專利名稱：能夠變形的機器人表面的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及機器人，特別是能夠變形的機器人表面。
背景技術：
在機器人、機器人玩具和假肢領域，在過去已經生成了能夠變形的表面。然而，大 部分的當前設計都缺少在整個廣泛的運動范圍內描述詳細的變形表面所必需的控制。這是 因為機器人產業(yè)更關注功能，而不是形式。在美國專利7113848中，漢森機器人(Hanson Robotics)的大衛(wèi)漢森(David Hanson)試圖在他的機器人的面部再現(xiàn)逼真的人類面部運動。他的發(fā)明缺乏再生逼真的面 部運動，因為他所用的使皮膚運動的方法缺少達到人類面部表情的全部運動范圍所必需的 控制水平。大阪大學(Osaka University)的Hiroshi Ishiguro教授構建了兩個叫做 "Repliee QlExpo"和“Geminoid”的人形機器人。從遠處，這兩個仿生人都會被看作是人 類，但是當仿生人運動時，幻覺破滅。這種情況的發(fā)生是因為生物體的下層肌肉沒有在仿生 人的皮膚上反映出來。如果他通過使用允許做出所有合適的變形的方法來再現(xiàn)人類的全部 運動范圍，那么他的工作將得到改進。能夠變形的機器人表面可用于生成下述的表面，但不限于人造生物體、機器人玩 具、假肢表面、從一種表面變體到另一種表面的能力、能夠變形的物體。在本說明書中的引用專利說明書、其他外部文件或其他信息來源的引用的地方， 通常是為了提供討論發(fā)明特征的背景。除非特殊說明否則，對這樣的外部文件或信息來源 的引用不應被認為是承認這些文件或信息來源在任何管轄范圍內是現(xiàn)有技術或形成本領 域內的公知常識的一部分。本發(fā)明的至少優(yōu)選實施例的目的是提供一種能夠變形的機器人表面，所述機器人 表面能夠在其整個運動范圍內模擬生物體的表面變形，或者至少向公眾提供可用的選擇。

發(fā)明內容
按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種能夠變形的機器人表面，其包括多個控制點，該控制點可相對于彼此運動；和在多個控制點之間延伸的覆蓋物；其中控制點相對于彼此的運動導致覆蓋物相對應地運動。優(yōu)選地，能夠變形的機器人表面進一步包括在控制點之間延伸的多個連接器，其 中控制點相對于彼此的運動致使控制點連接器相對應地運動。優(yōu)選地，至少一部分所述多個連接器包括柔性連接器。優(yōu)選地，至少一部分所述多個連接器包括彈力連接器。優(yōu)選地，至少一部分所述多個連接器包括剛性連接器。優(yōu)選地，剛性連接器包括伸縮連接器。
優(yōu)選地，至少一部分控制點連接器是大致直的部件。優(yōu)選地，至少一部分控制點連接器是大致彎曲的部件。優(yōu)選地，覆蓋物包括柔性覆蓋物。優(yōu)選地，覆蓋物包括彈力覆蓋物。優(yōu)選地，覆蓋物在控制點和多個控制點連接器上方延伸。優(yōu)選地，控制點通常布置成多行和多列，以形成控制點的網格。優(yōu)選地，控制點連接器在相鄰的控制點之間延伸，以形成控制點和控制點連接器 的網格。優(yōu)選地，能夠變形的機器人表面進一步包括用于使其中至少一個控制點相對其它 控制點運動的至少一個致動器。
優(yōu)選地，控制點連接器包括適于使控制點相對于彼此運動的一個或多個致動器。優(yōu)選地，所述一個或多個致動器包括偏壓裝置。更優(yōu)選地，偏壓裝置包括彈簧?？?選地，所述一個或多個致動器包括電活性聚合物?？蛇x地，所述一個或多個致動器包括一個 或多個氣動致動器。優(yōu)選地，所述一個或多個致動器在接合點處接合到覆蓋物、控制點或控制點連接
ο優(yōu)選地，控制點包括適于使控制點相對于彼此運動的一個或多個致動器。優(yōu)選地，所述一個或多個致動器包括偏壓裝置。更優(yōu)選地，偏壓裝置包括彈簧。可 選地，所述一個或多個致動器包括電活性聚合物。優(yōu)選地，能夠變形的機器人表面進一步包括從控制點朝向覆蓋物延伸以在覆蓋物 中形成相對平滑的表面的至少一個柔性支持件。優(yōu)選地，至少一部分控制點連接器嵌入到覆蓋物中。優(yōu)選地，至少一部分控制點嵌入到覆蓋物中。優(yōu)選地，控制點相對于覆蓋物是能夠旋轉的。優(yōu)選地，能夠變形的機器人表面具有中性構造，在該構造中至少大部分覆蓋物是 大致非平面的。更優(yōu)選地，能夠變形的機器人表面具有中性構造，在該構造中至少一部分覆 蓋物是大致彎曲的。可選地，能夠變形的機器人表面具有中性構造，在該構造中至少大部分 覆蓋物是大致平面的。優(yōu)選地，能夠變形的機器人表面進一步包括至少一個附加層或皮膚。更優(yōu)選地，附 加層或皮膚包括所述覆蓋物的至少一部分。優(yōu)選地，能夠變形的機器人表面進一步包括傳感器和傳輸數(shù)據(jù)或能源的線路。優(yōu)選地，控制點與覆蓋物整體形成。優(yōu)選地，控制點連接器與覆蓋物整體形成。優(yōu)選地，至少一部分控制點和至少一部分控制點連接器的位置印刷在覆蓋物上。優(yōu)選地，控制點與控制點連接器整體形成為能夠擴張和收縮的網。優(yōu)選地，控制點對應于計算機表示的頂點，覆蓋物對應于計算機表示的一個面或 一系列面。優(yōu)選地，控制點對應于計算機表示的頂點，控制點連接器對應于計算機表示的邊 緣，覆蓋物、附加層或者外表面對應于計算機表示的一個面或一系列面。
優(yōu)選地，能夠擴張和收縮的網對應于計算機表示的邊緣。優(yōu)選地，致動器的一個或多個接合點對應于計算機表示的頂點。優(yōu)選地，控制點或接合點隨著時間的運動大致對應于整個時間內計算機表示的頂點的計算機表示的運動。優(yōu)選地，控制點連接器或能夠擴張和收縮的網隨著時間的運動大致對應于整個時 間內計算機表示的邊緣的計算機表示的運動。優(yōu)選地，覆蓋物、附加層、或者外表面隨著時間的運動大致對應于在整個時間內計 算機表示的面的計算機表示的運動。按照本發(fā)明的第二方面，提供了關于第一方面所描述的能夠變形的機器人表面接 合到關于第一方面所描述的至少一個其他能夠變形的機器人表面的組合。按照本發(fā)明的第三方面，提供了關于第一方面所描述的能夠變形的機器人表面接 合到至少一個其他物品的組合。優(yōu)選地，所述其他物品是機器人的一部分。更優(yōu)選地，能夠變形的機器人表面形成 機器人的外表面或人造皮膚。按照本發(fā)明的第三方面，提供了包括關于第一方面所描述的能夠變形的機器人表 面的人工肌肉。優(yōu)選地，所述人工肌肉進一步包括人工肌肉芯部，其中能夠變形的表面至少部分 包圍人工肌肉芯部。本說明書中所用的術語“包括”意思是“其至少部分由…組成”；S卩，在本說明書中 解釋包括“包括”的語句時，該術語做引語的特征在每句中總是需要出現(xiàn)，但是其他特征也 可以出現(xiàn)。相關術語，例如“包括”和“被包括”以類似的方式解釋。對于本發(fā)明相關技術領域的技術人員來說，本發(fā)明的很多結構上的變化、大相徑 庭的實施例和應用將在不脫離所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍內揭示其自身。這里的公 開和描述僅僅是說明性的，并不用于任何意義的限制。在本文中提及具體整數(shù)的地方，這些 整數(shù)在本發(fā)明的相關領域內具有已知等效值的，這些已知等效值就像被單獨說明一樣，認 為是并入本文中。本文中在名詞之后所使用的術語“一個或多個”的意思是那個名詞的復數(shù)和/或 該名詞的單數(shù)形式。本文中所使用的術語“和/或”意思是“和”或“或”，或允許這兩種語境的情況。本發(fā)明由上述內容構成，并且也可以想到下文中描述本發(fā)明的結構僅僅是示例性 的。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明，在附圖中圖1是能夠變形的機器人表面的第一優(yōu)選實施例的分解透視圖；圖2是生物體的大腿肌肉骨骼系統(tǒng)和能夠變形的機器人表面的對應大腿的視圖；圖3a是生物體的面部的正視圖；圖3b是圖3b的生物體的面部的正視圖連同控制點和控制點連接器的重疊布局；圖3c是沒有生物體的面部的圖3b的控制點和控制點連接器的布局；
圖4a是多邊形的3d計算機表示的透視圖；圖4b是對應圖4a的計算機表示的能夠變形的機器人表面的透視圖；圖4c是帶有新頂點位置的圖4a的計算機表示的透視圖；圖4d是對應于圖4c的計算機表示的能夠變形的機器人表面的透視圖；圖5是內部和外部能夠變形的機器人表面的視圖；圖6a是人類的示意圖；圖6b示出了人類的肌肉系統(tǒng)的布局；圖6c是對應于圖6b中所示的肌肉系統(tǒng)的控制點、控制點連接器和覆蓋物的布局；圖7是帶有附加層或人造皮膚的圖1的優(yōu)選實施例的能夠變形的機器人表面的透 視圖；圖8a示出了處于排氣構造的氣動致動器；圖8b是處于充氣構造的圖88a的氣動致動器的側視圖；圖9a是具有處于未變形狀態(tài)的電活性聚合物的可選實施例的能夠變形的機器人 表面的透視圖；圖9b是處于變形狀態(tài)的圖9a的可選實施例的能夠變形的機器人表面的透視圖；圖10示出了特性化面部的能夠變形的機器人表面等效體；圖11示出了生物體的面部和對應的能夠變形的機器人表面以及不同的生物體的 面部和對應的能夠變形的機器人表面，該能夠變形的機器人表面是這兩個之間的單個機器 人表面；圖12顯示了將不同生物體混合在一起以生成能夠變形的機器人表面的方法；圖13顯示了施加有非比例尺度的生物體的能夠變形的機器人表面；圖14是帶有柔性支撐材料的控制點和控制點連接器的透視圖；圖15是四邊形肌(Quadrilateral Muscle)的能夠變形的機器人表面等效體的視 圖；圖16是帶狀肌(Strap Muscle)的能夠變形的機器人表面等效體的視圖；圖17是具有腱的帶(Strap)的能夠變形的機器人表面等效體的視圖；圖18是半羽肌(Unipermate muscle)的能夠變形的機器人表面等效體的視圖；圖19是多羽肌(Multi-pirmate muscle)的能夠變形的機器人表面等效體的視 圖；圖20是三角肌的能夠變形的機器人表面等效體的視圖；圖21是肌板(Muscle Plate)能夠變形的機器人表面等效體的能夠變形的機器人 表面等效體的視圖；圖22是梭形肌(Fusiform muscle)的能夠變形的機器人表面等效體的視圖；圖23是二腹肌的能夠變形的機器人表面等效體的視圖；圖24是三頭肌的能夠變形的機器人表面等效體的視圖；圖25是羽肌(Bipermate muscle)的能夠變形的機器人表面等效體的視圖；圖26是螺旋肌板(Spiral muscle plate)的能夠變形的機器人表面等效體的視 圖27是多塊肌肉的能夠變形的機器人表面等效體的視圖；圖28是可選的旋轉控制點設計的透視圖；圖29是可選的旋轉控制點設計的透視圖；圖30是形成網絡的控制點和控制點連接器的視圖；圖30B是形成網絡的覆蓋物、附加層或者外表面的視圖；圖31示出了用于限定相同表面的可選的控制點密度；圖32是可選的旋轉控制點設計的透視圖；
