专利名称：能够变形的机器人表面的制作方法在机器人、机器人玩具和假肢领域，在过去已经生成了能够变形的表面。然而，大 部分的当前设计都缺少在整个广泛的运动范围内描述详细的变形表面所必需的控制。这是 因为机器人产业更关注功能，而不是形式。在美国专利7113848中，汉森机器人(Hanson Robotics)的大卫汉森(David Hanson)试图在他的机器人的面部再现逼真的人类面部运动。他的发明缺乏再生逼真的面 部运动，因为他所用的使皮肤运动的方法缺少达到人类面部表情的全部运动范围所必需的 控制水平。大阪大学(Osaka University)的Hiroshi Ishiguro教授构建了两个叫做 "Repliee QlExpo"和“Geminoid”的人形机器人。从远处，这两个仿生人都会被看作是人 类，但是当仿生人运动时，幻觉破灭。这种情况的发生是因为生物体的下层肌肉没有在仿生 人的皮肤上反映出来。如果他通过使用允许做出所有合适的变形的方法来再现人类的全部 运动范围，那么他的工作将得到改进。能够变形的机器人表面可用于生成下述的表面，但不限于人造生物体、机器人玩 具、假肢表面、从一种表面变体到另一种表面的能力、能够变形的物体。在本说明书中的引用专利说明书、其他外部文件或其他信息来源的引用的地方， 通常是为了提供讨论发明特征的背景。除非特殊说明否则，对这样的外部文件或信息来源 的引用不应被认为是承认这些文件或信息来源在任何管辖范围内是现有技术或形成本领 域内的公知常识的一部分。本发明的至少优选实施例的目的是提供一种能够变形的机器人表面，所述机器人 表面能够在其整个运动范围内模拟生物体的表面变形，或者至少向公众提供可用的选择。
按照本发明的第一方面，提供了一种能够变形的机器人表面，其包括多个控制点，该控制点可相对于彼此运动；和在多个控制点之间延伸的覆盖物；其中控制点相对于彼此的运动导致覆盖物相对应地运动。优选地，能够变形的机器人表面进一步包括在控制点之间延伸的多个连接器，其 中控制点相对于彼此的运动致使控制点连接器相对应地运动。优选地，至少一部分所述多个连接器包括柔性连接器。优选地，至少一部分所述多个连接器包括弹力连接器。优选地，至少一部分所述多个连接器包括刚性连接器。优选地，刚性连接器包括伸缩连接器。优选地，至少一部分控制点连接器是大致直的部件。优选地，至少一部分控制点连接器是大致弯曲的部件。优选地，覆盖物包括柔性覆盖物。优选地，覆盖物包括弹力覆盖物。优选地，覆盖物在控制点和多个控制点连接器上方延伸。优选地，控制点通常布置成多行和多列，以形成控制点的网格。优选地，控制点连接器在相邻的控制点之间延伸，以形成控制点和控制点连接器 的网格。优选地，能够变形的机器人表面进一步包括用于使其中至少一个控制点相对其它 控制点运动的至少一个致动器。 优选地，控制点连接器包括适于使控制点相对于彼此运动的一个或多个致动器。优选地，所述一个或多个致动器包括偏压装置。更优选地，偏压装置包括弹簧。可 选地，所述一个或多个致动器包括电活性聚合物。可选地，所述一个或多个致动器包括一个 或多个气动致动器。优选地，所述一个或多个致动器在接合点处接合到覆盖物、控制点或控制点连接ο优选地，控制点包括适于使控制点相对于彼此运动的一个或多个致动器。优选地，所述一个或多个致动器包括偏压装置。更优选地，偏压装置包括弹簧。可 选地，所述一个或多个致动器包括电活性聚合物。优选地，能够变形的机器人表面进一步包括从控制点朝向覆盖物延伸以在覆盖物 中形成相对平滑的表面的至少一个柔性支持件。优选地，至少一部分控制点连接器嵌入到覆盖物中。优选地，至少一部分控制点嵌入到覆盖物中。优选地，控制点相对于覆盖物是能够旋转的。优选地，能够变形的机器人表面具有中性构造，在该构造中至少大部分覆盖物是 大致非平面的。更优选地，能够变形的机器人表面具有中性构造，在该构造中至少一部分覆 盖物是大致弯曲的。可选地，能够变形的机器人表面具有中性构造，在该构造中至少大部分 覆盖物是大致平面的。优选地，能够变形的机器人表面进一步包括至少一个附加层或皮肤。更优选地，附 加层或皮肤包括所述覆盖物的至少一部分。优选地，能够变形的机器人表面进一步包括传感器和传输数据或能源的线路。优选地，控制点与覆盖物整体形成。优选地，控制点连接器与覆盖物整体形成。优选地，至少一部分控制点和至少一部分控制点连接器的位置印刷在覆盖物上。优选地，控制点与控制点连接器整体形成为能够扩张和收缩的网。优选地，控制点对应于计算机表示的顶点，覆盖物对应于计算机表示的一个面或 一系列面。优选地，控制点对应于计算机表示的顶点，控制点连接器对应于计算机表示的边 缘，覆盖物、附加层或者外表面对应于计算机表示的一个面或一系列面。优选地，能够扩张和收缩的网对应于计算机表示的边缘。优选地，致动器的一个或多个接合点对应于计算机表示的顶点。优选地，控制点或接合点随着时间的运动大致对应于整个时间内计算机表示的顶点的计算机表示的运动。优选地，控制点连接器或能够扩张和收缩的网随着时间的运动大致对应于整个时 间内计算机表示的边缘的计算机表示的运动。优选地，覆盖物、附加层、或者外表面随着时间的运动大致对应于在整个时间内计 算机表示的面的计算机表示的运动。按照本发明的第二方面，提供了关于第一方面所描述的能够变形的机器人表面接 合到关于第一方面所描述的至少一个其他能够变形的机器人表面的组合。按照本发明的第三方面，提供了关于第一方面所描述的能够变形的机器人表面接 合到至少一个其他物品的组合。