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【中國(guó)智能制造網(wǎng) 學(xué)術(shù)論文】二十一世紀(jì)人類(lèi)將進(jìn)入老齡化社會(huì)，發(fā)展“仿人機(jī)器人”將彌補(bǔ)年輕勞動(dòng)力的嚴(yán)重不足，解決老齡化社會(huì)的家庭服務(wù)和醫(yī)療等社會(huì)問(wèn)題，并能開(kāi)辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)。
“仿生機(jī)器人”是指模仿生物、從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人。目前在西方國(guó)家，機(jī)械寵物十分流行，另外，仿麻雀機(jī)器人可以擔(dān)任環(huán)境監(jiān)測(cè)的任務(wù)，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。二十一世紀(jì)人類(lèi)將進(jìn)入老齡化社會(huì)，發(fā)展“仿人機(jī)器人”將彌補(bǔ)年輕勞動(dòng)力的嚴(yán)重不足，解決老齡化社會(huì)的家庭服務(wù)和醫(yī)療等社會(huì)問(wèn)題，并能開(kāi)辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)。”
仿生青蛙機(jī)器人設(shè)計(jì)
青蛙跳躍具有爆發(fā)性強(qiáng)、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，能夠輕松越過(guò)障礙，并且具有很好的環(huán)境適應(yīng)性。其生物體結(jié)構(gòu)和行為方式合理、靈活、?；趯?duì)青蛙生物特征和跳躍運(yùn)動(dòng)機(jī)理的分析，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出了一種面向跳躍運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)模型，并進(jìn)行仿生青蛙的設(shè)計(jì)。
1.研究背景及意義 1.1國(guó)外研究水平
加拿大麥吉爾大學(xué)分析了柔性機(jī)器人的控制算法，模仿動(dòng)物利用肌肉、腱等彈性?xún)?chǔ)能元素來(lái)降低耗能，研制了具有柔性髖關(guān)節(jié)和腿的單腿跳躍機(jī)器人，跳躍速度可達(dá)1.25m/s,而驅(qū)動(dòng)功率僅48W。
美國(guó)斯擔(dān)福大學(xué)和俄亥俄州大學(xué)合作，通過(guò)研究各種動(dòng)物奔跑的運(yùn)動(dòng)步態(tài)和動(dòng)力學(xué)特性，以動(dòng)物運(yùn)動(dòng)時(shí)耗能小，腿部彈性?xún)?chǔ)能和低慣量為目標(biāo)，研制出了一種機(jī)器人。
日本東京工業(yè)大學(xué)科學(xué)家通過(guò)分析貓?jiān)谂缐^(guò)程中，仿造其半身的結(jié)構(gòu)，研制了一種機(jī)器貓，其跳躍動(dòng)作不追求運(yùn)動(dòng)中整體達(dá)到的高度，而是像貓那樣通過(guò)四肢的協(xié)調(diào)動(dòng)作越過(guò)障礙物。
1.2國(guó)內(nèi)研究水平
哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過(guò)分析蝗蟲(chóng)起跳的運(yùn)動(dòng)原理，對(duì)生物模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了機(jī)器人理論模型，并從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，終設(shè)計(jì)了二套分別基于電機(jī)和電磁鐵驅(qū)動(dòng)的樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
上海交大模仿人體下肢設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)彈性步行機(jī)構(gòu)。他們?cè)跈C(jī)器人的小腿中安置了彈性裝置，通過(guò)四組并聯(lián)彈性元件和機(jī)器人腿外殼為機(jī)架的四連桿機(jī)構(gòu)的復(fù)合，使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了緩沖，儲(chǔ)能效果。
西北工業(yè)大學(xué)分析了袋鼠的生物形態(tài)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出了具有柔性腳趾的仿生袋鼠機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型，對(duì)機(jī)器人著地和騰空的兩個(gè)階段進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)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(jī)器人的實(shí)現(xiàn)，解決其跳躍、彈跳動(dòng)力等關(guān)鍵技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。
1.3常規(guī)跳躍機(jī)器人
麻省理工學(xué)院腿實(shí)驗(yàn)室的Raibert教授于1980年研制了世界上個(gè)以連續(xù)跳躍方式運(yùn)動(dòng)的單腿機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面內(nèi)，腿部裝有氣缸，作用相當(dāng)于彈簧，因此它在地面上的運(yùn)動(dòng)類(lèi)似于一個(gè)帶彈簧的倒立擺角。其基本運(yùn)動(dòng)模型如圖所示，機(jī)構(gòu)有一個(gè)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(guò)程經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析和計(jì)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(yùn)動(dòng)，M.H.Raibert專(zhuān)門(mén)著書(shū)論述了這一模型。此外，很多學(xué)者從各個(gè)角度對(duì)類(lèi)似機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析與仿真。目前對(duì)Raibert跳躍模型的研究集中于如何對(duì)這種非完整約束系統(tǒng)進(jìn)行平衡控制上。
1.4一般青蛙機(jī)器人
