類人機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造

1、 Design and Construction of Humanoid Robot袁建新清水管水沙斗轉(zhuǎn)盤微型揚(yáng)聲器（內(nèi)置）存金環(huán)瓣膜片機(jī)桶壓力管5.按壓式電位器4.麥克風(fēng)散流錐狗頭金探測器導(dǎo)板國為研發(fā)機(jī)構(gòu)Guowei Research and Develop Institute目錄： Catalog TOC o 1-5 h z 前言 2骨架 3彈性關(guān)節(jié)4彈性體液壓肌肉 5液壓驅(qū)動裝置 6自動化驅(qū)動系統(tǒng) 7液壓管路系統(tǒng) 9凸輪步行足9高仿真眼球 10坐姿驅(qū)動器 10彈性體液壓肌肉的制備 11無機(jī)人類的產(chǎn)業(yè)構(gòu)成與布局 12研發(fā)團(tuán)隊(duì)與研發(fā)對象 13無機(jī)人類與社會變革 14附錄 16前言： 這是一部

2、關(guān)于類人機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造的書，內(nèi)容包括骨架結(jié)構(gòu)，彈性關(guān)節(jié)，彈性體液壓肌肉，電動液壓驅(qū)動系統(tǒng)和人工智能及控制系統(tǒng)等。與工業(yè)機(jī)器人不同的是；類人機(jī)器人主要加入人類生存環(huán)境，制造精度遠(yuǎn)低于工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械臂。既然是類人性質(zhì)的產(chǎn)物，它的形體，重量， 行為動作等設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵照仿真原則。此書的基本目的是促生無機(jī)人類的誕生，將自然人類從方方面面解放出來。當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人的成熟技術(shù)派生出來的仿真機(jī)器人和機(jī)器狗已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)闹圃炫c控制水準(zhǔn)。但始終不能脫離傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)理念和材料應(yīng)用，原因不外乎基礎(chǔ)學(xué)科教育內(nèi)容一致性的制約。但制約并非絕對；日本和美國的性別仿真機(jī)器人開辟了新的方向，盡管其內(nèi)核依然停留在機(jī)器狗的鋼鐵結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計(jì)思路范疇。國為研發(fā)機(jī)構(gòu)主要宗旨是重點(diǎn)研發(fā)剛體和柔性或彈性體材料的結(jié)合應(yīng)用。根據(jù)長期的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)此類設(shè)計(jì)與應(yīng)用相對稀缺，主要原因是理想的柔性和彈性體材料在市場上的出現(xiàn)較晚，早期品種和性能遠(yuǎn)落后于當(dāng)下。另外專業(yè)的教學(xué)研究幾乎沒有涉及。從機(jī)會方面講；輕質(zhì)的仿真機(jī)器人正逢時機(jī)。本書內(nèi)容將延續(xù)并推進(jìn)新方向上的仿真機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造，作者力求努力提供新的創(chuàng)意，從而引出繁花似錦的不分地域的更多無機(jī)人類品種。骨架與肢體：軟體類人機(jī)器人骨架必然首選輕質(zhì)合金或樹脂材料；從而獲得類人的重量及靈敏度。鋁合金型材是不錯的選擇，它具有采購方便，容易加工和設(shè)計(jì)改造的特點(diǎn)，更適合樣機(jī)開發(fā)。關(guān)節(jié)采用聚氨酯鑄造成型工藝，目

