软机器人的改进的制作方法

相关申请

本申请是于2015年9月17日提交的题为“附接毂和抓持器组件的软机器人致动器、加强致动器及电附着致动器”的美国专利申请第14/857,648号的部分继续申请。本申请还要求于2014年11月18日提交的题为“软机器人的改进”的美国专利申请第62/081,323号的优先权，其内容通过援引被并入本文。

本文总体涉及机器人领域，并且尤其涉及用于将软机器人致动器与另一机械系统连接的毂和组件，以及软机器人致动器的改进。

背景技术：

机器人应用于许多行业，例如工业应用(如制造业和包装业)以及医疗应用等。软机器人是机器人的发展领域，其提供了软的、适形的以及自适应的抓持器和致动器以使机器人能够以比传统机器人更自适应的方式与物体进行交互。例如，例如，单个抓持器可以适应每个任务中变化的物体的大小、重量和形状，就像人的手可以一样。

stokesadama.、shepherdrobertf.、morinstephena.、ilievskifilip和whitesidesgeorgem.在2014年3月发表在《软机器人》卷1(1):70-74.doi:10.1089/soro.2013.0002的文章《结合硬和软机器人的混合体》中公开了结合“硬”和“软”机器人的磁组件，这篇文章的全文被援引纳入本文。然而，所提出的硬和软机器人的结合并没有提供类似于人类操作所需的多功能性。

本发明针对上述以及其它现有系统的限制。特别地，本发明提供了对硬和软机器人连接的改进，并且还提供了改进的致动器。

附图说明

图1是示出了根据本发明各种示例的软机器人致动器及毂组件的实施例的立体图。

图2a-2c是图1的毂组件的分解图。

图3a-3e是图1的软机器人致动器和毂组件的装配图。

图4a-4d是用于图1中毂组件的示例性扭锁接口的透视图。

图5a-5c是示出了使用图1中毂组件和具有机械部分或机电部分的软致动器的示例抓持器的立体图。

图6a-6e是示出了使用图1中毂组件和具有可配置的迎角的软致动器的抓持器的立体图。

图7a-7d是示出了具有多个角度可调的夹持致动器和用于调节夹持致动器的迎角的多个可调致动器的软机器人致动器组件的立体图。

图8a-8f示出了用于加强软致动器的示例性加强件结构。

图9a和9b是示出了示例性的加强层的立体图。

图10a是示出了具有被增力带包围的多个致动器的软机器人致动器组件的立体图。

图10b是示出了被可自动调节的增力带包围的具有多个致动器的软机器人组件的立体图。

图10c是示出了示例性的图8中增力带的立体图。

图11a-11e是示出了设置有各种示例性夹持垫、纹理和工具的软机器人致动器的侧视图。

技术实现要素：

根据实施例，角度调节系统被提供用于改变致动器与毂之间的角度，或两个致动器之间的角度。角度调节系统也可用于改变致动器之间的相对距离或间距。这样的系统允许动态地调节机器人机械手，而不需要更换各个致动器或整个机械手。因此，可以改变操纵器以抓持不同尺寸和形状的物体。

根据另外的实施例，提供硬化层以加强致动器的一个或多个部分。在一些情况下，加强件可以放置在相对高应变的区域，这可能有助于防止致动器的过早失效。例如，可以提供系带来防止某些区域的扩张。在其它情况下，可以使用加强件来防止致动器的底壁从中性弯曲平面弯曲，这允许致动器更有效地弯曲。在这两种情况下，致动器可能能够适应较高的膨胀压力。在膨胀压力较大的情况下，更多的力可以被施加于目标。

根据另外的实施例，提供了增力结构用于增大由致动器施加到目标的力的大小。在一些实施例中，增力结构可以缩短在夹持物体时使用的致动器的长度。由于与等同横截面的较长致动器相比，为偏转相同的距离，较短致动器需要更多的力，通过使用增力结构来缩短致动器的作用在于增加夹持器在其抓持给定的目标物体时使其致动器偏转所需的力。与未被增力结构加强的、有效长度更长的致动器施加给目标物体的夹持力相比，在夹持期间需要更大的力使更短的指部偏转意味着更大的夹持力。此外，增力结构可以使致动器稳定而不会扭转和重叠。

根据另外的实施例，提供夹持垫用于定制致动器的夹持轮廓以更好地适形待夹持物品的表面。夹持垫可以具有纹理表面，其可以被添加到致动器，或者(例如通过模制)构建致动器。单个致动器可以包括多个不同的垫，每个垫以期望的方式或期望的位置接触被夹持的物品。

