类人机器人设计与制造

国为研发机构

Guowei Research and Develop Institute

目录：Catalog

1.前言 (2)

2.骨架 (3)

3.弹性关节 (4)

4.弹性体液压肌肉 (5)

5.液压驱动装置 (6)

6.自动化驱动系统 (7)

7.液压管路系统 (9)

8.凸轮步行足 (9)

9.高仿真眼球 (10)

10.坐姿驱动器 (10)

11.弹性体液压肌肉的制备 (11)

12.无机人类的产业构成与布局 (12)

13.研发团队与研发对象 (13)

14.无机人类与社会变革 (14)

15.附录 (16)

前言：这是一部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，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