一种软体驱动器、软体机器人系统以及多模态的感知方法

1.本技术涉及软体机器人技术领域，具体涉及一种软体驱动器、软体机器人系统以及多模态的感知方法。


背景技术：

2.软体机器人是近年来机器人领域的前沿热点，具有高适应、高灵巧、低成本、轻自重、设计灵活等特点，可以在许多非结构化环境和极端环境下很好的应用。
3.然而，由于软体机器人本体构型的均匀连续形变能力和材料的非线性特性，传统的刚性传感方案难以适用，现有软体机器人存在多模态感知能力不足、传感集成方案复杂等诸多挑战。
4.软体机器人中包括有软体驱动器，软体驱动器中包括有软传感器，而常见的软传感器检测的物理信息通常是单一的，在实现软体驱动器或软体机器人的多模态感知能力过程中，现有大多数传感集成方式都依赖于复杂的加工方式和设计，这对于扩展应用和大规模生产提出了很大的挑战和限制。


技术实现要素：

5.本技术提供一种软体驱动器、软体机器人系统以及多模态的感知方法，其主要目的在于提高软体驱动器的多模态感知能力。
6.根据本技术的第一方面，提供一种软体驱动器，包括：
7.软体腔壁，所述软体腔壁具有折展结构，所述折展结构包括多个环状棱、多个侧棱以及多个折面；所述环状棱包括多个凸棱和多个凹棱，所述凸棱和所述凹棱首尾连接以形成所述环状棱，多个所述环状棱沿着所述软体腔壁的轴向间隔分布；所述环状棱上所述凸棱的一端和相邻所述环状棱上且相互靠近的所述凸棱的一端相连形成所述侧棱，或，所述环状棱上所述凹棱的一端和相邻所述环状棱上且相互靠近的所述凹棱的一端相连形成所述侧棱；沿着所述软体腔壁的轴向，所述环状棱两侧的所述侧棱的连接处形成折角结构；沿着所述软体腔壁径向相邻的两个所述侧棱与沿着所述软体腔壁轴向相邻的所述凸棱和所述凹棱形成所述折面；
8.底座，设置于所述软体腔壁的底部，所述底座上设置有和所述软体腔壁内空间连通的流体源，所述流体源用于驱动所述软体腔壁进行伸长或缩短；
9.端盖，设置于所述软体腔壁的顶部；
10.多个软传感器，包括外管、发光二极管、光接收管以及导光柱；所述外管具有首端和尾端，在所述外管的管壁上开设有窗口；所述发光二极管设置于所述首端和所述尾端中的任意一处，所述发光二极管用于发出光波；所述光接收管设置于所述首端和所述尾端中的另一处，所述光接收管用于接收所述发光二极管发出的光波，所述光接收管还用于根据接收的光波读取多模态信息；所述导光柱填充于所述外管的内腔，所述导光柱用于将所述发光二极管发出的光波全反射传递至所述光接收管处；所述软传感器设置于所述折角结
构、所述折面或所述端盖中的至少一个；以及
11.控制单元，所述发光二极管和所述光接收管均与所述控制单元连接，所述光接收管还用于将读取的所述多模态信息发送给所述控制单元，所述控制单元用于接收并分析所述多模态信息以对所述软体驱动器的多模态进行感知；所述多模态信息包括本体姿态信息、驱动模态信息、内部驱动力的感知信息以及环境信息；所述环境信息为所述光接收管根据接收的光波读取到所述窗口处的环境信息。
12.一种实施例中，所述软传感器为弯曲构型软传感器或直线构型软传感器，所述弯曲构型软传感器设置于所述折角结构，所述弯曲构型软传感器用于感知所述折角结构处的角度变化；所述直线构型软传感器设置于所述折面或所述端盖，所述直线构型软传感器用于感知所述折面或所述端盖内的压强变化。
13.一种实施例中，所述环境信息包括所述窗口处的介质信息、是否有物体接触、是否发生按压。
14.一种实施例中，所述外管沿着其轴向依次分为首部、中间部以及尾部三个区域，所述首部和所述尾部对称分布于所述中间部的两侧，在所述外管的中间部开设所述窗口。
15.一种实施例中，所述外管的折射率低于所述导光柱的折射率。
16.一种实施例中，在所述外管和所述导光柱之间设置有光反射层，所述光反射层的折射率低于所述导光柱的折射率。
17.一种实施例中，还包括稳流稳压单元和处理放大单元，所述稳流稳压单元用于辅助所述发光二极管发出稳定的光波，所述处理放大单元用于对所述光接收管接收光波对应的信号进行处理放大。
18.一种实施例中，还包括压强传感器、惯性传感器以及力传感器中的至少一个；所述压强传感器用于标定所述软体驱动器的压强过程参数，所述惯性传感器用于标定所述软体驱动器的惯性过程参数，所述力传感器用于标定所述软体驱动器的受力过程参数。
19.根据本技术的第二方面，提供一种软体机器人系统，包括上述软体驱动器。
20.根据本技术的第三方面，提供一种采用上述软体驱动器进行多模态的感知方法，多个所述凸棱的长度均相同，多个所述凹棱的长度均相同，多个所述侧棱的长度均相同，所述侧棱和所述软体驱动器的中心轴之间夹角为120
°
，所述侧棱、凸棱以及所述凹棱形成等腰梯形状的所述折面；
21.多个所述环状棱中的至少一个上设置所述软传感器，且设有所述软传感器的所述环状棱上至少设置三个所述软传感器；多个所述折面中的至少一个上设置所述软传感器，所述端盖上设置至少一个所述软传感器；所述环状棱上的所述软传感器位于所述折角结构处，所述折角结构处的所述软传感器用于感知所述软体驱动器在伸长或缩短时相邻侧棱间的角度变化；所述折面和所述端盖上的所述软传感器均用于感知所述软体驱动器内的压强变化；