根据下面的详细描述，实施例的这些和其它优点将变得显而易见。

具体实施方式

以下将参见示出本发明优选实施例的附图来更详尽介绍本发明。但本发明可以以各种不同的方式来实施且不应视为被本文所述的实施例限制。相反，提供这些实施例是为了使本文更充分完善并充分向本领域技术人员表达本发明的范围。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的零部件。

本文讨论了对软致动器和致动器毂组件的多种改进。为了便于讨论，这些概念中的每一个将在下面的单独部分中进行描述。但应当理解，为了实现本文所述的优点，本文所述的实施例可以以任何组合一起使用。

现在参考图1-5c来描述可采用上述改进的软机器人系统的总体概况。

系统概况

传统的机器人夹持器或致动器可能是昂贵的，并且不能在某些环境中操作，其中正被处理的物体的重量、尺寸和形状的不确定性和多样性导致无法采用如过去那样的自动化解决方案。本申请描述了自适应、便宜、轻量、可定制和易于使用的新型软机器人致动器的应用。

软机器人致动器可以由诸如橡胶的弹性体材料或布置成构造为在压力下展开的手风琴结构的塑料薄壁或其它合适的相对柔软的材料构成。它们可以例如通过将一个或多个弹性体材料件模制为期望的形状来产生。软机器人致动器可以包括中空内部，其可以填充有流体比如空气、水或盐水，以使致动器膨胀和致动。在致动时，致动器的形状或轮廓改变。在手风琴式致动器(下面更详述)的情况下，致动可以使致动器弯曲或拉直成预定目标形状。完全未致动形状与完全致动形状之间的一个或多个中间目标形状可以通过使致动器部分地膨胀来实现。或者或另外，致动器可以使用真空来致动以从致动器去除膨胀流体，从而改变致动器弯曲和/或延伸的程度。

致动还可以允许致动器对物体比如被抓持或推动的物体施加力。但是，与传统的硬机器人致动器不同，软致动器在被致动时保持自适应性，以使软致动器可以部分地或完全地适形被抓持物体的形状。此外，因为材料容易变形，可以以受控的方式在更大的表面区域上分散施加的力。以这种方式，软机器人致动器可以抓持物体而不损坏它们。

此外，软机器人致动器允许新类型的运动或运动的组合(包括弯曲、扭转、延伸和收缩)，这可能难以或不可能用传统的硬机器人致动器来实现。

根据本公开，提供了一种用于使软机器人致动器与硬机器人组件连接的毂和/或抓持器组件。另外，描述了新的配置和类型的致动器。致动器可以与毂和/或抓持器组件一起使用。

致动器可以是软机器人致动器，其可以用膨胀流体例如空气、水或盐水进行膨胀。膨胀流体可以经由膨胀装置通过流体连接来提供。致动器可以处于未膨胀状态，其中在与周围环境基本相同的压力下，致动器中存在有限量的膨胀流体。致动器还可处于完全膨胀状态，其中在致动器中存在预定量的膨胀流体(该预定量对应于由致动器施加的预定最大力或由膨胀流体施加在致动器上的预定最大压力)。致动器也可处于完全真空状态，其中所有流体从致动器中移除，或部分真空状态，其中一些流体存在于致动器中，但是其压力小于环境压力。此外，致动器所含膨胀流体的量少于完全膨胀状态下的膨胀流体的预定量但大于没有流体(或非常有限的流体)。

在膨胀状态下，致动器可绕中心轴线弯曲。为了便于讨论，本文限定了几个方向。轴向方向穿过致动器绕其弯曲的中心轴线。径向方向是在垂直于轴向方向的方向上、在由已膨胀的致动器形成的部分圆的半径方向上延伸。圆周方向是沿着已膨胀的致动器的圆周延伸。

在膨胀状态下，致动器可沿着致动器的内周边缘在径向方向上施加力。例如，致动器的远端的内侧朝向中心轴线向内施力。由于所使用的材料和致动器的一般构造，软机器人致动器在已膨胀时可保持相对适形。

致动器可以由允许相对软的或带适形结构的一种或多种弹性体材料制成。根据应用，弹性体材料可以选自食品安全、生物相容或fda批准的医学上安全的材料的组。致动器可以在具有良好作业规范(“gmp”)的设备中制造。

致动器可以包括基本上平坦的基部。致动器还可以包括一个或多个手风琴式延伸部。手风琴式延伸部允许致动器在膨胀时弯曲或屈曲，从而有助于在处于膨胀状态时限定出致动器的形状。手风琴式延伸部包括一系列的脊和槽。可以改变手风琴式延伸部的尺寸以及脊和槽的位置以获得不同的形状或延伸部轮廓。