4、的是利用其彈性， 高強(qiáng)度及耐疲勞耐溫等特點(diǎn)。利用聚氨酯材料彎曲后彈性獲得肢體復(fù)位可以部分或完全替代回轉(zhuǎn)軸式關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如此， 更符合仿真效果。下圖是一個簡單的骨架結(jié)構(gòu)，根據(jù)簡圖；如下展開幾個功能件的布置和工作性質(zhì)。從圖中不難看出關(guān)節(jié)只有兩類；肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)可以轉(zhuǎn)動和彎曲，轉(zhuǎn)動用于大幅度動作，彎曲應(yīng)對小幅度動作。彎曲設(shè)計(jì)使臂和腿可以執(zhí)行向身體兩側(cè)的小幅度動作。髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動使抬腿和坐下得以實(shí)現(xiàn)，肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動使抬臂得以實(shí)現(xiàn)。 膝關(guān)節(jié)僅僅是一塊聚氨酯彈性體，其功能基本只有曲直兩種的重復(fù)，側(cè)彎可以加入選擇性設(shè)計(jì)當(dāng)中?？紤]到人體重心及運(yùn)動平衡；髖關(guān)節(jié)以下材料可以采用較重的。另外行走驅(qū)動電動液壓系統(tǒng)安裝于小腿

5、和足部較為合理。左右腿各自采取獨(dú)立驅(qū)動，目的是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身功能。 根據(jù)實(shí)測人慢步行走時的足底離開地面的距離在2.5 公分不失雅觀，那么將足部行走設(shè)計(jì)成圓缺凸輪結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的選擇。這樣的設(shè)計(jì)；足底離開地面時凸輪不離開地面，但行走幅度取決于圓缺凸輪弧線長度。彈性關(guān)節(jié)：下圖是手指結(jié)構(gòu)示意；骨骼采用樹脂材料，關(guān)節(jié)采用聚氨酯。實(shí)際整體聚氨酯模鑄更好。圖中關(guān)節(jié)是嵌入的，關(guān)節(jié)兩端的孔用于插入樹脂銷產(chǎn)生膨脹起到固定作用，圖中設(shè)計(jì)是為了制作簡單。這里僅僅是設(shè)計(jì)方案的一種，但絕對不會采用現(xiàn)有的超重設(shè)計(jì)；如果將液壓肌肉安裝在小臂位置并通過拉線驅(qū)動手指彎曲，仿真手的重量必然比真人手輕， 那么； 此仿真機(jī)構(gòu)的安全性就凸顯了

6、，這是類人機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。減小仿真手的運(yùn)動慣量可以優(yōu)化類人機(jī)器人的性能。至于關(guān)節(jié)的動作方向是液壓肌肉掛點(diǎn)的問題；基本方案是將動作幅度按大小分為兩種。這樣分解可以簡化控制難度；原理是綜合必然復(fù)雜，簡化可以產(chǎn)生不必要的計(jì)算交集。 機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和人體肌肉數(shù)量指出；多點(diǎn)驅(qū)動是人體靈活性和形體運(yùn)動藝術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)軟體類人機(jī)器人的仿真功能便可著眼于肌肉掛點(diǎn)設(shè)計(jì)和數(shù)量方面。這方面是結(jié)構(gòu)選型后工作量較大的部分并密切關(guān)聯(lián)產(chǎn)品性能。彈性體液壓肌肉：彈性體液壓肌肉是國為研發(fā)機(jī)構(gòu)專門為軟體機(jī)器人開發(fā)的仿生驅(qū)動原件，其結(jié)構(gòu)非常近似人類肌肉單細(xì)胞。通過單一管道將液壓介質(zhì)輸入其內(nèi)腔；彈性體液壓肌肉會軸向收縮并拉動

7、肢體骨骼同時彎曲關(guān)節(jié)并實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動。全部肢體運(yùn)動將基本采用同一驅(qū)動原理；不同的是肌肉大小要根據(jù)肢體尺寸和發(fā)力要求設(shè)計(jì)。目前根據(jù)彈性體液壓肌肉所需功能有四種不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)類型；主要有管狀和帶狀結(jié)構(gòu)兩種，還有金屬與彈性材料結(jié)合設(shè)計(jì)兩種。連接彈性體液壓肌肉的壓力介質(zhì)驅(qū)動管路采用尼龍管自然具備高強(qiáng)度和輕質(zhì)的特性。接頭采用永固方式將避免很多麻煩。工程實(shí)踐顯示；可拆裝設(shè)計(jì)會方便修理和更換，但永固式鉚接，焊接或整體鑄造卻一勞永逸。如何選擇是一個普遍的依靠經(jīng)驗(yàn)制定決策的問題。上圖是彈性體液壓肌肉，專利公示號為：( CN 106965155 A )由于彈性體肌肉具備自回縮功能；肌肉內(nèi)液壓介質(zhì)靠其自身回縮反作用力