美國(guó)麻省理工學(xué)院Raibert教授等人研制了多種仿生步行或爬行機(jī)器人。其中有兩種可跳躍前進(jìn)的腿型機(jī)器人。一種是二維跳躍機(jī)器人Uniroo}42}，其腿部結(jié)構(gòu)類(lèi)似于袋鼠的后肢，如圖所示。機(jī)器人共有四個(gè)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(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)并控制實(shí)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(jī)器人3DB1peCl}43,44]，如圖1-12所示。其骸關(guān)節(jié)具有兩個(gè)自由度，腿部長(zhǎng)度由氣缸控制。機(jī)器人單腿動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)由三部分組成:一部分控制機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度，一部分控制機(jī)體與金屬腿之間的角度，另一部分控制彈跳高度。該機(jī)器人具有很好的平衡性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)跑、跳、甚至空翻等動(dòng)作。
1.5意義
當(dāng)今世界，科技發(fā)展水平日益進(jìn)步，機(jī)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(lái)的機(jī)器人將在人類(lèi)無(wú)法工作的環(huán)境中代替人類(lèi)工作，人們要求機(jī)器人不僅適應(yīng)原來(lái)的基本要求，還要適應(yīng)未知的環(huán)境，這就對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性、適應(yīng)性、生存能力很高。
移動(dòng)性能是未來(lái)機(jī)器人在許多場(chǎng)合的關(guān)鍵能力，為了完成任務(wù)，常常要求機(jī)器人能夠到人們無(wú)法進(jìn)入的禁區(qū)進(jìn)行偵查、探測(cè)，、攻擊，、干擾等行動(dòng)。我們?cè)O(shè)計(jì)的仿生青蛙，運(yùn)用了跳躍的運(yùn)動(dòng)方式，能夠適應(yīng)不同地表，實(shí)現(xiàn)跨越溝渠和障礙，活動(dòng)范圍廣，躲避風(fēng)險(xiǎn)能力和生存能力強(qiáng)，擁有極強(qiáng)的移動(dòng)能力，因此能夠代替人們到達(dá)不可預(yù)測(cè)的環(huán)境中進(jìn)行各種活動(dòng)，完成任務(wù)。
青蛙跳躍具有爆發(fā)性強(qiáng)、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，能夠輕松越過(guò)障礙，并且具有很好的環(huán)境適應(yīng)性。其生物體結(jié)構(gòu)和行為方式合理、靈活、?；趯?duì)青蛙生物特征和跳躍運(yùn)動(dòng)機(jī)理的分析，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出了一種面向跳躍運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)模型，并進(jìn)行仿生青蛙的設(shè)計(jì)。青蛙前肢簡(jiǎn)化為一個(gè)主動(dòng)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)被動(dòng)肘關(guān)節(jié)，從而實(shí)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(jī)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(guò)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)跳躍動(dòng)作，具有較大的可行性，后肢五桿機(jī)構(gòu)具有與青蛙跳躍時(shí)相識(shí)的力學(xué)規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)很好的跳躍功能。
2.設(shè)計(jì)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(qiáng)健。前肢短小指間無(wú)蹼，主要作用是支撐身體前部，便于舉手遠(yuǎn)眺，觀察四周；后肢長(zhǎng)大而強(qiáng)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(gè)自由度，前肢由3個(gè)自由度。青蛙的肌肉對(duì)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(cuò)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(lèi)似于臀??；腓腸肌是羽狀關(guān)節(jié)肌肉，它通過(guò)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(yùn)動(dòng)特征分析
基于青蛙運(yùn)動(dòng)時(shí)身體和姿態(tài)和動(dòng)作，可以把其跳躍過(guò)程分為三個(gè)階段(1)起跳階段：從蹲踞姿勢(shì)的準(zhǔn)備開(kāi)始動(dòng)作，到青蛙離開(kāi)地面。(2)騰空階段：從離開(kāi)地面到再次接觸地面(3)著陸階段：從接觸地面到青蛙恢復(fù)至起跳準(zhǔn)備階段狀態(tài)。
在準(zhǔn)備起跳階段，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)強(qiáng)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(dāng)肌肉受到刺激開(kāi)始收縮后，會(huì)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(kāi)時(shí)，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(kāi)，但隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，跗跖關(guān)節(jié)有北向轉(zhuǎn)動(dòng)，使跗骨向前滾，一直進(jìn)到腳趾，就像人走步時(shí)從腳跟移動(dòng)到腳趾，在起跳階段初期，肘關(guān)節(jié)逐漸打開(kāi)，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(dòng)力，但在開(kāi)始跳躍時(shí)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(zhǎng)腳是成功跳躍的一個(gè)重要元素，上述運(yùn)動(dòng)時(shí)前腳掌與地面接觸足夠長(zhǎng)的時(shí)間，也使得起跳的地方從腳后往前移，對(duì)于青蛙這么長(zhǎng)的動(dòng)物，會(huì)允許不斷的調(diào)整平衡，從而快速改變方向和軌跡，通過(guò)增加腳的接觸時(shí)間，有利于結(jié)合每個(gè)關(guān)節(jié)的速度，從而使腿伸展的速度和終起跳速度達(dá)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(kāi)始收縮，但比較緩慢，主要是為保證減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的身體在空中的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jìn)行支撐和緩沖，后肢順勢(shì)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?jī)蓷l后肢同時(shí)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(shí)也進(jìn)行單足跳躍，通過(guò)單組跳躍向身體外側(cè)的伸展，實(shí)現(xiàn)身體的轉(zhuǎn)向。
