用于软机器人和软致动器的传感器制造技术

描述了具有各种传感器和/或成像区域的软机器人设备。传感器和/或成像区域可以嵌入在软机器人设备的软主体或应变限制层中、附连到软机器人设备的软主体或应变限制层，或以其它方式链接到软机器人设备的软主体或应变限制层。

Sensors for soft robots and soft actuators

A soft robot device with various sensors and / or imaging regions is described. The sensor and / or imaging area can be embedded in the soft body soft robot device or strain limiting layer, attached to the soft body or strain limiting layer soft robotic devices, or otherwise linked to the soft body or strain limiting layer soft robotic equipment.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于软机器人和软致动器的传感器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专利技术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。政府权利本专利技术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。美国政府对专利技术有一定的权利。
该技术一般而言涉及集成传感器的软机器人或软致动器。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。在另一方面，描述了一种软机器人假体系统，其包括被配置为辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的运动的软机器人，并且该软机器人包括具有部署在主体内的一个室或多个互连的室的弹性体主体以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体，以致动软机器人；至少一个传感器，被配置为检测物理、化学或电子信号；至少一个处理器中，被配置为可操作地链接到传感器，以从所述传感器接收读出并解释所述读出；以及控制系统，被配置为基于由所述一个或多个传感器生成的读出或所述处理器对所述读出的解释来致动软机器人，以辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动。在还有另一方面，描述了具有沿着软机器人主体的一个或多个成像区域的软机器人设备，用于通过运动捕捉计算机程序或X射线成像系统确定沿着致动器的点处的位置、速度、加速度、朝向、动量和应变/形态。成像区域可以是具有任何可识别颜色或放射性对比剂(例如，可经由医学成像识别的化学物质)的着色区域。在一方面，描述了一种软机器人设备，其包括：弹性体主体，其具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于室或多个互连的室的流体；以及至少一个基于光纤Bragg光栅的光学传感器。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被配置为检测物理、化学、生物或电子信号。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器选自由以下传感器构成的组：倾斜光纤Bragg光栅传感器、啁啾光栅传感器和长周期Bragg光栅传感器。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被配置为提供关于软机器人设备的状态的信息。在本文所述的任何实施例中，软机器人设备的状态选自由以下构成的组：在沿着软机器人设备的点处的压力、温度、位置、长度、曲率、朝向、速度、加速度、形态、应力、应变和物理状态。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被配置为提供关于软机器人设备的外部环境的信息。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被配置为检测软机器人设备的外部环境中的温度、湿度、化学制剂或生物制剂；或者基于光栅的传感器被配置为检测软机器人的应变、力、磁场、流、弯曲、定向弯曲、三维状态、振动、压力、温度信息。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被嵌入弹性体主体中或附连到弹性体主体的外部。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被模制或共同模制到弹性体主体中。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器被缝合、胶合或卡扣到弹性体主体上，或者用钩和环固定到弹性体主体上。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器可从弹性体主体移除。在本文所述的任何实施例中，基于光栅的传感器螺旋卷绕在弹性体主体或弹性体主体的一部分周围。在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且软机器人设备包括嵌入或附连到应变受限层的一个或多个基于光栅的传感器。在本文所述的任何实施例中，软机器人设备还包括具有不同周期本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软机器人设备，包括：弹性体主体，其具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体；以及至少一个基于光纤Bragg光栅的光学传感器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.12 US 62/102,3631.一种软机器人设备，包括：弹性体主体，其具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体；以及至少一个基于光纤Bragg光栅的光学传感器。2.如权利要求1所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被配置为检测物理、化学、生物或电子信号。3.如权利要求1所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器选自由以下传感器构成的组：倾斜光纤Bragg光栅传感器、啁啾光栅传感器和长周期Bragg光栅传感器。4.如权利要求1所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被配置为提供关于软机器人设备的状态的信息。5.如权利要求4所述的软机器人设备，其中，软机器人设备的状态选自由以下构成的组：在沿着软机器人设备的点处的压力、温度、位置、长度、曲率、朝向、速度、加速度、形态、应力、应变和物理状态。