蛙式跳躍仿生機器人

為了更好地對跳躍運動進行研究，本人選擇了比人跳躍能力更強的青蛙作為研究對象。在研究過程中通過查閱資料得知，青蛙的腿部肌肉組織有12塊。經過篩選得到三塊主要的肌肉組織，這三塊肌肉主要控制腳的運動、小腿的運動、大腿的運動。本人通過對運動過程的觀察，得知肌肉有很大的爆發力，從而采用三個氣缸模擬青蛙的肌肉組織，利用壓縮空氣作為動力的主要來源，驅動整個青蛙實現跳越運動。現已可以越過高13cm的障礙，跳躍距離長達50cm。

經過實際測量和查閱資料，得知青蛙小腿大腿和身體的比例為是1:1:2，青蛙在跳躍運動中主要使用的是股三頭肌、大腿肌、腓腸肌、股前直肌。

利用solidworks電腦仿真軟件，分步模擬了蛙跳動作，其步驟為：兩腳分開成半蹲，上體稍前傾，兩臂在體后成預備姿勢，兩腿用力蹬伸，充分伸直髖、膝、踝三個關節，身體向前上方跳起，然后用全腳掌落地屈膝緩沖（如圖1所示）。

圖1

動力的選擇主要有三個要求：（1）力量大；（2）質量輕；（3）速度快。在動力材料選擇方面起初有三個設想：一是采用電機，二是液壓，三是氣動裝置驅動。但是后來發現青蛙起跳的過程中腿部有著很大的爆發力而且速度很快，如果用電機有速度但是力量又達不到，所以舍去電機，開始在液壓和氣動裝置中抉擇。經過對這兩種裝置的對比發現，液壓裝置主要是用液體驅動的，但是仿生青蛙為了能成功跳躍要使整體的重量盡可能輕，所以最終選擇了氣動裝置作為主要的動力來源。

機身的主要要求是重量輕，強度高。所以主要材料使用鋁合金，在關節處采用定制的銅合頁。

控制端選用的是Arduino控制器連接繼電器和電磁閥，對起跳步驟進行控制。

氣源采用的是容量為11L，最大壓力為0.8Mpa的空氣壓縮機，經過調整機械調壓閥，把氣壓控制在0.7Mpa。

利用solidworks設計軟件初步畫出機身輪廓，并確定小腿長30cm、大腿32.5cm、身體45cm、腳30cm，大小腿的比例基本上為1:1:2，大腿比小腿略長，主要目的是把站立時的重心后移，使落地時更加穩定。腳與小腿之間的夾角為30度，小腿和大腿之間為60度，大腿和身體之間的夾角為50度，從而形成起跳時的半蹲姿勢。同時確定6個氣缸安裝的位置，使其完全舒展開時呈現出腳和小腿90度夾角，小腿和大腿之間呈現150度夾角，大腿和身體之間呈現150度夾角。這樣在跳躍過程中能夠使機身完全伸展（如圖2、3所示）。

圖2

圖3

由于本人對金屬加工十分感興趣，所以自家配置了車床和銑床以及介鋁鋸。具體制作過程首先對鋁合金型材量取所需要的長度，然后用劃針畫線，再使用介鋁鋸縱向切割，最后切得30cm長的三根、45cm長一根、32.5cm長一根的材料備用。第二步，將切割完的型材用螺絲固定在銑床上，使用鋸片對型材橫向剖開。把一根30cm和一根45cm的剖成角鋁，把一根30cm的取40mm邊的中心線剖開，把剩下沒有剖的兩根分別沿70mm中心線剖開。第三步，用介鋁鋸切割倒角，把身體所需的4根角鋁切割45度倒角，把腿部的兩根30cm和兩根32.5cm的型材的一段都切割最大角度的倒角。第四步，按照氣缸安裝孔位打孔，包括合頁的安裝孔。第五步，安裝，并對有誤差的安裝孔進行修改。

控制端采用的是Arduino控制器連接繼電器控制電磁閥的方法，電源使用的12V電瓶（如圖4所示）。

圖4

經過測試修改最終制作出三代作品。第一代特性：重量輕，無法完成正常彈跳，機身硬度低，關節強度差，控制端氣量小；第二代特性：爆發力大，氣量足，能夠跳躍15cm高、50cm遠，缺點是由于機身和控制端分離，受氣管牽連，導致跳躍成功率較低；第三代產品是對第二代產品進行了改進，把控制端、儲氣罐、機身合為一體，并選用精度更高的合頁，其特性為：跳躍成功率高，機身整體強度高。三代產品具體參數如下表所示。

圖5為蛙式跳躍仿生機器人的結構圖與示意圖。

圖5