圖33是另一個可選的旋轉控制點設計的透視圖；圖34是彎曲的控制點連接器的透視圖；圖35是生物體的能夠變形的機器人表面等效體，在該等效體中比例已經被改變；圖36是與能夠變形的機器人表面組合的不能夠變形的機器人表面的透視圖；圖37示出了生物體的3d掃描；圖38是處于未擴張構造和擴張構造的作為致動器的控制點連接器的透視圖；圖39是作為電活性聚合物形式的致動器的控制點連接器的透視圖；圖40是在伸縮管形式的剛性控制點連接器的示例的透視圖；圖41a是處于松弛構造的致動表面支撐件的透視圖；圖41b是處于變形或致動構造的致動表面支撐件的透視圖；圖41c是嵌入的可彎折的導線連接器的透視圖；圖42是帶有柔性基座的致動器的正視圖；圖43a是分離的能夠變形的機器人表面的透視圖；圖43b是接合的能夠變形的機器人表面的透視圖；圖44a是鎖定控制點的透視圖；圖44b是覆蓋物的能夠重新接合的邊緣的透視圖；圖44是生成人造生物體的流程圖；圖45是來自控制點的附加致動；圖46a是處于松弛狀態(tài)的電活性聚合物的透視圖；圖46b顯示了處于變形狀態(tài)的圖46a的電活性聚合物；圖47a是具有處于未擴張構造的彎曲的剛性控制點連接器的能夠變形的機器人 表面的另一個可選實施例的透視圖；圖47b是具有處于擴張構造的圖47a的彎曲的剛性控制點連接器的能夠變形的機 器人表面的另一個可選實施例的透視圖；圖48a是處于未擴張構造的可選的彎曲的剛性控制點連接器的透視圖；圖48b是處于擴張構造的圖48a的彎曲的剛性控制點連接器的透視圖；圖49a是處于擴張構造的彎曲的剛性控制點連接器的透視圖；圖49b是處于擴張構造的圖49a的可選的彎曲的剛性控制點連接器的透視圖；圖50a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中控制點嵌入到覆蓋 物、附加層或者外表面中；圖50b是圖50a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖51a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中控制點接合到覆蓋物、附加層或者外表面上；圖51b是圖51a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖52a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中控制點和控制點連接器嵌入到覆蓋物、附加層或者外表面中；圖52b是圖52a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖53a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中控制點和控制點連 接器接合到覆蓋物、附加層或者外表面上；圖53b是圖53a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖54a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中擴張和收縮網嵌入 到覆蓋物、附加層或者外表面中；圖54b是圖54a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖55a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中擴張和收縮網接合 到覆蓋物、附加層或者外表面上；圖55b是圖55a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖56a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中控制點嵌入到擴張 和收縮網中；圖56b是圖56a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖57a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中控制點接合到擴張 和收縮網上；圖57b是圖57a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖58a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中致動系統(tǒng)嵌入到覆 蓋物、附加層或者外表面中；圖58b是圖58a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖59a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中致動系統(tǒng)接合到覆 蓋物、附加層或者外表面上；圖59b是圖59a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖60a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中致動系統(tǒng)以及擴張 和收縮網嵌入到覆蓋物、附加層或者外表面中；圖60b是圖60a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖61a是能夠變形的機器人表面的可選實施例的透視圖，其中致動系統(tǒng)以及擴張 和收縮網接合到覆蓋物、附加層或者外表面上；圖61b是圖61a的能夠變形的機器人表面的側視圖；圖62顯示了在能夠變形的機器人表面上印刷控制點和控制點連接器的位置的方法。
具體實施例方式圖1中所示為本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的詳情。圖1是能夠變形的機器人表面的 分解透視圖，并顯示了包括控制點102、在控制點之間延伸的控制點連接器104以及在控制 點和控制點連接器之間延伸的覆蓋物106的能夠變形的機器人表面。在優(yōu)選實施例中，覆蓋物在控制點和控制點連接器上方延伸?？刂泣c彼此間隔開并且能夠相對于彼此運動?？刂泣c102相對于彼此的運動致使覆蓋物106相對應地運動?？刂泣c102相對于 彼此的運動致使控制點連接器104相對應地運動?？刂泣c102通常在行和列上彼此間隔 開。然而，根據(jù)本說明書中隨后所述的機器人表面的預期的形狀和用途，這種行和列的布置 可能會改變?？刂泣c連接器在相鄰控制點之間延伸，以形成大致網格狀模式。使用附圖標記102、104、106是用作描述本說明書中所列出的控制點102、控制點 連接器104和覆蓋物106的多種設計的通用附圖標記，因為這些部件的每一個的多種設計 都可用于生成各種能夠變形的機器人表面?？刂泣c控制點102是物體或元件，致動/人工肌肉系統(tǒng)可接合到該物體或元件中，以使能 夠變形的機器人表面發(fā)生變形?？刂泣c可以執(zhí)行很多其他功能，這些功能在整個本說明書 中列出?？刂泣c一般是帶有四個側壁、一個頂壁和一個底壁的如圖1中所示的塊形部件?？?制點具有形成在一個或多個側壁中的用于接收相對應的控制點的端部的孔或槽112。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，控制點102接合在覆蓋物的底下，使得控制點相對于 彼此的運動致使覆蓋物相對應地運動。能夠變形的機器人表面依賴于所希望的表面的類型和所用的致動系統(tǒng)可能需要 不同的控制點102的設計。有時，有益的是使用多種類型的控制點102來構建單個能夠變形 的機器人表面。很多因素可以決定哪種類型的控制點102對于能夠變形的機器人表面的特 定定位是最有效的，一些決定因素可以是但不局限于尺寸、強度、柔性、需要連接到致動系 統(tǒng)的連接器的類型、成本、所希望的運動范圍、連接器和覆蓋物所需的附件(attachment)、 電線的附件、用于傳感器的附件、用于變形能夠變形的機器人表面的致動系統(tǒng)、所希望的變 形類型、控制點和控制點連接器是否形成網狀網和控制點所希望的功能。可選的控制點設計圖28、29、32和33顯示了一些可選的控制點設計。這些設計示出了可以產生控制 點102的各種方式中的其中一些。由于可以通過很多不同方式設計控制點102，因此控制點 102的設計不應當局限于優(yōu)選實施例中列出的設計。如圖28和29中所示的控制點設計可用于變形能夠變形的機器人表面的大部分。 這是因為這些設計更持久，但這些設計將會比一些其他可選設計更大。圖28示出了旋轉控制點設計?？刂泣c具有控制點頭部4508，所述控制點頭部4508 帶有用于接收控制點連接器的端部的孔或槽112。旋轉頭部樞軸(pivot)由旋轉頭部平 臺4522支撐，并且通過單球(uniball)4520形式的旋轉頭部樞軸可旋轉地安裝到旋轉頭 部平臺4522。一個或多個致動器418通過軸承和旋轉臂可操作地連接到控制點。在所示 的實施例中，控制點具有第一旋轉臂4510，所述第一旋轉臂4510通過承載樞軸(bearing pivot) 4512樞轉地連接到第二旋轉臂4514。第一旋轉臂4510通過基座連接器4502、軸承 4504和軸承連接器4506連接到旋轉頭部平臺4522。所述或每個致動器418能夠插入到對 應的致動連接器4516或控制點連接器緊固件4518，以將致動器連接到第二旋轉臂4514。圖29是具有類似于結合圖28所述的旋轉控制點設計的可選旋轉控制點設計的透 視圖。除非在下文中明確描述，應認為特征和操作與結合圖28所描述的特征和操作相同， 且相同的數(shù)字用來指示相同的部件。該可選旋轉控制點設計具有控制點頭部4508，所述控制點頭部4508帶有用于接收控制點連接器的端部的孔或槽112。旋轉頭部樞軸由旋轉頭部平臺4522支撐，并且通過單球4520形式的旋轉頭部樞軸可旋轉地安裝到旋轉頭部平臺 4522。一個或多個致動器418通過軸承和旋轉臂操作地連接到控制點。在所示的實施例中， 每個致動器都通過第一旋轉臂4510和第二旋轉臂4514連接到控制點。旋轉臂通過承載樞 軸4512樞轉地連接在一起。第一旋轉臂4510通過心軸4602連接到旋轉頭部平臺4522。 圖29中的箭頭表示該可選旋轉控制點設計的部件的相對運動。所述或每個致動器418能夠插入到對應的致動連接器4516或控制點連接器緊固 件4518中，以將致動器連接到第二旋轉臂4514。圖32是具有類似結合圖28和29所述的旋轉控制點設計的可選旋轉控制點設計 的透視圖。除非下文中明確描述，應認為特征和操作與結合圖28和圖29所述的特征和操 作相同，并且相同的數(shù)字用于指示相同的部分。該可選旋轉控制點設計具有控制點頭部4508，所述控制點頭部4508帶有用于接 收控制點連接器端部108的孔或槽112。旋轉頭部樞軸由控制點基座5204支撐，并且被固 定到控制點基座上。一個或多個致動器418連接到控制點基座。在所示的實施例中，每個 致動器都能夠插入并固定在對應的人工肌肉連接器5304中。圓形箭頭表示旋轉控制點的 各種部件的能夠允許的運動。當需要較小和/或較密的控制點布局時，圖32中的控制點設計是有用的。單球軸 承5202允許從單個點旋轉樞轉。圖33示出了另一種可選旋轉控制點設計。除非下文中明確描述，應認為特征和操 作與結合圖28、圖29和圖32描述的特征和操作相同，且相同的數(shù)字用于指示相同的部分。圖33中所示的旋轉控制點具有控制點頭部4508，所述控制點頭部4508帶有用于 接收控制點連接器的端部的孔或槽112。旋轉頭部樞軸連接到人工肌肉連接點5302。人工 肌肉連接點的形狀通常是半球形的。一個或多個致動器418通過旋轉臂操作地連接到控 制點。在所示的實施例，控制點具有第一旋轉臂4510，所述第一旋轉臂4510通過承載樞軸 4512樞轉地連接到第二旋轉臂4514。