8、回流同時使肢體骨骼復(fù)位，其靈敏度和力度便簡化成為關(guān)節(jié)材料彈性模量與截面設(shè)計(jì)調(diào)整的簡單變量。如此的好處是骨架設(shè)計(jì)部分脫離動力關(guān)節(jié)的考慮同時簡化實(shí)驗(yàn)后的修改，或者說完全排除電動舵機(jī)驅(qū)動。僅憑前述肢體骨骼和肌肉的材料特征，類人機(jī)器人在重量上是不會超過真人的。彈性體液壓肌肉的具體論述將在本書最后的附錄中詳解。液壓驅(qū)動裝置：電動液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇比較寬泛；相對簡單動作的機(jī)器人，每個單一動作用一個膠囊泵聯(lián)通肌肉組成獨(dú)立的液壓動作單元，采用一個電機(jī)驅(qū)動一組輪系并關(guān)聯(lián)膠囊泵便可實(shí)現(xiàn)一套程序動作。缺點(diǎn)是機(jī)械程序適用范圍呆板， 功能單一，這是八音盒式的設(shè)計(jì)，不能應(yīng)對變化中這是機(jī)另外還必須采用雙足配重解決跌倒問

9、題；器人產(chǎn)品的最大忌諱。更好的系統(tǒng)是每一個或多個關(guān)聯(lián)動作采用同一個專用伺服馬達(dá)帶動齒輪泵驅(qū)動液壓肌肉，伺服馬達(dá)通過蝸輪付連接齒輪泵獲得自鎖。這樣每個關(guān)節(jié)動作轉(zhuǎn)矩及速率相對獨(dú)立， 自動化水準(zhǔn)提高并可高度模仿真人行為，并可自動調(diào)整行走時身體重心。人體解剖發(fā)現(xiàn)；人體的復(fù)雜行為及靈活度是通過三百多條肌肉執(zhí)行的，這樣看仿真機(jī)器人的肌肉數(shù)量對應(yīng)的是行為仿真度問題。這也是一個關(guān)系市場需求的問題，也是開發(fā)商的產(chǎn)品系列問題?？紤]自然人與機(jī)器的結(jié)合設(shè)計(jì)是創(chuàng)發(fā)的基準(zhǔn)，在這方面我們是幸運(yùn)的；因?yàn)樽匀皇方o我們提供了一個廣泛豐富的參照模型。自動化驅(qū)動系統(tǒng)：自動化驅(qū)動系統(tǒng)業(yè)已十分成熟；純機(jī)械加伺服舵機(jī)類機(jī)器人開發(fā)實(shí)踐中的現(xiàn)

10、有AI 控制技術(shù)直接移植是絕對可行的。 由于采用液壓肌肉單獨(dú)肢體驅(qū)動加整體行為數(shù)控方案，僅考慮某一肢體動作的話；其動量僅關(guān)聯(lián)脈沖幅度和密度就簡單多了。下面按順序理清一下；1. 脈沖電流驅(qū)動伺服馬達(dá)。 2. 馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)決定介質(zhì)流量。3. 介質(zhì)流量決定肌肉收縮長度。4. 肌肉收縮長度決定肢體動作幅度。5. 一個設(shè)計(jì)動作完成后如果需要返回，自鎖的蝸輪傳動液壓泵按前一參數(shù)逆轉(zhuǎn)，依靠電機(jī)逆轉(zhuǎn)同時介質(zhì)回流發(fā)生關(guān)節(jié)彈性復(fù)位從而完成一套設(shè)定動作。這是一種單獨(dú)介質(zhì)壓力管路驅(qū)動， 不帶旁路回流管和控制閥體的方案。另有一種更簡單的柱塞泵液壓驅(qū)動方式；采用直線電機(jī)直連柱塞，直線伺服電機(jī)驅(qū)動來的更直接，體積相對更小。 直