22.沿所述软体腔壁的轴向相邻分布的所述折面组合形成折纸单元；
23.所述本体姿态信息的感知方法为，计算所述软体驱动器的轴向长度为l0，以构建线性伸缩的姿态；
24.25.其中，m为所述折纸单元的行数，a为所述侧棱的长度，为同一所述折角结构处相邻所述侧棱之间的夹角，r为所述折纸单元的半径，n为所述折纸单元的列数，c1为凸棱的长度，c2为凹棱的长度；
26.基于弯曲和剪切的运动学姿态，将每个所述折纸单元的轴向长度定义为b
ij
，软体驱动器根据其上所述折纸单元的行数分为m节，每节所述软体驱动器的长度均满足恒曲率模型；b
ij
满足如下公式
27.b
ij
＝l
i-αircos(σ
ij-βi)
28.其中，i表示所述折纸单元位于第i行，j表示所述折纸单元位于第j列，li为第i个所述折纸单元的轴向长度，αi为第i行所述折纸单元的倾角，σ
ij
为所述软体驱动器的中心轴与同轴向高度所述侧棱顶端之间连线和二维坐标中x轴之间的夹角，βi为第i行所述折纸单元的方位角；
29.(li，αi，βi)用于定义所述软体驱动器的空间坐标系，σ
ij
通过所述软传感器上所述侧棱端点的位置确定，b
ij
通过软传感器感知角度信号解算得到，此时可以通过同一环状棱中三个折纸单元的σ
ij
和b
ij
对应的三个三元一次方程得到该节所述软体驱动器的空间坐标系；
30.得到该节所述软体驱动器的空间坐标系后，将所述空间坐标系转换为在笛卡尔坐标系中该节所述软体驱动器端面中心坐标oi和对应的垂直法向量ni，然后将每一节的所述软体驱动器姿态信息中的ni作矢量计算叠加得到所述软体驱动器整体的姿态信息；
[0031][0032]
所述驱动模态信息的感知方法为，将所述折角结构处的所述软传感器与所述折面和/或所述端盖处的所述软传感器得到的感知信息进行组合，以区分不同的所述驱动模态信息，所述驱动模态信息包括主动驱动、被动驱动、软体驱动器伸长、软体驱动器缩短、软体驱动器的弯曲和剪切；
[0033]
所述环境信息的感知方法为，通过所述软传感器上的窗口感知所述软体驱动器的环境信息，所述环境信息包括所述窗口处的介质信息、是否有物体接触、是否发生按压。
[0034]
依据上述实施例中的软体驱动器，通过在软传感器外管的管壁上开设窗口，使得位于外管内腔的导光柱有部分结构暴露在外部环境中，进而使得光波经过设有窗口的导光柱时，光波信号发生变化，这样，通过光接收管可以读取出窗口处的环境信息，增加软传感器的模态感知能力。同时，在软体驱动器的折角结构、折面或端盖中的至少一个上设置有软传感器，使得软体驱动器也具有环境信息的感知功能，除此外，通过设计的多个软传感器，还可以基于光信号变化原理和光传导原理，通过光接收管接收并读取多模态信息，再通过控制单元接收并分析多模态信息以对软体驱动器的多模态进行感知。所设计的软体驱动器的多模态感知能力不但得到提高，其结构设计也得到有效简化，便于扩展应用和大规模生产。
附图说明
[0035]
图1为本技术一种实施例中软体驱动器立体结构示意图；
[0036]
图2为本技术一种实施例中折展结构状软体腔壁参数定义示意图；
[0037]
图3为本技术一种实施例中折展结构状软体腔壁展开结构示意图；
[0038]
图4为本技术一种实施例中软传感器立体结构示意图(一)；
[0039]
图5为本技术一种实施例中软传感器立体结构示意图(二)；
[0040]
图6为本技术一种实施例中软传感器剖面结构示意图；
[0041]
图7为本技术另一种实施例中软传感器立体结构示意图；
[0042]
图8为本技术一种实施例中软体机器人立体结构示意图；
[0043]
图9为本技术一种实施例中软体驱动器整体姿态建模图；
[0044]
图10为本技术一种实施例中单节软体驱动器姿态建模图；
[0045]
图11为本技术一种实施例中单节软体驱动器端面俯视图。
[0046]
附图标记说明：100.软体驱动器、10.软体腔壁、11.环状棱、111.凸棱、112.凹棱、12.侧棱、13.折面、20.底座、30.端盖、40.软传感器、50.连接板、41.外管、411.首端、412.尾端、413.窗口、414.首部、415.中间部、416.尾部、42.发光二极管、43.光接收管、44.导光柱。
具体实施方式
[0047]
下面通过具体实施方式结合附图对本技术作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
[0048]
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
[0049]
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
[0050]
实施例1
[0051]
如图1-7所示，一种软体驱动器100，包括：软体腔壁10、底座20、端盖30、多个软传感器40以及控制单元。
[0052]