第一旋轉臂4510通過致動連接器5304連接到人工 肌肉連接點5302。致動連接器5304(凸的)能夠插入和固定到致動連接器槽5306 (凹的) 中，以將致動器接合到控制點102。每一個致動器418都能夠插入到致動連接器4516中，以將致動器連接到第二旋轉 臂4514。致動連接器4516通過軸承連接器4506軸承4504連接到第二旋轉臂4514。圖33中的控制點設計相對于其他旋轉控制點設計的尺寸可以是非常小的，因為 旋轉樞軸(rotational pivot)不定位在控制點上。這是因為旋轉樞軸定位在連接到控制 點的臂上?？刂泣c102可由各種材料制成，這些材料可以包括但不限于例如金屬、塑料、橡 膠、木材或碳纖維。來自控制點的附加致動圖46a和圖46b中示出了可選實施例的致動器。在該可選實施例中，當電活性聚合 物6602形式的致動器接合到覆蓋物106時，附加致動可以從覆蓋物106產生。當在一個或 多個控制點102和一個或多個控制點連接器104之外需要附加致動時，這可以是有用的。當 一個或多個控制點102 —個或多個控制點連接器104太大而不能在物理上適應于空間時，這是特別有用的，附加致動器仍然可以在覆蓋物106上產生所希望的變形并且實現(xiàn)外部表面704的表面變形。圖46a顯示了處于非變形狀態(tài)6602的電活性聚合物，而圖46b顯示了 當電壓打開時處于變形狀態(tài)6204的電活性聚合物。致動器優(yōu)選地定位在控制點104的上 方或控制點104的附近。附加的致動還可以由很多其他類型的致動器產生，所述致動可以包括但不限于例 如氣動致動、液壓致動、磁性致動、機械驅動、壓電致動、機電(electro-mechanical)致動 以及通過液壓或氣動驅動的纖維增強橡膠致動器。電活性聚合物是這樣的聚合物，當電壓 施加到該聚合物時，聚合物的形狀將發(fā)生變化。作為致動器，電活性聚合物在維持大的力的 同時，能夠經受大量的變形。在所示的實施例中，電活性聚合物6602具有接合點6604，所述接合點6604位于電 活性聚合物6602的鄰近外部表面704的頂部上，所述接合點可用于將覆蓋物106結合到電 活性聚合物6602?？梢詫⒈砻娼Y合在一起的產品可以是但不應限于強力膠、環(huán)氧樹脂、人 造橡膠粘合劑、其他粘合劑、可以用于產生類似效果的致動的可選方法?？刂泣c連接器控制點連接器104是接合到控制點102并與控制點一起形成連接的控制點網的柔 性或剛性部件。控制點連接器是細長部件并在相鄰的控制點之間延伸，以形成大體上網格 狀的具有多個行和多個列的布置。在圖1中所示的優(yōu)選實施例中，控制點連接器104有大體上矩形的截面。該截面 優(yōu)選地沿著控制點連接器的長度基本不變。控制點連接器具有能夠插入到控制點中的相對 應的孔或槽112中的擴張端部104a。控制點連接器104可以以很多不同的方式使用，以增強機器人表面的可變形性和 功能性；這些增強可以包括但不限于■通過控制點和控制點連接器的連接網傳輸數(shù)據(jù)、能源、傳感器等■支撐覆蓋物106■平滑覆蓋物106的表面■限制控制點行進的距離量■控制點102的致動■彎曲覆蓋物106的表面■提供旋轉樞軸408控制點連接器104可以以很多種方式接合到控制點102和覆蓋物106。因為存在 可用于產生各種能夠變形的機器人表面的不同的控制點102和控制點連接器104以及覆蓋 物106，所以接合方法取決于使用什么類型的控制點102、控制點連接器104和覆蓋物106 來構成能夠變形的機器人表面。例如，粘合劑可以被添加到覆蓋物106，以將覆蓋物106粘 合到控制點102和控制點連接器104?？梢杂脕韺⒖刂泣c102和控制點連接器104接合到 覆蓋物106的可選產品可以是但不應限于例如各種膠水環(huán)氧樹脂(glues epoxies)、橡膠 粘合劑、其他適合的粘合劑、鉤環(huán)緊固件、螺紋縫線(threaded stitches)。柔性控制點連接器在圖1中所示的優(yōu)選實施例中，控制點連器是柔性控制點連接器。在圖1中，柔性 控制點連接器104由控制點擴張器110和一對控制點連接器端部108組成。每個控制點連接器端部108是能夠插入和固接到控制點102的相對應的凹形槽112中的凸型元件?？刂?點擴張器110優(yōu)選地包括彈性材料，使得它可以隨著致動系統(tǒng)施加的運動而擴張和收縮。 控制點112的凹形槽和控制點連接器端部108可以包括例如磁性部件、金屬或塑料部件或 互鎖夾子。另外，控制點連接器端部108可以是凹形部件，而控制點可以具有相對應的凸形 部件?？蛇x地，控制點擴張器110可直接連接到控制點。控制點連接器端部108的凸形 端部可以由塑料導線連接器制成。然而，也可以形成控制點連接器端部108的很多其他可 選實施例。優(yōu)選的連接器將取決但不僅限于以下這些因素所用控制點的類型、所用控制點 擴張器110需要通過網絡傳輸什么樣的能源、致動或數(shù)據(jù)。柔性控制點連接器104可以通過提供控制點102之間的彈性、柔性張緊而輔助限 制控制點102的移動距離。這些柔性控制點連接器104也可以通過向該表面接合到的控制 點102/控制點連接器104網添加結構而輔助支撐覆蓋物106并限定覆蓋物106的表面。每 個控制點連接器104所需的柔性、彈性特性可以是不同的，因為每個連接在該能夠變形的 機器人表面的某個特定區(qū)域內可能需要是唯一的?？梢詻Q定控制點連接器104所需要的彈 性特性的一些因素可以是但不限于例如控制點102需要行進的距離和所連接的部件產生 的阻力。一旦考慮到這些因素，可以確定適當?shù)娜嵝钥刂泣c連接器104并將其用于控制點 102的某個特定組。柔性控制點連接器可以由各種材料制成，這些材料包括但不限于例如彈 簧、彈性帶、或纖維網。剛性控制點連接器控制點連接器104可以是剛性部件。當需要堅硬或堅固的邊緣時，這些剛性連接 器是有用的。而且，電線、傳感器和數(shù)據(jù)電纜可以穿過這些連接器或被接合到連接器。圖40 顯示了伸縮管布置6102形式的剛性控制點連接器。所示伸縮管布置6102示出為處于縮回 構造6104和擴張構造6106。伸縮管布置6102具有外部管構件6110、在外部管構件6110 內能夠滑動的中間管構件6112和在中間管構件6112內能夠滑動的內部管構件6114?？蛇x地，剛性控制點連接器可由各種材料制成，這些材料可以包括但不限于例 如剛性材料制成的擴張或滑動件；空心管；形狀記憶合金(例如鈦鎳(NiTi)或鎳鈦諾管 (Nitinol Tubing))；微型線圈；支架；記憶導線(memory wire)以及旋轉樞軸408?？刂茝澢砻孀冃蔚姆椒▓D34是可用于形成和/或控制能夠變形的機器人表面的彎曲表面變形的可選實 施例的彎曲的控制點連接器104的透視圖。彎曲的控制點連接器104圖34中所示的一般 的彎曲的方式適當?shù)剡B接在兩個控制點102之間。水平致動器418在控制點102之間延 伸。當通過致動器旋轉和/或平移控制點102時，可延伸管5404擴張和收縮，以產生使撐 桿5402沿著彎曲的可延伸管5404的輪廓運動的拱。這些撐桿5402的作用就像滑動控制 點，以影響控制點連接器104的形狀，這將影響覆蓋物106的變形等等。圖34示出了凸出 的彎曲的控制點連接器?？蛇x地，彎曲的控制點連接器可以是凹陷的控制點連接器。通過使用彎曲的控制點連接器，與上述一般的直連接器相比，可以減少變形彎曲 表面所需的控制點102的數(shù)量。當擴張和收縮時，這些彎曲的連接器產生支撐覆蓋物106 或表面的彎曲邊緣。然而，可以應用很多附加的改變和方法來生成各種彎曲的設計。例如，圖47和圖14顯示了實現(xiàn)類似的彎曲表面的方式。圖47a和圖47b顯示了能夠變形的機器人表面的可選實施例，其具有彎曲的剛性 控制點連接器，以產生彎曲的能夠變形的機器人表面的。在這個實施例中，控制點連接器包 括滑動地安裝到剛性控制點擴張器6704的彎曲的剛性控制點連接器基座6702 ；和滑動 地安裝到剛性直控制點擴張器6709的直剛性控制點連接器基座6708。這些部件形成能夠 在箭頭所示的方向上收縮和擴張的彎曲的剛性控制點連接器籠。當致動施加到控制點102 時，彎曲的剛性控制點連接器基座6702沿著由剛性控制點擴張器6704確定的路徑滑動，這 致使彎曲的剛性控制點連接器籠從類似于圖47a中所示位置的位置擴張到類似于圖47b中 所示位置的位置，這使覆蓋物106相應地進行運動。而且，控制點連接器擴張器覆蓋物支撐件6712可以接合到剛性控制點擴張器 6704，以在表面擴張時輔助支撐所述表面。擴張器覆蓋物支撐件6712可用作接合表面的連 接點?？梢援a生彎曲的和直的控制點連接器的很多不同的組合，以制作若干種不同的形狀。彎曲的剛性控制點連接器連接點6710可以執(zhí)行與控制點類似的功能。例如，它的 用途可以包括但不限于
■作為接合表面的點■在(傳感器，電纜等)中接合網絡的方位(aspect)，■作為用于彎曲的剛性控制點連接器(管)基座6702的接合點■作為用于彎曲的控制點連接器(管)擴張器6704的接合點圖48a是處于非擴張構造的可選的彎曲的剛性控制點連接器的透視圖，而圖48b 是處于擴張構造的圖48a的彎曲的剛性控制點連接器的透視圖。這個控制點連接器是伸縮 管布置形式的剛性控制點連接器。伸縮管布置6102示出為處于縮回構造6104和擴張構造 6106。伸縮管布置與圖40中所示的實施例相似，除了伸縮管的部分6714通常是彎曲的之 外。圖49a是處于擴張構造的單個彎曲的剛性控制點連接器的透視圖，而圖49b是處 于非擴張構造的圖49a的彎曲的剛性控制點連接器的透視圖。彎曲的剛性控制點連接器與 結合圖47a和圖47b示出并描述的彎曲的剛性控制點連接器相似。圖14顯示了使用柔性支撐件2302實現(xiàn)從一個控制點到下一個的覆蓋物的平滑的 方法。每個柔性支撐件都接合到控制點104，并且朝向相鄰的控制點104延伸。柔性支撐件 包括彈力柔性材料。當控制點102被致動時，柔性支撐件2302將推斥控制點連接器推，并 最終以相對平滑的方式變形覆蓋物106。這不僅在覆蓋物上生成平滑表面，而且還減少了操 縱表面所需的控制點102的數(shù)量。附圖標記2304示出了處于相對松弛的狀態(tài)的控制點連 接器和柔性支撐件2302，而附圖標記2306示出了處于相對變形或彎折狀態(tài)的控制點連接 器和柔性支撐件2302。可以使用很多類型的柔性或彈力材料，這些材料可以包括但不限于 例如塑料、金屬、橡膠。致動控制點連接器圖38和圖39示出了兩個可選實施例控制點連接器。在這些可選實施例中，控制 點連接器包括致動器。這些致動控制點連接器可以變形沒有任何附加致動系統(tǒng)的能夠變形 的機器人表面，或者它們可以與其他致動系統(tǒng)一起使用以輔助變形。在下文中，存在可以做 到這種情況的兩個示例方法。然而，有很多可以用來產生致動控制點連接器的其他方法。