11、線電機(jī)往復(fù)頻率提高可以減小柱塞泵行程，這里直線電機(jī)是特制的圓柱形永磁多級電磁鐵。將一個脈沖同一個肢體運(yùn)動幅度或擺角關(guān)聯(lián)；我們控制人體動作的算術(shù)就簡單了。需要多少脈沖是可以任意追加或減少的，需要量值的人工輸入記錄在計(jì)算機(jī)的存儲系統(tǒng)中并加入程序，需要自動運(yùn)行時調(diào)取并執(zhí)行記憶就行了。這是機(jī)器人體適應(yīng)給定理想實(shí)驗(yàn)條件的簡單程序，真正需要的是自識別和可自學(xué)的AI 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。不過其難度因速度和適應(yīng)環(huán)境不同，不會超過自動駕駛技術(shù)，況且這些都是現(xiàn)有的。從技術(shù)上講就是一個移植過程。液壓管路系統(tǒng)：既然采用了彈性體液壓肌肉，全部液壓管路就采用單線制， 也就是介質(zhì)從唯一管路進(jìn)出。如此優(yōu)點(diǎn)首先是輕，其次是簡單。如果用

12、管路分流代替液壓驅(qū)動系統(tǒng)逆轉(zhuǎn)，就必須在分流管路上加裝電控閥體控制回流，這樣會多出管路， 電路， 閥體和額外的電控單元，結(jié)果是擠占空間，增加重量等一系列問題，這是非必要情況下不必采用的。凸輪步行足：凸輪步行足采用圓缺凸輪執(zhí)行向前后行走動作，凸輪可以只用兩個，它們不是完整的滾輪，其中輪子平面在足底觸地時離開地面。凸輪由電機(jī)驅(qū)動，每圈轉(zhuǎn)動完成一個行走步長。如果用軟軸連接驅(qū)動凸輪；便可以將凸輪轉(zhuǎn)向加入設(shè)計(jì)。踝關(guān)節(jié)可以采取彎曲和轉(zhuǎn)動的設(shè)計(jì)，目的針對的是人體行走和轉(zhuǎn)身。利用這個能量機(jī)器人行走時的抬腳動作將產(chǎn)生勢能；可以采用柱塞泵或膠囊泵置于足底部，柱塞泵連接一個儲能器， 儲能器連接伺服閥（伺服直線電機(jī)驅(qū)動

13、控制的特制閥體）再通過管路連接用能裝置。例如： 執(zhí)行機(jī)器人面部表情或五官動作等。高仿真眼球：高仿真眼球自身就是一個非常具有專利價值的高科技產(chǎn)品。 主體結(jié)構(gòu)將采取半個玻璃球內(nèi)置彩色液晶顯示器，圖像軟件專業(yè)開發(fā)。這樣顯然不必像人一樣用肌肉活動眼球?qū)崿F(xiàn)仿真效果。開發(fā)一個獨(dú)立的圖像軟件更可以產(chǎn)生高仿真效果并可任意無限更新。一雙充滿靈性會說話的眼睛定將終極提高仿真機(jī)器人的逼真度。坐姿驅(qū)動器：坐姿驅(qū)動器是執(zhí)行坐下與起立的驅(qū)動單元，與行走不同的是其肢體動作幅度在90范圍， 所以采用電機(jī)蝸輪驅(qū)動， 目的是快速和自鎖。坐姿驅(qū)動器連接髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸也連接膝關(guān)節(jié)，這樣同步性較好，至此； 下肢自然會出現(xiàn)平行四邊形框架設(shè)計(jì)