软体腔壁10具有折展结构，折展结构包括多个环状棱11、多个侧棱12以及多个折面13。环状棱11包括多个凸棱111和多个凹棱112，凸棱111和凹棱112首尾连接以形成环状棱11，多个环状棱11沿着软体腔壁10的轴向间隔分布。环状棱11上凸棱111的一端和相邻环状棱11上且相互靠近的凸棱111的一端相连形成侧棱12，或，环状棱11上凹棱112的一端和相邻环状棱11上且相互靠近的凹棱112的一端相连形成侧棱12。沿着软体腔壁10的轴向，环状棱11两侧的侧棱12的连接处形成折角结构。沿着软体腔壁10径向相邻的两个侧棱12与沿着软体腔壁10轴向相邻的凸棱111和凹棱112形成折面13。
[0053]
底座20设置于软体腔壁10的底部，底座20上设置有和软体腔壁10内空间连通的流体源，流体源用于驱动软体腔壁10进行伸长或缩短。流体源具体的可选择气体或液体来实现软体腔壁10内压强的调节，如陆上环境选择气压驱动，水下环境选择液压驱动。主动驱动伸长时，软体驱动器100腔室内部的压强变大折展结构沿腔体轴向伸展，缩短时，软体驱动器100腔室内部的压强变小折展结构沿腔体轴向折叠。端盖30设置于软体腔壁10的顶部。
[0054]
软传感器40包括外管41、发光二极管42、光接收管43以及导光柱44。外管41具有首端411和尾端412，在外管41的管壁上开设有窗口413。发光二极管42设置于首端411和尾端412中的任意一处，发光二极管42用于发出光波。光接收管43设置于首端411和尾端412中的另一处，光接收管43用于接收发光二极管42发出的光波，光接收管43还用于根据接收的光波读取多模态信息。导光柱44填充于外管41的内腔，导光柱44用于将发光二极管42发出的光波全反射传递至光接收管43处。软传感器40设置于折角结构、折面13或端盖30中的至少一个。
[0055]
发光二极管42和光接收管43均与控制单元连接，光接收管43还用于将读取的多模态信息发送给控制单元，控制单元用于接收并分析多模态信息以对软体驱动器100的多模态进行感知。多模态信息包括本体姿态信息(软体驱动器100自身的伸缩、弯曲和剪切等姿态)、驱动模态信息、内部驱动力的感知信息以及环境信息。环境信息为光接收管43根据接收的光波读取到窗口413处的环境信息。
[0056]
其中，外管41和导光柱44均采用柔性(软)材料。外管41采用人工橡胶或tpu复合材料等气密性高的柔性材料，导光柱44通过在外管41的内腔内填充硅材料制造，以形成传递光波的光通道。例如，导光柱4440填充所使用的硅材料为vytaflex20硅胶，具有柔韧性和抗撕裂强度高的优势。不同的硅材料具有不同的物理/机械/化学性质，使用不同的硅材料，光学软传感器40的性能也会不同，例如，使用不同光折射率的硅材料会使光信号变化的灵敏度不同。采用柔性材料的外管41和导光柱44具有足够的柔韧性和伸缩性，能够避免弯曲导致的不可恢复的塑性变形。此处，所说明的具体材料仅为列举，不应理解为对本技术的限制，实际使用时，只要能保障光学软传感器40具有一定的伸缩性和柔韧性即可。所说的控制单元可以接收多个软传感器40的信息，以实现某个软传感器40的单点解算，或多个软传感器40的整体解算。
[0057]
折展结构状的软体腔壁10如图2-3所示，侧棱12为图中倾斜的直线，相邻且连接的侧棱12形成v字形结构。凸棱111为图中同一水平线上的实线，凹棱112为同一水平线上的虚线，对于展开的软体腔壁10，同一水平线上凸棱111和凹棱112间隔分布。如图中阴影所示，左右相邻的侧棱12和上下分布的凸棱111以及凹棱112围合形成对应的折面13。在本技术实施例中，具体的，所有的侧棱12长度均一致，所有的凸棱111长度均一致，所有的凹棱112长度相一致，凸棱111相对凹棱112能短一些，对应的所形成的多个折面13也均相同，且为等腰梯形状的折面13。此处所说的长度或形状仅为列举，不应理解为对本技术的限制。在其他实施例中，侧棱12、凸棱111、凹棱112以及折面13的尺寸或形状根据需要设置即可。
[0058]
采用上述实施例中的软体驱动器100，通过在软传感器40外管41的管壁上开设窗口413，使得位于外管41内腔的导光柱44有部分结构暴露在外部环境(空气、水或其他介质)中，进而使得光波经过设有窗口413的导光柱44时，光波信号发生变化，这样，通过光接收管43可以读取出窗口413处的环境信息，增加软传感器40的模态感知能力。同时，在软体驱动
器100的折角结构、折面13或端盖30中的至少一个上设置有软传感器40，使得软体驱动器100也具有环境信息的感知功能，除此外，通过设计的多个软传感器40，还可以基于光信号变化原理和光传导原理，通过光接收管43接收并读取多模态信息，再通过控制单元接收并分析多模态信息以对软体驱动器100的多模态进行感知。所设计的软体驱动器100的多模态感知能力不但得到提高，其结构设计也得到有效简化，便于扩展应用和大规模生产。
[0059]