优选地，所述其他物品是机器人的一部分。更优选地，能够变形的机器人表面形成 机器人的外表面或人造皮肤。按照本发明的第三方面，提供了包括关于第一方面所描述的能够变形的机器人表 面的人工肌肉。优选地，所述人工肌肉进一步包括人工肌肉芯部，其中能够变形的表面至少部分 包围人工肌肉芯部。本说明书中所用的术语“包括”意思是“其至少部分由…组成”；S卩，在本说明书中 解释包括“包括”的语句时，该术语做引语的特征在每句中总是需要出现，但是其他特征也 可以出现。相关术语，例如“包括”和“被包括”以类似的方式解释。对于本发明相关技术领域的技术人员来说，本发明的很多结构上的变化、大相径 庭的实施例和应用将在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围内揭示其自身。这里的公 开和描述仅仅是说明性的，并不用于任何意义的限制。在本文中提及具体整数的地方，这些 整数在本发明的相关领域内具有已知等效值的，这些已知等效值就像被单独说明一样，认 为是并入本文中。本文中在名词之后所使用的术语“一个或多个”的意思是那个名词的复数和/或 该名词的单数形式。本文中所使用的术语“和/或”意思是“和”或“或”，或允许这两种语境的情况。本发明由上述内容构成，并且也可以想到下文中描述本发明的结构仅仅是示例性 的。

现在将参照附图描述本发明，在附图中图1是能够变形的机器人表面的第一优选实施例的分解透视图；图2是生物体的大腿肌肉骨骼系统和能够变形的机器人表面的对应大腿的视图；图3a是生物体的面部的正视图；图3b是图3b的生物体的面部的正视图连同控制点和控制点连接器的重叠布局；图3c是没有生物体的面部的图3b的控制点和控制点连接器的布局；
图4a是多边形的3d计算机表示的透视图；图4b是对应图4a的计算机表示的能够变形的机器人表面的透视图；图4c是带有新顶点位置的图4a的计算机表示的透视图；图4d是对应于图4c的计算机表示的能够变形的机器人表面的透视图；图5是内部和外部能够变形的机器人表面的视图；图6a是人类的示意图；图6b示出了人类的肌肉系统的布局；图6c是对应于图6b中所示的肌肉系统的控制点、控制点连接器和覆盖物的布局；图7是带有附加层或人造皮肤的图1的优选实施例的能够变形的机器人表面的透 视图；图8a示出了处于排气构造的气动致动器；图8b是处于充气构造的图88a的气动致动器的侧视图；图9a是具有处于未变形状态的电活性聚合物的可选实施例的能够变形的机器人 表面的透视图；图9b是处于变形状态的图9a的可选实施例的能够变形的机器人表面的透视图；图10示出了特性化面部的能够变形的机器人表面等效体；图11示出了生物体的面部和对应的能够变形的机器人表面以及不同的生物体的 面部和对应的能够变形的机器人表面，该能够变形的机器人表面是这两个之间的单个机器 人表面；图12显示了将不同生物体混合在一起以生成能够变形的机器人表面的方法；图13显示了施加有非比例尺度的生物体的能够变形的机器人表面；图14是带有柔性支撑材料的控制点和控制点连接器的透视图；图15是四边形肌(Quadrilateral Muscle)的能够变形的机器人表面等效体的视 图；图16是带状肌(Strap Muscle)的能够变形的机器人表面等效体的视图；图17是具有腱的带(Strap)的能够变形的机器人表面等效体的视图；图18是半羽肌(Unipermate muscle)的能够变形的机器人表面等效体的视图；图19是多羽肌(Multi-pirmate muscle)的能够变形的机器人表面等效体的视 图；图20是三角肌的能够变形的机器人表面等效体的视图；图21是肌板(Muscle Plate)能够变形的机器人表面等效体的能够变形的机器人 表面等效体的视图；图22是梭形肌(Fusiform muscle)的能够变形的机器人表面等效体的视图；图23是二腹肌的能够变形的机器人表面等效体的视图；图24是三头肌的能够变形的机器人表面等效体的视图；图25是羽肌(Bipermate muscle)的能够变形的机器人表面等效体的视图；图26是螺旋肌板(Spiral muscle plate)的能够变形的机器人表面等效体的视 图27是多块肌肉的能够变形的机器人表面等效体的视图；图28是可选的旋转控制点设计的透视图；图29是可选的旋转控制点设计的透视图；图30是形成网络的控制点和控制点连接器的视图；图30B是形成网络的覆盖物、附加层或者外表面的视图；图31示出了用于限定相同表面的可选的控制点密度；图32是可选的旋转控制点设计的透视图；
图33是另一个可选的旋转控制点设计的透视图；图34是弯曲的控制点连接器的透视图；图35是生物体的能够变形的机器人表面等效体，在该等效体中比例已经被改变；图36是与能够变形的机器人表面组合的不能够变形的机器人表面的透视图；图37示出了生物体的3d扫描；图38是处于未扩张构造和扩张构造的作为致动器的控制点连接器的透视图；图39是作为电活性聚合物形式的致动器的控制点连接器的透视图；图40是在伸缩管形式的刚性控制点连接器的示例的透视图；图41a是处于松弛构造的致动表面支撑件的透视图；图41b是处于变形或致动构造的致动表面支撑件的透视图；图41c是嵌入的可弯折的导线连接器的透视图；图42是带有柔性基座的致动器的正视图；图43a是分离的能够变形的机器人表面的透视图；图43b是接合的能够变形的机器人表面的透视图；图44a是锁定控制点的透视图；图44b是覆盖物的能够重新接合的边缘的透视图；图44是生成人造生物体的流程图；图45是来自控制点的附加致动；图46a是处于松弛状态的电活性聚合物的透视图；图46b显示了处于变形状态的图46a的电活性聚合物；图47a是具有处于未扩张构造的弯曲的刚性控制点连接器的能够变形的机器人 