14、，這個燒腦的問題需要具體研究。坐立動作獨(dú)立于行走動作，結(jié)構(gòu)上可視為串連換擋關(guān)系。由于坐姿驅(qū)動器使用頻率不高，那么可以在設(shè)計(jì)中加入一個液壓泵站用于驅(qū)動其它關(guān)節(jié)。這是一個空間，效率和結(jié)構(gòu)平衡利用優(yōu)選問題。也符合輕質(zhì)簡潔的設(shè)計(jì)原則。彈性體液壓肌肉的制備：制備材料僅僅采用彈性塑膠和低伸長率索線；兩種材料的市場品種非常之多為彈性體液壓肌肉的制備提供了太多設(shè)計(jì)選擇。索線材料最理想的是鋼絲，因?yàn)檫@樣彈性體液壓肌肉更具有金屬拉桿的特點(diǎn)。塑膠的材料耐油耐溫指標(biāo)根據(jù)通入介質(zhì)選擇，種類包括；水， 油或流動晶體等。物理指標(biāo)是不滲漏，化學(xué)和環(huán)境指標(biāo)是不腐蝕不污染。彈性體液壓肌肉的制備工藝可參見下圖示意：根據(jù)介質(zhì)特性選擇

15、彈性膠管，復(fù)合設(shè)備關(guān)鍵零件有收攏環(huán)和分線環(huán)。將彈性膠管和索線按圖穿入其中，然后牽引復(fù)合后的產(chǎn)品即完成制作的組合工藝。此后更重的是組合后的涂覆層；目的保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的使用壽命為主。根據(jù)彈性體液壓肌肉的回縮要求；圖層或包覆層材料的彈性模量和厚度是控制回縮力的控制點(diǎn)，當(dāng)然最好根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得。彈性體液壓肌肉的專利要點(diǎn)就是定量環(huán)設(shè)計(jì)；定量環(huán)最簡單的制作可以用繞線的方法，其間隔與肌肉直徑有密切關(guān)系。 如圖工藝可以產(chǎn)出任意長度的肌肉，每兩個定量環(huán)的間隔部分是一個“肌肉單位”， 它的收縮量是相對固定的，所以分切成幾個“肌肉單位”根據(jù)驅(qū)動量要求選取。彈性體液壓肌肉與尼龍管道的連接另有相應(yīng)專利布局，這里不加講解。附錄

16、中有三種剛?cè)峤Y(jié)合的液壓肌肉。無機(jī)人類的產(chǎn)業(yè)構(gòu)成與布局：特殊膠管及索線定制采購獲取，自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)專用肌肉。骨架材料專業(yè)采購，自主開發(fā)研制機(jī)型和功能系列品種。關(guān)節(jié)根據(jù)設(shè)計(jì)定制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)成熟狀態(tài)決定量產(chǎn)規(guī)模。電機(jī)減速機(jī)及液壓泵根據(jù)自主設(shè)計(jì)要求定制。仿真塑膠人體聯(lián)合專業(yè)商企共同開發(fā)，其藝術(shù)高于技術(shù)。AI 技術(shù)市場業(yè)已超前，聯(lián)合開發(fā)，自主把關(guān)選型。能源采用先進(jìn)的大容量快充電池，目前電池技術(shù)日漸成知識產(chǎn)權(quán)是諸如人手一部的手機(jī)之類產(chǎn)品的命脈，所以專利布局必須高度同步于產(chǎn)業(yè)研發(fā)自身。無機(jī)人類作為一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)空白或初級發(fā)展階段；為我們提供了無比廣大的發(fā)展空間。國為研發(fā)機(jī)構(gòu)立足學(xué)科綜合貫通，著眼現(xiàn)有技術(shù)并將其整合，是

