔助用戶的一個或多個肌肉或身體部分的移動。

如本文所使用的，假體或假體設(shè)備是指在外部或植入的、替代或補(bǔ)充身體缺失或缺損部分或者一般而言改善用戶的一個或多個身體部分或肌肉的功能/運(yùn)動的設(shè)備。用戶的非限制性示例包括人和動物。在一些實施例中，軟機(jī)器人假體系統(tǒng)被附連到或以其它方式鏈接到用戶的身體，并被配置為輔助或改善用戶的身體部分或肌肉的運(yùn)動。傳感器可以在軟機(jī)器人的外部或內(nèi)部(例如，附連或嵌入在軟主體或應(yīng)變限制層中)。在某些實施例中，本文所述的軟機(jī)器人是被配置為抵消身體震顫的可穿戴軟機(jī)器人。在某些實施例中，傳感器被配置為測量與震顫相關(guān)聯(lián)的肌肉或神經(jīng)活動，并且控制系統(tǒng)被配置為響應(yīng)于抵消震顫來致動軟機(jī)器人。

在一些實施例中，軟機(jī)器人假體系統(tǒng)被用來充當(dāng)人或動物的假體，從而提供許多重要任務(wù)，諸如物理通信、對象操縱和自穩(wěn)定。為了執(zhí)行這些任務(wù)，軟致動器需要來自用戶、環(huán)境或兩者的信號?？梢越?jīng)由本文所述的一個或多個傳感器來獲得來自環(huán)境的傳感器。來自用戶的信號可以從各種源生成，其中源可以被廣泛地分類為但不限于i)電、ii)磁、iii)光、iv)熱、v)可聽、vi)化學(xué)和vii)機(jī)械源。磁信號的非限制性示例包括來自腦磁圖(meg)型腦掃描的信號。

圖7a-圖7b示出了包含由控制器系統(tǒng)(例如，氣動控制器703，但是也可以使用液壓或真空系統(tǒng))控制的軟致動器701的軟機(jī)器人系統(tǒng)。氣動控制器703可選地連接到微處理器707，微處理器707規(guī)定氣動控制器是否應(yīng)當(dāng)使軟致動器充氣或放氣。微處理器使用來自外部傳感器707的信號來確定氣動控制器的狀態(tài)。外部傳感器可以由人或動物體生成的任何辨別信號驅(qū)動。正被發(fā)送的信號可以經(jīng)由有線或通過任何無線方式完成。圖7a和7b分別示出了致動器的松弛狀態(tài)(701)和致動狀態(tài)(70)。

在某些實施例中，如上所述的來自用戶的六類信號可以以三種方式進(jìn)行控制：i)通過身體運(yùn)動(圖8a)，ii)通過肌肉激發(fā)(圖8b)，和iii)神經(jīng)元激發(fā)(圖8c)。如圖8a中所示，其可以是沿臂的長度延伸以指示臂運(yùn)動的應(yīng)變傳感器801或應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。這里僅繪出了傳感器。在一些實施例中，軟致動器也沿著臂的長度延伸并且應(yīng)變傳感器被放在致動器的應(yīng)變限制層上。在這種情況下，當(dāng)應(yīng)變傳感器測量初始臂運(yùn)動時，它向控制器802發(fā)送信號，控制器開始對附連到臂的軟致動器進(jìn)行充氣，由此輔助臂的彎曲運(yùn)動。

如圖8b中所示，在某些實施例中，傳感器803測量臂的肌群中的電信號。在這里，如圖8a中那樣，為了簡單起見，圖中僅繪出了傳感器。在一些實施例中，本文所述的軟致動器附連到臂，其中在其應(yīng)變限制層上的電傳感器與臂的表面接觸。當(dāng)這些傳感器測量臂的肌肉中的電活動時，控制器804開始對軟致動器加壓，軟致動器進(jìn)而使臂彎曲，以輔助用戶的運(yùn)動。

如圖8c中所示，傳感器805被附連到用戶的頭部的表面或者附連到腦的表面以測量運(yùn)動皮層中的神經(jīng)活動。在一些實施例中，傳感器被配置為測量運(yùn)動皮層中與用戶移動其臂的意圖相關(guān)聯(lián)的神經(jīng)活動?；谶@個傳感器的讀出，控制器806可以對臂上的軟致動器加壓，由此輔助臂移動。

