类人机器人设计与制造

1、 Design and Construction of Humanoid Robot袁建新清水管水沙斗转盘微型扬声器（内置）存金环瓣膜片机桶压力管5.按压式电位器4.麦克风散流锥狗头金探测器导板国为研发机构Guowei Research and Develop Institute目录： Catalog TOC o 1-5 h z 前言 2骨架 3弹性关节4弹性体液压肌肉 5液压驱动装置 6自动化驱动系统 7液压管路系统 9凸轮步行足9高仿真眼球 10坐姿驱动器 10弹性体液压肌肉的制备 11无机人类的产业构成与布局 12研发团队与研发对象 13无机人类与社会变革 14附录 16前言： 这是一部

2、关于类人机器人设计与制造的书，内容包括骨架结构，弹性关节，弹性体液压肌肉，电动液压驱动系统和人工智能及控制系统等。与工业机器人不同的是；类人机器人主要加入人类生存环境，制造精度远低于工业机器人和机械臂。既然是类人性质的产物，它的形体，重量， 行为动作等设计严格遵照仿真原则。此书的基本目的是促生无机人类的诞生，将自然人类从方方面面解放出来。当今工业机器人的成熟技术派生出来的仿真机器人和机器狗已经达到相当的制造与控制水准。但始终不能脱离传统的机械设计理念和材料应用，原因不外乎基础学科教育内容一致性的制约。但制约并非绝对；日本和美国的性别仿真机器人开辟了新的方向，尽管其内核依然停留在机器狗的钢铁结构

3、设计思路范畴。国为研发机构主要宗旨是重点研发刚体和柔性或弹性体材料的结合应用。根据长期的调查研究发现此类设计与应用相对稀缺，主要原因是理想的柔性和弹性体材料在市场上的出现较晚，早期品种和性能远落后于当下。另外专业的教学研究几乎没有涉及。从机会方面讲；轻质的仿真机器人正逢时机。本书内容将延续并推进新方向上的仿真机器人的设计和制造，作者力求努力提供新的创意，从而引出繁花似锦的不分地域的更多无机人类品种。骨架与肢体：软体类人机器人骨架必然首选轻质合金或树脂材料；从而获得类人的重量及灵敏度。铝合金型材是不错的选择，它具有采购方便，容易加工和设计改造的特点，更适合样机开发。关节采用聚氨酯铸造成型工艺，目

4、的是利用其弹性， 高强度及耐疲劳耐温等特点。利用聚氨酯材料弯曲后弹性获得肢体复位可以部分或完全替代回转轴式关节设计结构，如此， 更符合仿真效果。下图是一个简单的骨架结构，根据简图；如下展开几个功能件的布置和工作性质。从图中不难看出关节只有两类；肩关节和髋关节可以转动和弯曲，转动用于大幅度动作，弯曲应对小幅度动作。弯曲设计使臂和腿可以执行向身体两侧的小幅度动作。髋关节转动使抬腿和坐下得以实现，肩关节转动使抬臂得以实现。 膝关节仅仅是一块聚氨酯弹性体，其功能基本只有曲直两种的重复，侧弯可以加入选择性设计当中。考虑到人体重心及运动平衡；髋关节以下材料可以采用较重的。另外行走驱动电动液压系统安装于小腿

5、和足部较为合理。左右腿各自采取独立驱动，目的是实现转身功能。 根据实测人慢步行走时的足底离开地面的距离在2.5 公分不失雅观，那么将足部行走设计成圆缺凸轮结构是最稳定的选择。这样的设计；足底离开地面时凸轮不离开地面，但行走幅度取决于圆缺凸轮弧线长度。弹性关节：下图是手指结构示意；骨骼采用树脂材料，关节采用聚氨酯。实际整体聚氨酯模铸更好。图中关节是嵌入的，关节两端的孔用于插入树脂销产生膨胀起到固定作用，图中设计是为了制作简单。这里仅仅是设计方案的一种，但绝对不会采用现有的超重设计；如果将液压肌肉安装在小臂位置并通过拉线驱动手指弯曲，仿真手的重量必然比真人手轻， 那么； 此仿真机构的安全性就凸显了