在跳躍過(guò)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(guò)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(guò)程時(shí)輔助支撐地面，調(diào)節(jié)起跳角度，著陸時(shí)進(jìn)行緩沖。另外，在空中，通過(guò)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(jī)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(lái)模仿其后肢的運(yùn)動(dòng)，它選擇彈簧作為儲(chǔ)能元件，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)被簡(jiǎn)化為一個(gè)自由度，由電機(jī)通過(guò)繩索驅(qū)動(dòng)。
除了這種桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人腿部的主體，根據(jù)青蛙跳躍時(shí)跗跖關(guān)節(jié)的重要功能，在腳部還應(yīng)有一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)，它在起跳階段能通過(guò)保持腳掌與地面足夠長(zhǎng)的接觸時(shí)間來(lái)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(dòng))，以調(diào)整跳躍的姿態(tài)，方向和軌跡。
由于前肢功能相對(duì)簡(jiǎn)單，并且為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，在肩關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度(繞z軸旋轉(zhuǎn))負(fù)責(zé)掌握平衡和調(diào)整跳躍姿態(tài)，肘關(guān)節(jié)有一個(gè)被動(dòng)自由度負(fù)責(zé)在著陸階段對(duì)機(jī)器人進(jìn)行支撐和緩沖。
綜上，我們得出仿青蛙跳躍機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模型(圖4為對(duì)稱(chēng)模型的半側(cè)示意圖)，機(jī)器人起跳姿態(tài)的調(diào)整通過(guò)控制肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)完成，當(dāng)松開(kāi)繩索后，后肢把機(jī)器人推向空中，騰空階段，通過(guò)繩索收回腿部，并調(diào)整肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)準(zhǔn)備著陸，著陸時(shí)前肢肘關(guān)節(jié)進(jìn)行緩沖，然后與后肢共同完成著陸。
3.理論計(jì)算
3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3.1.1準(zhǔn)備階段仿生青蛙的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3.1.2起跳階段仿生青蛙的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3.1.3騰空階段仿生青蛙的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3.1.4仿生青蛙整體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3.2仿生青蛙機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
機(jī)械腿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的收放和彈簧能量的調(diào)節(jié)是由繩索實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)繩索的控制是由電機(jī)和機(jī)器腿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成的。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括單向軸承、棘輪、棘爪、齒輪和傳感器，電機(jī)通過(guò)限定方向相反的單向軸承，分別帶動(dòng)不完全齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制卷筒的滾動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入為電機(jī)旋轉(zhuǎn)，輸出為卷筒的滾動(dòng)，通過(guò)電機(jī)對(duì)齒輪傳動(dòng)的分時(shí)控制實(shí)現(xiàn)腿部的驅(qū)動(dòng)。卷筒用于帶動(dòng)繩索實(shí)現(xiàn)腿的收放，此時(shí)需要電機(jī)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(dāng)于層架彈簧的初始長(zhǎng)度，彈簧初始長(zhǎng)度S=30n+L
4.工作原理
4.1仿生青蛙總體結(jié)構(gòu)
機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖所示，它基于之前得出的機(jī)構(gòu)模型，采用類(lèi)似于青蛙的整體外形，由后肢、前肢和身體三個(gè)部分組成。各部分仿照青蛙相應(yīng)部分的功能進(jìn)行設(shè)計(jì):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(shí)輔助支撐地面，調(diào)節(jié)起跳角度，著陸時(shí)進(jìn)行緩沖；身體連接前后肢，安放驅(qū)動(dòng)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(dòng)元件均置于身體中，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)卷筒收放繩索來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)后肢關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)。
4.2仿生青蛙前肢