光學(xué)媒介的信號是無線傳輸?shù)牧硪环N形式。例如，led可以被放在發(fā)射可見光或紅外光的用戶的身體上。隨著用戶的移動，機(jī)器人或外部視覺識別設(shè)備上的傳感器可以跟蹤用戶移動的變化，并相應(yīng)地改變軟致動器的狀態(tài)?？商娲?，來自外部光源的反射光可以由集線器處理，諸如利用游戲系統(tǒng)(例如，xboxkinect)來完成。

具有成像區(qū)域的軟機(jī)器人設(shè)備

在還有另一方面，描述了一種軟機(jī)器人設(shè)備，包括：彈性體主體，該彈性體主體具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體；以及一個或多個成像區(qū)域，被配置為提供與軟機(jī)器人設(shè)備的其它區(qū)域不同的視覺信號，并且被配置為提供關(guān)于軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)的信息。

在一些實施例中，成像區(qū)域中的至少一個被放在彈性體主體的表面上或嵌入在彈性體主體內(nèi)部。在其它實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；并且成像區(qū)域中的至少一個在應(yīng)變受限層的表面上或嵌入在應(yīng)變受限層內(nèi)。在還有的其它實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備可以具有放在彈性體主體的表面上或嵌入在彈性體主體內(nèi)部的一個或多個成像區(qū)域以及在應(yīng)變受限層的表面上或嵌入在應(yīng)變受限層內(nèi)的一個或多個成像區(qū)域。

在一些實施例中，成像區(qū)域是著色區(qū)域(例如著色標(biāo)記)，其具有與軟機(jī)器人設(shè)備的其它區(qū)域不同的顏色。顏色可以由肉眼或者被配置為跟蹤和/或檢測著色區(qū)域的運(yùn)動檢測系統(tǒng)識別。

因此，在一些實施例中，一個或多個著色標(biāo)記被應(yīng)用到軟機(jī)器人設(shè)備的表面，例如彈性體主體的表面，以輔助由計算機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)行的運(yùn)動跟蹤?？梢允褂萌魏晤伾臉?biāo)記。這些標(biāo)記提供沿軟機(jī)器人的主體的參考點，這些點可以由用于確定軟機(jī)器人的狀態(tài)的視覺系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分。由于軟機(jī)器人的表面在致動期間產(chǎn)生應(yīng)變，因此這些跟蹤顏色標(biāo)記將改變形狀、面積和顏色強(qiáng)度。因此，除了能夠使用這些標(biāo)記來確定沿致動器的點處的位置、速度、加速度、朝向、動量等，還將有可能通過分析形狀、面積和顏色強(qiáng)度的這些變化來確定在這些點處的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)和/或形態(tài)。

在其它實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；并且成像區(qū)域中的至少一個在應(yīng)變受限層的表面上或嵌入在應(yīng)變受限層內(nèi)。在一些具體實施例中，成像區(qū)域中的至少一個是具有與軟機(jī)器人設(shè)備的其它區(qū)域不同顏色的著色區(qū)域，并且軟機(jī)器人設(shè)備還包括被配置為跟蹤和/或檢測著色區(qū)域的運(yùn)動檢測系統(tǒng)。因此，在這些實施例中，因為應(yīng)變限制層基本上不變形，所以著色區(qū)域可以基本上保持其形狀、面積和顏色強(qiáng)度，并且著色區(qū)域可以被用作位置指示器。這種配置可以簡化由運(yùn)動捕獲系統(tǒng)對捕獲的圖像的解釋，并降低計算機(jī)計算的復(fù)雜性。

如圖9中所示，若干成像區(qū)域(例如，著色標(biāo)記909)被應(yīng)用到軟致動器901的可充氣氣動層903的表面上。軟致動器901包括可充氣氣動層903、充氣線907、以及與可充氣氣動層903接觸或附連的應(yīng)變限制層905(圖9的頂部部分示出處于未充氣狀態(tài)的軟致動器)。在充氣期間(圖9的底部部分)，應(yīng)變限制層彎曲(905')，可充氣氣動層膨脹(903')并且跟蹤標(biāo)記(909')的面積增加；并且它們的形狀變化且它們的顏色濃度減小。這種信息可以由成像設(shè)備捕獲以用于分析。例如，成像設(shè)備可以將處于未充氣階段的跟蹤標(biāo)記的顏色濃度與充氣階段的顏色濃度進(jìn)行比較，并且顏色濃度的降低表示軟機(jī)器人處于應(yīng)變或致動狀態(tài)。類似地，成像設(shè)備可以將處于未充氣階段的跟蹤標(biāo)記的面積與充氣階段的面積進(jìn)行比較，并且面積的增大表示軟機(jī)器人處于應(yīng)變或致動狀態(tài)。