6、，这是类人机器人设计的重要指标。减小仿真手的运动惯量可以优化类人机器人的性能。至于关节的动作方向是液压肌肉挂点的问题；基本方案是将动作幅度按大小分为两种。这样分解可以简化控制难度；原理是综合必然复杂，简化可以产生不必要的计算交集。 机械设计经验和人体肌肉数量指出；多点驱动是人体灵活性和形体运动艺术的物质基础。实现软体类人机器人的仿真功能便可着眼于肌肉挂点设计和数量方面。这方面是结构选型后工作量较大的部分并密切关联产品性能。弹性体液压肌肉：弹性体液压肌肉是国为研发机构专门为软体机器人开发的仿生驱动原件，其结构非常近似人类肌肉单细胞。通过单一管道将液压介质输入其内腔；弹性体液压肌肉会轴向收缩并拉动

7、肢体骨骼同时弯曲关节并实现肢体运动。全部肢体运动将基本采用同一驱动原理；不同的是肌肉大小要根据肢体尺寸和发力要求设计。目前根据弹性体液压肌肉所需功能有四种不同结构的设计类型；主要有管状和带状结构两种，还有金属与弹性材料结合设计两种。连接弹性体液压肌肉的压力介质驱动管路采用尼龙管自然具备高强度和轻质的特性。接头采用永固方式将避免很多麻烦。工程实践显示；可拆装设计会方便修理和更换，但永固式铆接，焊接或整体铸造却一劳永逸。如何选择是一个普遍的依靠经验制定决策的问题。上图是弹性体液压肌肉，专利公示号为：( CN 106965155 A )由于弹性体肌肉具备自回缩功能；肌肉内液压介质靠其自身回缩反作用力

8、回流同时使肢体骨骼复位，其灵敏度和力度便简化成为关节材料弹性模量与截面设计调整的简单变量。如此的好处是骨架设计部分脱离动力关节的考虑同时简化实验后的修改，或者说完全排除电动舵机驱动。仅凭前述肢体骨骼和肌肉的材料特征，类人机器人在重量上是不会超过真人的。弹性体液压肌肉的具体论述将在本书最后的附录中详解。液压驱动装置：电动液压驱动系统的设计选择比较宽泛；相对简单动作的机器人，每个单一动作用一个胶囊泵联通肌肉组成独立的液压动作单元，采用一个电机驱动一组轮系并关联胶囊泵便可实现一套程序动作。缺点是机械程序适用范围呆板， 功能单一，这是八音盒式的设计，不能应对变化中这是机另外还必须采用双足配重解决跌倒问

9、题；器人产品的最大忌讳。更好的系统是每一个或多个关联动作采用同一个专用伺服马达带动齿轮泵驱动液压肌肉，伺服马达通过蜗轮付连接齿轮泵获得自锁。这样每个关节动作转矩及速率相对独立， 自动化水准提高并可高度模仿真人行为，并可自动调整行走时身体重心。人体解剖发现；人体的复杂行为及灵活度是通过三百多条肌肉执行的，这样看仿真机器人的肌肉数量对应的是行为仿真度问题。这也是一个关系市场需求的问题，也是开发商的产品系列问题。考虑自然人与机器的结合设计是创发的基准，在这方面我们是幸运的；因为自然史给我们提供了一个广泛丰富的参照模型。自动化驱动系统：自动化驱动系统业已十分成熟；纯机械加伺服舵机类机器人开发实践中的现

10、有AI 控制技术直接移植是绝对可行的。 由于采用液压肌肉单独肢体驱动加整体行为数控方案，仅考虑某一肢体动作的话；其动量仅关联脉冲幅度和密度就简单多了。下面按顺序理清一下；1. 脉冲电流驱动伺服马达。 2. 马达转数决定介质流量。3. 介质流量决定肌肉收缩长度。4. 肌肉收缩长度决定肢体动作幅度。5. 一个设计动作完成后如果需要返回，自锁的蜗轮传动液压泵按前一参数逆转，依靠电机逆转同时介质回流发生关节弹性复位从而完成一套设定动作。这是一种单独介质压力管路驱动， 不带旁路回流管和控制阀体的方案。另有一种更简单的柱塞泵液压驱动方式；采用直线电机直连柱塞，直线伺服电机驱动来的更直接，体积相对更小。 直

11、线电机往复频率提高可以减小柱塞泵行程，这里直线电机是特制的圆柱形永磁多级电磁铁。将一个脉冲同一个肢体运动幅度或摆角关联；我们控制人体动作的算术就简单了。需要多少脉冲是可以任意追加或减少的，需要量值的人工输入记录在计算机的存储系统中并加入程序，需要自动运行时调取并执行记忆就行了。这是机器人体适应给定理想实验条件的简单程序，真正需要的是自识别和可自学的AI 计算机系统。不过其难度因速度和适应环境不同，不会超过自动驾驶技术，况且这些都是现有的。从技术上讲就是一个移植过程。液压管路系统：既然采用了弹性体液压肌肉，全部液压管路就采用单线制， 也就是介质从唯一管路进出。如此优点首先是轻，其次是简单。如果用