表面的另一个可选实施例的透视图；图47b是具有处于扩张构造的图47a的弯曲的刚性控制点连接器的能够变形的机 器人表面的另一个可选实施例的透视图；图48a是处于未扩张构造的可选的弯曲的刚性控制点连接器的透视图；图48b是处于扩张构造的图48a的弯曲的刚性控制点连接器的透视图；图49a是处于扩张构造的弯曲的刚性控制点连接器的透视图；图49b是处于扩张构造的图49a的可选的弯曲的刚性控制点连接器的透视图；图50a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中控制点嵌入到覆盖 物、附加层或者外表面中；图50b是图50a的能够变形的机器人表面的侧视图；图51a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中控制点接合到覆盖物、附加层或者外表面上；图51b是图51a的能够变形的机器人表面的侧视图；图52a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中控制点和控制点连接器嵌入到覆盖物、附加层或者外表面中；图52b是图52a的能够变形的机器人表面的侧视图；图53a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中控制点和控制点连 接器接合到覆盖物、附加层或者外表面上；图53b是图53a的能够变形的机器人表面的侧视图；图54a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中扩张和收缩网嵌入 到覆盖物、附加层或者外表面中；图54b是图54a的能够变形的机器人表面的侧视图；图55a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中扩张和收缩网接合 到覆盖物、附加层或者外表面上；图55b是图55a的能够变形的机器人表面的侧视图；图56a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中控制点嵌入到扩张 和收缩网中；图56b是图56a的能够变形的机器人表面的侧视图；图57a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中控制点接合到扩张 和收缩网上；图57b是图57a的能够变形的机器人表面的侧视图；图58a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中致动系统嵌入到覆 盖物、附加层或者外表面中；图58b是图58a的能够变形的机器人表面的侧视图；图59a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中致动系统接合到覆 盖物、附加层或者外表面上；图59b是图59a的能够变形的机器人表面的侧视图；图60a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中致动系统以及扩张 和收缩网嵌入到覆盖物、附加层或者外表面中；图60b是图60a的能够变形的机器人表面的侧视图；图61a是能够变形的机器人表面的可选实施例的透视图，其中致动系统以及扩张 和收缩网接合到覆盖物、附加层或者外表面上；图61b是图61a的能够变形的机器人表面的侧视图；图62显示了在能够变形的机器人表面上印刷控制点和控制点连接器的位置的方法。

■作为接合表面的点■在(传感器，电缆等)中接合网络的方位(aspect)，■作为用于弯曲的刚性控制点连接器(管)基座6702的接合点■作为用于弯曲的控制点连接器(管)扩张器6704的接合点图48a是处于非扩张构造的可选的弯曲的刚性控制点连接器的透视图，而图48b 是处于扩张构造的图48a的弯曲的刚性控制点连接器的透视图。这个控制点连接器是伸缩 管布置形式的刚性控制点连接器。伸缩管布置6102示出为处于缩回构造6104和扩张构造 6106。伸缩管布置与图40中所示的实施例相似，除了伸缩管的部分6714通常是弯曲的之 外。图49a是处于扩张构造的单个弯曲的刚性控制点连接器的透视图，而图49b是处 于非扩张构造的图49a的弯曲的刚性控制点连接器的透视图。弯曲的刚性控制点连接器与 结合图47a和图47b示出并描述的弯曲的刚性控制点连接器相似。图14显示了使用柔性支撑件2302实现从一个控制点到下一个的覆盖物的平滑的 方法。每个柔性支撑件都接合到控制点104，并且朝向相邻的控制点104延伸。柔性支撑件 包括弹力柔性材料。当控制点102被致动时，柔性支撑件2302将推斥控制点连接器推，并 最终以相对平滑的方式变形覆盖物106。这不仅在覆盖物上生成平滑表面，而且还减少了操 纵表面所需的控制点102的数量。附图标记2304示出了处于相对松弛的状态的控制点连 接器和柔性支撑件2302，而附图标记2306示出了处于相对变形或弯折状态的控制点连接 器和柔性支撑件2302。可以使用很多类型的柔性或弹力材料，这些材料可以包括但不限于 例如塑料、金属、橡胶。致动控制点连接器图38和图39示出了两个可选实施例控制点连接器。在这些可选实施例中，控制 点连接器包括致动器。这些致动控制点连接器可以变形没有任何附加致动系统的能够变形 的机器人表面，或者它们可以与其他致动系统一起使用以辅助变形。在下文中，存在可以做 到这种情况的两个示例方法。然而，有很多可以用来产生致动控制点连接器的其他方法。
