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我设计的电液控机器人方案

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人体关节的运动是由人的大脑发出信号后，由神经系统控制肌肉带动韧带，再牵引骨骼引起关节运动的。因此，我们可以用韧性和刚性接近或超过人体骨质的材料，做成和人体骨骼差不多的骨骼。而这些骨骼的连接，就用高性能的塑胶材料做成连接件。再用微型液压缸代替肌肉，用高性能、抗拉、抗磨的纤维绳或钢丝绳代替韧带。高性能的蓄电池提供能量，由电脑控制各部位的动作和液压泵的开启关闭。

    先从手指骨骼关节的设计制作开始；《这里对有些骨骼的名称不用书本的；因为，没有对人体骨骼知识认真学习过的人，是很难了解那些有名称的骨骼所应该在的位置！》。

    由于人体手指前两节骨骼的运动，没有左右转动和左右摆动的动作。而且，它们的内弯动作基本上是连动的。所以，可以将手指的第一节和第二节、第二节和第三节的关节连接处，做成卡入、中销式机械连接。也就是，将第一节骨骼根部做成扁竖的圆头，卡在第二节骨骼头部的两片和骨骼连体扁竖的圆头之中，然后，在圆头中心打通孔用销钉连接。这样一个只能内外动作的关节就做成了，第二节关节也是这样做的。再把这两节骨骼做成从前向后内部中空的，以便安装关节反拉回位的弹簧。也就是说：第一关节的反拉绳的一头固定在第二节骨骼头部背面靠开口处，另一头从第一节骨骼扁圆头背面的凹圆槽上，经第一节骨骼背面的斜孔至指骨内部被弹簧受力。所以，第一节的弹簧安装孔的制作必须要考虑拉绳的走向，第二节的制作也是如此。由于第三节的骨骼比较长，因此，可以将它的前半段的里边做成一个内径在6——10mm、行程在5——10mm的可单作用向后推动的液压缸，从这根骨骼中部至根部开有一道4——6mm宽的竖槽，以便装在活塞杆上的滚轮从中可以前后运动，此滚轮凹槽底对径比指骨内外边的尺寸稍微大一点，以防拉绳和指骨的摩擦。将前两节关节的控制拉绳的一头固定在第三节指骨背面中部向后，经指骨槽内活塞杆上滚轮上的凹槽内绕过至指骨内面，向前再穿过靠关节的滑环至第二节骨骼上靠关节的前后滑环，然后固定在第一节骨骼的适当位置上。至于是用两根拉绳对前两关节作单个同步的牵拉，还是用一根的拉绳串连拉动这两个关节，可以在实践中去探索。

    为何用单作用液压缸？

    第一，它的活塞杆粗，可开口安装滚轮。

    第二，滚轮式推动可以使活塞能安装在指骨中央，而活塞杆在动作时不会侧面受力。

    第三，它只用一根高压输液管，可减少输液管从别处通过时占用空间。

    第四，制作简单，维修方便。

    第五，用滚轮反推可形成距离差，也就是说拉绳的动作距会是活塞杆动作距的双倍，这样就便于活塞组合的微缩设计。

    第六，液压油的单管进出，使活塞杆在液压压力和弹簧弹力的作用下可快速反应。

    指骨和掌骨的设计方法：

    人的手指根部在它的中位向两边各有近10度的摆动，这样，第三节指骨和掌骨的连接就必须有直面的伸直和内收，还要有左右摆动的动作。所以，可以将第三节指骨的反拉弹簧安装在掌骨的后半段，将关节内拉的装置装在掌骨的前半段，制作方法同前。考虑到结构的强度和使用，可将第三节指骨根部做成球头型，然后，强行卡入掌骨头部，里面用塑胶材料做内衬的包头当中，卡入后允许它能伸直和有100度左右的内弯角度，还有20度左右的摆动空间，它摆动拉绳从掌骨的两边经掌后跟和小臂的关节内面进入小臂，有一个液压缸推动杠杆带动两拉绳连动。大母指的第三节指骨根部，做成斜球头型，它同其它四根掌骨跟部的球头一样卡入用塑胶材料做凹窝内衬的掌后跟骨骼中。而它的前两个关节的制作同其他四个手指相同，它跟部关节动作是有四至八根拉绳进入小臂由两个液压缸控制。四根手掌骨用塑胶材料联体包裹，利用塑胶材料的柔性和能弹性复位的性能，用两个液压缸的控制来达到收拢手掌的目的。手掌内弯和外翻是由安装在小臂内的一个双作液压缸用四至八根拉绳控制的。