圖38顯示了在控制點102和旋轉樞軸408之間延伸的致動控制點連接器的視圖。在上文中已經結合圖4對旋轉樞軸408進行了描述。致動器418優(yōu)選地是適于產生控制點 102的線性運動的伸縮致動器。附圖標記5904表示處于松弛構造的致動器418，而附圖標 記5906表示處于變形構造的致動器。因此，連接器是使所接合的控制點102運動到空間中 正確的點的致動系統(tǒng)。而且，當希望時，兩個或更多個致動器418可以結合在一起，以形成 比單個更多的運動。圖39顯示了一個實施例，在該實施例中，控制點連接器5912包括用于致動控制點 102的電活性聚合物。當向電活性聚合物施加電壓時，電活性聚合物擴張。這些電活性聚合 物控制點連接器非常有利于生成彎曲的表面以及表面支撐件，因為電活性聚合物比其他致 動器可以在更組織的(organic)方式變形。當你比較非致動的控制點連接器5908和施加 電壓的致動的控制點連接器5910時，這是明顯的。擴張和收縮網圖54顯示了擴張和收縮網。擴張和收縮網7602是設計為網或網格形式的能夠擴 張和/或收縮的表面。擴張和收縮網包括整體地連接在一起以形成網的控制點和控制點連 接器。由于擴張和收縮網可以設計為一個連續(xù)的蹼網(webbed mesh)或設計為模塊化系統(tǒng)， 因此并不需要獨立控制點102把它們連接在一起。擴張和收縮網7602可以使用很多如上形 成所述獨立的控制點連接器104的相同材料和方法形成。擴張和收縮網7602還可以執(zhí)行與 控制點102和控制點連接器104相同的功能?？梢酝ㄟ^若干種其他方式設計擴張和收縮網 7602，這些方式包括但不限于例如彈性網狀物、電活性聚合物網、纖維網、橡膠網或彈簧互 鎖網。覆蓋物在優(yōu)選實施例中，覆蓋物106接合到控制點102和控制點連接器104，以生成能夠 變形的機器人表面的外部表面或覆蓋物。在圖1中所示的優(yōu)選實施例中，覆蓋物是一般的 平面部件，所述平面部件可以適當變形，使得隨著控制點和/或控制點連接器的運動，覆蓋 物的對應部分也將運動。在可選實施例中，覆蓋物可以是一般的彎曲或非平面的部件。在 這些可選實施例中，覆蓋物也是可以適當?shù)刈冃蔚?，使得隨著控制點和/或控制點連接器 的運動，覆蓋物的對應部分也將運動。覆蓋物優(yōu)選地是單一部件?？蛇x地，覆蓋物可由一個或多個覆蓋物片形成。覆蓋物106可以用于■傳輸數(shù)據(jù)和能量 ■作為用于接合或嵌入傳感器的表面■作為嵌入控制點和控制點連接器的表面■將致動從控制點102和/或控制點連接器106分配到外表面■作為支撐外表面704的附加層702的方法覆蓋物可以由可拉伸的、彈性或彈力材料形成，使得覆蓋物隨著控制點和控制點 連接器的運動而拉伸。在可選實施例中，覆蓋物可以由柔性材料形成，使得覆蓋物隨著控制 點和控制點連接器的運動而曲伸(flex)。在另一個可選實施例中，覆蓋物可以包括基本上 非拉伸的材料。覆蓋物106可以由各種材料制成，這些材料包括但不限于例如橡膠、彈性 纖維、聚氨基甲酸乙酯彈性纖維(spandex)、尼龍、聚酯、硅、乳膠、聚氨酯、金屬纖維、網狀纖維、彈簧和滑動金屬板。將覆蓋物106粘合到控制點102和控制點連接器106或擴張和收縮網7602的最 好方法可以取決于但不限于被接合的材料、所希望的運動范圍、所希望的彈性和被接合表 ffl白勺t占禾口_禾口(compatibility ofadhesiori)?？梢詫⒈砻娼雍显谝黄鸬漠a品可以是但不應限于例如強力膠、環(huán)氧樹脂、鉤環(huán)緊 固件、彈性體粘合劑和其他適合的粘合劑。在覆蓋物上印刷(print)控制點、控制點連接器、擴張和收縮網的布局如圖62中所示，控制點102和控制點連接器104 (或擴張和收縮網7602)的位置 可以印刷在機器人表面的覆蓋物106上，從而生成控制點102和控制點連接器104應該在 機器人表面上的什么位置的物理藍圖(physical blueprint) 0這可以通過在3D計算機程 序7702中生成對應于表層機器人表面設計的所希望的能夠變形的機器人表面來完成。一 旦生成該3d幾何體，可以展開該3d幾何體以在3d應用7704中生成平面。當展開3d表面 時，優(yōu)選的是考慮頂點402和邊緣404之間的相對距離。一旦生成展開的表面，可以制作控 制點102和控制點連接器104的預定位置的圖像，然后該圖像被印刷在覆蓋物7706上。如 7708中所見，該印刷的覆蓋物106可以作為模板，控制點102和控制點連接器104可以接合 到該模板中。圖62示出了通過鉸鏈關節(jié)7714接合控制點102，使得機器人表面可以變形回到其 預期的表層形式。附圖以兩個附圖標記例示了這種情況，部分組裝的機器人表面7710和完 全組裝的機器人表面7712。該技術也可以應用到附加層702或外表面704。致動表面支撐件圖41a處于在松弛狀態(tài)的致動表面支撐件6202的優(yōu)選實施例的透視圖。該致動 表面支撐件可以使用電活性聚合物形成。支撐表面具有介電彈性體薄膜6210的多個部分。 當施加電壓時，電活性聚合物擴張6204，這使控制點102運動到新的位置，如圖41b中所示。 附圖標記6214表示厚度收縮，而附圖標記6216表示面積擴張。這些電活性聚合物可以減 少產生變形所需的其他致動器的數(shù)量，這是因為聚合物本身就是致動器。而且，聚合物可以 起到表面的剛性背襯的作用，以提供附加支撐。可選地，這些電活性聚合物可以用于生成彎 曲的表面。圖41c顯示了如何通過嵌入的可彎折導線連接器6212將控制點102接合到電活 性聚合物。該嵌入的可彎折導線連接器6212可以以很多自由度彎折(圖41c中箭頭所示)， 以保持這兩個部分接合在一起，并仍然在這兩個物體之間提供合理的運動范圍。很多可選 方法可以用于接合這兩個點，所述可選方法可以包括但不限于例如嵌入的鏈條、旋轉樞軸、 嵌入的柔性塑料、嵌入的橡膠條。形成網絡的控制點和控制點連接器圖30和30b顯示了電線、數(shù)據(jù)傳輸線、傳感器、發(fā)射器以及各種電子部件和設備可 以接合到或嵌入到控制點102和控制點連接器104(或者擴張和收縮網7602)的網狀網，以 貫穿能夠變形的機器人表面并向機器人的其他部分轉發(fā)能量、傳輸數(shù)據(jù)、傳輸致動以及接 合傳感器。覆蓋物106、附加層702和外表面704也可以含有這種功能。這些網絡性的能力 包括但不限于■嵌入控制點中的傳感器4706
■接合到控制點的傳感器4708■嵌入控制點連接器中的布線4710■嵌入控制點連接器中的數(shù)據(jù)傳輸線4712■致動傳輸管4714，其將液壓油和空氣傳輸通過控制點連接器■微處理器4716，其可以接合到控制點102外部或嵌入控制點102內部■發(fā)射器和接收器4718，其可以接合到控制點102外部或嵌入控制點102內部■可以用于連接能夠變形的機器人表面和機器人的其他部分的線路4720■接合到控制點連接器的傳感器4722■連接控制點連接器端部和處理器的線路4724■控制點內的連接從一個控制點連接器到另一個控制點連接器的網絡的線路 4726■連接發(fā)射器/接收器和微處理器的線路4730■控制點的內部視圖4728■嵌入或接合到控制點連接器的各種電氣部件4732■嵌入或接合到控制點的各種電氣部件4734圖30b顯示了一個實施例，在該實施例中電線、數(shù)據(jù)傳輸線、傳感器和發(fā)射器以及 各種其他電子部件接合到或嵌入覆蓋物中，以貫穿機器人表面和向機器人的其他部分轉發(fā) 能量、傳輸數(shù)據(jù)、傳輸致動和/或接合傳感器。另外地或可選地，附加表面702和外表面704 也可以含有這種功能。這些部件和附加部件的各種組合可以用于生成各種機器人表面。這 些網絡性的能力可以包括但不限于下述示例■嵌入或接合到覆蓋物的傳感器4730■嵌入或接合到覆蓋物的布線4732■嵌入或接合到覆蓋物的數(shù)據(jù)傳輸線4734■致動傳輸管線4736，其將液壓油和空氣傳輸通過控制點連接器■嵌入或接合到覆蓋物的微處理器4738■嵌入或接合到覆蓋物的發(fā)射器和接收器4740■嵌入或接合到覆蓋物的各種電氣部件4742■用于連接覆蓋物和機器人的其他部分的線路4742■連接覆蓋物的傳感器和控制點的線路4744能夠變形的機器人表面組合圖43A和43B示出了能夠變形的機器人表面的優(yōu)選實施例的組合。能夠變形的機器人表面可以由單獨的聯(lián)接的能夠變形的機器人表面多邊形6402和/或聯(lián)接的能夠變形 的機器人表面多邊形的條6404生成。另外，能夠變形的機器人表面還可以作為一個連續(xù)的 套裝(suit)生成。這些單獨的聯(lián)接的能夠變形的機器人表面多邊形6402和/或聯(lián)接的能 夠變形的機器人表面多邊形的條6404可以被接合或分離，以生成能夠變形的機器人表面 的新的且唯一的組合，這可以生成各種新表面6406。因為可以添加這些單獨的部件，然后移 除這些單獨的部件，因此這使人能夠快速測試和調整致動系統(tǒng)的內部工作，然后將這些獨 立部件重新接合到能夠變形的機器人表面的其他部分。在所示實施例中，單獨的聯(lián)接的能夠變形的機器人表面多邊形6402和/或聯(lián)接的 能夠變形的機器人表面多邊形的條6404具有鎖定控制點6414。鎖定控制點優(yōu)選地沿著單獨的能夠變形的機器人表面部件的邊緣間隔開。鎖定控制點具有對應的按扣(snap)緊固件以將這些獨立部件或鎖定控制點6414組合在一起。例如，6408和6410例示了按扣緊固 件的凸端部和凹端部可以用于將這些鎖定控制點扣在一起。這些鎖定控制點6414可以由 各種材料、采用各種技術制成，以將它們鎖定在一起，其包括但不限于例如磁性接合端部、 各種金屬和塑料緊固件或互鎖夾子。此外，單獨的部件還具有位于覆蓋物106上或位于控制點連接器104上的重新接 合邊緣6412。能夠變形的機器人表面的這些重新接合邊緣可以由各種不同的材料制成，這 些材料包括但不限于例如鉤環(huán)緊固件、粘合材料條、縫合(stitching)、粘合劑或滑動緊固 件?？刂泣c和控制點連接器的密度圖31顯示了用于描述相同表面的低密度控制點102布局4802、中密度控制點102 布局4804和高密度控制點102布局4806。通常，可能的最高密度是優(yōu)選的，因為其提供了 較高水平的細節(jié)。在絕大多數(shù)情況下，能夠變形的機器人表面上的控制點102的密度越高， 表面上所形成的變形越詳細，這是因為有更多的點來操縱表面。然而，用于致動能夠變形的 機器人表面的致動系統(tǒng)可以是決定所需或可能的控制點102密度的相當重要的因素，因為 致動系統(tǒng)在致動方面可能具有或者可能不具有足夠的細節(jié)(detail)來使控制點102運動 到所希望的位置。在類似這樣的情況下，較少的控制點102對應用來說更加實際?？赡軟Q 定控制點102的優(yōu)選密度的因素可以包括但不限于例如所用的致動系統(tǒng)；控制點102的 尺寸；和可用空間。因為計算機能夠設計極小和/或極大的物體，因此生成符合計算機中物體的尺度 的能夠變形的機器人表面并不總是可能的。然而，如果在現(xiàn)實世界中不能生成物體表面的 計算機化尺度，那么可選的尺度可以用于生成與其“相對”成比例地變形的物體。圖35顯 示了應用到能夠變形的機器人表面的三種不同尺度，實際尺度5604、較小尺度5602和較大 尺度5606。各種其他尺度可以應用到同一個能夠變形的機器人表面。致動系統(tǒng)用于變形能夠變形的機器人表面的致動系統(tǒng)還可以稱為人工肌肉系統(tǒng)。能夠變形 的機器人表面對多致動/人工肌肉系統(tǒng)的適應性是其設計的一個靈活方面。幾乎任何致動 系統(tǒng)都可以用于變形能夠變形的機器人表面，只要控制點102可以在整個所希望的運動范 圍內被按時致動到適當?shù)目臻g。用于驅動能夠變形的機器人表面的致動系統(tǒng)可以包括但不 限于例如氣動致動、電活性聚合物致動、液壓致動、磁性致動、機械致動、壓電致動、機電致 動和液壓或氣動驅動的纖維增強橡膠致動器。下文中列出了優(yōu)選的致動方法和兩種可選致 動方法，以例示適于多種類型的致動/人工肌肉系統(tǒng)的能夠變形的機器人表面的靈活性。優(yōu)選的人工肌肉系統(tǒng)圖4a是能夠變形的機器人表面的三維計算機表示。圖4a示出了處于中性或未變 形狀態(tài)的計算機表示。該計算機表示示出了具有頂點402、邊緣404和面406的多邊形。頂 點402、邊緣404和面406是在3d計算機應用中描述多邊形的分量。能夠變形的機器人表 面的控制點102、控制點連接器104和覆蓋物106可以在3D程序中被表示為頂點402、邊緣 404和面406。下述例示了這種相關性(A)控制點102被表示為頂點402
