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【中國智能制造網(wǎng) 學術(shù)論文】二十一世紀人類將進入老齡化社會，發(fā)展“仿人機器人”將彌補年輕勞動力的嚴重不足，解決老齡化社會的家庭服務和醫(yī)療等社會問題，并能開辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機會。
“仿生機器人”是指模仿生物、從事生物特點工作的機器人。目前在西方國家，機械寵物十分流行，另外，仿麻雀機器人可以擔任環(huán)境監(jiān)測的任務，具有廣闊的開發(fā)前景。二十一世紀人類將進入老齡化社會，發(fā)展“仿人機器人”將彌補年輕勞動力的嚴重不足，解決老齡化社會的家庭服務和醫(yī)療等社會問題，并能開辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機會。”
仿生青蛙機器人設(shè)計
青蛙跳躍具有爆發(fā)性強、距離遠的特點，能夠輕松越過障礙，并且具有很好的環(huán)境適應性。其生物體結(jié)構(gòu)和行為方式合理、靈活、?；趯η嗤苌锾卣骱吞S運動機理的分析，對于復雜的結(jié)構(gòu)進行簡化，提出了一種面向跳躍運動的機構(gòu)模型，并進行仿生青蛙的設(shè)計。
1.研究背景及意義 1.1國外研究水平
加拿大麥吉爾大學分析了柔性機器人的控制算法，模仿動物利用肌肉、腱等彈性儲能元素來降低耗能，研制了具有柔性髖關(guān)節(jié)和腿的單腿跳躍機器人，跳躍速度可達1.25m/s,而驅(qū)動功率僅48W。
美國斯擔福大學和俄亥俄州大學合作，通過研究各種動物奔跑的運動步態(tài)和動力學特性，以動物運動時耗能小，腿部彈性儲能和低慣量為目標，研制出了一種機器人。
日本東京工業(yè)大學科學家通過分析貓在爬墻過程中，仿造其半身的結(jié)構(gòu)，研制了一種機器貓，其跳躍動作不追求運動中整體達到的高度，而是像貓那樣通過四肢的協(xié)調(diào)動作越過障礙物。
1.2國內(nèi)研究水平
哈爾濱工業(yè)大學通過分析蝗蟲起跳的運動原理，對生物模型進行簡化，建立了機器人理論模型，并從運動學和動力學進行分析，終設(shè)計了二套分別基于電機和電磁鐵驅(qū)動的樣機，并進行了實驗研究。
上海交大模仿人體下肢設(shè)計了關(guān)節(jié)彈性步行機構(gòu)。他們在機器人的小腿中安置了彈性裝置，通過四組并聯(lián)彈性元件和機器人腿外殼為機架的四連桿機構(gòu)的復合，使機構(gòu)產(chǎn)生了緩沖，儲能效果。
西北工業(yè)大學分析了袋鼠的生物形態(tài)和運動機理，提出了具有柔性腳趾的仿生袋鼠機器人機構(gòu)模型，對機器人著地和騰空的兩個階段進行了運動學及動力學分析，并研究了全跳躍周期關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，為袋鼠機器人的實現(xiàn)，解決其跳躍、彈跳動力等關(guān)鍵技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。
1.3常規(guī)跳躍機器人
麻省理工學院腿實驗室的Raibert教授于1980年研制了世界上個以連續(xù)跳躍方式運動的單腿機器人，機器人的運動被限制在一個平面內(nèi)，腿部裝有氣缸，作用相當于彈簧，因此它在地面上的運動類似于一個帶彈簧的倒立擺角。其基本運動模型如圖所示，機構(gòu)有一個X方向的平移自由度以及足部和軀體之間的旋轉(zhuǎn)自由度e，其跳躍與落地過程經(jīng)過運動學與動力學分析和計算后，只要按規(guī)律外加控制就可保持連續(xù)穩(wěn)定的跳躍運動，M.H.Raibert專門著書論述了這一模型。此外，很多學者從各個角度對類似機構(gòu)進行了數(shù)學分析與仿真。目前對Raibert跳躍模型的研究集中于如何對這種非完整約束系統(tǒng)進行平衡控制上。