    掌后跟骨和小臂骨的设计方法：

    掌后跟和小臂头部的连接面做成凸圆弧面，但它在手掌的内面要做成一个凹腰子型，以便控制手掌和手臂的拉绳通过。而且，在它和拉绳接触的部位，要用高性能的陶瓷材料做成能分开拉绳运动的滑道。人体小臂是有主付臂骨《桡骨、尺骨》和肌肉组成，小臂本身的前段和后段，还能作180度的位差旋动。现在，我们要在单个小臂内不但要装入近二十个微型双作用液压缸、拉动杠杆和各种支架，还有二、三十根拉绳、液压管从中连接、运动而互不相摩擦，还要在小臂自身的旋动下而不相碰。所以，可用优质材料做成两根和小臂骨外型差不多的臂骨。然后，把它们相同头的球头分别包裹在同一块塑胶材料中，这样小臂头部和后部的关节就形成，也能在旋臂液压缸的拉动下达到旋臂的要求。而小臂头部的塑胶材料的顶面要做得和掌后跟骨的凸圆面相配合的面，它的内面也要做得和掌后跟相同的凹腰子型，以便拉绳和液压管的通过。这样，可将骨骼内部设计成主供回液通道。用一根孔径在8——10mm的进液管和一根同口径回液管进入小臂骨内部分配给各液压控制阀。然后，在这两根主付小臂骨旋臂不相碰的情况下把所有缸阀体贴附安装在臂骨上，这样的近距供液和回液，不但能提高各液压缸的反应速度，还能减去各缸阀输液管连接的麻烦和对空间的占用。而进入小臂的输液管是有高低压各一根，还有一根回液管，高低压供液是有一个二位三通的换向阀控制向单根臂骨转换提供高低压液压油，以达到指关节和碗关节用力的轻重。可将指掌的缸阀装在主骨上，因为，主骨的安装空间大。将数量少的碗关节控制缸阀装在付骨上来达到分开控制的目的。

    双向作用液压缸和换向阀连体的设计方法：

    考虑到液压缸和控制阀如果分开安装，那连接管和接头会占用很多空间，以至无法安装。所以，必须把缸体和阀体设计制作在一体上。考虑到缸阀连体的加工、打孔、补孔、焊接、调质、淬火等因素，就应该用钢质材料做连体缸阀体。比如设计一个缸内径在0.8 mm、工作行程在12mm、活塞杆直径5mm的缸阀组合；

    用一块有弧面宽度在30mm、内弧面能贴附在臂骨上的，长度在60mm、厚度在15mm的，能加工、能焊补、能调质、能淬火、抗涨力、抗磨的材料。将它从它的外弧面的正面成十字型去掉四分之一，这样，这块材料从它的正面看，就是它的一半的面，成直角型少掉一半，还余下长度在30mm，内顶头为15mmX15mm的面。然后，在这个面中间垂直向里加工一个同它弧面和长边成平行的、直径为7.85mm、深度在27mm的缸孔，缸内径留有15丝的磨加工余量。在孔口加工一个深8mm，口径为9X1mm的内螺纹，以便安装缸盖，由于考虑到尺寸空间，此缸盖和缸体的密封就用生料带替用。活塞杆和活塞做成连体的，活塞厚度在7mm，在活塞外圆单面纤焊加工后有0.5——0.8mm的锡青铜作耐磨层，缸盖内活塞杆孔也是如此制作。至于活塞和活塞杆用密封件，是用现有的O型圈，还是定做，这要在实施时再说。在另外半边与缸体相平、和缸体有一定距离处，制作一个微型的三位四通阀，它的进回液口和臂骨弧面上的进回液口对口密封压紧导通。至液压缸的主付管道，就在缸阀体上打孔导通，孔径尽可能做大，导通后将外通孔封堵。然后，在这一半和切掉的一块相邻的缸阀体上，可安装一个用来连接活塞杆和拉绳的杠杆，还可以打一个和阀孔在一线上的孔，用来安装阀杆控制电机。在这个可控速电机的主轴头上装一个外螺纹的螺杆，再把阀杆的一头做个和此螺杆相配合的内螺纹，而阀杆上有一个和阀孔导向槽相配合的定位销。这样，当定位后的可控速电机转动时，阀杆只会作前后的定向滑动，最好将微型电机安装在一个有导向定位的电磁铁的铁芯内，由直流电磁铁对阀杆进行快速换向。阀杆在这样的控制结构下，就能达到最佳的控制要求。缸阀体粗加工后经调质处理，再磨加工缸孔和阀孔，最后组装使用。阀体外型可照着缸外壁的弧面做成猪腰型。这样的液压缸在系统压力设定为3 0Mpa的情况下，它能向外输出的顶出力为150公斤左右，内拉力为90公斤左右的功力。同时，这些缸阀体也要设计成能叠装的，以防臂骨安装面积不够。至于其他缸阀体的大小和式样，在实际制作时可随机应变。控制阀的设计也要随着实际使用时的作用和要求而决定。