图38显示了在控制点102和旋转枢轴408之间延伸的致动控制点连接器的视图。在上文中已经结合图4对旋转枢轴408进行了描述。致动器418优选地是适于产生控制点 102的线性运动的伸缩致动器。附图标记5904表示处于松弛构造的致动器418，而附图标 记5906表示处于变形构造的致动器。因此，连接器是使所接合的控制点102运动到空间中 正确的点的致动系统。而且，当希望时，两个或更多个致动器418可以结合在一起，以形成 比单个更多的运动。图39显示了一个实施例，在该实施例中，控制点连接器5912包括用于致动控制点 102的电活性聚合物。当向电活性聚合物施加电压时，电活性聚合物扩张。这些电活性聚合 物控制点连接器非常有利于生成弯曲的表面以及表面支撑件，因为电活性聚合物比其他致 动器可以在更组织的(organic)方式变形。当你比较非致动的控制点连接器5908和施加 电压的致动的控制点连接器5910时，这是明显的。扩张和收缩网图54显示了扩张和收缩网。扩张和收缩网7602是设计为网或网格形式的能够扩 张和/或收缩的表面。扩张和收缩网包括整体地连接在一起以形成网的控制点和控制点连 接器。由于扩张和收缩网可以设计为一个连续的蹼网(webbed mesh)或设计为模块化系统， 因此并不需要独立控制点102把它们连接在一起。扩张和收缩网7602可以使用很多如上形 成所述独立的控制点连接器104的相同材料和方法形成。扩张和收缩网7602还可以执行与 控制点102和控制点连接器104相同的功能。可以通过若干种其他方式设计扩张和收缩网 7602，这些方式包括但不限于例如弹性网状物、电活性聚合物网、纤维网、橡胶网或弹簧互 锁网。覆盖物在优选实施例中，覆盖物106接合到控制点102和控制点连接器104，以生成能够 变形的机器人表面的外部表面或覆盖物。在图1中所示的优选实施例中，覆盖物是一般的 平面部件，所述平面部件可以适当变形，使得随着控制点和/或控制点连接器的运动，覆盖 物的对应部分也将运动。在可选实施例中，覆盖物可以是一般的弯曲或非平面的部件。在 这些可选实施例中，覆盖物也是可以适当地变形的，使得随着控制点和/或控制点连接器 的运动，覆盖物的对应部分也将运动。覆盖物优选地是单一部件。可选地，覆盖物可由一个或多个覆盖物片形成。覆盖物106可以用于■传输数据和能量 ■作为用于接合或嵌入传感器的表面■作为嵌入控制点和控制点连接器的表面■将致动从控制点102和/或控制点连接器106分配到外表面■作为支撑外表面704的附加层702的方法覆盖物可以由可拉伸的、弹性或弹力材料形成，使得覆盖物随着控制点和控制点 连接器的运动而拉伸。在可选实施例中，覆盖物可以由柔性材料形成，使得覆盖物随着控制 点和控制点连接器的运动而曲伸(flex)。在另一个可选实施例中，覆盖物可以包括基本上 非拉伸的材料。覆盖物106可以由各种材料制成，这些材料包括但不限于例如橡胶、弹性 纤维、聚氨基甲酸乙酯弹性纤维(spandex)、尼龙、聚酯、硅、乳胶、聚氨酯、金属纤维、网状纤维、弹簧和滑动金属板。将覆盖物106粘合到控制点102和控制点连接器106或扩张和收缩网7602的最 好方法可以取决于但不限于被接合的材料、所希望的运动范围、所希望的弹性和被接合表 ffl白勺t占禾口_禾口(compatibility ofadhesiori)。可以将表面接合在一起的产品可以是但不应限于例如强力胶、环氧树脂、钩环紧 固件、弹性体粘合剂和其他适合的粘合剂。在覆盖物上印刷(print)控制点、控制点连接器、扩张和收缩网的布局如图62中所示，控制点102和控制点连接器104 (或扩张和收缩网7602)的位置 可以印刷在机器人表面的覆盖物106上，从而生成控制点102和控制点连接器104应该在 机器人表面上的什么位置的物理蓝图(physical blueprint) 0这可以通过在3D计算机程 序7702中生成对应于表层机器人表面设计的所希望的能够变形的机器人表面来完成。一 旦生成该3d几何体，可以展开该3d几何体以在3d应用7704中生成平面。当展开3d表面 时，优选的是考虑顶点402和边缘404之间的相对距离。一旦生成展开的表面，可以制作控 制点102和控制点连接器104的预定位置的图像，然后该图像被印刷在覆盖物7706上。如 7708中所见，该印刷的覆盖物106可以作为模板，控制点102和控制点连接器104可以接合 到该模板中。图62示出了通过铰链关节7714接合控制点102，使得机器人表面可以变形回到其 预期的表层形式。附图以两个附图标记例示了这种情况，部分组装的机器人表面7710和完 全组装的机器人表面7712。该技术也可以应用到附加层702或外表面704。致动表面支撑件图41a处于在松弛状态的致动表面支撑件6202的优选实施例的透视图。该致动 表面支撑件可以使用电活性聚合物形成。支撑表面具有介电弹性体薄膜6210的多个部分。 当施加电压时，电活性聚合物扩张6204，这使控制点102运动到新的位置，如图41b中所示。 附图标记6214表示厚度收缩，而附图标记6216表示面积扩张。这些电活性聚合物可以减 少产生变形所需的其他致动器的数量，这是因为聚合物本身就是致动器。