1.4一般青蛙機器人
美國麻省理工學院Raibert教授等人研制了多種仿生步行或爬行機器人。其中有兩種可跳躍前進的腿型機器人。一種是二維跳躍機器人Uniroo}42}，其腿部結(jié)構(gòu)類似于袋鼠的后肢，如圖所示。機器人共有四個關(guān)節(jié)，即尾關(guān)節(jié)、骸關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)，它們分別由四個液壓缸驅(qū)動并控制實現(xiàn)系統(tǒng)的跳躍及平衡，側(cè)向借助連接在地面上的桿件保持穩(wěn)定。另一種是三維跳躍機器人3DB1peCl}43,44]，如圖1-12所示。其骸關(guān)節(jié)具有兩個自由度，腿部長度由氣缸控制。機器人單腿動態(tài)平衡控制系統(tǒng)由三部分組成:一部分控制機構(gòu)的前進速度，一部分控制機體與金屬腿之間的角度，另一部分控制彈跳高度。該機器人具有很好的平衡性和運動穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)跑、跳、甚至空翻等動作。
1.5意義
當今世界，科技發(fā)展水平日益進步，機器人研究領(lǐng)域已經(jīng)向航空航天、水面水下、地下管道等環(huán)境發(fā)展，未來的機器人將在人類無法工作的環(huán)境中代替人類工作，人們要求機器人不僅適應原來的基本要求，還要適應未知的環(huán)境，這就對機器人的運動靈活性、適應性、生存能力很高。
移動性能是未來機器人在許多場合的關(guān)鍵能力，為了完成任務，常常要求機器人能夠到人們無法進入的禁區(qū)進行偵查、探測，、攻擊，、干擾等行動。我們設(shè)計的仿生青蛙，運用了跳躍的運動方式，能夠適應不同地表，實現(xiàn)跨越溝渠和障礙，活動范圍廣，躲避風險能力和生存能力強，擁有極強的移動能力，因此能夠代替人們到達不可預測的環(huán)境中進行各種活動，完成任務。
青蛙跳躍具有爆發(fā)性強、距離遠的特點，能夠輕松越過障礙，并且具有很好的環(huán)境適應性。其生物體結(jié)構(gòu)和行為方式合理、靈活、?；趯η嗤苌锾卣骱吞S運動機理的分析，對于復雜的結(jié)構(gòu)進行簡化，提出了一種面向跳躍運動的機構(gòu)模型，并進行仿生青蛙的設(shè)計。青蛙前肢簡化為一個主動肩關(guān)節(jié)和一個被動肘關(guān)節(jié)，從而實現(xiàn)其著路支撐緩沖和姿態(tài)調(diào)整的功能。后肢采用五桿機構(gòu)作為腿部主體，并增加腳掌以保證其穩(wěn)定性。后肢通過電機控制實現(xiàn)跳躍動作，具有較大的可行性，后肢五桿機構(gòu)具有與青蛙跳躍時相識的力學規(guī)律，從而實現(xiàn)很好的跳躍功能。
2.設(shè)計方案 2.1青蛙構(gòu)成分析
青蛙構(gòu)成分析是仿生青蛙的基礎(chǔ)，青蛙身體分為頭，軀干和四肢三部分，體型短寬，四肢強健。前肢短小指間無蹼，主要作用是支撐身體前部，便于舉手遠眺，觀察四周；后肢長大而強健。青蛙的骨骼主要分為骨及軟骨成分。主要部分是頭骨、脊椎、胸骨。青蛙的脊椎由10塊椎骨組成，青蛙后肢部分由大腿骨脛腓骨，趾骨，跖骨構(gòu)成，前肢由掌骨等組成。后肢是有3個自由度，前肢由3個自由度。青蛙的肌肉對跳躍起主要的作用有半膜肌、臀肌、股二頭肌和腓腸肌，半膜肌是交錯在臀部和膝部關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)肌肉，主要在臀部伸展中起作用；臀肌是臀部和膝部關(guān)節(jié)中伸展的關(guān)節(jié)肌肉，在膝部伸展中作用很大；股二頭肌作用類似于臀肌；腓腸肌是羽狀關(guān)節(jié)肌肉，它通過腳底板的腱膜在膝和踝關(guān)節(jié)伸展中起作用，主要作用在在踝關(guān)節(jié)。
