国为研发机构Guowei Research and Develop Institute目录：Catalog1.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，不能应对变化中的环境。

另外还必须采用双足配重解决跌倒问题；这是机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。

机器人行走时的抬脚动作将产生势能；利用这个能量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，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。