通过改变致动器100的主体的形状或手风琴式延伸部104的尺寸、位置或形态，可以实现不同的尺寸、形状和形态。此外，改变提供给致动器的膨胀流体的量允许致动器在未膨胀状态与膨胀状态之间具有一个或多个中间尺寸或形状。因此，通过改变膨胀量可以使单个致动器的尺寸和形状改变，从而可以通过用具有不同尺寸、形状或形态的另一致动器来代替一个致动器进一步改变包括致动器的装置的尺寸和形状。

致动器从近端延伸到远端。近端可以可选地连接到接口。该接口允许致动器可释放地联接到毂组件的其它部分。该接口可以由不锈钢、铝、塑料或食品安全或医疗安全的材料制成，如氨基丁二烯-苯乙烯(“abs”)或迭尔林。接口可以可释放地联接到致动器和到毂的流体接口中的一个或两个。该接口可以具有用于连接到致动器的端口。不同的接口可以具有不同的尺寸、数量或致动器端口构造，以便容纳更大或更小的致动器、不同数量的致动器或不同构造的致动器。

可以用从膨胀装置通过流体连接供应的膨胀流体使致动器膨胀。接口可以包括或可以附接到阀，以允许流体进入致动器，但是防止流体离开致动器(除非阀被打开)。流体连接还可以或者替代地附接到膨胀装置上的膨胀阀，以调节在膨胀装置的位置处的膨胀流体的供应。

膨胀流体可以是例如空气、水或盐水。在空气的情况下，膨胀装置可以包括用于供应环境空气的球状体或波纹管。在盐水的情况下，膨胀装置120可以包括注射器或其它合适的流体递送系统。替代地或另外地，膨胀装置120可以包括用于供应膨胀流体的压缩机、泵、调节器或具有压缩或液化气体的罐。

例如，膨胀装置可以包括用于供应膨胀流体的流体供应。在一个实施例中，流体供应可以是用于存储压缩空气或盐水的储存器，或者可以是用于向流体连接供应环境空气的通风口。

膨胀装置还可以包括流体递送装置比如泵、调节器或压缩机，用于通过流体连接将来自流体供应的膨胀流体供应到致动器。流体递送装置可以能够向致动器供应流体或从致动器抽出流体(例如，通过真空或类似操作)。流体递送装置可以由电力驱动。为了供电，膨胀装置可以包括电源比如电池或与插座的接口。

电源还可以向控制装置供电。控制装置可以允许用户控制致动器的膨胀或收缩，例如通过一个或多个致动按钮(或替代装置，例如开关)。控制装置可以包括用于向流体递送装置发送控制信号以使流体递送装置向致动器供应膨胀流体或从该致动器抽出膨胀流体的控制器。

上述部件可以使用毂连接在一起。参考图1，示出了根据本公开的示例性毂100。毂100包括主侧组件10和工具侧组件20。通常，主侧组件10可以连接或可连接到机械组件，比如机械臂、机器人机架系统、机器人操纵器、或通常是机器人(例如硬机器人)组件的任何端部执行器。工具侧组件20可以被构造成可操作地连接各种软致动器30-a(其中a是正整数)，特别地，工具侧组件20可以设置有致动器附接部20-b(其中b是正整数)。重要的是要注意，工具侧组件20可被构造成连接任何数量的软致动器30-a。然而，为了方便和清楚，多个软致动器30-a(例如，30-1、30-2、30-3和30-4)和多个致动器附接部20-a(例如，20-1、20-2、20-3和20-4)在图中示出。此外，重要的是要注意，致动器附接部20-b的数量可以不同于连接到工具侧组件20的致动器30-a的数量。

通常，主侧组件10和工具侧组件20均包括构造成将组件10和20彼此可释放地联接的接口。特别地，工具侧组件20包括接口部21，而主侧组件包括接口部11(被观察角遮蔽)。接口部11和21可以被构造成联接组件10和20，并为膨胀管线(例如气动的、液压的等)连接、电连接或其它连接提供密封。

图2a-2c从各个角度示出了毂100的分解图。具体地，图2a示出了显示出主侧组件10和工具侧组件20的从侧面观察的毂100。此外，在工具侧组件20中示出了致动器附接部22-1。另外，示出了接口部11和21。图2b示出了毂100的斜仰视图，示出了主侧组件10和工具侧组件20。此外，在工具侧组件20中示出了致动器附接部22-1和22-2。图2b示出了毂100的斜仰视图，其示出了主侧组件10和工具侧组件20。此外，在工具侧组件20中示出了致动器附接部分22-1和22-2。另外，示出了接口部11和21。图2c示出了毂100的斜俯视图，其示出了主侧组件10和工具侧组件20。此外，在工具侧组件20中示出了致动器附接部22-1和22-2。另外，示出了接口部11和21。

