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研究生:徐嘉明
研究生(外文):Jia Ming Hsu
論文名稱:玩具蛇之構造之探討與路徑規劃
論文名稱(外文):A study of the structure and locomotion for a snake-like toy
指導教授:巴白山巴白山引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北教育大學
系所名稱:玩具與遊戲設計研究所
學門:電算機學門
學類:軟體發展學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:108
中文關鍵詞:機構分析實驗研究法玩具蛇仿真
外文關鍵詞:snake-like toyorganization analysisimitate the animalsexperimental method
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隨著科技的進步,玩具也越來越朝精緻化發展。動物的動作往往可做為人類探討、模仿或研究的對象,從對動物的瞭解可以啟發出許多有用的發明。這些動作自古以來一直是很獨特並且精密,許多部分至今的科技仍然無法製作出比擬其真實的完整精密程度。若將動物的動作運用在玩具上,不僅具有科技的教育意義並且可以增加娛樂性。本研究藉著探討目前機器蛇發展的文獻,研究其運動系統,經由文獻分析與設計考量來建構模型。在機械蛇的製作上使用AI1001的馬達,藉由探討機械蛇的數學模型,透過D-H矩陣的變換,代入正向運動學與逆向運動學的分析求出結果,建立出角度與座標的相互關係,並且透過廣賴茂男教授所提出的蛇紋曲線,設定參數,並且建立出機械蛇在單位時間內參數改變影響的運動情況,利用MATLAB軟體進行模擬與繪製,並進行實驗與路徑分析。歸納出如何設計及改良出新的機構運用在動物玩具蛇上,並進而討論結果與未來的發展可能性。
With the progress of science and technology, toys are becoming more and more complex. Animal movement is often researched, imitated or studied.We are often inspired to develop many useful inventions from our understandings of animals. From ancient times to the present, animal actions have always been unique and complicated. To date, science and technology is still unable replicate animal movement and locomotion accurately. By using animal movements in a toy, we can not only increase the entertainment value of the toy, but also enhance the current state of science and technology. This research studies the literature of the dynamic system of a snake-like toy. It then analyzes the literature to design a model. We use a AI1001 motor to make the snake-like toy. By probing into the mathematical model of snake locomotion, and through the D-H method we obtain results in analysis of snake Kinematics and Inverse Kinematics. We demonstrated the relation between angle and coordinate. Using the serpentine curve that Dr. Hirose described in his theory, we set parameters and analyzed the movement situations affected by different parameters in time. We use MATLAB software to imitate and draw, and to experiment, and conduct route analysis. In the end, we discuss the research and foundation for the commercialization of a snake-like toy in the future.
摘要......................................................I
英文摘要.................................................II
目錄....................................................III
表目錄...................................................IV
圖目錄....................................................V
第一章、緒論...............................................1
第一節、前言...........................................1
第二節、研究背景與動機.................................1
第三節、研究目的.......................................2
第四節、研究的範圍與限制...............................2
第五節、論文架構.......................................3
第二章、文獻探討...........................................4
第一節、文獻回顧.......................................4
一、 仿生設計.......................................4
二、 機構分析設計...................................5
三、 蛇的身體結構與運動方式.........................7
第二節、市面上的玩具蛇................................12
第三節、各國機械蛇的演進..............................13
第四節、結論..........................................18
第三章、研究方法與架構....................................19
第一節、研究方法......................................19
第二節、研究設備......................................19
一、 機械蛇的硬體架構..............................19
(一) AI馬達基本介紹..........................20
(二) 馬達連接機構............................23
(三) 馬達運動角度的控制......................24
二、 機械蛇的控制器................................25
三、 機械蛇的輪胎..................................25
四、 機械蛇的電源..................................26
第三節、預期困難與解決方法............................26
第四節、預期的成果與貢獻..............................26
第四章、機械蛇的模型與實驗................................28
第一節、機械蛇的數學模型..............................28
一、 前言..........................................28
二、 向量解析法....................................28
(一) 座標架構.................................28
(二) 平移與旋轉變換...........................29
三、 機械蛇的運動分析..............................31
四、 D-H座標系統...................................31
(一) D-H變換矩陣所有形式之討論................34
(二) 機械蛇的數學模型的代入矩陣的運算.........37
五、 小結..........................................39
第二節、機械蛇的數學運動方程式........................41
一、 順向運動學方程式..............................41
二、 反向運動學....................................46
三、 運動方程式與反運動方程式之Matlab驗證..........49
(一) Matlab軟體介紹...........................49
(二) 正向運動學方程式推導之驗證...............50
(三) 反向運動學方程式推導之驗證...............54
第三節、機械蛇的參數設定與運動軌跡規劃................57
一、 蛇紋曲線......................................57
二、 蛇紋曲線運用在機械蛇運動軌跡的規劃流程........61
第四節、實驗分析與結論................................67
一、 機械蛇的直線運動分析..........................67
(一) 直線運動的資料設定.......................67
(二) 實驗結果.................................67
(三) 以MATLAB分析機械蛇各節的路徑位置.........71
二、 左彎運動軌跡..................................76
(一) 左彎運動的資料設定.......................76
(二) 實驗結果.................................77
(三) 以MATLAB分析機械蛇各節的路徑位置.........80
三、 右彎運動軌跡..................................86
(一) 左彎運動的資料設定.......................86
(二) 實驗結果.................................87
(三) 以MATLAB分析機械蛇各節的路徑位置.........91
四、 機械蛇的蠕動..................................96
(一) 步態設定.................................96
(二) 資料設定.................................96
(三) MATLAB模擬機械蛇的動作狀態...............97
(四) 實際操作結果............................100
第五章、結論與建議.......................................103
第一節、結論.........................................103
第二節、建議.........................................103
第三節、未來研究方向.................................104
參考文獻................................................105
附註一、D-H矩陣24種不同排列的運算結果...................108
參考文獻
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