如图4-7所示，在本技术实施例中，软传感器40为弯曲构型软传感器或直线构型软传感器，弯曲构型软传感器设置于折角结构，弯曲构型软传感器用于感知折角结构处的角度变化。直线构型软传感器设置于折面13或端盖30，直线构型软传感器用于感知折面13或端盖30内的压强变化。弯曲构型软传感器用于感知软传感器40的弯曲模态，直线构型软传感器用于感知软传感器40的伸缩、扭曲模态。通过将软传感器40分为弯曲构型软传感器和直线构型软传感器，可以进一步根据实际的感知需要精确感知软传感器40的模态信息。当光学软传感器40为弯曲构型软传感器时，光学软传感器40可以为一节弯曲结构，或者是连续的弯曲曲线构型(即包括多节弯曲结构)，或者也可以为其他呈弯曲状的构型。例如在一环状棱11上设置三个均匀分布的弯曲构型软传感器，在折面13和端盖30的盖面上也均设置直线构型软传感器，对于端盖30上的软传感器40可以设置于端盖30的顶面即远离软体腔壁10的一面上。实际上同一环状棱11上软传感器40的个数根据需要感知的信息确定，每层环状棱11需要设置软传感器40的个数也根据需要感知的信息确定，每个环状棱11上软传感器40的个数可以相同或不同。同理多个折面13和端盖30上软传感器40的个数也根据实际的感知需要适应性调整即可。
[0060]
环境信息包括窗口413处的介质信息、是否有物体接触、是否发生按压。当软传感器40发生形变时，带动导光柱44形成的光通道发生形变使光接收管43接收的光信号强度发生变化，从而捕捉被测物理量的信息变化。通过在传感器外管41开设了窗口413，可以提高传感器的柔顺性以更好适应软体驱动器100的折痕形变，并利用光在不同介质中的折射率差，使软体驱动器100具备包括感知触碰、摁压和介质变化的外部感知能力。具体的：(1)对于遮挡的感知机理为，由于外管41开设了窗口413，从发光二极管42发射的光线会有部分从窗口413处跑出，当窗口413处有低于导光柱44折射率的外物遮挡时，跑出去的光线会被反射回来被光接收管43捕捉，光电信号变大。(2)同理，对于环境介质的感知机理为，由于环境介质的折射率不同，因此当窗口413处的导光柱44暴露在不同介质中时，反射回来的光线强度会发生变化，光电信号相应发生变化，本专利目前测试的介质包括有空气、水和沙子，其中暴露在水里时相对于空气的光电信号减小，在沙子里时相对于空气的光电信号变大。(3)对于摁压的感知机理为，导光柱44受力发生形变导致光通道变狭窄，能够通过的光线减少，光接收管43的光电信号下降。且受力越大信号越小，呈单调递减关系。
[0061]
如图7所示，外管41沿着其轴向依次分为首部414、中间部415以及尾部416三个区域，首部414和尾部416对称分布于中间部415的两侧，在外管41的中间部415开设窗口413。通过在外管41的中间部415开设窗口413，能增强该处的折叠变形能力、辅助抗拉性，对材料的抗拉要求相对低一些。更佳的，窗口413开设于外管41外侧的中间部415，所说的外侧类似手掌的掌背，对应的内侧类似手掌的掌心。在其他实施例中，窗口413也可以开设于外管41的首部414或尾部416。
[0062]
在本技术实施例中，在外管41和导光柱44之间设置有光反射层(为较薄的一侧结
构，不易察觉，故未图示)，光反射层的折射率低于导光柱44的折射率。通过设置的光反射层，为导光柱44对发光二极管42发出的光波进行全反射提供前提条件。此时基于设置的光学软传感器40的构型，只要光波在导光柱44内的入射角大于临界角即可发生全反射。具体的，在外管41的内腔壁上涂上银漆形成光反射层，以制造一层反光面，进而防止光泄露、降低光信号强度的损耗。此处，银漆仅为示例性的列举，凡是折射率低于导光柱44折射率的材料都可以。当在外管41和导光柱44之间设置光反射层时，可对外管41的折射率不进行限制，只要外管41选择具有柔性的材料即可。在其他实施例中，也可以不设置光反射层，导光柱44的外壁直接和外管41的内壁相接触，此时需要外管41的折射率低于导光柱44的折射率，以辅助导光柱44对其内的光波进行全反射传递。
[0063]
在本技术实施例中，发光二极管42发出的光波例如为940nm的红外光波，光接收管43接收对应发光二极管42发出的光波即可。在其他实施例中，也可以采用其他波长的发光二极管42和光接收管43。
[0064]
在本技术实施例中，软体驱动器100还包括稳流稳压单元和处理放大单元，稳流稳压单元用于辅助发光二极管42发出稳定的光波，处理放大单元用于对光接收管43接收光波对应的信号进行处理放大。通常光接收管43所接收的光波信号为微安级电流信号，通过处理放大单元对微安级电流信号进行处理、放大，将其变为常规的系统能读取的信号，以便于后续操作。控制单元为采用具有解算功能的单片机，处理放大单元将微电流信号处理后可变成常规的电压信号，单片机对该电压信号进行解算，以得到引起软传感器40发生改变的信息，使得软传感器40具有丰富的多模态感知功能，以提高软传感器40功能感知的全面性。光学软传感器40中的稳流稳压单元、处理放大单元以及控制单元均未图示，实际设置时，可以集成在光学软传感器40上，或者设置在光学软传感器40的外侧的软体驱动器100上。
[0065]
