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【中国智能制造网 学术论文】二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿人机器人”将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。
“仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿人机器人”将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。”
仿生青蛙机器人设计
青蛙跳跃具有爆发性强、距离远的特点，能够轻松越过障碍，并且具有很好的环境适应性。其生物体结构和行为方式合理、灵活、。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，提出了一种面向跳跃运动的机构模型，并进行仿生青蛙的设计。
1.研究背景及意义 1.1国外研究水平
加拿大麦吉尔大学分析了柔性机器人的控制算法，模仿动物利用肌肉、腱等弹性储能元素来降低耗能，研制了具有柔性髋关节和腿的单腿跳跃机器人，跳跃速度可达1.25m/s,而驱动功率仅48W。
美国斯担福大学和俄亥俄州大学合作，通过研究各种动物奔跑的运动步态和动力学特性，以动物运动时耗能小，腿部弹性储能和低惯量为目标，研制出了一种机器人。
日本东京工业大学科学家通过分析猫在爬墙过程中，仿造其半身的结构，研制了一种机器猫，其跳跃动作不追求运动中整体达到的高度，而是像猫那样通过四肢的协调动作越过障碍物。
1.2国内研究水平
哈尔滨工业大学通过分析蝗虫起跳的运动原理，对生物模型进行简化，建立了机器人理论模型，并从运动学和动力学进行分析，终设计了二套分别基于电机和电磁铁驱动的样机，并进行了实验研究。
上海交大模仿人体下肢设计了关节弹性步行机构。他们在机器人的小腿中安置了弹性装置，通过四组并联弹性元件和机器人腿外壳为机架的四连杆机构的复合，使机构产生了缓冲，储能效果。
西北工业大学分析了袋鼠的生物形态和运动机理，提出了具有柔性脚趾的仿生袋鼠机器人机构模型，对机器人着地和腾空的两个阶段进行了运动学及动力学分析，并研究了全跳跃周期关节空间的轨迹规划，为袋鼠机器人的实现，解决其跳跃、弹跳动力等关键技术奠定了理论基础。
1.3常规跳跃机器人
麻省理工学院腿实验室的Raibert教授于1980年研制了世界上个以连续跳跃方式运动的单腿机器人，机器人的运动被限制在一个平面内，腿部装有气缸，作用相当于弹簧，因此它在地面上的运动类似于一个带弹簧的倒立摆角。其基本运动模型如图所示，机构有一个X方向的平移自由度以及足部和躯体之间的旋转自由度e，其跳跃与落地过程经过运动学与动力学分析和计算后，只要按规律外加控制就可保持连续稳定的跳跃运动，M.H.Raibert专门著书论述了这一模型。此外，很多学者从各个角度对类似机构进行了数学分析与仿真。目前对Raibert跳跃模型的研究集中于如何对这种非完整约束系统进行平衡控制上。
1.4一般青蛙机器人