(B)控制點連接器104被表示為邊緣404(C)覆蓋物106被表示為面或一系列面406圖4b示出了對應于圖4a中所示的三維計算機表示的能夠變形的機器人表面。圖4b示出了處于中性或未變形狀態(tài)的能夠變形的機器人表面。圖4b中所示的能夠變形的機器人表面具有位于致動器和控制點102之間的旋轉 軸承410。能夠變形的機器人表面具有用于控制y軸上的運動的致動器412、用于控制χ軸 上的運動的致動器414和用于控制ζ軸上的運動的致動器416。附圖標記418在整個說明 書中用于指代一般意義上的致動器。致動器通過旋轉樞軸408安裝到基座420。圖4c示出了處于變形狀態(tài)的圖4a的三維計算機表示。圖4d示出了處于對應狀 態(tài)的能夠變形的機器人表面，在該狀態(tài)中，選中的控制點被平移到要求的位置上。圖4b和圖4d顯示了致動該能夠變形的機器人表面的控制點102的優(yōu)選方法。在 該實施例中，每個控制點102都接合到對應的致動器上。這些致動器通過下述方式定位控 制點102 在x、y和ζ方向上平移點，以使各個控制點102在適當?shù)目臻g和適當?shù)臅r間運動 到特定位置。當恰當?shù)貓?zhí)行時，這些控制點102可以模擬圖4a和圖4c中所示的3D計算機 模型的對應頂點的位置。旋轉樞轉點每個致動器都優(yōu)選地通過旋轉樞軸接合到支撐表面420。圖4a至4d顯示了單球 軸承408形式的旋轉樞軸。這些旋轉樞軸408允許致動器在來自多個致動器的線性致動互 相推拉在彼此之上時仍然保持連接到物體。旋轉樞軸408不必具有旋轉致動器，因為當連 接的致動器運動時，它們將自動地響應線性致動器的致動。然而，如果希望，可以使用旋轉 致動器替代旋轉樞軸。可以使用各種類型的旋轉樞軸，只要可以實現(xiàn)適當?shù)淖杂啥?。旋轉樞軸可以由 各種方法制成，這些方法包括但不限于例如桿軸承、多旋轉鉸鏈(multiple rotational hinge)。圖4a_圖4d顯示了一種方法，在該方法中能夠變形的機器人表面可用于在現(xiàn)實世 界中再現(xiàn)3d動畫(animated)表面。這可以通過在整個空間和時間上記錄計算機表示的頂 點402行進的距離來實現(xiàn)。然后，通過致動在對應的控制點102上匹配相同的空間和時間。 因此，幾乎任何在3D計算機應用中設計的動畫表面或非動畫表面都可以在真實世界中再 現(xiàn)，例外可以包括但不限于尺寸、控制點、連接器等等；占用相同物理空間；通過彼此而變 形的動畫表面?？蛇x的致動方法圖8a和Sb、圖9a和9b例示了用于變形能夠變形的機器人表面的可選致動系統(tǒng)。圖8b示出了處于充氣構造的具有氣囊1408的氣動致動器，而圖8a示出了處于排 氣構造中的氣動致動器。氣囊包括致動器隔膜1408?？刂泣c102通過控制點基座1402接 合到氣動致動器1404。氣動致動器致動控制點102。例如，通過比較1404中的排氣致動器 和1406中的充氣致動器來示出位置的變化。致動器明顯地使控制點102運動到空間上的 新位置。可以以其他方式氣動致動器以操縱控制點的位置。例如，控制點可以接合到致動 器的端部或者以無規(guī)律的模式橫跨(rimacross)氣囊表面?？蛇x地，可以通過直接將控制 點粘合到致動氣囊1408上而在沒有控制點基座1402的情況下生成這種設計。
圖9a和9b示出了電活性聚合物1506形式的致動器。在該可選實施例中，控制點 102和控制點連接器104連接到電活性聚合物1506。當電壓施加到電活性聚合物時，電活性 聚合物將改變位置。通過比較附圖標記1502所示的斷開電壓時的致動器和附圖標記1504 所示的接通電壓時的致動器來示出位置的變化。致動器使控制點102運動到空間上的新位 置，因為控制點102連接到致動器。還可以以很多其他形式使用電活性聚合物致動器來操 縱控制點的位置。例如，電活性聚合物可以設計為模擬生物體肌肉(organism muscle)結 構的流動，其中控制點可以接合到該生物體肌肉結構。電活性聚合物例如可以生成為彎曲 的、平坦的或者盤繞的(coiled)形狀，其中控制點可以接合到該形狀。致動器/控制點結合件對于通過各種致動系統(tǒng)致動的能夠變形的機器人表面，有時不必改變將 致動系統(tǒng) 結合到能夠變形的機器人表面的結合件、緊固件和連接器1402?？梢允褂酶鞣N結合件、緊固 件和連接器1402，因為設計很大程度上取決于所用控制點和致動系統(tǒng)的類型。優(yōu)選地，致動 系統(tǒng)可直接接合到控制點。柔性基座柔性基座6302可以添加到致動系統(tǒng)以作為致動系統(tǒng)的減震器。圖42示出了接合 到致動器418的每個端部的優(yōu)選實施例的柔性基座。柔性基座優(yōu)選地接合到致動器418和 覆蓋物106、控制點連接器104以及控制點102之間。柔性基座具有彈簧6302、到致動器連 接器的彈簧6304和到基座連接器的彈簧6308。圖42示出了兩個柔性基座，在致動器的每個端部都接合一個柔性基座?？蛇x地， 致動器可剛性地接合在一個端部，并且通過柔性基座在另一個端部處柔性地接合。柔性基座可接合到能夠變形的機器人表面的一個或多個致動器?？蛇x地，柔性基 座可接合到能夠變形的機器人表面的僅僅一些致動器。這些柔性基座可以緩沖外力產生的沖擊，該沖擊有可能會破壞致動器系統(tǒng)。這些 柔性基座可以由各種材料制成，這些材料包括但不限于例如彈簧、橡膠、硅和塑料?；旌?blend)不能夠變形的機器人表面部件和能夠變形的機器人表面例如，機器人表面可接合到不能夠變形的機器人表面和/或接合到附加層或人造 皮膚。圖36顯示了接合能夠變形的機器人表面和非機器人表面5702的方法。能夠固定 到控制點102的凸形連接器5706也可以插入和固定到非機器人表面的凹形連接槽5708。 另外，可重新接合的邊緣6412可以添加到非機器人表面5702的邊緣和能夠變形的機器人 表面的邊緣，以接合能夠變形的機器人表面的邊緣和非機器人表面5702的邊緣。能夠變形 的機器人表面還可以以很多其他方式接合到非機器人表面5702，這些方式包括但不限于例 如強力膠、環(huán)氧樹脂、鉤環(huán)緊固件、彈性體粘合劑、滑動緊固件、其他粘合劑、人造皮膚、利 用一個或多個附加層和利用附件。圖7是具有附加層或人造皮膚的圖1的能夠變形的機器人表面的優(yōu)選實施例的透 視圖。附加層或人造皮膚可適當?shù)刈冃危沟盟鼈兛呻S著覆蓋層、控制點和控制點連接器的 變形而變形。圖7示出了能夠接合到能夠變形的機器人表面的附加層702和/或人造皮膚 /外表面704。人造皮膚/外表面704可添加到能夠變形的機器人表面，以形成額外的表面 細節(jié)。該外表面704可以人工地形成或者從生物體克隆，并作為外表覆蓋物而添加到能夠變形的機器人表面。外表面704可以通過各種模制或非模制的材料形成，這些材料包括但不限于例如硅、修復皮膚(prosthetic skin)、大衛(wèi)漢森的海綿狀橡膠材料(Frubber)、特 殊效果皮膚材料和龍皮(dragon skin)。在圖7中所示的優(yōu)選實施例中，另外的附加層702可添加到覆蓋物106和外表面704之間。另外地或可選地，附加層702可放置在能夠變形的機器人表面的下面。該附加層 702可以用于生成各種不同效果，這些效果包括但不限于例如脂肪層(硅、橡膠、流體)； 附加致動層；用于傳感器、導線和其他相關部件的網絡；和/或作為改變皮膚的感覺的材 料。外表面704和/或附加層702優(yōu)選地使用粘合劑706或可將這些表面接合在一起 的各種其他材料而結合到能夠變形的機器人表面。將這些表面粘合在一起的最好方法取決 于但不限于被接合的材料、所希望的運動范圍、所希望的彈性、粘合劑與被接合表面的親 和性(compatibility)，可以將表面接合在一起的產品可以是但不限于例如強力膠、環(huán)氧 樹脂、鉤環(huán)緊固件、彈性體粘合劑、其他粘合劑?？蛇x的能夠變形的機器人表面組合圖50a至61b示出了能夠變形的機器人表面的可選實施例。除非下文中明確描述， 應認為這些特征和操作和上述相關的特征和操作相同，并且相同的數(shù)字用來指示相同的部 件?？蛇x實施例可以包括但不限于圖50a和50b顯示了其中控制點102嵌入到覆蓋物106中的可選實施例?？蛇x地， 控制點102可以嵌入到附加層702或外表面704中。在該可選實施例中，控制點基本上是 與覆蓋物的下表面齊平。圖51a和51b顯示了其中控制點102接合到覆蓋物106的可選實施例?？蛇x地， 控制點102可接合到附加層702或外表面704。在該可選實施例中，控制點接合到覆蓋物的 下表面并從覆蓋物向遠處延伸。圖52a和52b顯示了其中控制點102和控制點連接器104嵌入到覆蓋物106中的 可選實施例?？蛇x地，控制點102可以嵌入到附加層702或外表面704中。在該可選實施 例中，控制點基本上與覆蓋物的下表面齊平。圖53a和53b顯示了其中控制點102和控制點連接器104接合到覆蓋物106的可 選實施例?？蛇x地，控制點102可接合到附加層702或外表面704。在該優(yōu)選實施例中，控 制點和控制點連接器接合到覆蓋物的下表面并從覆蓋物向遠處延伸。圖54a和54b顯示了其中擴張和收縮網7602嵌入到覆蓋物106中的可選實施例。 可選地，擴張和收縮網7602嵌入到附加層702或外表面704中。在該可選實施例中，擴張 和收縮網7602基本上與覆蓋物的下表面齊平。圖55a和55b顯示了擴張和收縮網7602接合到覆蓋物106?？蛇x地，擴張和收縮 網7602可以接合到附加層702或外表面704。在該可選實施例中，擴張和收縮網7602接合 到覆蓋物的下表面并從覆蓋物向遠處延伸。圖56a和56b顯示了其中控制點102嵌入到擴張和收縮網7602中的可選實施例。 在該可選實施例中，控制點基本上與擴張和收縮網7602齊平。圖57a和57b顯示了其中控制點102接合到擴張和收縮網7602的可選實施例。在 該可選實施例中，控制點接合到擴張和收縮網的下表面并從擴張和收縮網向遠處延伸。
