為了更好地對(duì)跳躍運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,本人選擇了比人跳躍能力更強(qiáng)的青蛙作為研究對(duì)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(jīng)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(yùn)動(dòng)、小腿的運(yùn)動(dòng)、大腿的運(yùn)動(dòng)。本人通過對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的觀察,得知肌肉有很大的爆發(fā)力,從而采用三個(gè)氣缸模擬青蛙的肌肉組織,利用壓縮空氣作為動(dòng)力的主要來源,驅(qū)動(dòng)整個(gè)青蛙實(shí)現(xiàn)跳越運(yùn)動(dòng)?,F(xiàn)已可以越過高13cm的障礙,跳躍距離長(zhǎng)達(dá)50cm。
經(jīng)過實(shí)際測(cè)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(yùn)動(dòng)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(dòng)作,其步驟為:兩腳分開成半蹲,上體稍前傾,兩臂在體后成預(yù)備姿勢(shì),兩腿用力蹬伸,充分伸直髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié),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(dòng)力的選擇主要有三個(gè)要求:(1)力量大;(2)質(zhì)量輕;(3)速度快。在動(dòng)力材料選擇方面起初有三個(gè)設(shè)想:一是采用電機(jī),二是液壓,三是氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。但是后來發(fā)現(xiàn)青蛙起跳的過程中腿部有著很大的爆發(fā)力而且速度很快,如果用電機(jī)有速度但是力量又達(dá)不到,所以舍去電機(jī),開始在液壓和氣動(dòng)裝置中抉擇。經(jīng)過對(duì)這兩種裝置的對(duì)比發(fā)現(xiàn),液壓裝置主要是用液體驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置作為主要的動(dòng)力來源。
機(jī)身的主要要求是重量輕,強(qiáng)度高。所以主要材料使用鋁合金,在關(guān)節(jié)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(duì)起跳步驟進(jìn)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(jī),經(jīng)過調(diào)整機(jī)械調(diào)壓閥,把氣壓控制在0.7Mpa。
利用solidworks設(shè)計(jì)軟件初步畫出機(jī)身輪廓,并確定小腿長(zhǎng)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(zhǎng),主要目的是把站立時(shí)的重心后移,使落地時(shí)更加穩(wěn)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(shí)的半蹲姿勢(shì)。同時(shí)確定6個(gè)氣缸安裝的位置,使其完全舒展開時(shí)呈現(xiàn)出腳和小腿90度夾角,小腿和大腿之間呈現(xiàn)150度夾角,大腿和身體之間呈現(xiàn)150度夾角。這樣在跳躍過程中能夠使機(jī)身完全伸展(如圖2、3所示)。
圖2
圖3
由于本人對(duì)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(duì)鋁合金型材量取所需要的長(zhǎng)度,然后用劃針畫線,再使用介鋁鋸縱向切割,最后切得30cm長(zhǎng)的三根、45cm長(zhǎng)一根、32.5cm長(zhǎng)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(duì)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(duì)有誤差的安裝孔進(jìn)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(jīng)過測(cè)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(jī)身硬度低,關(guān)節(jié)強(qiáng)度差,控制端氣量?。坏诙匦裕罕l(fā)力大,氣量足,能夠跳躍15cm高、50cm遠(yuǎn),缺點(diǎn)是由于機(jī)身和控制端分離,受氣管牽連,導(dǎo)致跳躍成功率較低;第三代產(chǎn)品是對(duì)第二代產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn),把控制端、儲(chǔ)氣罐、機(jī)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(jī)身整體強(qiáng)度高。三代產(chǎn)品具體參數(shù)如下表所示。
圖5為蛙式跳躍仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖與示意圖。
圖5