2.2青蛙的跳躍運動特征分析
基于青蛙運動時身體和姿態(tài)和動作，可以把其跳躍過程分為三個階段(1)起跳階段：從蹲踞姿勢的準備開始動作，到青蛙離開地面。(2)騰空階段：從離開地面到再次接觸地面(3)著陸階段：從接觸地面到青蛙恢復至起跳準備階段狀態(tài)。
在準備起跳階段，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)強烈收縮，大腿和小腿幾乎折疊在一起，彎曲在身體下面，跗跖關(guān)節(jié)彎曲到大約120度，從而提高踝關(guān)節(jié)以防止他與地面接觸，前肢用于支撐身體和調(diào)整起跳狀態(tài)。
在起跳階段，當肌肉受到刺激開始收縮后，會產(chǎn)生能量使后肢快速伸展，依次將青蛙推向空中，在髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)張開時，腳大部分仍然和地面接觸，而且跗跖關(guān)節(jié)只是輕微張開，但隨著運動的進行，跗跖關(guān)節(jié)有北向轉(zhuǎn)動，使跗骨向前滾，一直進到腳趾，就像人走步時從腳跟移動到腳趾，在起跳階段初期，肘關(guān)節(jié)逐漸打開，大臂收回到身體兩側(cè)，短小前臂伸展不能為跳躍提供多少動力，但在開始跳躍時馬上抬起以起到平衡和方向的作用。
青蛙的柔性，多關(guān)節(jié)長腳是成功跳躍的一個重要元素，上述運動時前腳掌與地面接觸足夠長的時間，也使得起跳的地方從腳后往前移，對于青蛙這么長的動物，會允許不斷的調(diào)整平衡，從而快速改變方向和軌跡，通過增加腳的接觸時間，有利于結(jié)合每個關(guān)節(jié)的速度，從而使腿伸展的速度和終起跳速度達到大。
騰空階段中，前肢先前伸展，后肢的髖，膝，踝和跗跖關(guān)節(jié)開始收縮，但比較緩慢，主要是為保證減少轉(zhuǎn)動慣量較大的身體在空中的轉(zhuǎn)動，保持身體平衡，直至于手掌接觸地面。
著陸階段中，手掌接觸地面，前肢進行支撐和緩沖，后肢順勢收回，身體繞著肩部旋轉(zhuǎn)直到后肢接觸地面，身體的重量逐漸轉(zhuǎn)移到后腿，轉(zhuǎn)備下次起跳。
青蛙跳躍主要依靠兩條后肢同時伸展，提供跳躍式向前和向上的力，終跳躍地面。但并非青蛙的跳躍均為雙足跳躍，雙足跳躍主要用于向正前方跳躍。青蛙轉(zhuǎn)彎時也進行單足跳躍，通過單組跳躍向身體外側(cè)的伸展，實現(xiàn)身體的轉(zhuǎn)向。
在跳躍過程中，前肢后肢各有其功能。后肢主要提供跳躍的力和能量，腳掌關(guān)節(jié)較多，柔性較大，在起跳過程中盡量保持接觸地面，使腿部釋放的能量充分利用于跳躍。前肢在起跳過程時輔助支撐地面，調(diào)節(jié)起跳角度，著陸時進行緩沖。另外，在空中，通過前肢和后肢的伸展與收縮，調(diào)節(jié)身體在空中的姿態(tài)。
2.3仿生青蛙機構(gòu)模型建立
根據(jù)青蛙的上述跳躍特征，我們提出一種模型來模仿其后肢的運動，它選擇彈簧作為儲能元件，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)被簡化為一個自由度，由電機通過繩索驅(qū)動。
除了這種桿機構(gòu)作為機器人腿部的主體，根據(jù)青蛙跳躍時跗跖關(guān)節(jié)的重要功能，在腳部還應有一個被動關(guān)節(jié)，它在起跳階段能通過保持腳掌與地面足夠長的接觸時間來提高跳躍能力，并增加跳躍的穩(wěn)定性。另外，在髖關(guān)節(jié)增加后擺(繞z軸旋轉(zhuǎn)，如圖4所示)外擺(繞X軸轉(zhuǎn)動)，以調(diào)整跳躍的姿態(tài)，方向和軌跡。
