仿生青蛙研制报告.docx

蛙式跳跃仿生机器人

项目研究报告

北京市第五十四中学

林雨垚

项目摘要

我这个项目是对跳跃中的肌肉、腿部各位置相对关系、以及力量与能量关系进行一次深入研究。跳跃，是众多动物乃至人的一种运动方式，而一个完整跳跃周期则蕴含了起跳、腾空、落地三个各不相同的动作阶段。为了对动作进行更好的了解，我对人蛙跳的视频进行了分析得到了跳跃时的步骤同时应用在这台机器人上。这台蛙跳机器人大腿小腿和身体的比例是按照人的1:1:2的比例制作的。动力方面主要是依靠8个大气压驱动六根气缸模拟肌肉伸缩来完成跳跃。控制端是采用arduino控制器加上一块继电器扩展板，跳跃时采用无线遥控跳跃。并且这台机器人的全部制作过程都是在家独立完成，由于课余时间比较喜欢机械加工，所以在家里配置了车床和铣床，还有介铝锯。这些工具为我制作节约了不少时间。

前 言

本课题是对蛙式跳跃的研究，在人的跳跃过程中腿部肌肉起到了很大的作用。为了更好的对跳跃运动进行研究，我选择了比人跳跃能力更强的青蛙作为研究对象。在研究过程中我，通过查阅资料分析了青蛙的腿部肌肉组织并且与人类的腿部肌肉进行了对比。经过筛选，得到六条主要的肌肉组织，这六根肌肉主要控制脚的运动、小腿的运动、大腿的运动。同时经过在我在运动过程中的观察，肌肉有很大的爆发力，从而我采用六根气缸模拟青蛙的肌肉组织，利用的压缩空气作为动力的主要来源，驱动整个青蛙实现跳越运动。

关键词：仿生，青蛙，跳跃，气动

正 文
一．前期准备
1.资料
在前期准备过程中我先是对人体的比例进行了分析，然后对蛙跳运动中使用到的肌肉组织进行了了解，最后通过查阅资料仔细的对蛙跳时的步骤进行了分析。（1）经过实际测量，和查阅资料得到了人体比例。小腿大腿和身体的比例基本上是1:1:2。（2）在跳跃运动中主要使用的是股直肌和大腿肌肉。以及腰部力量和脚踝部力量。（3）在我们平常做蛙跳运动中都是以这个步骤起跳的：两脚分开成半蹲，上体稍前倾，两臂在体后成预备姿势。两腿用力蹬伸，充分伸直髋、膝、踝三个关节，同时两臂迅速前摆，身体向前上方跳起，然后用全脚掌落地屈膝缓冲，两臂摆成预备姿势。青蛙的小腿，大腿和身体的 比例是
1:1:1.5，当青蛙准备迎接自己的飞跃，小腿肌肉缩短。约100毫秒后，小腿肌肉停止运动，能量已经完全加载到弹性肌腱。青蛙弹跳的那一刻，包裹脚踝骨周围的肌腱，释放着能量，就像弹弓，从踝关节处以极快的速度推动青蛙至高远处。

2.蛙跳动作分析及电脑仿真
通过分析蛙跳视频，与查阅的资料进行对照把蛙跳动作主要分为小腿肌肉打开，脚踝和大腿同时发力，产生向前的加速度，，跃起，然后在落地前收腿最后平稳落地。同时利用solidworks电脑仿真软件，分步模拟了蛙跳动作。
实际蛙跳动作分析 电脑仿真

4.材料筛选与清单
动力：在动力方面主要是有几个要求（1）力量大（2）质量轻（3）速度快。所以我在动力方面起初有三个设想，采用电机，液压，气动装置驱动。但是发现在蛙跳的过程中腿部是有很大的爆发力的而且速度很快。但是电机如果有速度很快，但是力量又达不到那么大。所以舍去了电机。开始在液压和气动装置中抉择，经过对这两种装置的了解，发现液压装置由于主要是用液体驱动的，但是仿生青蛙为了能成功的跳跃要使整体的质量尽可能的轻便。所以我最终选择了气动装置作为主要的动力来源。
机身：机身的主要要求是质量轻，强度高。所以主要材料使用铝合金制成，在关节处采用定制的铜合页。
控制：控制端选用的是Arduino控制器连接继电器和电磁阀进行对起跳步骤的控制。
气源：气源采用的是容量为11L，最大压力为0.8Mpa的空气压缩机经过调整机械调压阀，把气压控制在0.7Mpa
经过筛选后确认了动力、机身、控制、气源几方面主要部件。所有材料详细数据请的见下表：

材 料 清 单
名称
型号
数量
铝型材
40mm*70mm*1.2
3米
气缸
CDJ2D16-100
2
气缸
CDJ2D16-80
2
气缸
CDJ2D16-60
2
电磁阀
4V210-08 DC12V
3
合页
35mm*40mm*2
6
螺丝
M5*50
12
螺丝
M4*8
52
自锁螺母
M5
12
自锁螺母
M6
52
轴套
M5*15mm
24
气缸安装头
I型
6
气管
外4mm内2.5mm
50m
气管
外6mm内4mm
1m
气管
外8mm内6mm
5m
电瓶
12V
1