应当理解，图1和图2a-2c示出接口部11和21的区域。但是，接口部可以具有各种构造，并且接口部不应限于图1和图2a-2c所示的。

图3a-3e示出了从各个角度看的毂100和附接的致动器30的组装视图。特别地，图3a示出了毂100的侧视图，其中示出了主侧组件10和工具侧组件20。此外，致动器30-2和30-3被示出为附接到工具侧组件20。致动器30-2和30-3被示出为处于“中间”位置(例如不膨胀、收缩等)。图3b示出了毂100的侧视图，其中示出了处于膨胀状态的主侧组件10和工具侧组件20以及附接的致动器30-2和30-3。图3c示出了毂100的倾斜的侧视图，而图3d和3e(分别)示出了毂100的斜仰视图和斜俯视图。特别地，组件10和20示出为联接在一起，致动器30-1、30-2、30-3和30-4附接到工具侧组件并且被示出为膨胀的。

因此，毂组件100可用于通过改变工具侧组件20来快速切换各种抓持组件。现在描述示例性抓持组件。重要的是要注意，系统可以用一个主侧组件10和各自具有不同的抓持构造的多个工具侧组件20来实施。因此，系统可以被快速地重新构造并用于执行需要不同抓持器或软致动器的不同操作。

图4a-4d示出了包括扭锁接口的毂组件100的例子。特别地，图4a示出了毂组件100的俯视透视图，示出了主侧组件10和工具侧组件20。此外，在工具侧组件20中示出了致动器附接部(例如22-1)。此外，示出了接口部11和21的细节。特别地，接口部11包括钉15和连接端口16，而接口部21包括槽25和连接端口26。钉和槽被构造成彼此可释放地固定。特别地，槽25可以具有变化的直径，其中每个槽的一端成比例地接收相应的一个钉15的端部。一旦钉15装配到槽25中，组件10或组件20可以被扭转以将钉15锁定就位，从而将组件10固定至组件20。

图4b-4c(分别地)示出了工具侧组件20的顶部透视图和俯视图。可以看出，工具侧组件20包括致动器附接部(例如22-1)、槽25和连接端口26。图4d示出了工具侧组件20的侧视图。可以看出，工具侧组件20可以包括顶部阶梯形部或凹陷23，其被构造成装配到主侧组件10的接口部11中的对应的凹部中。

另外，当组件10和20固定在一起时，连接端口16和26可以密封或形成密封。因此，用于膨胀管线(例如气动的、液压的等)以及电信号线的密封路径或连接点可以被设置通过连接点16和26。

或者或另外，工具侧组件20可以通过磁性接口、静电附着接口或任何其它合适类型的接口固定到主侧组件10。

毂可以以多种方式可调节，以便调节致动器的角度和/或致动器之间的相对距离。接下来描述这种毂和致动器的实施例。

角度和相对距离调节

可调节毂可以允许致动或调节致动器的节距扩展、数量或类型。这种毂可以允许多个致动器的角度相对于彼此改变，或者使多个致动器相对于彼此线性地移动，从而调节致动器之间的间隔。可以使用控制装置自动执行这些参数的调节，或者可以手动地响应于操作者的操纵来执行。在任一情况下(自动或手动调节)，可以动态地执行该调节，而不需要从毂上移除致动器或者用具有不同特征的不同致动器来替换致动器。

图5a-5c示出示例性毂组件100和包括机电部分31的软致动器30的示例构造。如图所示，机电部分31可被启动以使致动器朝向毂组件100的中心向内转动或者远离毂组件100的中心向外转动。通过将机电部分31的角度相对于毂组件100改变，致动器的角度可相对于毂组件100从而相对于彼此改变。机电部分31可以用于修改和/或调节致动器从处于中间位置(例如参见图5a-5b)到它们处于膨胀位置(例如参见图5c)的迎角。通过调节迎角，致动器可以构造成抓持不同尺寸或构造的物体。

替代地或除机电部分31(例如马达)之外，装置的调节致动器角度的那部分可以是机械的(例如手动曲柄)、流体的(例如液压的或气动的，比如气动驱动的旋转致动器)或这些或其它合适的调节技术的任何组合。