17、全體以及潛在同仁的基本理念。以無機(jī)人類研發(fā)投身于軟體類人機(jī)器人領(lǐng)域邊界之內(nèi)作為發(fā)展前途。長期的研究設(shè)計(jì)結(jié)果是低成本高可行性短周期與并肩有機(jī)人類發(fā)展的可持續(xù)性。其全部積累呈現(xiàn)的僅僅是一個期待中的開始。研發(fā)團(tuán)隊(duì)與研發(fā)對象：任何有形體物件的開發(fā)制作必須有相應(yīng)技能的人完成。在教育分科的時代團(tuán)隊(duì)便是一種必須。完成理想的軟體類人機(jī)器人實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭辽傩枰蠓瓤缧袠I(yè)人才。比如項(xiàng)目對象就是人與機(jī)器的相互交集的品種，固然需要醫(yī)學(xué)界懂得骨骼肌肉神經(jīng)甚至是體育和心理學(xué)的專家，否則“類人”特性的機(jī)器人還是機(jī)器。產(chǎn)品模型從結(jié)構(gòu)上主要由機(jī)械，電器，計(jì)算機(jī)構(gòu)成；骨骼肌肉對應(yīng)的是機(jī)械，電器對應(yīng)的是神經(jīng)和體熱能，計(jì)算機(jī)對應(yīng)的是體

18、育，行為， 心理和語言這些關(guān)系人本質(zhì)的科學(xué)。目前“鋼鐵類人機(jī)器人”的研制已達(dá)到相當(dāng)先進(jìn)水平；本著集合現(xiàn)有技術(shù)的理這無疑給我們奠定了很好的基礎(chǔ)。念， 軟體類人機(jī)器人的研制重點(diǎn)幾乎集中在現(xiàn)有材料利用方面。 因?yàn)榘踩覀冞x擇了輕質(zhì)材料，為了更接近生物本質(zhì)我們選擇了塑膠和輕質(zhì)材料。不同的材料選擇在結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動原件方面引起的設(shè)計(jì)不同，將使高仿真類人機(jī)器人更安全更靈敏更像人類。無機(jī)人類與社會變革：當(dāng)前自動化高效生產(chǎn)線甚至是現(xiàn)代化工具擠掉的工作崗位普遍發(fā)生于各行各業(yè)，AI 設(shè)備和機(jī)器人也逐年大量替代文案工作者。機(jī)器替代人類從事勞動的時代正在以加速度步伐迅猛發(fā)展。這將給社會就業(yè)帶來毀滅性的潛在災(zāi)難。無機(jī)人類

19、作為一個范疇詞將不免包括工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人，從社會結(jié)構(gòu)的直觀角度講；它們是勞動就業(yè)者的敵人，相反也是有產(chǎn)者的親朋。那么從政治經(jīng)濟(jì)學(xué)的思想方法看；顯然無機(jī)人類是介于資本與勞動之間的產(chǎn)物。既然它們具有可界定的獨(dú)立屬性，那么就可以將其從有產(chǎn)者手中剝離出來并給予其“類人格”屬性的法律地位。 同時它們便具備了商品性質(zhì)，進(jìn)而通過出品商之手有償轉(zhuǎn)入被其替代的勞動者名下。當(dāng)然這其中必然牽涉諸多立法問題。 既然其同時具備了商品和勞動屬性，將其歸類于社會保險統(tǒng)籌的立法之中無疑是符合時代歷史進(jìn)程的科學(xué)選擇。有趣的是無機(jī)人類變成了沒有生命的法人代表，擁有其產(chǎn)權(quán)的名義勞動者自然人便是法人了。作為人類社會劃時代演進(jìn)的

20、標(biāo)志物；具有超級社會顛覆性的類人機(jī)器人作為商品將來也必將成為保險業(yè)的一個重要經(jīng)營品種。立法環(huán)境下的AI 機(jī)器人和各種類人機(jī)器人等商品的被勞動者的據(jù)有直接消滅了無產(chǎn)者這個社會成分。馬克思主義的唯物主義歷史觀終將由物質(zhì)的科學(xué)利用證明其生命力。我們正處在大變革大發(fā)展的歷史關(guān)頭，并將在很短的時間內(nèi)見證人類歷史上最迅速最先進(jìn)的大變革。彈性體液壓肌肉（申請已公示）發(fā)明名稱：彈性體液壓肌肉。發(fā)明目的：將液壓肌肉用作仿真機(jī)器人的驅(qū)動原件。結(jié)構(gòu)材料：液壓肌肉結(jié)構(gòu)的功能部分全部采用高分子材料?；窘Y(jié)構(gòu)：1. 彈性液壓管，2. 索線， 3. 保護(hù)層，4. 定量環(huán)，A 端 , 6. B 端。見圖：工作原理：本發(fā)明是一