常規(guī)機(jī)器人使用運(yùn)動學(xué)跟蹤標(biāo)記的主要原因之一是使用計算機(jī)視覺系統(tǒng)識別這些標(biāo)記比使計算機(jī)可視地識別機(jī)器人本身的主體更容易。使用這種跟蹤軟機(jī)器人運(yùn)動的方法會是困難的，因為，與硬機(jī)器人上的著色標(biāo)記不同，軟機(jī)器人上的這些標(biāo)記將在致動期間改變形狀、面積和顏色強(qiáng)度。在某些實施例中，成像區(qū)域、運(yùn)動學(xué)跟蹤標(biāo)記被包括在軟致動器的應(yīng)變限制層中。由于應(yīng)變限制層是軟致動器的經(jīng)歷最小應(yīng)變的部分，因此這個層上的運(yùn)動學(xué)跟蹤標(biāo)記將在致動期間顯示出最小程度的形狀、面積和顏色強(qiáng)度變化，由此簡化使用計算機(jī)視覺系統(tǒng)識別和分析這些標(biāo)記的過程。

本文參考圖10來描述這些實施例，其中將若干成像區(qū)域(例如，著色標(biāo)記1009)應(yīng)用到軟致動器1001的應(yīng)變限制層1005的表面上。軟致動器1001包括可充氣氣動層1003、充氣線1007和與可充氣氣動層1003接觸或附連到可充氣氣動層1003的應(yīng)變限制層1005(圖10的頂部部分示出了處于未充氣狀態(tài)的軟機(jī)器人)。在充氣期間，軟致動器被致動(參見1001')，可充氣氣動層膨脹(參見1003')，應(yīng)變限制層彎曲(參見1005')，并且跟蹤標(biāo)記(1009')相對位置改變，但是跟蹤標(biāo)記的面積和顏色濃度可以保持不變或僅最小程度地改變(例如，小于大約10％、8％、5％、4％、2％或1％，或者變化在由本文公開的任何百分比界定的范圍內(nèi))。這種信息可以由成像設(shè)備捕獲以用于分析。成像設(shè)備可以將處于未充氣階段的跟蹤標(biāo)記的位置與充氣階段的位置進(jìn)行比較，并且其相對位置的變化指示軟機(jī)器人處于應(yīng)變或致動狀態(tài)。

在還有另一個實施例中，成像區(qū)域是嵌入或附連到軟致動器的表面的標(biāo)記，該表面由一片放射性對比劑(例如，可經(jīng)由像醫(yī)學(xué)成像設(shè)備之類的成像設(shè)備識別的化學(xué)品)構(gòu)成。在某些實施例中，成像系統(tǒng)是pet掃描成像系統(tǒng)?？梢允褂迷卺t(yī)學(xué)成像中使用的任何已知的化學(xué)品。在某些實施例中，化學(xué)品是鋇鹽，諸如硫酸鋇。在一些實施例中，軟機(jī)器人醫(yī)療設(shè)備可以包括機(jī)器人主體的應(yīng)變部分中的多片放射性對比劑(例如，硫酸鋇)，用于使用x射線成像系統(tǒng)(例如，ct(x射線計算機(jī)斷層攝影)成像系統(tǒng)或熒光鏡成像系統(tǒng))來確定沿致動器的點處的位置、速度、加速度、朝向、動量和應(yīng)變/形態(tài)。在其它實施例中，放射性對比劑材料包括mri染料，并且成像設(shè)備包括mri。在某些實施例中，一片純放射性對比劑可以位于致動器內(nèi)部的空隙或口袋中，或者對比劑可以混合到用來構(gòu)建致動器的彈性體中。在某些實施例中，可以在用戶不可見的位置處使用包括一片放射性對比劑的軟機(jī)器人。例如，在腹腔鏡手術(shù)或結(jié)腸鏡檢查期間，可以在腹部使用軟機(jī)器人觸手。

