[發明專利]用于軟機器人和軟致動器的傳感器

在審

• 申請號: 201680009840.1
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN107249833A
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: J·A·萊辛;G·M·懷特賽德斯;Y·舍甫琴科;B·莫薩德;K·C·加洛韋;A·S·塔伊
• 申請（專利權）人: 哈佛學院院長及董事
• 主分類號: B25J19/02
• 分類號: B25J19/02
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 宋巖

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明日期為止本領域技術人員已知的現有技術的狀態。

相關申請

本申請要求于2015年1月12日提交的美國臨時申請62/102,363的權益和優先權，其內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，其內容通過引用整體上并入本文。

政府權利

本發明是依據由國防高級研究計劃署(DARPA)授予的W91INF-1-1-1-0094和國防科學基金會(NSF)授予的DMR-0820484在政府的支持下進行的。美國政府對發明有一定的權利。

技術領域

該技術一般而言涉及集成傳感器的軟機器人或軟致動器。

背景技術

軟設備是由軟材料(例如，彈性體、凝膠、液體)構建的機器。這些軟設備由于在電氣、化學、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，用來構造這些設備的彈性體材料的低剛度(楊氏模量<10MPa)使其能夠響應于外力而容易地變形。這些屬性允許軟設備執行對硬機器具有挑戰性的功能。示例包括與精細的軟材料(例如，生物組織)交互，以及執行非結構化任務(例如，抓握未定義形狀的物體)。機器(無論是硬還是軟)通常都需要電氣部件(例如，馬達、傳感器、微控制器、顯示器、泵、電池等)的集成，以便執行復雜的任務。必須控制這些設備，以便創建自主或半自主的軟機器人系統。

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

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變狀態，其中彈性體具有剛度“A”；并且當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”的較高應變狀態。因此，需要不同量的力來實現每個致動增量。

由于彈性體的固有特性，應力相對應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多快而改變。因此，系統有記憶。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。

發明內容

在一方面，提供了具有傳感器或傳感器網絡的軟機器人設備，其提供關于機器人的狀態和/或其環境的信息。這種傳感器的非限制性示例包括光學傳感器、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傳感器。這些光學傳感器可以經由一系列光學結構來實現，諸如光纖、平面波導、定制的波導和PCF。其它非限制性示例包括能夠進行化學、生物檢測的傳感器，可以測量應力、應力的方向、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、化學傳感器、生物分析物傳感器、聲音傳感器、光學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器人的點處的位置、形態和/或物理狀態。傳感器或傳感器網絡的使用將允許對軟機器人的當前狀態(例如其在空間中的三維位置、速度、加速度)的實時觀察，以及對關于其環境的信息(例如溫度、輻射、照明、聲音、某種化學或生物制劑的存在)的感測/感知。來自傳感器的反饋可以用作到控制系統的輸入，該控制系統確定軟機器人設備的后續動作。