仿生青蛙跳跃机器人的结构设计与分析
仿生青蛙跳跃机器人的结构设计与分析
仿生机器人是模仿生物特征和运动机理的智能机器人，其中跳跃式仿生机器人具有广阔的应用前景。本文基于对青蛙生物特征和跳跃运动机理的分析，设计了一种面向跳跃运动的仿生青蛙机器人，并通过运动学仿真验证了其可行性。
青蛙结构与运动过程分析
青蛙结构分析
青蛙身体分为头、躯干和四肢三部分，体形短宽，四肢强健，无尾。前肢短小，4指，指间无蹼，主要作用是撑起身体前部；后肢长大而强健，5趾，趾间有蹼，适于游泳和在陆地上跳跃前进。
图1. 青蛙骨骼
对跳跃起主要作用的腿部肌肉主要包括半膜肌、臀肌、股二头肌和腓肠肌。青蛙后肢的髋关节有3个自由度，膝关节、踝关节和跗跖关节各有1个自由度。
青蛙跳跃运动过程分析
青蛙的跳跃过程主要分为三个阶段：起跳阶段、腾空阶段、着陆阶段。
图2. 青蛙的跳跃过程
仿生青蛙跳跃机器人结构设计
储能装置设计
本文设计的仿生青蛙属于间歇性弹跳机器人，选用弹簧蓄能采用拉簧，具有高爆发性的优势。通过电机驱动一个缺齿齿轮来拉动齿条进行蓄能，齿条通过主体外壳上的导向槽约束运动方向，其上面链接又两个拉簧，拉簧固定于主体上面，拉着齿条往下滑，齿条通过与大腿链接的齿轮啮合来带动大腿。
图3. 仿生青蛙跳跃蓄能装置
电机选型为12 V的N20减速电机，减速比为1030，每分钟16转，最大力矩为3296 N∙m。采用的是双电机驱动，通过给两个电机不同方向的电流使电机朝同一个方向使力。
青蛙腿部传动设计
通过不规则的槽孔来完成对齿轮和大腿的连接，设计了三个槽孔是为了增大和力对抗的面积，避免齿轮在长时间受力状态下导致的打滑。大腿和齿轮的接触长度设计得比较长，几乎平分掉外壳预留的尾部的空间，将齿轮设计得比较厚的原因是加大受力点，避面打滑和损坏齿轮的情况发生。
青蛙鳍足设计
考虑到鳍足主要作用在青蛙游泳的过程之中，因此在采用了简化的鳍足设计，如图4所示，保留鳍足的减震作用，舍弃了对跳跃影响较小的鳍作用。
图4. 简化的鳍足设计
仿生青蛙跳跃机器人运动学仿真
运动学建模
综合以上设计，仿生青蛙整体结构如图5所示。简化运动模型的单侧示意图如图6所示。
图5. 整体结构
图6. 简化的运动学模型
仿真分析
首先，使用SolidWorks中的motion插件进行仿真验证，如图7所示。得到仿真运动的曲线图，如图8所示。仿真曲线纵轴位移曲线图同真实青蛙重心位移图相似，初步推断模型设计合理。
图7. 仿真过程
图8. 仿真运动曲线
接着，使用Adams进行仿真验证，采用交互式仿真方法，设定时长为5秒，分析步数为120，仿真界面及结果如图9所示。
图9. Adams仿真界面及结果
由仿真结果可知，本文设计的仿生青蛙跳跃机器人，其跳跃轨迹是一个抛物线，在落地时附带惯性向前移动。设计的电机驱动缺齿齿轮来拉动齿条进行蓄能，齿条通过主体外壳上的导向槽约束运动方向，上面连接两个拉簧，拉簧固定于主体上面，拉着齿条往下滑，齿条通过与大腿链接的齿轮啮合来带动大腿。这样的设计可以使得青蛙进行跳跃，这也符合了青蛙的跳跃过程中起跳阶段、腾空阶段和着陆阶段的姿态特征，能够达到稳定跳跃和缓冲冲击力的效果。
总结
本文基于对青蛙生物特征和跳跃运动机理的分析，对于复杂的结构进行简化，从建模到仿真再到电机操控实现青蛙跳跃。面向跳跃的仿生青蛙它能够完美拟合生物青蛙跳远曲线，在运动过程中保持稳定的能量输入和输出，实现越障功能，运动灵活。当然，此结构还需通过后续调试，以获得更远的跳跃效果。