圖58a和58b顯示了其中致動系統(tǒng)7604嵌入到覆蓋物106中的可選實施例。可選地，致動系統(tǒng)7604可以嵌入到附加層702或外表面704中。在該可選實施例中，能夠變形的 機器人表面的控制點有效地與覆蓋物、附加層或外表面整體成形，而不是如附圖50A至55A 中示出和描述的單獨地形成的部件。圖59a和59b顯示了致動系統(tǒng)7604可以接合到覆蓋物106?？蛇x地，致動系統(tǒng) 7604可以接合到附加層702或外表面704。在該可選實施例中，能夠變形的機器人表面的 控制點有效地與覆蓋物、附加層或外表面整體成形，而不是如圖50A至55A中示出和描述的 單獨地形成的部件。圖60a和60b顯示了致動系統(tǒng)7604與擴張和收縮網7602可以嵌入到覆蓋物106 中?？蛇x地，致動系統(tǒng)7604可以嵌入到附加層702或外表面704中。在該可選實施例中， 能夠變形的機器人表面的控制點有效地與覆蓋物、附加層、外表面或擴張和收縮網的任一 個整體成形，而不是如圖50A至55A中示出和描述的單獨地形成的部件。圖61a和61b顯示了致動系統(tǒng)7604與擴張和收縮網7602可以接合到覆蓋物106。 可選地，擴張和收縮網7602可接合到附加層702或外表面704。在該可選實施例中，能夠變 形的機器人表面的控制點與覆蓋物、附加層、外表面或擴張和收縮網的任一個整體成形，而 不是如圖50a至55a中示出和描述的單獨地形成的部件。計算機仿真在設計和測試機器人或能夠變形的機器人表面時，計算機仿真是有用的。在3d軟 件中生成的仿真，可以在運動中測試機器人或能夠變形的機器人表面的設計，以首先保證 一切都在3d仿真中工作。一旦生成了工作仿真，就可以構建和組裝部件，然后動作就可以 輸出到組裝的機器人。用于輔助設計過程的方法可以是但不限于例如映射運動(mapping motion)、3d動作、測試人工肌肉系統(tǒng)、設計能夠變形的機器人表面。從3d仿真確定致動器運動物理致動/肌肉系統(tǒng)的運動可以通過下述方式在3d程序中生成使用動畫的頂點 信息來驅動類似于物理致動系統(tǒng)的計算機生成的致動系統(tǒng)。這可以通過將3d致動系統(tǒng)限 制到3d計算機生成的致動器的一側的頂點并將連接點限制到3d致動器的相對側來完成。 當頂點運動時，3d致動器在時間和空間上被致動，以在必要時擴張，從而在整個時間內匹配 頂點位置。為了使3d致動系統(tǒng)工作，可能需要對3d致動系統(tǒng)做出調整。一旦3d致動系統(tǒng)可以匹配頂點位置，限制的運動可以返回(baked)到3d致動器 的動畫通道上。既然3d致動器具有施加到其上的動作曲線，那么它們可以在沒有限制輔助 的情況下動作。一旦完成上述內容，那么動作就可以輸出到接合到機器人的物理致動設備。 現(xiàn)在，如果物理系統(tǒng)匹配計算機仿真的話，可以使相對應的點運動到與3d致動系統(tǒng)相同的 空間和時間。本說明書中描述的實施例例示了很多方式，在這些方式中，能夠變形的機器人表 面可以被設計成產生用于基于實際生物體的人造生物體的能夠變形的機器人表面。在所述 實施例中，具有適當?shù)闹聞?人造肌肉系統(tǒng)的精心設計的能夠變形的機器人表面可以在其 整個運動范圍內模擬生物體的表層皮膚體積(skin volume)，從而在其整個運動范圍內生 成模擬生物體的表面體積(surface volume)和變形的能夠變形的表面?？刂泣c的放置
控制點102的放置可以取決于生物體的骨骼、肌肉、脂肪和皮膚結構，其針對每個生物體形成理想的控制點布局?？梢酝ㄟ^考慮以下方面來改進上述放置在身體的特定 部分中，在其整個運動范圍內，上文中提到的因素中的哪一個對于表層皮膚變形來說是最 主要的。在人臉中，皮膚、脂肪和骨骼是主要的考慮事項。在手和腳中，骨骼和皮膚的折疊 (fold)是主要的考慮事項。身體的其余部分主要取決于肌肉、脂肪和骨骼結構。這些控制 點布局在下面的段落中將進一步說明。人造大腿圖2顯示了生物體的大腿肌肉202和能夠變形的機器人表面204相對應的人造大 腿的優(yōu)選控制點102和控制點連接器104的布局的詳細圖像。控制點102提供關鍵位置， 從這些關鍵位置可以操縱人造皮膚/外表面704。人造大腿204中的控制點102以這種方 式設置，即控制點通常在和生物體的大腿202的下層表層肌肉結構相同的方向上流動。為 進一步例示這種情況，對比生物體的縫匠肌(sartorius muscle) 208和能夠變形的機器人 表面的縫匠肌的表示210。能夠變形的機器人表面上的縫匠肌的表示210通過控制點212 的兩個外部行繪出。沿著控制點連接器104邊界的黑色外部輪廓有助于例示生物體肌肉和能夠變形 的機器人表面設計之間的相似性。另外，設置有控制點214的內部行。該能夠變形的機器 人表面以這種方式設計，即為了曲伸人工肌肉，在朝向覆蓋物106的方向上提升控制點的 內部組214，并且可以在遠離覆蓋物106的方向上下壓或撤回控制點的外部組212。通過致 動器推和拉這些點允許這些變形在其整個運動范圍上表達發(fā)生在生物體的縫匠肌上的類 似類型的體積(volume)變化?？梢允褂煤芏嗫蛇x的控制點102布局生成類似的結果。例如，圖2中示出了控制 點102和控制點連接器的可選布局206。然而，通過該可選布局206給出的結果可能無法給 出和上述優(yōu)選布局204 —樣多的變形控制。人造面部圖3a是生物體的面部302的正視圖，圖3b是與用于人造面部形式的能夠變形的 機器人表面的控制點102、控制點連接器104和覆蓋物106的疊加布局304 —起的圖3b的 生物體的面部的正視圖。圖3c是沒有生物體的面部的圖3b的控制點、控制點連接器和覆 蓋物的布局306。在人的面部中，肌肉編織進出(weave in and out)如此錯綜復雜，以至于很難模 擬人的面部的所述表層肌肉。因此，確定控制點102的布局的最好方式是確定面部所做表 情的范圍，并以它們可以最佳地描述所有這些表情的方式布置控制點102。Paul Ekman設 計的面部動作編碼系統(tǒng)(Facial Action Coding System =FACS)描述了非常完整的面部表 情范圍。當放置這些控制點102時，應該仔細地考慮每個FACS姿勢，使得面部上的大部分 細節(jié)都可以利用控制點102通過下述方式重現(xiàn)重新定位控制點102，以匹配生物體FACS 表情范圍和能夠變形的機器人表面。可以使用很多其他的控制點構造，然而304和306顯 示了用于該生物體的面部的優(yōu)選布局。每個生物體都具有唯一的面部表情范圍；因此控制 點的放置由每個生物體的面部運動(表情)范圍最佳地確定。如果被致動的能夠變形的機器人表面可以重復生物體的所有FACS姿勢，那么可 以組合/混合這些姿勢以生成生物體可以做到的幾乎任何面部表情。然而，雖然FACS姿勢給出了非常寬的范圍的表情，但是有時，可能必須添加更多的姿勢，以涵蓋更大范圍的表情。這是因為存在很多面部表情的很難利用孤立的肌肉運動在靜態(tài)姿勢中捕捉到的細微之 處。存在多種在3D計算機圖形中用于處理從生物體捕捉的數(shù)據(jù)到這些FACS表情中的 常用方法。這種處理的數(shù)據(jù)或動作可以應用到致動器，以在空間和時間上使控制點102運 動到所希望的定位，從而匹配生物體的面部表情。圖6a、6b和6c顯示了生物體604、生物體的肌肉骨骼系統(tǒng)606和能夠變形的機器 人表面602。圖6a是人類的示意圖，而圖6b示出了人類肌肉系統(tǒng)的布局。圖6c是與圖6b 中所示的肌肉系統(tǒng)相對應的控制點、控制點連接器和覆蓋物的布局。圖6也顯示了生物體的肌肉系統(tǒng)如何對應能夠變形的機器人表面的控制點102和 控制點連接器104的布局。圖6示出了控制點和控制點連接器的布局在多行和多列中大致 對齊。然而，控制點和控制點連接器可以從行和列中偏離，以在控制點和控制點連接器之間 形成非正方形的區(qū)域。例如，圖6示出了控制點102和控制點連接器104之間的區(qū)域可以 是大致三角形的、具有大致平行四邊形類型的形狀或具有大致六邊形類型的形狀。另外，控 制點和控制點連接器之間的區(qū)域可在一側上可以比另一側更寬或更高和/或與底部相比 朝向頂部更寬或更高。內部能夠變形的機器人表面在上述實施例中，能夠變形的機器人表面主要體現(xiàn)為變形外表面704的方法。然 而，能夠變形的機器人表面還可以用于生成內部肌肉。因此，人造生物體的機器人表面可以 分為兩種主要類型外部能夠變形的機器人表面508和內部能夠變形的機器人表面504。外 部能夠變形的機器人表面508是直接實現(xiàn)外表面704變形的能夠變形的機器人表面。內部 能夠變形的機器人表面504是可以用于生成內部表面的能夠變形的機器人表面，該內部表 面類似于生物體的內部結構。圖5顯示了內部能夠變形的機器人表面504和外部能夠變形的機器人表面508之 間的差異。圖5還顯示了控制點6414和控制點連接器6412如何混合在一起并接合到人造 骨骼502。內部能夠變形的機器人表面504可在形狀和尺寸上與生物體的肌肉類似。不必在 內部能夠變形的機器人表面上再現(xiàn)生物體的肌肉系統(tǒng)的每一塊對應的肌肉?？梢赃M行分組 或簡化；只要外部能夠變形的機器人表面508可以在其整個所希望的運動范圍內模擬生物 體的表層體積。圖15到圖27顯示了人體中各種類型的肌肉的若干種不同的能夠變形的機器人表 面504等效體。在設計內部能夠變形的機器人表面504時，這些設計是有用的。然而，還可 以有生成所希望的效果的很多變型和組合。例如，圖27中示出了一種變型。其示出了可以 組合生物體的兩種不同肌肉以形成為單個內部能夠變形的機器人表面4304。圖15到圖27示出了控制點和控制點連接器可從行和列偏離以在控制點和控制點 連接器之間形成非正方形的區(qū)域。例如，圖6示出了控制點102和控制點連接器104之間 的區(qū)域可以是大致三角形的、具有大致平行四邊形類型的形狀或具有大致六邊形類型的形 狀。另外，控制點和控制點連接器之間的區(qū)域可在一側上比另一側更寬或更高和/或與底 部相比朝向頂部更寬或更高。
另外，圖15至圖27示出了當處于中性位置時，能夠變形的機器人表面可具有三維 布局。例如，圖23、圖26和圖27中示出了具體示例。接合到內部能夠變形的機器人表面504的控制點102可以連接到外部能夠變形的 機器人表面508的控制點102，從而將來自致動系統(tǒng)的致動傳輸?shù)絻炔磕軌蜃冃蔚臋C器人 表面504和外部能夠變形的機器人表面508。如果希望的話，內部能夠變形的機器人表面 504和外部能夠變形的機器人表面508可相互連接。這些共享的或連接的控制點102對減 少生成致動所需的控制點102的數(shù)量是很有用。覆蓋物106可以接合到控制點102和控制點連接器104的內部或外部。對于外部 表面，像皮膚，覆蓋物106可以應用在最靠近皮膚的一側。當生成某些內部能夠變形的機器 人表面時，可能更希望在內部放置覆蓋物。另外，能夠變形的機器人表面可以填充有模擬器官肌肉和脂肪的重量和柔性的液 體和/或其他材料512，從而生成更加類似生物體的人工肌肉和脂肪體積。這些材料可以是 但不限于例如水、液壓油、硅或氣體。改變能夠變形的機器人表面的設計可以改變?yōu)椴煌谏矬w以生成很多不同的效果。 然而，當生成改變的人造生物體時，仍然可以在設計過程中參照生物體。改變可以包括但不 限于例如特性、變體、組合在一起以制成單個能夠變形的機器人表面的不同生物體。圖10顯示了一些特性化的能夠變形的機器人表面。特性可以分類為生物體和能 夠變形的機器人表面之間的視覺呈現(xiàn)上的差異。特性可以包括但不限于圖13示出了應用 到能夠變形的機器人表面的成比例和不成比例的尺度變化。(B)應用于夸大的生物體的特征1804和1806的不成比例的尺度(C)不同于生物體1802的物理結構的人造生物體的物理結構上的變化。圖13顯示了具有應用在不同軸上的成比例尺度的能夠變形的機器人表面的視 圖。一個視圖示出了能夠變形的機器人表面的正常尺度2102。另一個視圖示出了具有應用 在y軸上的尺度的能夠變形的機器人表面2104。