12、管路分流代替液压驱动系统逆转，就必须在分流管路上加装电控阀体控制回流，这样会多出管路， 电路， 阀体和额外的电控单元，结果是挤占空间，增加重量等一系列问题，这是非必要情况下不必采用的。凸轮步行足：凸轮步行足采用圆缺凸轮执行向前后行走动作，凸轮可以只用两个，它们不是完整的滚轮，其中轮子平面在足底触地时离开地面。凸轮由电机驱动，每圈转动完成一个行走步长。如果用软轴连接驱动凸轮；便可以将凸轮转向加入设计。踝关节可以采取弯曲和转动的设计，目的针对的是人体行走和转身。利用这个能量机器人行走时的抬脚动作将产生势能；可以采用柱塞泵或胶囊泵置于足底部，柱塞泵连接一个储能器， 储能器连接伺服阀（伺服直线电机驱动

13、控制的特制阀体）再通过管路连接用能装置。例如： 执行机器人面部表情或五官动作等。高仿真眼球：高仿真眼球自身就是一个非常具有专利价值的高科技产品。 主体结构将采取半个玻璃球内置彩色液晶显示器，图像软件专业开发。这样显然不必像人一样用肌肉活动眼球实现仿真效果。开发一个独立的图像软件更可以产生高仿真效果并可任意无限更新。一双充满灵性会说话的眼睛定将终极提高仿真机器人的逼真度。坐姿驱动器：坐姿驱动器是执行坐下与起立的驱动单元，与行走不同的是其肢体动作幅度在90范围， 所以采用电机蜗轮驱动， 目的是快速和自锁。坐姿驱动器连接髋关节转轴也连接膝关节，这样同步性较好，至此； 下肢自然会出现平行四边形框架设计

14、，这个烧脑的问题需要具体研究。坐立动作独立于行走动作，结构上可视为串连换挡关系。由于坐姿驱动器使用频率不高，那么可以在设计中加入一个液压泵站用于驱动其它关节。这是一个空间，效率和结构平衡利用优选问题。也符合轻质简洁的设计原则。弹性体液压肌肉的制备：制备材料仅仅采用弹性塑胶和低伸长率索线；两种材料的市场品种非常之多为弹性体液压肌肉的制备提供了太多设计选择。索线材料最理想的是钢丝，因为这样弹性体液压肌肉更具有金属拉杆的特点。塑胶的材料耐油耐温指标根据通入介质选择，种类包括；水， 油或流动晶体等。物理指标是不渗漏，化学和环境指标是不腐蚀不污染。弹性体液压肌肉的制备工艺可参见下图示意：根据介质特性选择

15、弹性胶管，复合设备关键零件有收拢环和分线环。将弹性胶管和索线按图穿入其中，然后牵引复合后的产品即完成制作的组合工艺。此后更重的是组合后的涂覆层；目的保证产品结构的使用寿命为主。根据弹性体液压肌肉的回缩要求；图层或包覆层材料的弹性模量和厚度是控制回缩力的控制点，当然最好根据实验获得。弹性体液压肌肉的专利要点就是定量环设计；定量环最简单的制作可以用绕线的方法，其间隔与肌肉直径有密切关系。 如图工艺可以产出任意长度的肌肉，每两个定量环的间隔部分是一个“肌肉单位”， 它的收缩量是相对固定的，所以分切成几个“肌肉单位”根据驱动量要求选取。弹性体液压肌肉与尼龙管道的连接另有相应专利布局，这里不加讲解。附录

16、中有三种刚柔结合的液压肌肉。无机人类的产业构成与布局：特殊胶管及索线定制采购获取，自主设计生产专用肌肉。骨架材料专业采购，自主开发研制机型和功能系列品种。关节根据设计定制，根据实验成熟状态决定量产规模。电机减速机及液压泵根据自主设计要求定制。仿真塑胶人体联合专业商企共同开发，其艺术高于技术。AI 技术市场业已超前，联合开发，自主把关选型。能源采用先进的大容量快充电池，目前电池技术日渐成知识产权是诸如人手一部的手机之类产品的命脉，所以专利布局必须高度同步于产业研发自身。无机人类作为一项产业空白或初级发展阶段；为我们提供了无比广大的发展空间。国为研发机构立足学科综合贯通，着眼现有技术并将其整合，是