    小臂和上臂、上臂和肩胛连接的设计方法：

    人的上臂是只有一根上臂骨《肱骨》，它是用一个斜球头和肩胛骨连接的，我们可将上臂骨和小臂关节连接的一头做成大一点的球头，把它和两根小臂骨的球头成头对头留有一定距离的卡在同一块塑胶材料中。然后，再用二至六个液压缸代替《肱三头肌、肱二头肌》等肌肉来控制小臂的旋动、收放等动作，把上臂骨的斜球头卡在肩胛骨头部内镶塑胶内衬的凹窝内，然后，用二至四个液压缸代替《胸大肌、背阔肌、三角肌》等肌肉来控制上臂的各种动作。将这些液压缸都设法安装在上臂内，以至能把胸腹部的内部空间做到最大，用来安装液压站、蓄能器，蓄电池等元器件。

    肩胛骨和锁骨与脊椎骨的设计方法：

    由于人体的肩膀有上下和前后的小幅度动作，这些动作是由肩胛骨的扇型面在肩背部肌肉的收放来达到动作要求的。因此，改掉肩胛骨扇型面结构，用一根顶头下斜面有安装上臂连接球头的凹窝、离这个窝不远的骨上面还有一个安装锁骨球头的凹窝、而另一头骨骼内部有一个能伸缩30——50mm的液压缸、它的活塞杆头部有一个能卡在脊椎骨边凹窝内的球头的骨骼来替代肩胛骨。琐骨的球头和肩胛骨、前胸骨是卡入定位式连接，也就是球头一旦卡入凹窝内定位后，就只能作允许范围内的摆动和旋动，在受力后不会松动和脱离凹窝，人体很多关节都可以这样制作。

    肩膀的上下动作，用一个安装在上臂内的液压缸代替斜方肌和背阔肌来拉动控制，拉绳的另一头连接在第一节脊椎骨上，肩胛骨连接在第三节脊椎骨上。

    颈椎骨、胸椎骨、腰椎骨的外型可以做成和真的差不多；也可以放开关节长度，减少制作控制系统的复杂程度。动物脊椎骨的四边有着很多肌肉、韧带牵拉捆护着脊椎骨各关节，这里边太复杂了。所以，我们可将这些脊椎骨都做成球头卡入定位式连接，以减少不必要的复杂度。而控制这些脊椎骨的液压缸，可安装在肋骨的背面或肋骨里边。去除骶椎骨和尾椎骨不用，直接将腰椎骨和髋骨用卡入式连接，可把髋骨的内部空间做到最大，以便安装液压油袋或蓄电池。整个机器人内部拉绳的方向改变，可用小滚轮或耐磨导套进行改向。用接近人体肉质的塑胶材料，把整个机器人的外型都包裹成和真人一样。各关节都有内置动作距感应器，手掌面和手指面都装有接触感应器，由这些感应器向电脑提供各关节的动作距数据和掌指面对物质的接触感应数据。其余肢体的制作可照前边的设计方案类推

    胸腹腔内部空间的利用方法：

    用两台与蓄电池电压相配的高性能电机，一台连体安装一只高功效的高压泵，另一台连体安装一台大流量的低压泵。然后，将它们泵体向里安装在一个用优质橡胶做成的液体袋中《考虑到人体弯腰、扭腰时对腹部的挤压，和胸腹内部的空间所设计的油箱》。再在胸腔内安装一组高能量的蓄电池，和高低压液压蓄能器各一个《也可将这两个蓄能器设法安装在两大腿外侧》。

    按照现在世界上机器人的制作水平，电脑的配置、头脸部的设计和制作，应该不成问题。

    这种机器人的优点和制作难度：

    这种机器人由于是高低压供液，蓄能器蓄能和释能增速、大口径管道供回液、小口径短距液压缸快速作功，再加电脑预编程序与自编程控制。所以，这样制作的机器人就能在各种动作的速度、力度、准确度上基本能达到或超过真人的水平。

    制作难度是：关节处的高压液压管的弯曲性能，缸阀联体的制作，拉绳的连接、防磨、改向，关节处的仿真皮肤的折弯劳损等问题。这些问题都是在实际制作前要解决的事。

    由于本人文化水平和对人体与机械的知识有限，文章中如有词语不通或用词不当之处请大家见谅。

     因本人虽然有能力设计制作这样的机器人，却无经济实力去开发此技术。在这万般无奈的情况下，在有实际创新效果的前提下，与其在我这里无奈的放弃，还不如这样公诸于世，让在这方面有需要的人或单位去参考。如我的这个设计中有不合理之处还请各位指正、探讨。

责任编辑： 整理时间：2007-3-12 9:12:59

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