图6a-6d示出了软机器人致动器组件2700的另一例子，其中多个致动器2702a、2702b、2702c和2702d以角度可调节的方式安装到毂2704。例如，参考图6a，致动器2702a-d被示出为中立中间构造形态，其中致动器2702a-d彼此基本平行地设置。图6b示出了图6a的中立中间构造形态中的致动器2702a-d，致动器2'702a-d被加压(即弯曲和抓持)以在致动器2702a-d内限定大致封闭的空间sn。图6c示出了以角度调节构造形态的致动器2702a-d，其中致动器2702a-d已经围绕它们各自的附接点枢转到毂2704，以使致动器2702a-d相对于毂2704的纵向轴线y偏转相应角度θa、θb、θc、θd。尽管预期致动器2702a-d可以被偏转到任何所需的角度(例如在0-180度之间)，但致动器2702a-d各自显示出偏转至大约30度的角度。图6d示出了图6c的角度调节构造形态中的致动器2702a-d，致动器2702a-d被加压(即弯曲和抓持)以在致动器2702a-d内限定出大致封闭的空间sa。可以看出，由加压的致动器2702a-d的角度调节构造形态限定出的封闭空间sa大于由加压的致动器的中立中间构造形态限定出的封闭空间sn。因此，致动器2702a-d的角度调节可用于动态地构造形态组件2700以接近和抓持各种尺寸和几何形状的物品。

可以设想，致动器2702a-d的角度调节可以自动实现(例如借助致动连接到毂2704和致动器2702a-d的一个或多个伺服马达)或手动地实现。进一步设想，致动器2702a-d的角度调节可以是彼此相关的，例如通过齿轮传动装置，由此偏转角θa、θb、θc、θd总是相等。或者，偏转角θa、θb、θc、θd可能不一定总是相等，但是由于在每个致动器的调节机构之间提供不同的齿轮比，可能彼此相关(例如，改变致动器2702a的角度到θa可以具有将致动器2702b的角度改变为2θa的效果)。代替齿轮，可以使用用于以相关方式调节偏转角度的其它机械选项，例如皮带或凸轮系统。还可以设想致动器2702a-d的角度调节可以是独立的，由此一个或更多的偏转角θa、θb、θc、θd可以彼此不同，使得致动器的各个角度不彼此相关。进一步设想，一个或多个致动器2702a-d可以从毂2704移除，或者一个或多个附加的致动器可以附接到毂2704，以改变组件2700的形态，以更好地适应各种尺寸和几何形状的抓持物品。

在其它实施例中，工具侧组件20和/或软致动器30可以包括允许调节致动器的扩展范围的部件。例如，图7a-7e示出了工具侧组件20和附接的软致动器30的例子。在一些例子中，工具侧组件20可以设置有在该例子中示出的软致动器以调节迎角，便于拾起物体。

图7a从各种角度和透视图示出了工具侧组件20和软致动器30。如图所示，软致动器30包括软角度调节器32。图7b示出了附接有软致动器30的工具侧组件20的仰视图以及软角度调节器32的放大视图200。可以看出，软角度调节器32横向设置在软致动器30之间。在操作期间，软角度调节器32可以独立地膨胀和收缩(例如，彼此独立和/或独立于软致动器)以调节软致动器30之间的角度。

图7c-7e示出了处于各种状态的软致动器30和软角调节器32。特别地，图7c示出处于中间位置的软致动器30，并且软角度调节器32放气收缩。因此，软致动器30的对之间的(例如在30-1和30-2之间以及在30-3和30-4之间的等等)角度被减小。图7d示出处于中间位置的软致动器30，并且软角调节器32充气膨胀。因此，增加软致动器30的对之间的(例如在30-1和30-2之间以及在30-3和30-4之间的等等)角度增加。图7e示出处于充气膨胀位置的软致动器30和充气膨胀的软角度调节器32。因此，增加软致动器30的对之间的(例如在30-1和30-2之间以及在30-3和30-4之间的等等)角度增加，并且充气膨胀的软致动器30的迎角也增加了。

尽管图7a-7e示出了通过软致动器的动作来改变扩展的例子，但是本领域普通技术人员将认识到用于改变扩展的其它方法也是可能的。例如，在一些实施例中，弹簧可以将致动器保持分开。该弹簧可以连接至作用在弹簧上的锁定曲柄机构。当在一个方向上操作曲柄时，曲柄压缩弹簧以聚拢致动器；当曲柄沿相反方向操作时，曲柄释放弹簧以使致动器分开。