如图6所示，以发光二极管42整体设置于外管41的首端411内部，光接收管43整体设置于外管41的尾端412内部为例。当发光二极管42整体设置于外管41的首端411内部时，发光二极管42产生的光波能够全部进入导光柱44形成的光通道，提高光波的利用率。当光接收管43整体设置于外管41的尾端412内部时，便于光接收管43尽可能多的接收传递过来的光波，便于后续精准分析光波的信号。在其他实施例中，根据安装固定情况，发光二极管42也可以部分设置于外管41首端411的内部，只要能向导光柱44内发送光波即可，同理，光接收管43也可以部分设置于外管41尾端412的内部，只要光接收管43能接收到对应的光波就行。在本技术实施例中，发光二极管42和光接收管43分别置于外管41的两端，一方面便于发光二极管42和光接收管43的固定，另一方面不易对软传感器40的自身运动产生干涉。
[0066]
在本技术实施例中，软体驱动器100还包括压强传感器、惯性传感器以及力传感器中的至少一个。压强传感器用于标定软体驱动器100的压强过程参数，惯性传感器用于标定软体驱动器100的惯性过程参数，力传感器用于标定软体驱动器100的受力过程参数。通过设计的压强传感器、惯性传感器以及力传感器，可以标定软传感器40的过程参数提高感知精度，进步感知软体驱动器100的状态信息。压强传感器、惯性传感器以及力传感器的位置根据实际情况设定，只要能实现各自的作用即可，例如压强传感器只要存在流体源在软体驱动器100上形成的流体回路内即可。
[0067]
本技术所设计的软传感器40主要通过检测光接收管43输出的光电信号数值变化来感知信息变化。当软传感器40发生形变时，由于光在传播过程的损耗率使光接收管43所
接收的光强发生变化，因此可以通过检测光强大小的变化来感知此时软传感器40的状态和被测信息。例如，在软传感器40进行伸长和弯曲两种形变时，接收到的光强会变小，在缩短和展开时，光强会变大。根据软体驱动器100的形变特性和结构特点，该软传感器40的不同构型设计可以满足装配需要和不同的感知需要，如弯曲构型软传感器主要用于捕捉折角结构形变感知角度变化，直线构型软传感器主要用于捕捉面形变感知内部压强的变化。因此，软传感器40可以根据使用者需要自由组合搭配，且制作简单成本低，可实现规模化批量生产。
[0068]
软体腔壁10的材料和软传感器40的外管41材料相同，均可以通过硅胶开模、3d打印、硅胶注模等快速成型的工艺制作。可直接实现大规模批量生产，并具备模块化、可定制化、可拓展的特点。
[0069]
本发明通过结合折纸构型驱动器(即软体驱动器100)的形变特性，其在主动驱动和被动交互的过程中，主要应变集中在侧棱12的折痕和折面13、端面上，且形变特征不一致。通过将具有多种传感模式的软体传感器分别布置在侧棱12和面上，来使软体驱动器100具备丰富的感知能力。如弯曲构型软传感器主要用于感知角度变化，从而构建本体姿态，直线构型软传感器主要用于折面13的形变，从而感知内部压强变化。同时，所有软传感器40都可以同时感知外界的环境信息。设计软体驱动器100和软传感器40成本低，通过快速成型和注模的加工制造方式，能够实现大规模批量生产。并且得到的软体驱动器100可以定制其感知功能和定制运动功能。软体驱动器100上设有的软传感器40数量和组合方式不定，根据软体肌肉需要检测的信息确定，例如仅测量端面有无障碍物接触，或者仅测量流体源压强影响下肌肉的伸缩变化。相较于需要什么感知功能而单一叠加传感器数量来实现多模态感知阵列的现有方案，本发明基于驱动器的形变特性极大程度简化了传感集成系统的设计和制作工艺。可以实现大规模生产和功能可定制。
[0070]
实施例2
[0071]
一种软体机器人系统，包括上述实施例1中的软体驱动器100。软体机器人系统中包括软体驱动器100的个数可以为一个，也可以为多个。当包括多个软体驱动器100时，多个软体驱动器100可以沿着轴向长度上进行叠加使用，或者沿着径向并列叠加使用。具体的，以图8为例，在本技术实施例中，软体机器人系统包括3个围绕中心轴并列叠加的软体驱动器100，以及间隔分布的连接板50。3个软体驱动器100均固定于间隔分布的两个连接板50之间，以形成软体机器人系统。该系统基于每个软体驱动器100对于自身姿态的感知能力，实现了机器人整体的本体感知。在非结构化环境下，当某个驱动器进行主动驱动或被动交互时发生形变，可以通过组合三个驱动器的所有软传感器40信息判断具体的驱动模态。同时可以根据所有软传感器40的信息特征来判断软体驱动器100的哪个位置受到环境因素的影响。当下，这些信息的组合可以通过已有的模型区分简单的模态，在更复杂的环境场景应用时所产生的光电信号耦合，可以通过机器学习的方式来进行识别和区分。
[0072]
机器人系统中的软体驱动器100主要为折纸构型驱动器，其为单个腔体的驱动器，主要通过流体驱动，具有可线性驱动和全向被动弯曲的运动特点。通过多个驱动单元平行布置组成的软体关节可以实现全向主动弯曲运动。
[0073]
本发明简化了传感系统在机器人系统上的集成，容易制造且性能显著提高，在执行动作时能够有效感知软体机器人多模态信息，应用场景广泛，适配性强。围绕软传感器