在一些實施例中，軟機(jī)器人設(shè)備還包括一個或多個附加傳感器，每個附加傳感器獨立地選自由以下傳感器構(gòu)成的組：基于光柵的傳感器、一個熱傳感器、化學(xué)傳感器、生物分析物傳感器、聲音傳感器、光學(xué)傳感器、放射性傳感器、多個熱傳感器、應(yīng)變傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、神經(jīng)傳感器、壓力傳感器、大氣壓力傳感器、真空傳感器、高度計、電導(dǎo)率傳感器、阻抗傳感器、慣性測量單元、力感測電阻器、激光測距儀、聲學(xué)測距儀、磁力計、霍爾效應(yīng)傳感器、磁電二極管、磁電晶體管、mems磁場傳感器、麥克風(fēng)、光電檢測器、加速計、陀螺儀傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、化學(xué)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、沉降傳感器、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、氮氣傳感器、天然氣傳感器、vx氣體傳感器、沙林氣體傳感器、芥子氣體傳感器、爆炸物探測器、金屬探測器和電流傳感器。

在一些其它實施例中，軟機(jī)器人還包括被配置為檢測成像區(qū)域的運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)和被配置為檢測成像區(qū)域的成像設(shè)備中的至少一個；以及控制系統(tǒng)，被配置為基于由運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)或成像設(shè)備生成的讀出來控制軟機(jī)器人的移動。

具有分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟機(jī)器人系統(tǒng)：

在另一方面，描述了一種軟機(jī)器人系統(tǒng)，包括：軟機(jī)器人，包括彈性體主體，該彈性體主體具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體；傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于感測信號；以及處理器，可操作地鏈接到傳感器網(wǎng)絡(luò)并且被配置為基于傳感器的讀出來確定信號的位置、梯度和/或存在。

在一些實施例中，軟機(jī)器人系統(tǒng)中的處理器可以包括計算信號位置的合適算法。在一些實施例中，軟機(jī)器人系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)被配置為基于由一個或多個傳感器生成的讀出或處理器對讀出的解釋來控制軟機(jī)器人的移動?？刂葡到y(tǒng)可以被配置為控制軟機(jī)器人以朝向或遠(yuǎn)離信號的位置移動。

在一些實施例中，軟機(jī)器人系統(tǒng)還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；并且傳感器中的至少一個位于應(yīng)變受限層的表面上或嵌入在應(yīng)變受限層內(nèi)。在其它實施例中，傳感器中的至少一個位于彈性體主體的表面上或嵌入彈性體主體內(nèi)。

在一些實施例中，要檢測的信號包括但不限于光、聲、熱、放射性物質(zhì)、化學(xué)品、生物、電場和磁場?？梢允褂孟鄳?yīng)合適的傳感器。

在某些實施例中，空間分布的傳感器網(wǎng)絡(luò)被用于確定信號的源的方向和/或信號的源的位置。在某些實施例中，軟致動器中包括一個或多個放射性傳感器。圖11a中示出了一個實施例，其中多個放射學(xué)傳感器1103包括在軟機(jī)器人1101中。如圖11b中所示，軟機(jī)器人處于其致動狀態(tài)1101'并放在放射性物質(zhì)梯度1104附近，其中越濃的顏色指示放射性物質(zhì)的越高濃度。放射性傳感器1103b最靠近放射性物質(zhì)濃度最高的區(qū)域，因此將產(chǎn)生最強(qiáng)信號(如最暗的色條所指示的)。放射性物質(zhì)的濃度按照靠近傳感器1103a、靠近1103c、靠近1103d的區(qū)域的次序減小。因此，由這些傳感器產(chǎn)生的信號將以相同的次序減小(1103a>1103c>1103d，如由圖11b中其相對色條的暗度所示的那樣)。軟機(jī)器人系統(tǒng)中的處理器可以包括計算信號位置的合適算法。

如圖12a中所示，具有閃爍傳感器1203a-1203d的軟機(jī)器人1201被用于檢測放射性物質(zhì)梯度1202。傳感器1203a和1203b最靠近放射性物質(zhì)的最強(qiáng)濃度(如由最暗的色條所指示的那樣)，因此將產(chǎn)生最強(qiáng)的閃爍。傳感器1203c由于其相對于放射性物質(zhì)梯度的位置而產(chǎn)生比傳感器1203d更強(qiáng)的閃爍信號。圖12b示出了軟機(jī)器人1204的主體與放射性物質(zhì)梯度1205重疊的情況。在這種情況下，由于放射性物質(zhì)傳感器與放射性物質(zhì)梯度1205的相對位置，閃爍信號按照閃爍的放射性物質(zhì)傳感器1206b、1206a、1206c和1206d的次序減小。