在其它实施例中，可以使用其它机械的、机电的或气动的装置来改变致动器的范围。

刚化层

另外的实施例提供了包含一个或多个刚性部件(例如板条)的各向异性加强基部。这些部件可以由金属、塑料或任何其它合适的刚性材料制成。刚性部件可以被捆扎、包裹、粘附或直接模制到致动器中以防止应变限制层弯曲，这使得当施加压力时致动器在正方向(朝向夹持物体)上变得更加困难。刚性部件还用于防止夹持表面的空化，这使得当施加真空时难以在负方向上弯曲。在这种情况下，刚性部件可以模制入或粘附到指部上，以防止空化表面将多个板条拉开。

更具体地，一些致动器包括具有不同硬度或壁厚的弹性体以适应期望的行为。这种厚度或硬度可变的层有时被称为应变限制层。

转到图8a-8f，现在描述用于防止应变限制层弯曲的加强致动器。软致动器的应变限制层可能具有在膨胀期间远离致动器的中性弯曲平面弯曲的倾向。应变限制层的这种弯曲增加了致动器横截面的面积二次矩，从而增加了致动器对弯曲的抵抗力。这种行为会降低致动器的功能。

可以通过将刚性元件(例如塑料、金属、陶瓷或更硬的弹性体)包覆成型到应变限制层中来减轻这个问题。这通过将多个刚性元件放置到应变限制层中来实现，其中每个元件的长轴线垂直于中性的弯曲轴线定向。该方向允许刚性元件防止应变限制层在垂直于中性轴线的方向上弯曲，但仅最小程度地阻碍沿着中性轴线的弯曲。

刚性元件可以被保持在软致动器主体的应变限制层和包覆模制的包封弹性体层之间的适当位置。图8a示出了软致动器主体3001的并排仰视图，而在应变限制层3002(左)上没有包封弹性体层，而相同的软致动器主体具有包封弹性体层3003(右)。包封弹性体层3003可以由与软致动器主体相同的材料(例如相同的弹性体材料)制成，或者可以由刚度更强的材料制成。图30b是在应变限制层3002(分别为顶部和底部)上具有和不具有包封弹性体层3003的软致动器主体3001的并排侧视图。

在一些实施例中，包封弹性体层3003可以覆盖加强板条3004，以防止在应变限制层3002中弯曲。软致动器主体3001可以设置有用于接收加强板条3004的模制沟槽3005。或者或另外，模制沟槽3005可以位于包封弹性体层3003中，或者沟槽3005可以位于软致动器主体3001和包封弹性体层3003两者中。在组装中，加强板条可以插入沟槽3005中并且与密封弹性体层3003重叠。与软致动器主体3001相比，板条3004可以由相对刚性的材料制成，例如塑料、金属、陶瓷或更硬的弹性体。

图8c示出了具有包封弹性体层3003的软致动器主体3001的侧面，图8d是图8c所示的致动器的横截面图，示出刚性板条3004的位置。图8e是表示应变限制层3002和包封弹性体层3003之间的刚性板条3004的分解图。

图8f示出了具有包封弹性体层3003的软致动器主体3001的例子，并且还具有用于加强软致动器囊的手风琴式槽3006的包覆模制的刚性或弹性结构3007。结构3007用于使手风琴式槽3006处的应变最小化或减小。软致动器主体3001的膨胀压力可能导致手风琴形软致动器的槽3006变形。这在槽3006中产生应力集中点，其在升高的压力下可导致致动器的失效。尽管如此，期望提高致动器的膨胀压力，因为当将其用作夹持器的一部分时这增加了致动器可以传递的力，或者这增加了在利用致动器时将其用作结构元件时的刚性。因此，希望用刚性材料(例如塑料、金属、陶瓷或更硬的弹性体)加强这些槽，以便在升高的压力下操作时在这些点处最小化致动器的应变。

图9a示出了示例性的刚化层3100，其包括多个刚性板条3102，其以平行间隔的关系固定到柔性背衬3104。板条3102可以由任何适当刚性的材料形成，包括但不限于各种金属、塑料和复合材料。如图9b所示，刚化层3100可以使用各种附接机构如系带(如图所示)、粘合剂、机械紧固件、硬o形圈(例如由shore80a或shore90a弹性体构成的o形圈)等固定在致动器3106的抓持侧(板条3102面向致动器3106，从而在该视图中不可见)。附接机构可以连接在致动器的手风琴式延伸部的槽之间。在一些实施例中，可以省略柔性背衬3104，并且刚性板条3102可以整合到致动器3106本身的材料中(例如通过包覆模制)。