40，其需要提供足够精确的感官和控制信息，同时不干扰机器人设备的主要兼容和自适应功能。设计的机器人系统为一种带多种感知能力软传感器40的软体机器人系统。相较于现有多数软体机器人只能检测自身位姿信息，该机器人系统通将多功能传感器分别布置在侧棱12折痕(即折角结构)和折面13、端面上，使得软体机器人具备姿态感知、内部压强感知在内的本体感知能力和外部遮挡、摁压和介质变化的外体感知能力。所得到的多功能感知的机器人系统具有模块化的特点。可以根据使用需要进行设计、组装和搭配。
[0074]
实施例3
[0075]
一种采用上述软体驱动器100进行多模态的感知方法，多个凸棱111的长度均相同，多个凹棱112的长度均相同，多个侧棱12的长度均相同，侧棱12和软体驱动器100的中心轴之间夹角为120
°
(或60
°
，看的角度不同产生互补的两种角度)，侧棱12、凸棱111以及凹棱112形成等腰梯形状的折面13。
[0076]
多个环状棱11中的至少一个上设置软传感器40，且设有软传感器40的环状棱11上至少设置三个软传感器40。多个折面13中的至少一个上设置软传感器40，端盖30上设置至少一个软传感器40。环状棱11上的软传感器40位于折角结构处，折角结构处的软传感器40用于感知软体驱动器100在伸长或缩短时相邻侧棱12间的角度变化。折面13和端盖30上的软传感器40均用于感知软体驱动器100内的压强变化。
[0077]
沿软体腔壁10的轴向相邻分布的折面13组合形成折纸单元。
[0078]
具体的，在本技术实施例中，以在同一环状棱11上设置3个软传感器40为例。
[0079]
本体姿态信息的感知方法为，计算软体驱动器100的轴向长度为l0，以构建线性伸缩的姿态。
[0080][0081]
如图2或3所示，折纸单元为图中阴影所示，折纸单元由两个折面13组合形成。其中，m为折纸单元的行数，a为侧棱12的长度，为同一折角结构处相邻侧棱12之间的夹角，r为折纸单元的半径，n为折纸单元的列数，c1为凸棱111的长度，c2为凹棱112的长度，与软体驱动器100伸展和收缩的长度l0相关。当折纸单元发生伸缩运动时，可以通过布置在同一环状棱11上的三个弯曲构型软传感感知角度的变化，由上述公式得到软体驱动器100的长度，构建线性伸缩的姿态，b0为单节折纸单元对应的初始轴向长度。
[0082]
基于弯曲和剪切的运动学姿态，将每个折纸单元的轴向长度定义为b
ij
，软体驱动器100根据其上折纸单元的行数分为m节，每节软体驱动器100的长度均满足恒曲率模型。b
ij
满足如下公式
[0083]bij
＝l
i-αircos(σ
ij-βi)
[0084]
其中，如图3、图9-11所示，i表示折纸单元位于第i行，j表示折纸单元位于第j列，li(i＝1，2，3
…
)为第i个折纸单元的轴向长度，αi为第i行折纸单元的倾角(弯曲的大小)，σ
ij
为软体驱动器100的中心轴与同轴向高度侧棱12顶端之间连线和二维坐标中x轴之间的夹角，βi为第i行折纸单元的方位角(弯曲的朝向，v
ij
为图11中中心轴到同轴向高度侧棱12顶端之间的连线。l为图9中软体驱动器整体姿态建模图对应的轴向长度，a为两节折纸单元的倾角，β为图9中软体驱动器整体姿态建模图顶面对应的方位角，oi(i＝0，1，2，3
…
)代表第i行的中心轴(或中心点)。
[0085]
(li，αi，βi)用于定义软体驱动器100的空间坐标系，σ
ij
通过软传感器40上侧棱12端点的位置确定，b
ij
通过软传感器40感知角度信号解算得到，此时可以通过同一环状棱11中三个折纸单元的σ
ij
和b
ij
对应的三个三元一次方程得到该节软体驱动器100的空间坐标系。
[0086]
得到该节软体驱动器100的空间坐标系后，将空间坐标系转换为在笛卡尔坐标系中该节软体驱动器100端面中心坐标oi和对应的垂直法向量ni，然后将每一节的软体驱动器100姿态信息中的ni作矢量计算叠加得到软体驱动器100整体的姿态信息。
[0087][0088]
驱动模态信息的感知方法为，将折角结构处的软传感器40与折面13和/或端盖30处的软传感器40得到的感知信息进行组合，以区分不同的驱动模态信息，驱动模态信息包括主动驱动、被动驱动、软体驱动器100伸长、软体驱动器100缩短、软体驱动器100的弯曲和剪切。
[0089]