由于前肢功能相對簡單，并且為了簡化機構(gòu)，在肩關(guān)節(jié)只有一個自由度(繞z軸旋轉(zhuǎn))負責掌握平衡和調(diào)整跳躍姿態(tài)，肘關(guān)節(jié)有一個被動自由度負責在著陸階段對機器人進行支撐和緩沖。
綜上，我們得出仿青蛙跳躍機器人的機構(gòu)模型(圖4為對稱模型的半側(cè)示意圖)，機器人起跳姿態(tài)的調(diào)整通過控制肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)完成，當松開繩索后，后肢把機器人推向空中，騰空階段，通過繩索收回腿部，并調(diào)整肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)準備著陸，著陸時前肢肘關(guān)節(jié)進行緩沖，然后與后肢共同完成著陸。
3.理論計算
3.1運動學分析 3.1.1準備階段仿生青蛙的運動學分析 3.1.2起跳階段仿生青蛙的運動學分析 3.1.3騰空階段仿生青蛙的運動學分析 3.1.4仿生青蛙整體運動學分析 3.2仿生青蛙機械腿驅(qū)動機構(gòu)
機械腿執(zhí)行機構(gòu)的收放和彈簧能量的調(diào)節(jié)是由繩索實現(xiàn)的，而對繩索的控制是由電機和機器腿驅(qū)動機構(gòu)完成的。驅(qū)動機構(gòu)主要包括單向軸承、棘輪、棘爪、齒輪和傳感器，電機通過限定方向相反的單向軸承，分別帶動不完全齒輪的轉(zhuǎn)動，從而控制卷筒的滾動。驅(qū)動機構(gòu)的輸入為電機旋轉(zhuǎn)，輸出為卷筒的滾動，通過電機對齒輪傳動的分時控制實現(xiàn)腿部的驅(qū)動。卷筒用于帶動繩索實現(xiàn)腿的收放，此時需要電機輸出高轉(zhuǎn)速。下面分析跳躍高度和距離與滾筒圈數(shù)的關(guān)系。釋放繩索相當于層架彈簧的初始長度，彈簧初始長度S=30n+L
4.工作原理
4.1仿生青蛙總體結(jié)構(gòu)
機器人總體結(jié)構(gòu)如圖所示，它基于之前得出的機構(gòu)模型，采用類似于青蛙的整體外形，由后肢、前肢和身體三個部分組成。各部分仿照青蛙相應部分的功能進行設(shè)計:前面裝有攝像頭，方便操控和監(jiān)視后肢主要提供跳躍的力和能量；前肢在起跳時輔助支撐地面，調(diào)節(jié)起跳角度，著陸時進行緩沖；身體連接前后肢，安放驅(qū)動元件和傳感器。為了盡量減輕腿部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，以利于提高跳躍的效率，四肢關(guān)節(jié)的驅(qū)動元件均置于身體中，通過電機帶動卷筒收放繩索來實現(xiàn)對后肢關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)。
4.2仿生青蛙前肢
主動自由度和肘關(guān)節(jié)被動自由度，肩關(guān)節(jié)選用futaba-s356舵機，控制整個前肢的轉(zhuǎn)動，肘關(guān)節(jié)處為一扭簧，并通過同步帶和肩關(guān)節(jié)耦合，傳動比為2:1,這樣前肢在著陸緩沖過程中，地面作用力可以通過肩關(guān)節(jié)軸心，降低在關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的扭矩從而減輕對舵機負載的要求，另外這種結(jié)構(gòu)也增大了前肢關(guān)節(jié)壓縮的角度范圍，使著陸緩沖區(qū)更大，大臂處調(diào)整輪用于改變同步帶的張緊程度和阻尼大小。