通过以上述方式将刚性层3100施加到致动器3106的抓持侧，当致动器3106被加压时，刚性板条3102防止致动器3106的抓持侧隆起或变得凸起，其中这种隆起可能阻碍当试图抓持物品时致动器3106向内弯曲的能力。此外，当真空施加到致动器3106时，刚性板条3102可以防止致动器3106的抓持侧空化或变得凹陷，其中这种空化可能阻碍当试图离开物品时致动器3106向外弯曲的能力。由于刚性板条3102彼此间隔开并且垂直于致动器3106在打开和关闭期间弯曲的方向，所以刚性板条3102不妨碍或干扰致动器3106的常规操作。

手风琴式延伸部之间的槽往往是最高应力集中点。上述系带用于防止该区域在压力下膨胀，这有助于防止致动器的失效。这是通过防止致动器从中性弯曲平面隆起而实现的。

增力

下面描述的是与不采用这种增力结构的致动器相比，用于放大已膨胀的致动器的远端处的力的增力结构。

增力结构可能导致致动器的可偏转区域缩短。从梁理论可以理解，对于相同的致动压力，与等同横截面的较长致动器相比，为偏转相同的距离，较短的致动器需要更大的力。当应用于夹持致动器时，夹持力来自于被夹持物体阻止致动器如未被阻碍时所能实现的弯曲程度。因此，阻碍致动器的抓持目标有效地使致动器偏转。该偏转力是抓持力的相等的反作用力。

增力结构可以包括将一个或多个致动器保持在一起并沿着致动器的长度提供静态或可调节约束的环、套箍、圆柱体、杆、类风琴状结构等。增力结构可以附接到致动器，或者与致动器一体制成(例如通过将增力结构模制进该致动器)。增力结构可以包括一个或多个传感器以允许增力量被动态调整。

可以组合多个增力结构以实现期望的力施加分布。增力结构的形态、类型和数量可以在致动器之间改变或者可以在相同的致动器上改变以实现不同的增力结果。

增力结构还可以用于使缩短的致动器更稳定。当夹持器被加速或减速时(例如为了将抓持的物体从一个位置移动到另一个位置)，致动器可能倾向于摆动。在一些应用中，特别是在放置精度很重要的应用中，致动器的摆动可能是不希望的，因为变得难以预测物体可能被放置的位置。与较长致动器相比，较短致动器在与加速或减速相同的力作用下倾向于摆动较少，因为与具有相同横截面积的较长致动器相比，需要更多的力使较短致动器偏转相等的距离。因此，通过减小致动器的有效长度(例如通过附加上增力结构)，可以减小摆动。因此，为了即将到来的给定的抓持任务(例如通过使用增力带)，将夹持器的致动器缩短到最小可能的长度，可以用于减少或消除操作期间的摇摆，进而提高拾取和放置的准确性。

增力结构可以直接固定到保持致动器的毂(例如，通过诸如固定到增力结构和毂的一个或多个梁的机械连接)。这有助于通过仅使致动器的缩短的抓持端自由移动来防止致动器整体摆动。

增力结构还可以用于稳定一个或多个致动器以防扭转和/或重叠。当拾取相对较小的物体时，通常只使用致动器的前端来抓持目标。结果，致动器的中部和近部的大部分位于自由空间中，而不会妨碍致动器的这些部分。致动器不受阻碍的部分可能具有彼此扭转或重叠的趋势，这使得难以精确地控制包括扭转或重叠的致动器的夹持器。

本文所述的增力结构的另一个优点是它们可以改变致动器的轮廓，并且因此改变被抓持的目标和抓持目标的致动器之间的适形接触程度。结果是，与无增力的致动器相比，致动器可以实现与目标的更高程度的表面接触。这种增加的接触意味着致动器和被抓持的目标之间的更多摩擦，并且进而更好的夹持。因此，增力结构可以改变具有一个或多个致动器的夹持器的几何轮廓，以便将夹持器调节到夹持特定形状的物体，该物体难于被无增力结构的致动器夹持。

图10a示出了软机器人致动器组件2800的例子，其中多个致动器2802a、2802b、2802c和2802d安装到毂2804，并且增力带2806围绕致动器2802a-d。增力带2806可以是具有环或套箍(或多个互连的环/套箍，进一步描述如下)的一般形状的刚性或柔性构件(例如，由金属、塑料、橡胶、织物、各种复合材料等形成)。增力带2806可围绕并在与毂2804距离d的纵向位置处约束致动器2802a-d。通过约束致动器2802a-d，从而每个致动器2802a-d的力矩臂被缩短，并且当致动器2802a-d被加压时，每个致动器2802a-d的前端施加在所抓持的物品上的法向力增加。因此，增力带2806可用于增强致动器2802a-d的夹持强度。