软体机器人在主动驱动和被动交互下会产生形变的耦合，在获取该形变下的本体姿态后如何解开产生的原因有助于帮助软体机器人稳定的操作。本发明在软体驱动器100的端面和折面13上，设有直线构型的软传感器40，用于感知软体驱动器100中压强变化。由于软体驱动器100的腔体结构，其端面和折面13会由于压强的增大凸起，传感器发生拉伸，发光二极管42和光接收管43之间的相对距离变长，光电信号变小；端面和折面13由于压强的减小凹陷，传感器发生收缩，发光二极管42和光接收管43之间的相对距离变短，光电信号变大。其凸起或凹陷的程度和流体源的压强相关。因此，将弯曲构型软传感器和直线构型软传感器得到的感知信息进行组合，可有区分不同的驱动模态，例如(1)在只有主动驱动充气情况下，折展结构伸展，弯曲构型软传感器信号变大，折面13凸起，直线构型软传感器信号变小；(2)在只有主动驱动抽气情况下，折展结构折叠，弯曲构型软传感器信号变小，折面13凹陷，直线构型软传感器信号变大；(3)在只有被动交互下软体驱动器100受到挤压收缩，折展结构折叠，弯曲构型软传感器信号变小，由于密闭腔室体积变小气压变大，折面13凸起，直线构型软传感器信号变小；(4)在只有被动交互下软体驱动器100受到外力拉长，折展结构伸展，弯曲构型软传感器信号变大，由于密闭腔室体积变大气压变小，折面13凹陷，直线构型软传感器信号变大；(5)在主动驱动情况下由于被动交互无法伸长和收缩时，折展结构基本无变化，弯曲构型软传感器信号不变，由于气压变大折面13凸起，直线构型软传感器信号变小。以上为基本的五个驱动模态判断和区分，在面向非结构化场景中更复杂的环境因素所产生的形变，可以通过机器学习方式来进行模态的解耦。
[0090]
此外，基于折面13的形变和压强之间的关系，在对软体驱动器100进行气压-输出力之间的关系标定后(如采集驱动器在恒长情况下，通过增大压强或者减小压强对力传感器对应产生的作用力)，可以根据驱动器内部腔室的压强大小来判断驱动力的大小。
[0091]
环境信息的感知方法为，通过软传感器40上的窗口413感知软体驱动器100的环境信息，环境信息包括窗口413处的介质信息、是否有物体接触、是否发生按压。具体的感知机理可参考实施例1中环境信息的感知。
[0092]
本技术实施例设计的多模态感知方法，除了可以对实施例1中的软体驱动器100进行模态感知，也可以应用于软体机器人系统进行多模态的感知。
[0093]
需要说明的是，在本技术中所描述的上、下、左、右等方位词，仅为更清楚的描述本技术的技术方案，不应理解为对本技术的限制。
[0094]
以上应用了具体个例对本技术进行阐述，只是用于帮助理解本技术，并不用以限制本技术。对于本技术所属技术领域的技术人员，依据本技术的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

技术特征：
1.一种软体驱动器，其特征在于，包括：软体腔壁，所述软体腔壁具有折展结构，所述折展结构包括多个环状棱、多个侧棱以及多个折面；所述环状棱包括多个凸棱和多个凹棱，所述凸棱和所述凹棱首尾连接以形成所述环状棱，多个所述环状棱沿着所述软体腔壁的轴向间隔分布；所述环状棱上所述凸棱的一端和相邻所述环状棱上且相互靠近的所述凸棱的一端相连形成所述侧棱，或，所述环状棱上所述凹棱的一端和相邻所述环状棱上且相互靠近的所述凹棱的一端相连形成所述侧棱；沿着所述软体腔壁的轴向，所述环状棱两侧的所述侧棱的连接处形成折角结构；沿着所述软体腔壁径向相邻的两个所述侧棱与沿着所述软体腔壁轴向相邻的所述凸棱和所述凹棱形成所述折面；底座，设置于所述软体腔壁的底部，所述底座上设置有和所述软体腔壁内空间连通的流体源，所述流体源用于驱动所述软体腔壁进行伸长或缩短；端盖，设置于所述软体腔壁的顶部；多个软传感器，包括外管、发光二极管、光接收管以及导光柱；所述外管具有首端和尾端，在所述外管的管壁上开设有窗口；所述发光二极管设置于所述首端和所述尾端中的任意一处，所述发光二极管用于发出光波；所述光接收管设置于所述首端和所述尾端中的另一处，所述光接收管用于接收所述发光二极管发出的光波，所述光接收管还用于根据接收的光波读取多模态信息；所述导光柱填充于所述外管的内腔，所述导光柱用于将所述发光二极管发出的光波全反射传递至所述光接收管处；所述软传感器设置于所述折角结构、所述折面或所述端盖中的至少一个；以及控制单元，所述发光二极管和所述光接收管均与所述控制单元连接，所述光接收管还用于将读取的所述多模态信息发送给所述控制单元，所述控制单元用于接收并分析所述多模态信息以对所述软体驱动器的多模态进行感知；所述多模态信息包括本体姿态信息、驱动模态信息、内部驱动力的感知信息以及环境信息；所述环境信息为所述光接收管根据接收的光波读取到所述窗口处的环境信息。2.如权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，所述软传感器为弯曲构型软传感器或直线构型软传感器，所述弯曲构型软传感器设置于所述折角结构，所述弯曲构型软传感器用于感知所述折角结构处的角度变化；所述直线构型软传感器设置于所述折面或所述端盖，所述直线构型软传感器用于感知所述折面或所述端盖内的压强变化。3.如权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，所述环境信息包括所述窗口处的介质信息、是否有物体接触、是否发生按压。4.如权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，所述外管沿着其轴向依次分为首部、中间部以及尾部三个区域，所述首部和所述尾部对称分布于所述中间部的两侧，在所述外管的中间部开设所述窗口。5.如权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，所述外管的折射率低于所述导光柱的折射率。6.如权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，在所述外管和所述导光柱之间设置有光反射层，所述光反射层的折射率低于所述导光柱的折射率。7.如权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，还包括稳流稳压单元和处理放大单元，所述稳流稳压单元用于辅助所述发光二极管发出稳定的光波，所述处理放大单元用于