再一個視圖示出了具有應用在χ軸上的尺 度的能夠變形的機器人表面2106。變體圖11示出了生物體的面部1906和對應的能夠變形的機器人表面1902以及不同 生物體的面部1908和對應的能夠變形的機器人表面1904。圖11顯示了能夠變形的機器人 表面可以從一種人造生物體變體到另一種。在該方法起作用的優(yōu)選實施例中，人造生物體 或者特性化的生物體具有與主體的類似部件相關的相同數(shù)量的控制點102。而且，致動系 統(tǒng)優(yōu)選地能夠在目標和目的特征的運動范圍內致動控制點102。這允許控制點102運動到 每個生物體的運動范圍的優(yōu)選空間。圖11中所示的示例顯示了控制點1902是與1904相 同的控制點，然而；它被致動到新的位置，使得表示出不同的人造生物體。示例可以包括但 不限于例如變體成不同面部的面部、變體成特性化面部的實際面部、變體成猴面部的人面 部?；旌仙眢w部件將不同生物體的身體部件混合在一起可以生成很多獨特的能夠變形的機器人表 面。圖12顯示了將不同生物體混合在一起生成能夠變形的機器人表面的方法。在該附圖中，選擇的兩種生物體是人類的身體2002和猴子的頭部1910。可以生成生物體或生物體和 物體的無盡組合。組合可以包括但不限于例如具有松鼠頭部的兔子身體、接合到具有兔子 頭部的狗身體的鱷魚腿。細節(jié)一旦添加了人造皮膚/外表面704，那么接合附加水平的細節(jié)將有助于使人造生 物體更加可信。一些示例性的細節(jié)可以包括但不限于例如克隆的頭發(fā)、移植的頭發(fā)、假 發(fā)_人造頭發(fā)、其他合成頭發(fā)、假指甲、特效化妝和化妝品。生成人造生物體圖45顯示了生成人造生物體的方法的一般流程圖。測量生物體并生成計算機仿 真。生成人造骨架，然后生成骨骼肌肉系統(tǒng)，然后生成人工肌肉系統(tǒng)。生成外部能夠變形 的機器人表面，并組裝人造骨架、骨骼肌肉系統(tǒng)、人工肌肉系統(tǒng)和外部能夠變形的機器人表 面，以形成人造生物體。人造皮膚可以和頭發(fā)以及涂料或化妝品一起應用。測量生物體通過以各種方法測量生物體，可以以多種方式收集和計算信息，以輔助設計人造 生物體。該數(shù)據(jù)可以用于校準人工肌肉/致動系統(tǒng)，以通過匹配機器人表面到捕捉的數(shù)據(jù)， 從而改進能夠變形的機器人表面設計，并總體改進機器人的精確性和整體設計。在下述段 落中，列出了用于完成上述事項的幾種方法；然而，還可以應用其他方法以進一步改進結^ ο運動范圍當測量生物體時，測量所述測量設備允許的最廣泛的運動范圍通常是很好的想 法。運動的廣泛范圍可以包括但不限于(A)當可能時，每個生物體肌肉單獨地收縮(B)每個松弛的肌肉(C)曲伸在一起的肌肉組(D)運動中的生物體肌肉(E)有力作用其上時運動中的生物體肌肉(F)運動中的皮膚和肌肉的動態(tài)當測量生物體時，捕捉中性姿勢是很好的想法。中性姿勢可以限定為休息姿勢，所 有其他變形都基于該姿勢。人類對象的中性姿勢可以是具有直立姿勢的站立位置，其中雙 腳位于肩部正下方，頭部面向前方并且胳膊垂直于身體，而手部朝下。對習慣的中性姿勢有 不同的變形。擬合(fitting)技術當測量生物體皮膚和肌肉骨骼系統(tǒng)時，可以改進從生物體到3d生成的特性、到能 夠變形的機器人表面的映射的精確性。用于測量生物體的每種技術都可以提供不同的信 息?？梢越M合從每種設備收集的數(shù)據(jù)，以生成生物體內部和外部活動的相當精確的形態(tài)表 示。當可能時，設備可以用于在整個運動范圍內掃描整個身體，以收集盡可能多的關于生物 體內部和外部結構的信息。圖37示出了身體的掃描5802、頭部的掃描5804和手部的掃描 5806。一旦數(shù)據(jù)被收集，可以使用算法在數(shù)學上處理測量的數(shù)據(jù)，以最佳地將數(shù)據(jù)擬合在一 起并盡可能生成生物體的最詳細的視圖。通過評估每個測量設備提供的數(shù)據(jù)質量，某些精確性水平可以用于限定機器人的不同部件。例如，X射線可以比3d掃描更有效地描述骨骼關節(jié)放置。在這種情況下，3d掃描最好用于計算皮膚的變形，而χ射線將更有效地確定骨骼 的放置。一些技術可以用于測量生物體，這些技術可以包括但不限于例如X射線、MRI、攝 相機、3d計算機掃描和視頻。一旦從上述列出的所有多種方法中收集出所有數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以在數(shù)學上被處理 為模擬正被生成的實體人造生物體的3d特性。一旦在計算機中生成良好的模擬，該設計可 以用于能夠變形的機器人表面。運動捕捉運動捕捉技術可以用于在空間和時間上從生物體采集數(shù)據(jù)。捕捉的數(shù)據(jù)可以用于 確定為了匹配生物體的表面，能夠變形的機器人表面的控制點102應該如何運動。運動捕 捉設備可以包括但不限于光學、磁性、GPS和3D掃描。—旦采集到數(shù)據(jù)，就可以做出數(shù)學預測以確定能夠變形的機器人表面的控制點 102在空間和時間上應該在哪，從而匹配生物體的表面。為了最好的結果，這些運動捕捉標 記的放置應該位于生物體的對應于位于能夠變形的機器人表面上的控制點的相同的相對 位置上。這種直接映射將在整個時間上提供每個能夠變形的機器人表面的控制點應該在的 相對準確的位置，以匹配生物體的運動。如果在運動捕捉標記和能夠變形的機器人表面之 間沒有準確的映射，那么可以使用重定標(retargeting)方法。重目標存在可以用于捕捉生物體的運動并將其重定標到能夠變形的機器人表面的各種 運動捕捉設備和軟件。當重定標生物體運動的性能到人造生物體時，如果對每個控制點102 都有對應的運動捕捉標記的話，可以是一對一映射。當重定標生物體運動到特性化的能夠 變形的機器人表面時，可以使用若干種重定標方法。這些重定標方法可以包括但不限于 全局優(yōu)化(GLOBALOptimization)、最小二乘優(yōu)化(LeastSquare Optimization)、AutoDesk Motionbuilder的演員求解方法(actor solving method)、各種其他優(yōu)化技術、EVA實時解 算器(Real-time solver)。圖37顯示了生物體的一些3d掃描。如所述，3d掃描可以用作設計能夠變形的機 器人表面以及機器人的其余部分的參考。這些3D掃面可以用于將能夠變形的機器人表面 匹配到生物體的表層體積。理想地，在生物體的整個運動范圍內的各種位置生成盡可能多 的掃描是很好的想法。相應地，這將給出密度更大的多的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集提供關于生物體 如何運動的更多信息?？刂泣c102的運動范圍還可以取決于在測量中捕捉的運動范圍。例如，為了確定 生物體的二頭肌的運動范圍，可以使用3D掃描。中性掃描，在三頭肌完全收縮時的掃描和 在二頭肌完全收縮時的掃描。這些掃描提供了運動中的生物體二頭肌的表層體積的簡化版 本。因此，可以調整能夠變形的機器人表面和致動系統(tǒng)，以匹配運動中的該表層體積。如果 用于更多的掃描來限定生物體的二頭肌的運動范圍，那么表面體積就可以限定得更精確。測量的數(shù)據(jù)可以擬合到中性姿勢。這可以通過使用數(shù)學優(yōu)化算法(例如但不限于 最小二乘優(yōu)化和全局優(yōu)化以及迭代最近點(iterativeclosest point))更精確地完成。目 標是最小化中性姿勢和運動范圍數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)差異。然而，在將數(shù)據(jù)集擬合在一起之前， 重要的是限定想擬合到的表面區(qū)域。最好使用每個運動范圍數(shù)據(jù)集的松弛區(qū)域并擬合該區(qū)域到中性數(shù)據(jù)集的對應的表面區(qū)域。可以濾出具有曲伸肌肉的數(shù)據(jù)的區(qū)域。可以通過以下 方式匹配該表面通過比較兩個松弛表面的差異并對準它們、通過平移、旋轉和以比例改變 運動范圍數(shù)據(jù)直到找到對應于中性區(qū)域數(shù)據(jù)集的區(qū)域的最好擬合?！?shù)據(jù)被擬合到中性姿勢，則從中性和測量數(shù)據(jù)手動或程序地生成能夠變形的 機器人表面的計算機表示。該能夠變形的機器人表面的計算機表示應該能夠在整個運動范 圍內通過使計算機化的能夠變形的機器人表面的頂點或控制點運動到擬合數(shù)據(jù)的對應表 面來匹配每個擬合數(shù)據(jù)片的表面。如果這不可能，那么可以重新設計能夠變形的機器人表 面直到這可能為止。數(shù)學優(yōu)化技術可以輔助確定致動系統(tǒng)為了到達在測量數(shù)據(jù)中的運動范圍所需的 運動范圍，該數(shù)學優(yōu)化技術可以包括但不限于最小二乘優(yōu)化和全局優(yōu)化。在3d仿真中，通 過比較周圍的肌肉變形和求解3D肌肉以最佳擬合測量數(shù)據(jù)的表面，模擬機器人致動系統(tǒng) 的3d肌肉致動系統(tǒng)可以自動地調整(求解)，以達到生物體肌肉收縮的整個范圍。如果3D 計算機生成的肌肉系統(tǒng)部不匹配掃描的肌肉系統(tǒng)，則返回錯誤量，該錯誤量告訴設計者需 要對計算機肌肉系統(tǒng)做更多調整，以使肌肉系統(tǒng)達到所希望的位置。這應該被執(zhí)行直到生 成可接受數(shù)量的錯誤。一旦生成可接受的的3d肌肉系統(tǒng)，那么可以基于該信息放置人工肌 肉并應用到機器人。優(yōu)化技術還可以用于調整變更3d特性骨骼系統(tǒng)的屬性。該求解的 骨架可以作為 構建機器人等效體的設計指導。因此讀者將看到本發(fā)明提供了整體或模塊化的套裝(suit)，可以通過致動/人工 肌肉系統(tǒng)使該套裝變形，以生成可以用于生成實體能夠變形的表面的變形。本發(fā)明可以生 成已經在計算機中原始設計的表面。另外，本發(fā)明可以形成包括傳感器的在整個能夠變形 的機器人表面上傳輸和發(fā)射能量、信息和致動并傳輸和發(fā)射能量、信息和致動到機器人的 其他部件或外部設備的網絡。雖然上文中的描述含有很多具體細節(jié)，但是不應該認為這些具體細節(jié)限制了本發(fā) 明的范圍，這些具體細節(jié)僅僅作為本發(fā)明的現(xiàn)在優(yōu)選的實施例的示例。在本發(fā)明指導下，可 能想到很多其他的衍生和變化。例如，來自生物體的DNA可以用于生成生物體的計算機仿 真，該仿真示出了生物體在它的生命的不同環(huán)境下是什么樣子和他們的行為。這些環(huán)境可 以是但不限于年齡、生活方式、重量、身體問題(physicalissue)和個性。一旦做出這些預測，那么結果將被計算，以做出估計的生物體看起來的樣子和行 為的視覺外表。然后可以根據(jù)這些信息設計能夠變形的機器人表面。另外，生物體的DNA 可以被改變成不同的效果。已經僅通過示例的方式對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，并且在不脫離本發(fā)明 的范圍的前提下，可以對其做出更改。例如，控制點連接器的截面示出和描述為大致矩形?？刂泣c連接器的截面可以是 任何其他適當?shù)男螤睿鐖A形、方形或橢圓形。另外地或可選地，控制點連接器的截面可 以沿著控制點連接器的長度而變化。