4.3仿生青蛙后肢
機器人后肢設(shè)計如圖所示，由于大多數(shù)跳躍時，青蛙兩腿的髖關(guān)節(jié)外擺自由度角度變化相同，為提高電動機效率，兩關(guān)節(jié)由2個舵機控制，兩側(cè)通過齒輪傳動，實現(xiàn)兩腿自由度同步。兩腿的髖關(guān)節(jié)后擺自由度分別由兩個舵機控制。機器腿是機器人跳躍核心，它由直流電機、機器人腿驅(qū)動機構(gòu)、機器腿執(zhí)行機構(gòu)組成，如圖所示，為了減輕重量，降低能耗，機器腿僅有一個電機驅(qū)動，并通過機器腿驅(qū)動機構(gòu)把它一個方向的轉(zhuǎn)動通過繩索用于腿的收放。
4.4仿生青蛙機械腿執(zhí)行機構(gòu)
由于四桿機構(gòu)在髖關(guān)節(jié)處多一個旋轉(zhuǎn)自由度，所以用五桿機構(gòu)代替四桿機構(gòu)，如圖所示，五桿機構(gòu)由于同步齒輪限制只有一個自由度，即沿Y方向運動，通過拉動繩索可實現(xiàn)腿回收。腳掌和附拓關(guān)節(jié)可以輔助調(diào)節(jié)起跳角度，還能夠提高踩關(guān)節(jié)以防止腿碰到地面。跗跖關(guān)節(jié)處有一被動扭簧，在起跳過程中能讓腳掌充分與地面接觸，利于彈簧能量充分轉(zhuǎn)化到跳躍中，并防止打滑，提高跳躍的穩(wěn)定性。腿部機構(gòu)的核心是五桿結(jié)構(gòu)，實際上機構(gòu)由線性彈簧產(chǎn)生了非線性的力，并且使這個剛性結(jié)構(gòu)具有很小的內(nèi)部摩擦力。
4.5仿生青蛙機械腿的驅(qū)動機構(gòu)
機器腿執(zhí)行機構(gòu)的收放和彈簧能量的調(diào)節(jié)是由繩索實現(xiàn)的，而對繩索的控制是由電機和機器腿驅(qū)動機構(gòu)完成的。驅(qū)動機構(gòu)主要包括軸承、棘輪、棘爪、齒輪，電機通過限定方向相反的單向軸承，分別帶動不完全齒輪1與2的轉(zhuǎn)動，從而控制卷筒的滾動。
驅(qū)動機構(gòu)的輸入為電機旋轉(zhuǎn)，輸出為兩個卷筒的滾動，通過電機對齒輪傳動的分時控制實現(xiàn)腿部的驅(qū)動。卷筒用于帶動繩索實現(xiàn)腿的收放，此時需要電機輸出高轉(zhuǎn)速。卷筒用于實現(xiàn)對彈簧伸長量的控制，它可釋放與彈簧一端相連的制卷筒度和距離，通過轉(zhuǎn)動不完全齒輪到指定位置，可以控長度，從而調(diào)節(jié)彈簧儲存的能量，并控制機器腿跳躍的高度和距離。
5.創(chuàng)新點及應用 5.1創(chuàng)新點
采用仿生學原理，模仿青蛙運動形式，具備生物體結(jié)構(gòu)和運動方式的合理性和科學性2.對于復雜地形的適應性強，跳躍運動方式越障能力強，能適應不同地表具有很強的環(huán)境適應性，適合在非結(jié)構(gòu)化、未知的環(huán)境里代替人類完成偵察、探測等任務。3.采用間歇式傳動裝置實現(xiàn)跳躍。
5.2應用與前景
仿青蛙跳躍機器人具有越障能力強的特點，因此加以完善和改進，可以廣泛應用與軍事偵查、防恐防暴、救災救援、地質(zhì)探測等方面。
仿青蛙跳躍機器人作為一個嶄新的研究方向，涉及到生物學、仿生學、力學、機械、電子以及控制等多學科知識與技術(shù)，具有重要的研究應用價值。青蛙本身具有優(yōu)異的兩棲運動能力，如果仿生機器人也能集陸上跳躍能力和水下游動能力于一身，將擁有極強的環(huán)境適應性，因此有必要對青蛙游動運動方式進行機理分析，并探索仿生青蛙在多環(huán)境介質(zhì)下的運動方式，從而增大仿生青蛙的應用范圍。
(原標題：仿生機器人發(fā)展研究)
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