对所述光接收管接收光波对应的信号进行处理放大。8.如权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，还包括压强传感器、惯性传感器以及力传感器中的至少一个；所述压强传感器用于标定所述软体驱动器的压强过程参数，所述惯性传感器用于标定所述软体驱动器的惯性过程参数，所述力传感器用于标定所述软体驱动器的受力过程参数。9.一种软体机器人系统，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的软体驱动器。10.一种采用权利要求1-8中任一项所述的软体驱动器进行多模态的感知方法，其特征在于，多个所述凸棱的长度均相同，多个所述凹棱的长度均相同，多个所述侧棱的长度均相同，所述侧棱和所述软体驱动器的中心轴之间夹角为120
°
，所述侧棱、凸棱以及所述凹棱形成等腰梯形状的所述折面；多个所述环状棱中的至少一个上设置所述软传感器，且设有所述软传感器的所述环状棱上至少设置三个所述软传感器；多个所述折面中的至少一个上设置所述软传感器，所述端盖上设置至少一个所述软传感器；所述环状棱上的所述软传感器位于所述折角结构处，所述折角结构处的所述软传感器用于感知所述软体驱动器在伸长或缩短时相邻侧棱间的角度变化；所述折面和所述端盖上的所述软传感器均用于感知所述软体驱动器内的压强变化；沿所述软体腔壁的轴向相邻分布的所述折面组合形成折纸单元；所述本体姿态信息的感知方法为，计算所述软体驱动器的轴向长度为l0，以构建线性伸缩的姿态；其中，m为所述折纸单元的行数，a为所述侧棱的长度，为同一所述折角结构处相邻所述侧棱之间的夹角，r为所述折纸单元的半径，n为所述折纸单元的列数，c1为凸棱的长度，c2为凹棱的长度；基于弯曲和剪切的运动学姿态，将每个所述折纸单元的轴向长度定义为b
ij
，软体驱动器根据其上所述折纸单元的行数分为m节，每节所述软体驱动器的长度均满足恒曲率模型；b
ij
满足如下公式b
ij
＝l
i-α
i
rcos(σ
ij-β
i
)其中，i表示所述折纸单元位于第i行，j表示所述折纸单元位于第j列，l
i
为第i个所述折纸单元的轴向长度，α
i
为第i行所述折纸单元的倾角，σ
ij
为所述软体驱动器的中心轴与同轴向高度所述侧棱顶端之间连线和二维坐标中x轴之间的夹角，β
i
为第i行所述折纸单元的方位角；(l
i
，α
i
，β
i
)用于定义所述软体驱动器的空间坐标系，σ
ij
通过所述软传感器上所述侧棱端点的位置确定，b
ij
通过软传感器感知角度信号解算得到，此时可以通过同一环状棱中三个折纸单元的σ
ij
和b
ij
对应的三个三元一次方程得到该节所述软体驱动器的空间坐标系；得到该节所述软体驱动器的空间坐标系后，将所述空间坐标系转换为在笛卡尔坐标系中该节所述软体驱动器端面中心坐标o
i
和对应的垂直法向量n
i
，然后将每一节的所述软体驱动器姿态信息中的n
i
作矢量计算叠加得到所述软体驱动器整体的姿态信息；
所述驱动模态信息的感知方法为，将所述折角结构处的所述软传感器与所述折面和/或所述端盖处的所述软传感器得到的感知信息进行组合，以区分不同的所述驱动模态信息，所述驱动模态信息包括主动驱动、被动驱动、软体驱动器伸长、软体驱动器缩短、软体驱动器的弯曲和剪切；所述环境信息的感知方法为，通过所述软传感器上的窗口感知所述软体驱动器的环境信息，所述环境信息包括所述窗口处的介质信息、是否有物体接触、是否发生按压。

技术总结
一种软体驱动器、软体机器人系统以及多模态的感知方法，软体驱动器包括软体腔壁、底座、端盖、多个软传感器和控制单元。软体腔壁具有折展结构，折展结构包括环状棱、侧棱和折面。环状棱包括凸棱和凹棱。沿着软体腔壁的轴向，环状棱两侧的侧棱的连接处形成折角结构。底座上设置有和软体腔壁内空间连通的流体源。软传感器包括外管、发光二极管、光接收管以及导光柱。外管的管壁上开设有窗口。导光柱填充于外管的内腔。软传感器设置于折角结构、折面或端盖中的至少一个。控制单元用于接收并分析多模态信息，软体驱动器多模态感知能力得到提高。多模态信息包括软体驱动器的本体姿态信息、驱动模态信息、内部驱动力的感知信息和环境信息。内部驱动力的感知信息和环境信息。内部驱动力的感知信息和环境信息。


技术研发人员：易娟 许嘉豪 方忠桂 娄本康 宣逸凡 王峥 刘思聪
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/10/15