二．工程图绘制
利用solidworks设计软件初步画出机身轮廓，并确定小腿：30cm，大腿32.5cm，身体45cm，脚30cm，大小腿的比例基本上为1:1:1.5，大腿比小腿略长，主要目的是把站立时的重心后移，使落地时更加稳定。脚与小腿之间的夹角为30度，小腿和大腿之间为60度，大腿和身体之间的夹角为50度，从而形成起跳时的半蹲姿势。并确定6根气缸安装的位置，使其完全舒展开始呈现出脚和小腿90度夹角小腿和大腿之间呈现150度夹角，大腿和身体之间呈现150度夹角。这样在跳跃过程中能够使机身完全伸展（如图1、2）。

图1 图2
三．制作实验模型
1.工具
全部制作在家独立完成。由于个人对金属加工十分感兴趣，所以自家配置了车床和铣床以及介铝锯。由于要对型材进行打孔，便用到了西玛特SC3铣床上钻台的功能；由于买不到CDJ2D16气缸上的Y或I型安装头，便用到了西玛特SC4车床车制；在对铝型材切割时使用介铝锯进行纵向切割，以及机身上45度倒角切割。在对铝型材横抛时使用的是铣床的锯片刀加无齿锯片切割。（如图3、4、5）。
图3 图4 图5
2.过程
第一步：对铝合金型材量取所需要的长度，然后用划针换线，然后使用介铝锯纵向切割。最后切得30cm，三根45cm一根，32.5cm一根
第二部：将切割完的型材用螺丝固定在铣床上，使用锯片对型材横向抛开。把一根30cm和一根45cm的抛成角铝，把一根30cm的取40mm边的中心线抛开，把剩下没有抛的两根分别沿70cm中心线抛开。
第三部：用介铝锯切割倒角，把身体所需的4根角铝切割45度倒角，把腿部的两根30cm和两根32.5cm的型材的一段都切割最大角度的倒角。
第四部：按照气缸安装孔位打孔，以及合页的安装孔。
第五步： 安装，并对有误差的安装孔进行修改。

3.控制端
控制短我采用的是Arduino控制器连接继电器控制电磁阀的方法，电源使用的12V电瓶。通过对蛙跳运动的动作方法的了解，以及对蛙跳慢动作视频进行分析得到跳跃分为三步：首先小腿启动，重心前移；然后脚和大腿同时发力，产生向前的加速的；机器人跃起；然后在空中完成收腿的动作；最后平稳落地。
程序：void setup() {
pinMode(13, INPUT);
pinMode(12, OUTPUT);
digitalWrite(12, HIGH);
pinMode(2, OUTPUT);// foot
pinMode(3, OUTPUT); //Slega
pinMode(4, OUTPUT); //Blage
}
void loop() {
if(1==digitalRead(13)){
digitalWrite(3, HIGH);
delay(35);
digitalWrite(4, HIGH);
delay(60);
digitalWrite(2, HIGH);
delay(150);
digitalWrite(4, LOW);
delay(1);
digitalWrite(3, LOW);
delay(1);
digitalWrite(2, LOW);
delay(1000);
}
delay(200);
}

四．测试
经过修改，制作出三代作品，下面对三代进行分析
1. 第一代：
特性：重量轻
问题：无法完成正常弹跳，机身硬度低，关节强度差，控制端气量小
制作周期：二个月
2. 第二代
特性：爆发力大，气量足，能够跳跃15cm高、50cm远。
问题：由于机身和控制端分离，受气管牵连，导致跳跃成功率较低。
相对上一代改进：加大合页强度，由气瓶换为空气压缩机控制。
制作周期：两个半月
3. 第三代
特性：跳跃成功率高，机身整体强度高。
相对上一代改进：控制端、储气罐、机身合为一体，并选用精度更高的合页。
制作周期：二个月
五.改进与完善的设想
通过三代机器人的制作与调试，发现还有落地不稳，不能连续跳跃，跳跃成功率低，跳跃高度和距离没有达到理想值的特点，还需要进行下列的完善：
（1）在每根气缸上安装一根弹簧，当不跳跃的时候利用弹簧的拉力使其在初始位置停留。当准备跳跃的时候，气缸蓄力，并且拉伸弹簧，然后执行跳跃。在落地前恢复到初始位置，利用弹簧作为减震落地。
（2）在不能连续跳跃的问题解决上，可以检测第一次跳跃完成以后的储气瓶气压，并根据当前气压对第二次跳跃的程序进行编写。
（2）为了更好的提高跳跃距离，可以对铝型材进行偷轻处理，或者采用碳纤维材料，减轻机身重量。
六．总结
历经六个月的研究与制作历经众多问题终于制作出这个蛙式跳跃仿生机器人。在制作的过程中充分的锻炼了我的动手能力，并对青蛙的机理以及人的肌肉组织有了深刻的了解。下面我为您展示一下我所做的三代机器人的对比参数。+

第一代
第二代
第三代
全部重量
2000g
3500g
3000g
控制器重量
1000g
1000g
5000g
机身重量
800g
2500g
3000g
控制气压
1Mpa
0.7Mpa
0.8Mpa
气缸缸径
10mm
16mm
16mm
气管数量
30米
60米
20米
最大跳跃高度
0
15cm
30cm
最大跳跃距离
0
50cm
50cm
整体分析：经过三代的改进机器人已经能够实现完美的跳跃，为了实现完美的跳跃，我通过改变控制气压，以及加大气缸缸径，使其腿部有更大的爆发力。并且把控制端和机身整体化使其不受身后的牵连。虽然第二，第三代相对第一代重量提升了很多，但是其稳定性和强度有了很大的提高。
展望：这款机器人尚处于研究阶段,国内也刚刚开始此类课题的研究。此款机器人今后希望能够可以可以跨越障碍,躲避危险等。

附件：

1.结构图 2.设计外观图
3.跳跃步骤