而且，聚合物可以 起到表面的刚性背衬的作用，以提供附加支撑。可选地，这些电活性聚合物可以用于生成弯 曲的表面。图41c显示了如何通过嵌入的可弯折导线连接器6212将控制点102接合到电活 性聚合物。该嵌入的可弯折导线连接器6212可以以很多自由度弯折(图41c中箭头所示)， 以保持这两个部分接合在一起，并仍然在这两个物体之间提供合理的运动范围。很多可选 方法可以用于接合这两个点，所述可选方法可以包括但不限于例如嵌入的链条、旋转枢轴、 嵌入的柔性塑料、嵌入的橡胶条。形成网络的控制点和控制点连接器图30和30b显示了电线、数据传输线、传感器、发射器以及各种电子部件和设备可 以接合到或嵌入到控制点102和控制点连接器104(或者扩张和收缩网7602)的网状网，以 贯穿能够变形的机器人表面并向机器人的其他部分转发能量、传输数据、传输致动以及接 合传感器。覆盖物106、附加层702和外表面704也可以含有这种功能。这些网络性的能力 包括但不限于■嵌入控制点中的传感器4706
■接合到控制点的传感器4708■嵌入控制点连接器中的布线4710■嵌入控制点连接器中的数据传输线4712■致动传输管4714，其将液压油和空气传输通过控制点连接器■微处理器4716，其可以接合到控制点102外部或嵌入控制点102内部■发射器和接收器4718，其可以接合到控制点102外部或嵌入控制点102内部■可以用于连接能够变形的机器人表面和机器人的其他部分的线路4720■接合到控制点连接器的传感器4722■连接控制点连接器端部和处理器的线路4724■控制点内的连接从一个控制点连接器到另一个控制点连接器的网络的线路 4726■连接发射器/接收器和微处理器的线路4730■控制点的内部视图4728■嵌入或接合到控制点连接器的各种电气部件4732■嵌入或接合到控制点的各种电气部件4734图30b显示了一个实施例，在该实施例中电线、数据传输线、传感器和发射器以及 各种其他电子部件接合到或嵌入覆盖物中，以贯穿机器人表面和向机器人的其他部分转发 能量、传输数据、传输致动和/或接合传感器。另外地或可选地，附加表面702和外表面704 也可以含有这种功能。这些部件和附加部件的各种组合可以用于生成各种机器人表面。这 些网络性的能力可以包括但不限于下述示例■嵌入或接合到覆盖物的传感器4730■嵌入或接合到覆盖物的布线4732■嵌入或接合到覆盖物的数据传输线4734■致动传输管线4736，其将液压油和空气传输通过控制点连接器■嵌入或接合到覆盖物的微处理器4738■嵌入或接合到覆盖物的发射器和接收器4740■嵌入或接合到覆盖物的各种电气部件4742■用于连接覆盖物和机器人的其他部分的线路4742■连接覆盖物的传感器和控制点的线路4744能够变形的机器人表面组合图43A和43B示出了能够变形的机器人表面的优选实施例的组合。能够变形的机器人表面可以由单独的联接的能够变形的机器人表面多边形6402和/或联接的能够变形 的机器人表面多边形的条6404生成。另外，能够变形的机器人表面还可以作为一个连续的 套装(suit)生成。这些单独的联接的能够变形的机器人表面多边形6402和/或联接的能 够变形的机器人表面多边形的条6404可以被接合或分离，以生成能够变形的机器人表面 的新的且唯一的组合，这可以生成各种新表面6406。因为可以添加这些单独的部件，然后移 除这些单独的部件，因此这使人能够快速测试和调整致动系统的内部工作，然后将这些独 立部件重新接合到能够变形的机器人表面的其他部分。在所示实施例中，单独的联接的能够变形的机器人表面多边形6402和/或联接的 能够变形的机器人表面多边形的条6404具有锁定控制点6414。锁定控制点优选地沿着单独的能够变形的机器人表面部件的边缘间隔开。锁定控制点具有对应的按扣(snap)紧固件以将这些独立部件或锁定控制点6414组合在一起。例如，6408和6410例示了按扣紧固 件的凸端部和凹端部可以用于将这些锁定控制点扣在一起。这些锁定控制点6414可以由 各种材料、采用各种技术制成，以将它们锁定在一起，其包括但不限于例如磁性接合端部、 各种金属和塑料紧固件或互锁夹子。此外，单独的部件还具有位于覆盖物106上或位于控制点连接器104上的重新接 合边缘6412。能够变形的机器人表面的这些重新接合边缘可以由各种不同的材料制成，这 些材料包括但不限于例如钩环紧固件、粘合材料条、缝合(stitching)、粘合剂或滑动紧固 件。控制点和控制点连接器的密度图31显示了用于描述相同表面的低密度控制点102布局4802、中密度控制点102 布局4804和高密度控制点102布局4806。通常，可能的最高密度是优选的，因为其提供了 较高水平的细节。在绝大多数情况下，能够变形的机器人表面上的控制点102的密度越高， 表面上所形成的变形越详细，这是因为有更多的点来操纵表面。然而，用于致动能够变形的 机器人表面的致动系统可以是决定所需或可能的控制点102密度的相当重要的因素，因为 致动系统在致动方面可能具有或者可能不具有足够的细节(detail)来使控制点102运动 到所希望的位置。在类似这样的情况下，较少的控制点102对应用来说更加实际。可能决 定控制点102的优选密度的因素可以包括但不限于例如所用的致动系统；控制点102的 尺寸；和可用空间。因为计算机能够设计极小和/或极大的物体，因此生成符合计算机中物体的尺度 的能够变形的机器人表面并不总是可能的。