權利要求
一種能夠變形的機器人表面，所述機器人表面包括多個控制點，所述控制點能夠相對于彼此運動；和在所述多個控制點之間延伸的覆蓋物；其中，所述控制點相對于彼此的運動致使所述覆蓋物相對應地運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的能夠變形的機器人表面，所述機器人表面還包括在所述控制 點之間延伸的多個連接器，其中，所述控制點相對于彼此的運動致使所述控制點連接器相 對應地運動。
3.根據(jù)權利要求2所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述多個連接器中的至少一 部分包括柔性連接器。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述多個連接器中的至少 一部分包括彈力連接器。
5.根據(jù)權利要求2所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述多個連接器中的至少一 部分包括剛性連接器。
6.根據(jù)權利要求5所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述剛性連接器包括伸縮連 接器。
7.根據(jù)權利要求2至6中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，至少一部分所 述控制點連接器是大致直的部件。
8.根據(jù)權利要求2至6中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，至少一部分所 述控制點連接器是大致彎曲的部件。
9.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述覆蓋物包 括柔性覆蓋物。
10.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述覆蓋物包 括彈力覆蓋物。
11.根據(jù)權利要求2至10中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述覆蓋物 在所述控制點和所述多個控制點連接器上方延伸。
12.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制點大 致布置成多行和多列，以形成控制點網格。
13.根據(jù)權利要求12所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制點連接器在相鄰 的控制點之間延伸，以形成控制點和控制點連接器網格。
14.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，所述機器人表面還 包括用于使所述控制點中的至少一個相對于其他控制點運動的至少一個致動器。
15.根據(jù)權利要求2至14中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，至少一部分 所述控制點連接器包括適于使所述控制點相對于彼此運動的致動器。
16.根據(jù)權利要求14或15所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述致動器包括偏壓裝置。
17.根據(jù)權利要求16所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述偏壓裝置包括彈簧。
18.根據(jù)權利要求14或15所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述致動器包括電活 性聚合物。
19.根據(jù)權利要求14或15所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述致動器包括氣動致動器。
20.根據(jù)權利要求14至19中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述致動 器在接合點處接合到所述覆蓋物、控制點或控制點連接器。
21.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，至少一部分所 述控制點包括適于使所述控制點相對于彼此運動的致動器。
22.根據(jù)權利要求21所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述致動器包括偏壓裝置。
23.根據(jù)權利要求22所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述偏壓裝置包括彈簧。
24.根據(jù)權利要求21所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述致動器包括電活性聚 合物。
25.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，所述機器人表面還 包括從控制點向所述覆蓋物延伸的至少一個柔性支撐件，以在所述覆蓋物中形成相對平滑 的表面。
26.根據(jù)權利要求2至24中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，至少一部分 所述控制點連接器嵌入到所述覆蓋物中。
27.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，至少一部分所 述控制點嵌入到所述覆蓋物中。
28.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制點相 對于所述覆蓋物是能夠旋轉的。
29.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述能夠變形 的機器人表面具有中性構造，在該中性構造中，至少大部分所述覆蓋物是大致非平面的。
30.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述能夠變形 的機器人表面具有中性構造，在該中性構造中，至少一部分所述覆蓋物是大致彎曲的。
31.根據(jù)權利要求1至29中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述能夠變 形的機器人表面具有中性構造，在該中性構造中，至少大部分所述覆蓋物是大致平面的。
32.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，所述機器人表面還 包括至少一個附加層或皮膚。
33.根據(jù)權利要求32所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述附加層或皮膚覆蓋所 述覆蓋物的至少一部分。
34.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，所述機器人表面還 包括傳感器和線路，以傳輸數(shù)據(jù)或能量。
35.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制點與 所述覆蓋物整體成形。
36.根據(jù)權利要求2至35中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制點 連接器與所述覆蓋物整體成形。
37.根據(jù)權利要求2至36中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，至少部分所 述控制點和至少部分所述控制點連接器的位置印刷在所述覆蓋物上。
38.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制點與 所述控制點連接器整體成形為能夠擴張和收縮的網。
39.根據(jù)權利要求1至38中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制點對應于計算機表示的頂點，所述覆蓋物對應于所述計算機表示的一個面或一系列面。
40.根據(jù)權利要求2至38中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制點 對應于計算機表示的頂點，所述控制點連接器對應于所述計算機表示的邊緣，所述覆蓋物、 附加層或外表面對應于所述計算機表示的一個面或一系列面。
41.根據(jù)權利要求38至40中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述能夠 擴張和收縮的網對應于所述計算機表示的邊緣。
42.根據(jù)權利要求20至41中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述致動 器的所述接合點對應于計算機表示的頂點。
43.根據(jù)權利要求39至42中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制 點或接合點隨著時間的運動大致對應于整個時間上所述計算機表示的所述頂點的計算機 表示的運動。
44.根據(jù)權利要求39至43中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述控制 點連接器或能夠擴張和收縮的網隨著時間的運動大致對應于整個時間內所述計算機表示 的所述邊緣的計算機表示的運動。
45.根據(jù)權利要求39至43中的任一項所述的能夠變形的機器人表面，其中，所述覆蓋 物、附加層或外表面隨著時間的運動大致對應于整個時間內所述計算機表示的所述面的計 算機表示的運動。
46.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的能夠變形的機器人表面接合到根據(jù)前述權利 要求中的任一項所述的至少一個其他的能夠變形的機器人表面的組合。
47.根據(jù)權利要求1至46中的任一項所述的能夠變形的機器人表面接合到至少一個其 他物品的組合。
48.根據(jù)權利要求47所述的組合，其中，所述其他物品是機器人的一部分。
49.根據(jù)權利要求48所述的組合，其中，所述能夠變形的機器人表面形成所述機器人 的外表面或人造皮膚。
50.一種人工肌肉，所述人工肌肉包括根據(jù)權利要求1至49中的任一項所述的能夠變 形的機器人表面。
51.根據(jù)權利要求50中所述的人工肌肉，所述人工肌肉還包括人工肌肉芯部，其中，所 述能夠變形的表面至少部分地圍繞所述人工肌肉芯部。
全文摘要
能夠變形的機器人表面具有多個控制點(102)、在該控制點之間延伸的多個連接器(104)和在該多個控制點上方延伸的覆蓋物(106)。該控制點(102)可相對彼此移動?？刂泣c(102)相對彼此的移動導致覆蓋物106的對應移動和控制點連接器(104)的對應移動。
文檔編號A63H3/36GK101815562SQ200880107911
公開日2010年8月25日 申請日期2008年9月19日 優(yōu)先權日2007年9月19日
發(fā)明者戴維·阿龍·貝內特 申請人:戴維·阿龍·貝內特