要指出的是，圖12a和圖12b示出了在不同位置處的放射源的檢測。因此，在圖12a和圖12b中，各個傳感器與沿放射性梯度的點之間的相對距離不同。在圖12b中，跨網(wǎng)絡(luò)測量的信號將不同于圖12a。例如，在圖12a中，傳感器1203b幾乎位于梯度的峰值(由箭頭a’示出)的頂部，但是在圖12b中，傳感器1203b更遠(yuǎn)(由箭頭a”示出)。僅這個信息就可能足以估計傳感器1203b與輻射源之間的距離，而不足以估計源的方向。

借助于其它傳感器，可以找出輻射源的方向以及到輻射源的距離。例如，圖12a和圖12b中的傳感器1203b的信號差異可以使人們得出放射源已經(jīng)移動。如果源向下移動并移動到圖12b中的右邊，那么將預(yù)期看到傳感器1206c和1206d上的信號的上升。但是，在所示的實施例中，在圖12b中，源向上和向左移動。結(jié)果，將看到傳感器1206d相對于圖12a中的傳感器1203d測量的信號將具有大的下降。類似地，將預(yù)期看到圖12b中的傳感器1206c的信號的下降。結(jié)果，可以通過使用多個(例如，兩個、三個或更多個)空間分布的傳感器來確定信號的方向。

在某些實施例中，一個或多個化學(xué)傳感器(1303a-1303d)被嵌入或附連到軟機(jī)器人或軟致動器1301(圖13)的表面，以檢測有害化學(xué)梯度1302的存在。化學(xué)傳感器是將化學(xué)信息(從具體樣本組分的濃度到總的組成分析)變換為分析有用的信號的設(shè)備。化學(xué)信息可以源自分析物的化學(xué)反應(yīng)或源自所研究的系統(tǒng)的物理特性?？梢允褂靡幌盗谐Ｒ?guī)硬電子化學(xué)傳感器，諸如用在呼吸機(jī)中的乙醇傳感器、基于導(dǎo)電聚合物(例如，聚噻吩)的柔性化學(xué)電阻器、或者與敏化化學(xué)品混合的碳納米管?？商娲?，可以將彈性體中的導(dǎo)電顆粒懸浮(使彈性體導(dǎo)電)并測量當(dāng)彈性體由于與所關(guān)注的化學(xué)品接觸而鼓脹時彈性體的電阻變化。在圖13中所示的情況下，由于傳感器與化學(xué)梯度1302的相對位置(越暗的顏色指示具有越大化學(xué)濃度的區(qū)域)，信號的強(qiáng)度按照傳感器1303a>1303c>1303c>1303d的次序減小?；谶@些傳感器的讀出，處理器一般可以確定化學(xué)信號的位置，即圖的左側(cè)。

在某些實施例中，化學(xué)武器傳感器或化學(xué)傳感器可以沿著軟機(jī)器人的主體的多個點施加，并經(jīng)由線(例如，光刻構(gòu)圖的蛇形線)連接到中央處理單元(處理器)。然后，這個處理單元將分析由軟機(jī)器人上的不同傳感器測量的化學(xué)信號的相對強(qiáng)度。通過將這種信息與每個傳感器的相對位置的知識組合，確定化學(xué)信號起始的方向。不希望受任何特定理論的約束，相信如果一個傳感器越靠近化學(xué)品泄漏的位置，那么它將測量越大的信號。因此，通過使用三個或更多個傳感器，可以估計/確定三維空間中的化學(xué)信號梯度，并因此獲得對信號的位置的更好估計?？商娲?，計算機(jī)可以使用算法來數(shù)學(xué)擬合傳感器數(shù)據(jù)，以確定化學(xué)信號的位置和/或梯度。