17、全体以及潜在同仁的基本理念。以无机人类研发投身于软体类人机器人领域边界之内作为发展前途。长期的研究设计结果是低成本高可行性短周期与并肩有机人类发展的可持续性。其全部积累呈现的仅仅是一个期待中的开始。研发团队与研发对象：任何有形体物件的开发制作必须有相应技能的人完成。在教育分科的时代团队便是一种必须。完成理想的软体类人机器人实验模型至少需要大幅度跨行业人才。比如项目对象就是人与机器的相互交集的品种，固然需要医学界懂得骨骼肌肉神经甚至是体育和心理学的专家，否则“类人”特性的机器人还是机器。产品模型从结构上主要由机械，电器，计算机构成；骨骼肌肉对应的是机械，电器对应的是神经和体热能，计算机对应的是体

18、育，行为， 心理和语言这些关系人本质的科学。目前“钢铁类人机器人”的研制已达到相当先进水平；本着集合现有技术的理这无疑给我们奠定了很好的基础。念， 软体类人机器人的研制重点几乎集中在现有材料利用方面。 因为安全我们选择了轻质材料，为了更接近生物本质我们选择了塑胶和轻质材料。不同的材料选择在结构形式和驱动原件方面引起的设计不同，将使高仿真类人机器人更安全更灵敏更像人类。无机人类与社会变革：当前自动化高效生产线甚至是现代化工具挤掉的工作岗位普遍发生于各行各业，AI 设备和机器人也逐年大量替代文案工作者。机器替代人类从事劳动的时代正在以加速度步伐迅猛发展。这将给社会就业带来毁灭性的潜在灾难。无机人类

19、作为一个范畴词将不免包括工业机器人和服务机器人，从社会结构的直观角度讲；它们是劳动就业者的敌人，相反也是有产者的亲朋。那么从政治经济学的思想方法看；显然无机人类是介于资本与劳动之间的产物。既然它们具有可界定的独立属性，那么就可以将其从有产者手中剥离出来并给予其“类人格”属性的法律地位。 同时它们便具备了商品性质，进而通过出品商之手有偿转入被其替代的劳动者名下。当然这其中必然牵涉诸多立法问题。 既然其同时具备了商品和劳动属性，将其归类于社会保险统筹的立法之中无疑是符合时代历史进程的科学选择。有趣的是无机人类变成了没有生命的法人代表，拥有其产权的名义劳动者自然人便是法人了。作为人类社会划时代演进的

20、标志物；具有超级社会颠覆性的类人机器人作为商品将来也必将成为保险业的一个重要经营品种。立法环境下的AI 机器人和各种类人机器人等商品的被劳动者的据有直接消灭了无产者这个社会成分。马克思主义的唯物主义历史观终将由物质的科学利用证明其生命力。我们正处在大变革大发展的历史关头，并将在很短的时间内见证人类历史上最迅速最先进的大变革。弹性体液压肌肉（申请已公示）发明名称：弹性体液压肌肉。发明目的：将液压肌肉用作仿真机器人的驱动原件。结构材料：液压肌肉结构的功能部分全部采用高分子材料。基本结构：1. 弹性液压管，2. 索线， 3. 保护层，4. 定量环，A 端 , 6. B 端。见图：工作原理：本发明是一

21、种用于机器人的行动驱动原件，它被用 TOC o 1-5 h z 作仿真机器人的动作执行器。在实际使用中，5. A端将连接液压动力源接头并制有锚固点，6. B 端封闭并连接受力作用点，此时液压肌肉形成封闭体。当压力介质进入1. 弹性液压管后，会迫使其膨胀使其直径加大。由于弹性液压管直径加大造成2.索线弯曲，索线弯曲将改变弹性液压管的轴线长度，从而在 A.B 两端发生作用力。（索线材料弹性模量取高数值）这样，弹性液压管可实现驱动功能。3. 保护层将索线保持在永久固定位置从而实现稳定的功能。 4. 定量环采用金属材料，用于设定弹性液压管轴线收缩量，其间隔可根据实际需要设定。弹性液压管的弹性模量决定介