美国麻省理工学院Raibert教授等人研制了多种仿生步行或爬行机器人。其中有两种可跳跃前进的腿型机器人。一种是二维跳跃机器人Uniroo}42}，其腿部结构类似于袋鼠的后肢，如图所示。机器人共有四个关节，即尾关节、骸关节、膝关节和踩关节，它们分别由四个液压缸驱动并控制实现系统的跳跃及平衡，侧向借助连接在地面上的杆件保持稳定。另一种是三维跳跃机器人3DB1peCl}43,44]，如图1-12所示。其骸关节具有两个自由度，腿部长度由气缸控制。机器人单腿动态平衡控制系统由三部分组成:一部分控制机构的前进速度，一部分控制机体与金属腿之间的角度，另一部分控制弹跳高度。该机器人具有很好的平衡性和运动稳定性，能够实现跑、跳、甚至空翻等动作。
1.5意义
当今世界，科技发展水平日益进步，机器人研究领域已经向航空航天、水面水下、地下管道等环境发展，未来的机器人将在人类无法工作的环境中代替人类工作，人们要求机器人不仅适应原来的基本要求，还要适应未知的环境，这就对机器人的运动灵活性、适应性、生存能力很高。
移动性能是未来机器人在许多场合的关键能力，为了完成任务，常常要求机器人能够到人们无法进入的禁区进行侦查、探测，、攻击，、干扰等行动。我们设计的仿生青蛙，运用了跳跃的运动方式，能够适应不同地表，实现跨越沟渠和障碍，活动范围广，躲避风险能力和生存能力强，拥有极强的移动能力，因此能够代替人们到达不可预测的环境中进行各种活动，完成任务。
青蛙跳跃具有爆发性强、距离远的特点，能够轻松越过障碍，并且具有很好的环境适应性。其生物体结构和行为方式合理、灵活、。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，提出了一种面向跳跃运动的机构模型，并进行仿生青蛙的设计。青蛙前肢简化为一个主动肩关节和一个被动肘关节，从而实现其着路支撑缓冲和姿态调整的功能。后肢采用五杆机构作为腿部主体，并增加脚掌以保证其稳定性。后肢通过电机控制实现跳跃动作，具有较大的可行性，后肢五杆机构具有与青蛙跳跃时相识的力学规律，从而实现很好的跳跃功能。
2.设计方案 2.1青蛙构成分析
青蛙构成分析是仿生青蛙的基础，青蛙身体分为头，躯干和四肢三部分，体型短宽，四肢强健。前肢短小指间无蹼，主要作用是支撑身体前部，便于举手远眺，观察四周；后肢长大而强健。青蛙的骨骼主要分为骨及软骨成分。主要部分是头骨、脊椎、胸骨。青蛙的脊椎由10块椎骨组成，青蛙后肢部分由大腿骨胫腓骨，趾骨，跖骨构成，前肢由掌骨等组成。后肢是有3个自由度，前肢由3个自由度。青蛙的肌肉对跳跃起主要的作用有半膜肌、臀肌、股二头肌和腓肠肌，半膜肌是交错在臀部和膝部关节的关节肌肉，主要在臀部伸展中起作用；臀肌是臀部和膝部关节中伸展的关节肌肉，在膝部伸展中作用很大；股二头肌作用类似于臀肌；腓肠肌是羽状关节肌肉，它通过脚底板的腱膜在膝和踝关节伸展中起作用，主要作用在在踝关节。
2.2青蛙的跳跃运动特征分析
基于青蛙运动时身体和姿态和动作，可以把其跳跃过程分为三个阶段(1)起跳阶段：从蹲踞姿势的准备开始动作，到青蛙离开地面。(2)腾空阶段：从离开地面到再次接触地面(3)着陆阶段：从接触地面到青蛙恢复至起跳准备阶段状态。
在准备起跳阶段，髋关节和膝关节强烈收缩，大腿和小腿几乎折叠在一起，弯曲在身体下面，跗跖关节弯曲到大约120度，从而提高踝关节以防止他与地面接触，前肢用于支撑身体和调整起跳状态。
在起跳阶段，当肌肉受到刺激开始收缩后，会产生能量使后肢快速伸展，依次将青蛙推向空中，在髋关节，膝关节和踝关节张开时，脚大部分仍然和地面接触，而且跗跖关节只是轻微张开，但随着运动的进行，跗跖关节有北向转动，使跗骨向前滚，一直进到脚趾，就像人走步时从脚跟移动到脚趾，在起跳阶段初期，肘关节逐渐打开，大臂收回到身体两侧，短小前臂伸展不能为跳跃提供多少动力，但在开始跳跃时马上抬起以起到平衡和方向的作用。