從分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)剔除的信息可以被用來引導(dǎo)軟機(jī)器人的動作。例如，這種化學(xué)武器傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為控制器系統(tǒng)提供信息，以將軟監(jiān)控機(jī)器人引導(dǎo)到所關(guān)注的化學(xué)制劑的位置。在非限制性示例中，描述具有多個化學(xué)(例如，vx)傳感器(例如，傳感器陣列)的軟機(jī)器人。在步驟1)中，陣列中的傳感器將對化學(xué)讀數(shù)進(jìn)行測量。在步驟2)中，然后，軟機(jī)器人的處理器將識別傳感器陣列中具有最高信號的傳感器和具有最低信號的傳感器。在步驟3)中，處理器將定義從具有最低信號的傳感器到具有最高信號的傳感器的直線路徑，作為梯度的方向。在步驟4)中，然后，處理器將命令機(jī)器人沿著那條直線路徑在增加信號的方向上行走固定距離(例如，1米)。步驟5)，軟機(jī)器人傳感器將對傳感器陣列中的信號進(jìn)行另一個測量，并重復(fù)該過程。通過迭代這些步驟，軟機(jī)器人將最終移動到化學(xué)源的源頭。

在一個或多個實施例中，傳感器是被配置為提供電極對或多個電極以及相關(guān)電路系統(tǒng)的生物傳感器，諸如適于進(jìn)行免疫測定或檢測各種分析物的存在和濃度，諸如但不限于葡萄糖、尿素、離子濃度、重金屬、乳酸鹽、尿酸等。在非限制性實施例中，傳感器是葡萄糖傳感器，并且軟機(jī)器人包括測試區(qū)域和用于與安裝在軟質(zhì)機(jī)器人設(shè)備上的儀表(例如，應(yīng)變受限層)相互作用的電極。

圖14中示出的是包括多個光學(xué)傳感器1405、1407、1409、1411的軟機(jī)器人1401。由于它們與照明源1403的相對距離，信號的強(qiáng)度按照傳感器1405>1407>1409>1411的次序減小。基于這些傳感器的讀出，處理器一般可以確定照明源的位置。

在一些實施例中，傳感器是溫度傳感器。溫度傳感器可以嵌入在軟機(jī)器人或軟致動器的應(yīng)變限制層或氣動層中。在其它實施例中，溫度傳感器可以附連到軟機(jī)器人或軟致動器的應(yīng)變限制層或氣動層的表面。在某些實施例中，溫度傳感器包括在氣動層內(nèi)，以測量氣動層內(nèi)的氣體或流體的溫度。

可以使用本領(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、電阻溫度檢測器和熱電偶。

彈性體材料的機(jī)械特性(諸如剛度)與溫度密切相關(guān)。溫度變化可以可逆地或永久地改變軟致動器的物理行為。嵌入或附連到軟致動器的溫度傳感器可以檢測在致動器構(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)用來致動致動器的流體壓力，以補(bǔ)償彈性體的機(jī)械特性的變化。例如，由于彈性體的剛度隨溫度而變化，因此軟致動器將需要不同的充氣壓力以在不同的溫度下實現(xiàn)給定的致動形狀。在某些實施例中，控制系統(tǒng)被設(shè)計為使用溫度數(shù)據(jù)，以便通過根據(jù)需要調(diào)制致動壓力來確保軟致動器充氣到相同的形狀，而不管其溫度如何。

在某些實施例中，可以測量致動器內(nèi)的溫度，以確定溫度是否在組成致動器的彈性體的安全工作范圍之外，由此觸發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)機(jī)。例如，如果致動器的溫度低于某個閾值(對于硅氧烷，通常低于-100c)，那么彈性體將變脆。結(jié)果，致動器的充氣可能導(dǎo)致致動器的破裂，從而破壞機(jī)器人。

在還有另一方面，描述了一種軟機(jī)器人系統(tǒng)，包括：軟機(jī)器人，包括彈性體主體，該彈性體主體具有部署在主體內(nèi)的一個室或多個互連的室以及加壓入口，該加壓入口被配置為接收用于室或多個互連的室的流體；一個或多個熱傳感器；以及處理器，其可操作地鏈接到一個或多個熱傳感器并且被配置為基于熱傳感器的讀出來控制室的流體加壓。

在某些實施例中，熱傳感器中的至少一個嵌入或附連到軟機(jī)器人的彈性體主體。在其它實施例中，軟機(jī)器人還包括沿彈性體主體的一側(cè)部署的應(yīng)變受限層；并且熱傳感器中的至少一個被附連到應(yīng)變受限層的表面或被嵌入在應(yīng)變受限層內(nèi)。在其它實施例中，熱傳感器中的至少一個位于遠(yuǎn)離軟機(jī)器人的距離處。熱傳感器可以被用來測量緊靠軟機(jī)器人或遠(yuǎn)離軟機(jī)器人的環(huán)境的環(huán)境溫度。熱傳感器中的至少一個可以位于離軟機(jī)器人大約0.1m、0.3m、0.5m、1m、5m、10m、50m、100m、200m、500m或者1000m的位置處，或者在由本文公開的任何兩個值界定的范圍內(nèi)。