6.如权利要求1所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被配置为提供关于软机器人设备的外部环境的信息。7.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被配置为检测软机器人设备的外部环境中的温度、湿度、化学制剂或生物制剂；或者基于光栅的传感器被配置为检测软机器人的应变、力、磁场、流量、弯曲、定向弯曲、三维状态、振动、压力、温度信息。8.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被嵌入弹性体主体中或附连到弹性体主体的外部。9.如权利要求8所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被模制或共同模制到弹性体主体中。10.如权利要求8所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器被缝合、胶合或卡扣到弹性体主体上，或者用钩和环固定到弹性体主体上。11.如权利要求9所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器可从弹性体主体移除。12.如权利要求9所述的软机器人设备，其中，基于光栅的传感器螺旋卷绕在弹性体主体或弹性体主体的一部分周围。13.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且软机器人设备包括嵌入或附连到应变受限层的一个或多个基于光栅的传感器。14.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括具有不同周期的多个光谱分离的基于光栅的传感器。15.如权利要求14所述的软机器人设备，其中，具有不同周期的所述多个光谱分离的基于光栅的传感器沿着单个光纤的长度部署在一起，或者单独部署并拼接在一起。16.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，加压入口被配置为从外部流体源接收流体。17.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层，并且软机器人设备包括嵌入或附连到应变受限层的一个或多个基于光栅的传感器以及嵌入或附连到弹性体主体的一个或多个基于光栅的传感器。18.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括一个或多个附加传感器，每个附加传感器独立地选自由以下传感器构成的组：基于光栅的传感器、生物分析物传感器、声音传感器、光学传感器、放射性传感器、热传感器、应变传感器、化学传感器、生物传感器、神经传感器、压力传感器、大气压力传感器、真空传感器、高度计、电导率传感器、阻抗传感器、惯性测量单元、力感测电阻器、激光测距仪、声学测距仪、磁力计、霍尔效应传感器、磁电二极管、磁电晶体管、MEMS磁场传感器、麦克风、光电检测器、加速度计、陀螺仪传感器、流量传感器、湿度传感器、化学电阻器、挥发性有机化合物传感器、重金属传感器、pH传感器、沉降传感器、心脏消融传感器、肌电传感器、电子鼻、气体传感器、氧气传感器、氮气传感器、天然气传感器、化学武器传感器、VX气体传感器、沙林气体传感器、芥子气体传感器、爆炸物探测器、金属探测器和电流传感器。19.如前述权利要求中任一项所述的软机器人设备，还包括至少一个处理器，被配置为可操作地链接到基于光栅的传感器以便从基于光栅的传感器接收读出并解释所述读出；以及控制系统，被配置为基于由基于光栅的传感器生成的读出或处理器对读出的解释来控制软机器人的移动。20.一种软机器人假体系统，包括：软机器人，被配置为辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动，并且包括具有部署在主体内的一个室或多个互连的室的弹性体主体以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体，以致动软机器人；至少一个传感器，被配置为检测物理、化学或电子信号；以及至少一个处理器中，被配置为可操作地链接到传感器，以从所述传感器接收读出并解释所述读出；以及控制系统，被配置为基于由所述一个或多个传感器生成的读出或所述处理器对所述读出的解释来致动软机器人，以辅助用户的一个或多个肌肉或身体部分的移动。21.如权利要求20所述的软机器人假体系统，其中，传感器选自由以下传感器构成的组：电传感器、磁传感器、光学传感器、热传感器、听觉传感器、应变传感器、化学传感器和机械传感器。22.如权利要求20或21所述的软机器人假体系统，其中，传感器在软机器人的外部，或者被附连或嵌入软机器人中。23.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器是被配置为从用户接收语音命令的声音传感器。24.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器是被配置为测量用户的肌肉的应变或软弹性体主体的应变的应变传感器。25.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器是被配置为经由用户的一个或多个肌肉群中的肌肉激发来测量电信号的电传感器。26.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器是被配置为经由用户的大脑的神经元激发来测量电信号的电传感器。27.如权利要求20-22中任一项所述的软机器人假体系统，其中，传感器被配置为测量与震颤相关联的肌肉或神经活动，并且控制系统被配置为响应于抵消该震颤来致动软机器人。28.一种软机器人设备，包括：弹性体主体，具有部署在主体内的一个室或多个互连的室以及加压入口，该加压入口被配置为接收用于所述室或所述多个互连的室的流体；以及一个或多个成像区域，被配置为提供与软机器人设备的其它区域不同的视觉信号，并且被配置为提供关于软机器人设备的状态的信息。29.如权利要求28所述的软机器人设备，其中，成像区域中的至少一个在弹性体主体的表面上或者嵌入在弹性体主体内。30.如权利要求28所述的软机器人设备，其中，软机器人设备还包括沿弹性体主体的一侧部署的应变受限层；并且成像区域中的至少一个在应变受限层的表面上或嵌入应变受限层内。31.如权利要求28-30中任一项所述的软机器人设备，其中，成像区域中的至少一个是具有与软机器人设备的其它区域不同颜色的着色区域。32.如权利要求31所述的软机器人设备，其中，着色区域具有可由肉眼、成像设备或运动检测系统识别的颜色。33.如权利要求29所述的软机器人设备，其中，成像区域中的至少一个是具有与软机器人设备的其它区域不同颜色的着色区域，并且软机器人设备还包括被配置为跟踪和/或检测着色区域的形状、面积和颜色强度的变化的运动检测系统。34.如权利要求33所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·莱辛，G·M·怀特赛德斯，Y·舍甫琴科，B·莫萨德，K·C·加洛韦，A·S·塔伊，
申请(专利权)人：哈佛学院院长及董事，
类型：发明
国别省市：美国,US