主動(dòng)自由度和肘關(guān)節(jié)被動(dòng)自由度，肩關(guān)節(jié)選用futaba-s356舵機(jī)，控制整個(gè)前肢的轉(zhuǎn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)處為一扭簧，并通過(guò)同步帶和肩關(guān)節(jié)耦合，傳動(dòng)比為2:1,這樣前肢在著陸緩沖過(guò)程中，地面作用力可以通過(guò)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(duì)舵機(jī)負(fù)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(jī)器人后肢設(shè)計(jì)如圖所示，由于大多數(shù)跳躍時(shí)，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(dòng)機(jī)效率，兩關(guān)節(jié)由2個(gè)舵機(jī)控制，兩側(cè)通過(guò)齒輪傳動(dòng)，實(shí)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(gè)舵機(jī)控制。機(jī)器腿是機(jī)器人跳躍核心，它由直流電機(jī)、機(jī)器人腿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)器腿執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖所示，為了減輕重量，降低能耗，機(jī)器腿僅有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)機(jī)器腿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)把它一個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)繩索用于腿的收放。
4.4仿生青蛙機(jī)械腿執(zhí)行機(jī)構(gòu)
由于四桿機(jī)構(gòu)在髖關(guān)節(jié)處多一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，所以用五桿機(jī)構(gòu)代替四桿機(jī)構(gòu)，如圖所示，五桿機(jī)構(gòu)由于同步齒輪限制只有一個(gè)自由度，即沿Y方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)拉動(dòng)繩索可實(shí)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(dòng)扭簧，在起跳過(guò)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(jī)構(gòu)的核心是五桿結(jié)構(gòu)，實(shí)際上機(jī)構(gòu)由線性彈簧產(chǎn)生了非線性的力，并且使這個(gè)剛性結(jié)構(gòu)具有很小的內(nèi)部摩擦力。
4.5仿生青蛙機(jī)械腿的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
機(jī)器腿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的收放和彈簧能量的調(diào)節(jié)是由繩索實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)繩索的控制是由電機(jī)和機(jī)器腿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成的。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括軸承、棘輪、棘爪、齒輪，電機(jī)通過(guò)限定方向相反的單向軸承，分別帶動(dòng)不完全齒輪1與2的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制卷筒的滾動(dòng)。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入為電機(jī)旋轉(zhuǎn)，輸出為兩個(gè)卷筒的滾動(dòng)，通過(guò)電機(jī)對(duì)齒輪傳動(dòng)的分時(shí)控制實(shí)現(xiàn)腿部的驅(qū)動(dòng)。卷筒用于帶動(dòng)繩索實(shí)現(xiàn)腿的收放，此時(shí)需要電機(jī)輸出高轉(zhuǎn)速。卷筒用于實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧伸長(zhǎng)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(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)不完全齒輪到指定位置，可以控長(zhǎng)度，從而調(diào)節(jié)彈簧儲(chǔ)存的能量，并控制機(jī)器腿跳躍的高度和距離。
5.創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用 5.1創(chuàng)新點(diǎn)
采用仿生學(xué)原理，模仿青蛙運(yùn)動(dòng)形式，具備生物體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式的合理性和科學(xué)性2.對(duì)于復(fù)雜地形的適應(yīng)性強(qiáng)，跳躍運(yùn)動(dòng)方式越障能力強(qiáng)，能適應(yīng)不同地表具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，適合在非結(jié)構(gòu)化、未知的環(huán)境里代替人類(lèi)完成偵察、探測(cè)等任務(wù)。3.采用間歇式傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)跳躍。
5.2應(yīng)用與前景
仿青蛙跳躍機(jī)器人具有越障能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此加以完善和改進(jìn)，可以廣泛應(yīng)用與軍事偵查、防恐防暴、救災(zāi)救援、地質(zhì)探測(cè)等方面。
仿青蛙跳躍機(jī)器人作為一個(gè)嶄新的研究方向，涉及到生物學(xué)、仿生學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、電子以及控制等多學(xué)科知識(shí)與技術(shù)，具有重要的研究應(yīng)用價(jià)值。青蛙本身具有優(yōu)異的兩棲運(yùn)動(dòng)能力，如果仿生機(jī)器人也能集陸上跳躍能力和水下游動(dòng)能力于一身，將擁有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，因此有必要對(duì)青蛙游動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行機(jī)理分析，并探索仿生青蛙在多環(huán)境介質(zhì)下的運(yùn)動(dòng)方式，從而增大仿生青蛙的應(yīng)用范圍。
(原標(biāo)題：仿生機(jī)器人發(fā)展研究)
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