青蛙的柔性，多关节长脚是成功跳跃的一个重要元素，上述运动时前脚掌与地面接触足够长的时间，也使得起跳的地方从脚后往前移，对于青蛙这么长的动物，会允许不断的调整平衡，从而快速改变方向和轨迹，通过增加脚的接触时间，有利于结合每个关节的速度，从而使腿伸展的速度和终起跳速度达到大。
腾空阶段中，前肢先前伸展，后肢的髋，膝，踝和跗跖关节开始收缩，但比较缓慢，主要是为保证减少转动惯量较大的身体在空中的转动，保持身体平衡，直至于手掌接触地面。
着陆阶段中，手掌接触地面，前肢进行支撑和缓冲，后肢顺势收回，身体绕着肩部旋转直到后肢接触地面，身体的重量逐渐转移到后腿，转备下次起跳。
青蛙跳跃主要依靠两条后肢同时伸展，提供跳跃式向前和向上的力，终跳跃地面。但并非青蛙的跳跃均为双足跳跃，双足跳跃主要用于向正前方跳跃。青蛙转弯时也进行单足跳跃，通过单组跳跃向身体外侧的伸展，实现身体的转向。
在跳跃过程中，前肢后肢各有其功能。后肢主要提供跳跃的力和能量，脚掌关节较多，柔性较大，在起跳过程中尽量保持接触地面，使腿部释放的能量充分利用于跳跃。前肢在起跳过程时辅助支撑地面，调节起跳角度，着陆时进行缓冲。另外，在空中，通过前肢和后肢的伸展与收缩，调节身体在空中的姿态。
2.3仿生青蛙机构模型建立
根据青蛙的上述跳跃特征，我们提出一种模型来模仿其后肢的运动，它选择弹簧作为储能元件，髋关节、膝关节和踝关节被简化为一个自由度，由电机通过绳索驱动。
除了这种杆机构作为机器人腿部的主体，根据青蛙跳跃时跗跖关节的重要功能，在脚部还应有一个被动关节，它在起跳阶段能通过保持脚掌与地面足够长的接触时间来提高跳跃能力，并增加跳跃的稳定性。另外，在髋关节增加后摆(绕z轴旋转，如图4所示)外摆(绕X轴转动)，以调整跳跃的姿态，方向和轨迹。
由于前肢功能相对简单，并且为了简化机构，在肩关节只有一个自由度(绕z轴旋转)负责掌握平衡和调整跳跃姿态，肘关节有一个被动自由度负责在着陆阶段对机器人进行支撑和缓冲。
综上，我们得出仿青蛙跳跃机器人的机构模型(图4为对称模型的半侧示意图)，机器人起跳姿态的调整通过控制肩关节和髋关节完成，当松开绳索后，后肢把机器人推向空中，腾空阶段，通过绳索收回腿部，并调整肩关节和髋关节准备着陆，着陆时前肢肘关节进行缓冲，然后与后肢共同完成着陆。
3.理论计算
3.1运动学分析 3.1.1准备阶段仿生青蛙的运动学分析 3.1.2起跳阶段仿生青蛙的运动学分析 3.1.3腾空阶段仿生青蛙的运动学分析 3.1.4仿生青蛙整体运动学分析 3.2仿生青蛙机械腿驱动机构
机械腿执行机构的收放和弹簧能量的调节是由绳索实现的，而对绳索的控制是由电机和机器腿驱动机构完成的。驱动机构主要包括单向轴承、棘轮、棘爪、齿轮和传感器，电机通过限定方向相反的单向轴承，分别带动不完全齿轮的转动，从而控制卷筒的滚动。驱动机构的输入为电机旋转，输出为卷筒的滚动，通过电机对齿轮传动的分时控制实现腿部的驱动。卷筒用于带动绳索实现腿的收放，此时需要电机输出高转速。下面分析跳跃高度和距离与滚筒圈数的关系。释放绳索相当于层架弹簧的初始长度，弹簧初始长度S=30n+L
4.工作原理
4.1仿生青蛙总体结构
机器人总体结构如图所示，它基于之前得出的机构模型，采用类似于青蛙的整体外形，由后肢、前肢和身体三个部分组成。各部分仿照青蛙相应部分的功能进行设计:前面装有摄像头，方便操控和监视后肢主要提供跳跃的力和能量；前肢在起跳时辅助支撑地面，调节起跳角度，着陆时进行缓冲；身体连接前后肢，安放驱动元件和传感器。为了尽量减轻腿部结构的质量，以利于提高跳跃的效率，四肢关节的驱动元件均置于身体中，通过电机带动卷筒收放绳索来实现对后肢关节的调节。