然而，如果在现实世界中不能生成物体表面的 计算机化尺度，那么可选的尺度可以用于生成与其“相对”成比例地变形的物体。图35显 示了应用到能够变形的机器人表面的三种不同尺度，实际尺度5604、较小尺度5602和较大 尺度5606。各种其他尺度可以应用到同一个能够变形的机器人表面。致动系统用于变形能够变形的机器人表面的致动系统还可以称为人工肌肉系统。能够变形 的机器人表面对多致动/人工肌肉系统的适应性是其设计的一个灵活方面。几乎任何致动 系统都可以用于变形能够变形的机器人表面，只要控制点102可以在整个所希望的运动范 围内被按时致动到适当的空间。用于驱动能够变形的机器人表面的致动系统可以包括但不 限于例如气动致动、电活性聚合物致动、液压致动、磁性致动、机械致动、压电致动、机电致 动和液压或气动驱动的纤维增强橡胶致动器。下文中列出了优选的致动方法和两种可选致 动方法，以例示适于多种类型的致动/人工肌肉系统的能够变形的机器人表面的灵活性。优选的人工肌肉系统图4a是能够变形的机器人表面的三维计算机表示。图4a示出了处于中性或未变 形状态的计算机表示。该计算机表示示出了具有顶点402、边缘404和面406的多边形。顶 点402、边缘404和面406是在3d计算机应用中描述多边形的分量。能够变形的机器人表 面的控制点102、控制点连接器104和覆盖物106可以在3D程序中被表示为顶点402、边缘 404和面406。下述例示了这种相关性(A)控制点102被表示为顶点402
(B)控制点连接器104被表示为边缘404(C)覆盖物106被表示为面或一系列面406图4b示出了对应于图4a中所示的三维计算机表示的能够变形的机器人表面。图4b示出了处于中性或未变形状态的能够变形的机器人表面。图4b中所示的能够变形的机器人表面具有位于致动器和控制点102之间的旋转 轴承410。能够变形的机器人表面具有用于控制y轴上的运动的致动器412、用于控制χ轴 上的运动的致动器414和用于控制ζ轴上的运动的致动器416。附图标记418在整个说明 书中用于指代一般意义上的致动器。致动器通过旋转枢轴408安装到基座420。图4c示出了处于变形状态的图4a的三维计算机表示。图4d示出了处于对应状 态的能够变形的机器人表面，在该状态中，选中的控制点被平移到要求的位置上。图4b和图4d显示了致动该能够变形的机器人表面的控制点102的优选方法。在 该实施例中，每个控制点102都接合到对应的致动器上。这些致动器通过下述方式定位控 制点102 在x、y和ζ方向上平移点，以使各个控制点102在适当的空间和适当的时间运动 到特定位置。当恰当地执行时，这些控制点102可以模拟图4a和图4c中所示的3D计算机 模型的对应顶点的位置。旋转枢转点每个致动器都优选地通过旋转枢轴接合到支撑表面420。图4a至4d显示了单球 轴承408形式的旋转枢轴。这些旋转枢轴408允许致动器在来自多个致动器的线性致动互 相推拉在彼此之上时仍然保持连接到物体。旋转枢轴408不必具有旋转致动器，因为当连 接的致动器运动时，它们将自动地响应线性致动器的致动。然而，如果希望，可以使用旋转 致动器替代旋转枢轴。可以使用各种类型的旋转枢轴，只要可以实现适当的自由度。旋转枢轴可以由 各种方法制成，这些方法包括但不限于例如杆轴承、多旋转铰链(multiple rotational hinge)。图4a_图4d显示了一种方法，在该方法中能够变形的机器人表面可用于在现实世 界中再现3d动画(animated)表面。这可以通过在整个空间和时间上记录计算机表示的顶 点402行进的距离来实现。然后，通过致动在对应的控制点102上匹配相同的空间和时间。 因此，几乎任何在3D计算机应用中设计的动画表面或非动画表面都可以在真实世界中再 现，例外可以包括但不限于尺寸、控制点、连接器等等；占用相同物理空间；通过彼此而变 形的动画表面。可选的致动方法图8a和Sb、图9a和9b例示了用于变形能够变形的机器人表面的可选致动系统。图8b示出了处于充气构造的具有气囊1408的气动致动器，而图8a示出了处于排 气构造中的气动致动器。气囊包括致动器隔膜1408。控制点102通过控制点基座1402接 合到气动致动器1404。气动致动器致动控制点102。例如，通过比较1404中的排气致动器 和1406中的充气致动器来示出位置的变化。致动器明显地使控制点102运动到空间上的 新位置。可以以其他方式气动致动器以操纵控制点的位置。例如，控制点可以接合到致动 器的端部或者以无规律的模式横跨(rimacross)气囊表面。可选地，可以通过直接将控制 点粘合到致动气囊1408上而在没有控制点基座1402的情况下生成这种设计。
图9a和9b示出了电活性聚合物1506形式的致动器。在该可选实施例中，控制点 102和控制点连接器104连接到电活性聚合物1506。当电压施加到电活性聚合物时，电活性 聚合物将改变位置。通过比较附图标记1502所示的断开电压时的致动器和附图标记1504 所示的接通电压时的致动器来示出位置的变化。致动器使控制点102运动到空间上的新位 置，因为控制点102连接到致动器。还可以以很多其他形式使用电活性聚合物致动器来操 纵控制点的位置。例如，电活性聚合物可以设计为模拟生物体肌肉(organism muscle)结 构的流动，其中控制点可以接合到该生物体肌肉结构。电活性聚合物例如可以生成为弯曲 的、平坦的或者盘绕的(coiled)形状，其中控制点可以接合到该形状。