除了增加施加在每个致动器2802a-d的前端处的法向力之外，与无约束构造相比，增力带2806还约束致动器2802a-d的向外弯曲，从而当致动器相对于没有增力带2806就位而被加压时使致动器2802a-d的远端部分呈现平坦的轮廓。这种平坦的轮廓可能适合于抓持特定尺寸或几何形状的物品。此外，增力带2806用于使致动器2802a-d稳定，以减轻致动器2802a-d在被加压时的扭转、重叠和/或未对准。

可以设想，可以手动或自动调节增力带2806沿致动器2802a-d的纵向位置。例如，图10b示出了由可调节的套箍或波纹管2900所呈现的增力带，其可以自动地纵向地延伸和缩回(例如经由各种电的、液压的或气动的驱动机构)，以在可变的纵向位置p约束一组致动器2902a-d。

图10c示出了由具有限定出两个环路3002和3004的8形的柔性带3000所呈现的增力带。每个环路3002、3004可用于以上述方式约束一个或多个致动器，以提供增力和/或稳定。增力带3000表示1x2构造，但是可以设想到许多其它的增力带构造(例如2x2、1x4、2x4等)来约束各种数量和布置的致动器，而不脱离本公开的范围。或者或另外，柔性带3000可以具有其它形状或构造，例如正方形、圆形、椭圆形或三角形。

夹持结构

在一些实施例中，软机器人致动器可以被设计成具有或补充有一个或多个夹持结构以定制致动器的夹持轮廓。这可以允许致动器更好地适形待夹持的表面，或者具有提高致动器的抓持能力的结构或纹理。

夹持结构可以是适形垫或其它部件，其附接到致动器的抓持侧表面或与驱动器的抓持侧表面成一体。夹持垫可以具有任何类型的纹理表面，各不同的摩擦剪切力是可能的。附接到相同毂的不同致动器可具有不同的夹持结构。或者或另外，相同的致动器可以具有位于致动器上的不同位置处的多个不同的夹持结构，以允许致动器以期望的方式夹持物体。夹持结构的数量、类型和构造可以基于要夹持的物体的尺寸、形状或纹理来选择。

图11a示出了软机器人致动器组件3200，其中两个致动器3202a和3202b安装到毂3204，并且其中致动器3202a和3202b设置有相应的夹持垫3206a和3206b。夹持垫3206a和3206b可以与致动器3202a和3202b成一体(即形成为致动器3202a和3202b的部分)，或者可以可移除地固定到致动器(例如使用机械紧固件、粘合剂等)，并且可以具有形状、布置、纹理和/或可以由适于增强致动器3202a和3202b抓持并保持特定物品的能力的材料形成。

在图11a所示的例子中，夹持垫3206a和3206b可以由弹性可压缩材料(例如泡沫塑料)形成并且可以各自具有夹持表面，其在致动器3202a和3202b未被加压时(即在致动器3202a和3202b基本上是直的时)是凸起的。但是，在致动器3202a和3202b被加压时，如图11b所示，弯曲的致动器3202a和3202b可以压缩夹持垫3206a和3206b，从而使夹持表面变得基本上平坦和平行，这可能有利于夹持基本上平面的物品例如书籍。

图11c-11d示出了具有各种形状和构造的夹持垫的致动器的附加的非限制性例子。如前所述，除了具有各种形状和构造之外，夹持垫可以设置有可以帮助夹持特定物品的各种表面纹理(脊状、网格式、同心圆形、菱形等)或形状(例如钩、楔形等)。

图11e示出了具有针或其它相对长而薄的结构形式的夹持结构的致动器的另一例子。该针可以允许致动器通过将针插入食品中来夹持相对柔软的食品例如杯形蛋糕、面团球或奶酪球，以便用致动器提起该食品。针可以包覆模制到致动器的前端中，或者可以附接到至少部分地围绕致动器的包裹物。尽管图11e示出了单个针，但致动器可以设置有以任何适当构造安装的多个针。

术语

如本文所用，以单数来描述并冠以“一”或“一个”的元件或步骤应被理解为不排除复数的元件或步骤，除非另有说明。此外，本发明所提到的“一个实施例”并不打算被解释为排除也包括所述特征的附加实施例的存在。

虽然已经参考特定实施例公开了本发明，但在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明精神和范围的情况下可以对所描述的实施例进行许多修改、改动和改变。因此，本发明不限于所述实施例，而是具有由所附权利要求书的语言及其等同所限定的全部范围。