為了更好地對跳躍運(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)。現(xiàn)已可以越過高13cm的障礙，跳躍距離長達(dá)50cm。

經(jīng)過實(shí)際測量和查閱資料，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，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)過對這兩種裝置的對比發(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，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。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鋁合金型材量取所需要的長度，然后用劃針畫線，再使用介鋁鋸縱向切割，最后切得30cm長的三根、45cm長一根、32.5cm長一根的材料備用。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，控制端氣量小；第二代特性：爆發(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