致动器/控制点结合件对于通过各种致动系统致动的能够变形的机器人表面，有时不必改变将 致动系统 结合到能够变形的机器人表面的结合件、紧固件和连接器1402。可以使用各种结合件、紧固 件和连接器1402，因为设计很大程度上取决于所用控制点和致动系统的类型。优选地，致动 系统可直接接合到控制点。柔性基座柔性基座6302可以添加到致动系统以作为致动系统的减震器。图42示出了接合 到致动器418的每个端部的优选实施例的柔性基座。柔性基座优选地接合到致动器418和 覆盖物106、控制点连接器104以及控制点102之间。柔性基座具有弹簧6302、到致动器连 接器的弹簧6304和到基座连接器的弹簧6308。图42示出了两个柔性基座，在致动器的每个端部都接合一个柔性基座。可选地， 致动器可刚性地接合在一个端部，并且通过柔性基座在另一个端部处柔性地接合。柔性基座可接合到能够变形的机器人表面的一个或多个致动器。可选地，柔性基 座可接合到能够变形的机器人表面的仅仅一些致动器。这些柔性基座可以缓冲外力产生的冲击，该冲击有可能会破坏致动器系统。这些 柔性基座可以由各种材料制成，这些材料包括但不限于例如弹簧、橡胶、硅和塑料。混合(blend)不能够变形的机器人表面部件和能够变形的机器人表面例如，机器人表面可接合到不能够变形的机器人表面和/或接合到附加层或人造 皮肤。图36显示了接合能够变形的机器人表面和非机器人表面5702的方法。能够固定 到控制点102的凸形连接器5706也可以插入和固定到非机器人表面的凹形连接槽5708。 另外，可重新接合的边缘6412可以添加到非机器人表面5702的边缘和能够变形的机器人 表面的边缘，以接合能够变形的机器人表面的边缘和非机器人表面5702的边缘。能够变形 的机器人表面还可以以很多其他方式接合到非机器人表面5702，这些方式包括但不限于例 如强力胶、环氧树脂、钩环紧固件、弹性体粘合剂、滑动紧固件、其他粘合剂、人造皮肤、利 用一个或多个附加层和利用附件。图7是具有附加层或人造皮肤的图1的能够变形的机器人表面的优选实施例的透 视图。附加层或人造皮肤可适当地变形，使得它们可随着覆盖层、控制点和控制点连接器的 变形而变形。图7示出了能够接合到能够变形的机器人表面的附加层702和/或人造皮肤 /外表面704。人造皮肤/外表面704可添加到能够变形的机器人表面，以形成额外的表面 细节。该外表面704可以人工地形成或者从生物体克隆，并作为外表覆盖物而添加到能够变形的机器人表面。外表面704可以通过各种模制或非模制的材料形成，这些材料包括但不限于例如硅、修复皮肤(prosthetic skin)、大卫汉森的海绵状橡胶材料(Frubber)、特 殊效果皮肤材料和龙皮(dragon skin)。在图7中所示的优选实施例中，另外的附加层702可添加到覆盖物106和外表面704之间。另外地或可选地，附加层702可放置在能够变形的机器人表面的下面。该附加层 702可以用于生成各种不同效果，这些效果包括但不限于例如脂肪层(硅、橡胶、流体)； 附加致动层；用于传感器、导线和其他相关部件的网络；和/或作为改变皮肤的感觉的材 料。外表面704和/或附加层702优选地使用粘合剂706或可将这些表面接合在一起 的各种其他材料而结合到能够变形的机器人表面。将这些表面粘合在一起的最好方法取决 于但不限于被接合的材料、所希望的运动范围、所希望的弹性、粘合剂与被接合表面的亲 和性(compatibility)，可以将表面接合在一起的产品可以是但不限于例如强力胶、环氧 树脂、钩环紧固件、弹性体粘合剂、其他粘合剂。可选的能够变形的机器人表面组合图50a至61b示出了能够变形的机器人表面的可选实施例。除非下文中明确描述， 应认为这些特征和操作和上述相关的特征和操作相同，并且相同的数字用来指示相同的部 件。可选实施例可以包括但不限于图50a和50b显示了其中控制点102嵌入到覆盖物106中的可选实施例。可选地， 控制点102可以嵌入到附加层702或外表面704中。在该可选实施例中，控制点基本上是 与覆盖物的下表面齐平。图51a和51b显示了其中控制点102接合到覆盖物106的可选实施例。可选地， 控制点102可接合到附加层702或外表面704。在该可选实施例中，控制点接合到覆盖物的 下表面并从覆盖物向远处延伸。图52a和52b显示了其中控制点102和控制点连接器104嵌入到覆盖物106中的 可选实施例。可选地，控制点102可以嵌入到附加层702或外表面704中。在该可选实施 例中，控制点基本上与覆盖物的下表面齐平。图53a和53b显示了其中控制点102和控制点连接器104接合到覆盖物106的可 选实施例。可选地，控制点102可接合到附加层702或外表面704。在该优选实施例中，控 制点和控制点连接器接合到覆盖物的下表面并从覆盖物向远处延伸。图54a和54b显示了其中扩张和收缩网7602嵌入到覆盖物106中的可选实施例。 可选地，扩张和收缩网7602嵌入到附加层702或外表面704中。在该可选实施例中，扩张 和收缩网7602基本上与覆盖物的下表面齐平。图55a和55b显示了扩张和收缩网7602接合到覆盖物106。可选地，扩张和收缩 网7602可以接合到附加层702或外表面704。在该可选实施例中，扩张和收缩网7602接合 到覆盖物的下表面并从覆盖物向远处延伸。图56a和56b显示了其中控制点102嵌入到扩张和收缩网7602中的可选实施例。 在该可选实施例中，控制点基本上与扩张和收缩网7602齐平。图57a和57b显示了其中控制点102接合到扩张和收缩网7602的可选实施例。在 该可选实施例中，控制点接合到扩张和收缩网的下表面并从扩张和收缩网向远处延伸。