4.2仿生青蛙前肢
主动自由度和肘关节被动自由度，肩关节选用futaba-s356舵机，控制整个前肢的转动，肘关节处为一扭簧，并通过同步带和肩关节耦合，传动比为2:1,这样前肢在着陆缓冲过程中，地面作用力可以通过肩关节轴心，降低在关节处产生的扭矩从而减轻对舵机负载的要求，另外这种结构也增大了前肢关节压缩的角度范围，使着陆缓冲区更大，大臂处调整轮用于改变同步带的张紧程度和阻尼大小。
4.3仿生青蛙后肢
机器人后肢设计如图所示，由于大多数跳跃时，青蛙两腿的髋关节外摆自由度角度变化相同，为提高电动机效率，两关节由2个舵机控制，两侧通过齿轮传动，实现两腿自由度同步。两腿的髋关节后摆自由度分别由两个舵机控制。机器腿是机器人跳跃核心，它由直流电机、机器人腿驱动机构、机器腿执行机构组成，如图所示，为了减轻重量，降低能耗，机器腿仅有一个电机驱动，并通过机器腿驱动机构把它一个方向的转动通过绳索用于腿的收放。
4.4仿生青蛙机械腿执行机构
由于四杆机构在髋关节处多一个旋转自由度，所以用五杆机构代替四杆机构，如图所示，五杆机构由于同步齿轮限制只有一个自由度，即沿Y方向运动，通过拉动绳索可实现腿回收。脚掌和附拓关节可以辅助调节起跳角度，还能够提高踩关节以防止腿碰到地面。跗跖关节处有一被动扭簧，在起跳过程中能让脚掌充分与地面接触，利于弹簧能量充分转化到跳跃中，并防止打滑，提高跳跃的稳定性。腿部机构的核心是五杆结构，实际上机构由线性弹簧产生了非线性的力，并且使这个刚性结构具有很小的内部摩擦力。
4.5仿生青蛙机械腿的驱动机构
机器腿执行机构的收放和弹簧能量的调节是由绳索实现的，而对绳索的控制是由电机和机器腿驱动机构完成的。驱动机构主要包括轴承、棘轮、棘爪、齿轮，电机通过限定方向相反的单向轴承，分别带动不完全齿轮1与2的转动，从而控制卷筒的滚动。
驱动机构的输入为电机旋转，输出为两个卷筒的滚动，通过电机对齿轮传动的分时控制实现腿部的驱动。卷筒用于带动绳索实现腿的收放，此时需要电机输出高转速。卷筒用于实现对弹簧伸长量的控制，它可释放与弹簧一端相连的制卷筒度和距离，通过转动不完全齿轮到指定位置，可以控长度，从而调节弹簧储存的能量，并控制机器腿跳跃的高度和距离。
5.创新点及应用 5.1创新点
采用仿生学原理，模仿青蛙运动形式，具备生物体结构和运动方式的合理性和科学性2.对于复杂地形的适应性强，跳跃运动方式越障能力强，能适应不同地表具有很强的环境适应性，适合在非结构化、未知的环境里代替人类完成侦察、探测等任务。3.采用间歇式传动装置实现跳跃。
5.2应用与前景
仿青蛙跳跃机器人具有越障能力强的特点，因此加以完善和改进，可以广泛应用与军事侦查、防恐防暴、救灾救援、地质探测等方面。
仿青蛙跳跃机器人作为一个崭新的研究方向，涉及到生物学、仿生学、力学、机械、电子以及控制等多学科知识与技术，具有重要的研究应用价值。青蛙本身具有优异的两栖运动能力，如果仿生机器人也能集陆上跳跃能力和水下游动能力于一身，将拥有极强的环境适应性，因此有必要对青蛙游动运动方式进行机理分析，并探索仿生青蛙在多环境介质下的运动方式，从而增大仿生青蛙的应用范围。
(原标题：仿生机器人发展研究)
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