因此，在某些實施例中，處理器被配置為基于來自熱傳感器的溫度讀數(shù)來解釋來自熱傳感器的讀出，以執(zhí)行對軟機(jī)器人的剛度和/或形態(tài)的實時測量或估計。進(jìn)而，處理器將控制室的流體加壓，以補(bǔ)償致動器和/或周圍環(huán)境的溫度。即，如果彈性體在越冷的溫度下越硬，那么處理器將增加室內(nèi)的流體壓力或流體體積，以確保實現(xiàn)期望的充氣狀態(tài)/形態(tài)。另一方面，如果彈性體在越熱的溫度下越不硬，那么處理器將降低室內(nèi)的流體壓力，以確保實現(xiàn)期望的充氣狀態(tài)/形態(tài)。

在某些實施例中，處理器通過有線連接或wi-fi鏈接到熱傳感器，以接收熱傳感器的讀出?；谧x出，處理器可以例如通過流體泵來控制室的流體加壓，以調(diào)節(jié)室內(nèi)的流體量。

圖15a中示出的是軟機(jī)器人1501，其包括多個熱傳感器1503a-1503d，以檢測由箭頭1505所指示的垂直熱梯度(溫度從圖15a的頂部到圖15a的底部減小)。因為這些傳感器基本上處于相同的垂直熱梯度，所以傳感器1503a-1503d將生成相同或相似的溫度讀數(shù)。但是，在圖15b中，軟機(jī)器人被致動(如1501'所示)，傳感器將相對于垂直熱梯度駐留在不同的位置。因此，由傳感器生成的溫度讀數(shù)會按照1503a>1503b>1503c>1503d的次序減小?；谠跈C(jī)器人的致動和未致動狀態(tài)下的傳感器的不同讀數(shù)，該過程可以基于計算機(jī)算法推導(dǎo)出熱梯度的方向。

在某些具體實施例中，溫度傳感器是被配置為提供電壓測量的熱電偶并且電壓與應(yīng)變受限層或彈性體的溫度相關(guān)。在其它實施例中，溫度傳感器是電阻溫度檢測器、熱敏電阻或齊納二極管，并且測量電阻或電壓以用于溫度確定。在某些實施例中，根據(jù)溫度的彈性體的剛度是已知的，因此可以基于溫度讀出來確定彈性體的剛度，并進(jìn)而使用有限元分析來根據(jù)充氣壓力確定致動器的曲率，以實現(xiàn)溫度依賴的校準(zhǔn)方法。在其它實施例中，可以在不同溫度下對致動器進(jìn)行充氣，并且根據(jù)壓力來測量其曲率，以憑經(jīng)驗開發(fā)校準(zhǔn)方法。

由于軟致動器的表面在致動期間發(fā)生變形，因此傳感器之間的相對距離將不會保持固定。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器之間的相對距離的這種變化將使所關(guān)注的信號的方向的確定復(fù)雜化。為了最小化這個問題，在某些實施例中，可將空間分布的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于軟機(jī)器人的應(yīng)變限制層(例如，嵌入或附連到應(yīng)變限制層的表面)，因為應(yīng)變限制層是軟機(jī)器人在致動期間經(jīng)歷最小應(yīng)變的部分。

在某些實施例中，傳感器是聲音傳感器。如圖16中所示，多個聲音傳感器1602被附連在軟機(jī)器人1601的表面上。由于從每個聲音傳感器到聲源1603的距離差異，來自傳感器的讀出不同?；谶@些差異，處理器可以包括推導(dǎo)或計算聲源的位置的算法。