图58a和58b显示了其中致动系统7604嵌入到覆盖物106中的可选实施例。可选地，致动系统7604可以嵌入到附加层702或外表面704中。在该可选实施例中，能够变形的 机器人表面的控制点有效地与覆盖物、附加层或外表面整体成形，而不是如附图50A至55A 中示出和描述的单独地形成的部件。图59a和59b显示了致动系统7604可以接合到覆盖物106。可选地，致动系统 7604可以接合到附加层702或外表面704。在该可选实施例中，能够变形的机器人表面的 控制点有效地与覆盖物、附加层或外表面整体成形，而不是如图50A至55A中示出和描述的 单独地形成的部件。图60a和60b显示了致动系统7604与扩张和收缩网7602可以嵌入到覆盖物106 中。可选地，致动系统7604可以嵌入到附加层702或外表面704中。在该可选实施例中， 能够变形的机器人表面的控制点有效地与覆盖物、附加层、外表面或扩张和收缩网的任一 个整体成形，而不是如图50A至55A中示出和描述的单独地形成的部件。图61a和61b显示了致动系统7604与扩张和收缩网7602可以接合到覆盖物106。 可选地，扩张和收缩网7602可接合到附加层702或外表面704。在该可选实施例中，能够变 形的机器人表面的控制点与覆盖物、附加层、外表面或扩张和收缩网的任一个整体成形，而 不是如图50a至55a中示出和描述的单独地形成的部件。计算机仿真在设计和测试机器人或能够变形的机器人表面时，计算机仿真是有用的。在3d软 件中生成的仿真，可以在运动中测试机器人或能够变形的机器人表面的设计，以首先保证 一切都在3d仿真中工作。一旦生成了工作仿真，就可以构建和组装部件，然后动作就可以 输出到组装的机器人。用于辅助设计过程的方法可以是但不限于例如映射运动(mapping motion)、3d动作、测试人工肌肉系统、设计能够变形的机器人表面。从3d仿真确定致动器运动物理致动/肌肉系统的运动可以通过下述方式在3d程序中生成使用动画的顶点 信息来驱动类似于物理致动系统的计算机生成的致动系统。这可以通过将3d致动系统限 制到3d计算机生成的致动器的一侧的顶点并将连接点限制到3d致动器的相对侧来完成。 当顶点运动时，3d致动器在时间和空间上被致动，以在必要时扩张，从而在整个时间内匹配 顶点位置。为了使3d致动系统工作，可能需要对3d致动系统做出调整。一旦3d致动系统可以匹配顶点位置，限制的运动可以返回(baked)到3d致动器 的动画通道上。既然3d致动器具有施加到其上的动作曲线，那么它们可以在没有限制辅助 的情况下动作。一旦完成上述内容，那么动作就可以输出到接合到机器人的物理致动设备。 现在，如果物理系统匹配计算机仿真的话，可以使相对应的点运动到与3d致动系统相同的 空间和时间。本说明书中描述的实施例例示了很多方式，在这些方式中，能够变形的机器人表 面可以被设计成产生用于基于实际生物体的人造生物体的能够变形的机器人表面。在所述 实施例中，具有适当的致动/人造肌肉系统的精心设计的能够变形的机器人表面可以在其 整个运动范围内模拟生物体的表层皮肤体积(skin volume)，从而在其整个运动范围内生 成模拟生物体的表面体积(surface volume)和变形的能够变形的表面。控制点的放置
控制点102的放置可以取决于生物体的骨骼、肌肉、脂肪和皮肤结构，其针对每个生物体形成理想的控制点布局。可以通过考虑以下方面来改进上述放置在身体的特定 部分中，在其整个运动范围内，上文中提到的因素中的哪一个对于表层皮肤变形来说是最 主要的。在人脸中，皮肤、脂肪和骨骼是主要的考虑事项。在手和脚中，骨骼和皮肤的折叠 (fold)是主要的考虑事项。身体的其余部分主要取决于肌肉、脂肪和骨骼结构。这些控制 点布局在下面的段落中将进一步说明。人造大腿图2显示了生物体的大腿肌肉202和能够变形的机器人表面204相对应的人造大 腿的优选控制点102和控制点连接器104的布局的详细图像。控制点102提供关键位置， 从这些关键位置可以操纵人造皮肤/外表面704。人造大腿204中的控制点102以这种方 式设置，即控制点通常在和生物体的大腿202的下层表层肌肉结构相同的方向上流动。为 进一步例示这种情况，对比生物体的缝匠肌(sartorius muscle) 208和能够变形的机器人 表面的缝匠肌的表示210。能够变形的机器人表面上的缝匠肌的表示210通过控制点212 的两个外部行绘出。沿着控制点连接器104边界的黑色外部轮廓有助于例示生物体肌肉和能够变形 的机器人表面设计之间的相似性。另外，设置有控制点214的内部行。该能够变形的机器 人表面以这种方式设计，即为了曲伸人工肌肉，在朝向覆盖物106的方向上提升控制点的 内部组214，并且可以在远离覆盖物106的方向上下压或撤回控制点的外部组212。通过致 动器推和拉这些点允许这些变形在其整个运动范围上表达发生在生物体的缝匠肌上的类 似类型的体积(volume)变化。可以使用很多可选的控制点102布局生成类似的结果。例如，图2中示出了控制 点102和控制点连接器的可选布局206。然而，通过该可选布局206给出的结果可能无法给 出和上述优选布局204 —样多的变形控制。人造面部图3a是生物体的面部302的正视图，图3b是与用于人造面部形式的能够变形的 机器人表面的控制