22、质回流速度，其参数根据机器人肢体灵敏度要求调整。本发明特性：本发明重量轻所以惯量小，灵敏相对度加大。因此自动化控制成本降低。其体积小所以更适于服务型机器人手的设计应用，它将使机器人手更接近人类手臂。其适用范围可以遍布机器人整体并实现液压驱动。本发明弹性体液压肌肉只有一个输入端A 和一个封闭端B， 所以泄漏的几率更小。本发明采取了弹性体和低延伸率索线的结合，由此为弹性体和刚性体结合的液压肌肉开发奠定了设计基础。本发明效益：1.成本低，2.结构简单，3.控制方便，4.环保节能。专利保护要求：1. 要求保护图中1 至 4 部分的结构特征。要求保护本发明弹性体和索线结合在介质压力条件下径向膨胀轴向收缩

23、的设计结构。要求保护采用定量环分级的多级结构可以实现的肌肉收缩量级的具体设计。两种肌肉功能对比：McKibben 气动肌肉的基本结构如图2 所示；其弹性软管由高强度纤维网包覆，纤维a 角理想范围20 ，此选择基于优化的径向反力和轴向拉力。纤维网双层覆盖且非交叉编织（交叉编织会产生自锁）， 目的是减小摩擦并克服肌肉延自身轴线旋转。其作用力行程与L 成正比，L 的收缩量取决于包覆纤维自身的结构直径，因为其工作时先径向膨胀后轴向收缩，肌肉轴向收缩会将纤维压缩密实达到临界便停止驱动功能。由于其非刚性原件的特质，其启动阈值会受高强度纤维网的松弛度影响，如此可知它具备一定的缓冲作用。McKibben 气动

24、肌肉主要靠管径变大实现长度变小的几何变形完成其功能，它从启动到停止收缩的过程也是纤维a 角变大的过程，a 角变大纤维轴向分力变小。a 角 45时径向力占用50%， 加上纤维轴向力作用于弹性软管自身轴向收缩，轴向力之和不足50%。 可见气动肌肉的机械效率并不理想。纤维网的自摩擦造成发热更不利于高频率和高负荷动作。 McKibben 气动肌肉发明于上世纪50 年代， 相关论文至今数以千计，实验遍布世界，其价值可见一斑。下图是一种SAIR 液压肌肉设计；索线之间平行排列并环绕弹性管布置，定量环 （分级环）间隔分布，其间隔距离为弹性管外径的 2-4 倍。 如此结构大大改善了McKibben 气动肌肉的

25、不足。SAIR 液压肌肉的功能及力学特性：当此肌肉被施加介质压力后定量环之间的弹性管将膨胀并迫使索线弯曲从而实现驱动功能；增加定量环设计的目的是为了获得足够的轴向收缩并同时减小弹性管的膨胀量。通过下图可以分析最佳值获取。Fh 是压力介质矢量，Fd是近似索线拉力，Fc是 Fh与 Fd的合力。通过矢量图可以看出Fh 越小 a角越小，同样弹性管膨胀截面也越小。垂直于弹性管膨胀截面上的压力方向同Fc相反， 故而弹性管动态最大直径当取a角小于30为宜。考虑弹性液压肌肉工作效率，所以设定管径膨胀取低值，同时采用定量环多级设计来获取理想的收缩量。 SAIR 液压肌肉的设计参考原型来自人体肌肉和肌肉单细胞，是

26、是进而开发弹性制作双足行走类人机器人的具有比重优势的器件，体和刚体结合材料肌肉的参考。橡胶内胆与弹簧钢丝结合的液压肌肉发明名称：橡胶内胆与弹簧钢丝结合的液压肌肉。发明目的：将橡胶内胆与弹簧钢丝结合的液压肌肉用作机器人或各种机械装置的驱动原件。结构材料：橡胶内胆与弹簧钢丝结合的液压肌肉的材料主要由薄壁钢管，丁晴橡胶或聚氨酯弹性材料构成。 TOC o 1-5 h z 基本结构：1. 橡胶内胆，2. 钢丝索线，3.前铰链，4. 后铰链， 5. 弹性套 , 6. 液压管接头。见图1。另一结构是多级形式。见图2。工作原理：本发明是一种用于机器人的行动驱动原件，它被用作仿真机器人或其他机械装置的动作执行器。 在实际使用中，1. 橡胶内胆输入压力介质后将产生径向膨胀并将2. 钢丝索线直径加大轴向尺寸变小，从而使 3. 前铰链和4. 后铰链之间的距离缩短，从而产生驱动力。5. 弹性套起到使钢丝索线径向复位的作用。6. 液压管接头连通伺服阀及液压动力源实现自动化控制。图 1 所示为单极结构， 为了加大轴向收缩量，本发明设计有多级结构。