21、種用于機(jī)器人的行動驅(qū)動原件，它被用 TOC o 1-5 h z 作仿真機(jī)器人的動作執(zhí)行器。在實(shí)際使用中，5. A端將連接液壓動力源接頭并制有錨固點(diǎn)，6. B 端封閉并連接受力作用點(diǎn)，此時液壓肌肉形成封閉體。當(dāng)壓力介質(zhì)進(jìn)入1. 彈性液壓管后，會迫使其膨脹使其直徑加大。由于彈性液壓管直徑加大造成2.索線彎曲，索線彎曲將改變彈性液壓管的軸線長度，從而在 A.B 兩端發(fā)生作用力。（索線材料彈性模量取高數(shù)值）這樣，彈性液壓管可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動功能。3. 保護(hù)層將索線保持在永久固定位置從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功能。 4. 定量環(huán)采用金屬材料，用于設(shè)定彈性液壓管軸線收縮量，其間隔可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。彈性液壓管的彈性模量決定介

22、質(zhì)回流速度，其參數(shù)根據(jù)機(jī)器人肢體靈敏度要求調(diào)整。本發(fā)明特性：本發(fā)明重量輕所以慣量小，靈敏相對度加大。因此自動化控制成本降低。其體積小所以更適于服務(wù)型機(jī)器人手的設(shè)計(jì)應(yīng)用，它將使機(jī)器人手更接近人類手臂。其適用范圍可以遍布機(jī)器人整體并實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動。本發(fā)明彈性體液壓肌肉只有一個輸入端A 和一個封閉端B， 所以泄漏的幾率更小。本發(fā)明采取了彈性體和低延伸率索線的結(jié)合，由此為彈性體和剛性體結(jié)合的液壓肌肉開發(fā)奠定了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。本發(fā)明效益：1.成本低，2.結(jié)構(gòu)簡單，3.控制方便，4.環(huán)保節(jié)能。專利保護(hù)要求：1. 要求保護(hù)圖中1 至 4 部分的結(jié)構(gòu)特征。要求保護(hù)本發(fā)明彈性體和索線結(jié)合在介質(zhì)壓力條件下徑向膨脹軸向收縮

23、的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。要求保護(hù)采用定量環(huán)分級的多級結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)的肌肉收縮量級的具體設(shè)計(jì)。兩種肌肉功能對比：McKibben 氣動肌肉的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示；其彈性軟管由高強(qiáng)度纖維網(wǎng)包覆，纖維a 角理想范圍20 ，此選擇基于優(yōu)化的徑向反力和軸向拉力。纖維網(wǎng)雙層覆蓋且非交叉編織（交叉編織會產(chǎn)生自鎖）， 目的是減小摩擦并克服肌肉延自身軸線旋轉(zhuǎn)。其作用力行程與L 成正比，L 的收縮量取決于包覆纖維自身的結(jié)構(gòu)直徑，因?yàn)槠涔ぷ鲿r先徑向膨脹后軸向收縮，肌肉軸向收縮會將纖維壓縮密實(shí)達(dá)到臨界便停止驅(qū)動功能。由于其非剛性原件的特質(zhì)，其啟動閾值會受高強(qiáng)度纖維網(wǎng)的松弛度影響，如此可知它具備一定的緩沖作用。McKibben 氣動