在某些實施例中，描述了一種系統(tǒng)，包括根據(jù)本文公開的任何實施例描述的軟機(jī)器人，以及控制機(jī)器人運(yùn)動的處理器和控制系統(tǒng)中的至少一個。在某些實施例中，基于由傳感器(例如，各種放射性物質(zhì)傳感器、化學(xué)傳感器、聲音傳感器或照明傳感器或本文所述的任何傳感器)獲得的信息，用戶和/或處理器可以使用讀出來估計信號源(例如，放射性物質(zhì)、化學(xué)品、聲源或照明源)的位置。此外，如果軟機(jī)器人被包括在包括控制軟機(jī)器人的移動的控制器的系統(tǒng)中，那么控制器可以控制軟件機(jī)器人移動到靠近信號源，以確認(rèn)源的位置(如果源位置估計是正確的，那么由傳感器獲得的信號一般將變得更強(qiáng))和/或進(jìn)一步研究源。例如，軟機(jī)器人還可以包括一個或多個位置傳感器，以確定機(jī)器人相對于信號源的相對位置，并且控制器可以使用這個信息來引導(dǎo)機(jī)器人的移動以移動得靠近或遠(yuǎn)離信號源。

在某些實施例中，軟機(jī)器人具有嵌入式或附連的位置傳感器，諸如被配置為確定軟機(jī)器人的絕對位置的gps單元。在這些實施例中，軟機(jī)器人可以將其絕對位置(來自gps單元)的知識與其對信號源的相對位置的估計(本文所描述的正在用傳感器陣列或網(wǎng)絡(luò)測量的任何信號源)組合，以提供對信號源的絕對位置的估計。例如，如果軟機(jī)器人包括gps單元和化學(xué)傳感器陣列(例如，vx傳感器)，那么可以確定它自己與來自vx傳感器陣列的vx之間的相對距離并將其看作與機(jī)器人離gps傳感器的絕對位置的偏移量。這種計算的最終值將是vx源的絕對位置。然后可以將這個信息發(fā)送到遠(yuǎn)程位置處的用戶。

在還有另一方面，描述了用于感測本文公開的任何一個實施例的軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)的方法，包括從一個或多個傳感器或成像區(qū)域獲得讀出；以及確定軟機(jī)器人設(shè)備的狀態(tài)。

除非在本文中另有定義、使用或表征，否則在本文中使用的術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)應(yīng)當(dāng)被解釋為具有與相關(guān)領(lǐng)域背景下其公認(rèn)含義一致的含義，而不應(yīng)當(dāng)以理想化或過度正式的意義來解釋，除非本文這樣明確定義。例如，如果引用特定組合物，那么該組合物可以基本上但不完全是純凈的，因為實際上并且不完美的現(xiàn)實可以適用；例如，至少微量雜質(zhì)的潛在存在(例如，小于1％或2％)可以被理解為在本描述的范圍內(nèi)；同樣，如果引用特定形狀，那么該形狀意在包括來自理想形狀的不完美變化，例如由于制造公差。本文表達(dá)的百分比或濃度可以以或者重量或者體積表示。

雖然術(shù)語第一、第二、第三等可以在本文用來描述各種元件，但是這些元件不受這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語僅僅用來區(qū)分一個元件與另一個元件。因此，下面討論的第一元件可以被稱為第二元件，而不背離示例性實施例的教導(dǎo)。在本文中可以使用諸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等空間相對術(shù)語來描述一個元件與另一個元件的關(guān)系，如圖所示。將理解的是，空間相對術(shù)語以及所示的構(gòu)造意在涵蓋使用或操作中除本文描述并在附圖中繪出的朝向之外的設(shè)備的不同朝向。例如，如果圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)，那么被描述為在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件將被定向在所述其它元件或特征“上方”。因此，示例性術(shù)語“上方”可以涵蓋上方和下方的朝向二者。裝置可以以其它方式定向(例如，旋轉(zhuǎn)90度或在其它朝向)，并且本文使用的空間相對描述符被相應(yīng)地解釋。此外，在本公開中，當(dāng)元件被稱為在另一個元件“上”、“連接到”、“耦合到”、“接觸”等另一個元件時，它可以直接在該另一個元件上，連接到、耦合到或接觸該另一個元件，或者可以存在中間元件、除非另有指定。

本文使用的術(shù)語是為了描述特定實施例的目的，而不是意在限制示例性實施例。如本文所使用的，除非上下文另有指示，否則單數(shù)形式(諸如“一個”)也意在包括復(fù)數(shù)形式。

將認(rèn)識到的是，雖然為了解釋的目的已經(jīng)示出和描述了特定的步驟序列，但是順序可以在某些方面改變，或者步驟可以組合，同時仍然獲得期望的配置。此外，對于所公開的實施例和要求保護(hù)的本發(fā)明的修改是可能的并且在本公開發(fā)明的范圍內(nèi)。