24、肌肉主要靠管徑變大實(shí)現(xiàn)長度變小的幾何變形完成其功能，它從啟動到停止收縮的過程也是纖維a 角變大的過程，a 角變大纖維軸向分力變小。a 角 45時徑向力占用50%， 加上纖維軸向力作用于彈性軟管自身軸向收縮，軸向力之和不足50%。 可見氣動肌肉的機(jī)械效率并不理想。纖維網(wǎng)的自摩擦造成發(fā)熱更不利于高頻率和高負(fù)荷動作。 McKibben 氣動肌肉發(fā)明于上世紀(jì)50 年代， 相關(guān)論文至今數(shù)以千計(jì)，實(shí)驗(yàn)遍布世界，其價值可見一斑。下圖是一種SAIR 液壓肌肉設(shè)計(jì)；索線之間平行排列并環(huán)繞彈性管布置，定量環(huán) （分級環(huán)）間隔分布，其間隔距離為彈性管外徑的 2-4 倍。 如此結(jié)構(gòu)大大改善了McKibben 氣動肌肉的

25、不足。SAIR 液壓肌肉的功能及力學(xué)特性：當(dāng)此肌肉被施加介質(zhì)壓力后定量環(huán)之間的彈性管將膨脹并迫使索線彎曲從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動功能；增加定量環(huán)設(shè)計(jì)的目的是為了獲得足夠的軸向收縮并同時減小彈性管的膨脹量。通過下圖可以分析最佳值獲取。Fh 是壓力介質(zhì)矢量，F(xiàn)d是近似索線拉力，F(xiàn)c是 Fh與 Fd的合力。通過矢量圖可以看出Fh 越小 a角越小，同樣彈性管膨脹截面也越小。垂直于彈性管膨脹截面上的壓力方向同F(xiàn)c相反， 故而彈性管動態(tài)最大直徑當(dāng)取a角小于30為宜?？紤]彈性液壓肌肉工作效率，所以設(shè)定管徑膨脹取低值，同時采用定量環(huán)多級設(shè)計(jì)來獲取理想的收縮量。 SAIR 液壓肌肉的設(shè)計(jì)參考原型來自人體肌肉和肌肉單細(xì)胞，是

26、是進(jìn)而開發(fā)彈性制作雙足行走類人機(jī)器人的具有比重優(yōu)勢的器件，體和剛體結(jié)合材料肌肉的參考。橡膠內(nèi)膽與彈簧鋼絲結(jié)合的液壓肌肉發(fā)明名稱：橡膠內(nèi)膽與彈簧鋼絲結(jié)合的液壓肌肉。發(fā)明目的：將橡膠內(nèi)膽與彈簧鋼絲結(jié)合的液壓肌肉用作機(jī)器人或各種機(jī)械裝置的驅(qū)動原件。結(jié)構(gòu)材料：橡膠內(nèi)膽與彈簧鋼絲結(jié)合的液壓肌肉的材料主要由薄壁鋼管，丁晴橡膠或聚氨酯彈性材料構(gòu)成。 TOC o 1-5 h z 基本結(jié)構(gòu)：1. 橡膠內(nèi)膽，2. 鋼絲索線，3.前鉸鏈，4. 后鉸鏈， 5. 彈性套 , 6. 液壓管接頭。見圖1。另一結(jié)構(gòu)是多級形式。見圖2。工作原理：本發(fā)明是一種用于機(jī)器人的行動驅(qū)動原件，它被用作仿真機(jī)器人或其他機(jī)械裝置的動作執(zhí)行器。 在實(shí)際使用中，1. 橡膠內(nèi)膽輸入壓力介質(zhì)后將產(chǎn)生徑向膨脹并將2. 鋼絲索線直徑加大軸向尺寸變小，從而使 3. 前鉸鏈和4. 后鉸鏈之間的距離縮短，從而產(chǎn)生驅(qū)動力。5. 彈性套起到使鋼絲索線徑向復(fù)位的作用。6. 液壓管接頭連通伺服閥及液壓動力源實(shí)現(xiàn)自動化控制。圖 1 所示為單極結(jié)構(gòu)， 為了加大軸向收縮量，本發(fā)明設(shè)計(jì)有多級結(jié)構(gòu)。