臺灣博碩士論文加值系統

本研究分別研發兩種不同類型之仿生機器人，兩種機器人設計上皆透過大自然所見鳥類及昆蟲來進行模仿為設計理念所製作出的仿生機器人。

研究一是設計「仿生折翼式機器鳥」，透過觀察研究鳥類運動學，運用在機器人領域中製作出特殊功能之機器鳥。折翼式機器飛鳥有別於一般所常見之單一片翅膀所設計的簡易型機器飛鳥，研製之翅膀透過連桿機構驅動可彎曲結構增加良好空氣動力，更擬真真實鳥類飛行姿態，研製過程中運用結合了機構設計、空氣動力學、步態控制等三大元素。
為了讓機器鳥實現可飛上天空，機器鳥的重量就很重要，每一個零件材質選擇上都需要計算考慮，例如使用韌度極高的玻璃纖維板切割出極細的骨架，兼具重量輕又不易斷裂；翅膀骨架使用韌度更高的碳纖維空心管，翅膀支架則是使用極輕的巴爾沙木，整體機器人重量約控制在600g上下，輕量化的機身擁有較佳的馬力重量比。
翅膀每一節支架使用巴爾沙木來勾勒出鳥類翅膀流線的線條，每一節大小形狀長度皆不同，均有小範圍之活動空間可變動，以此讓機器飛鳥拍動翅膀時產生向後的氣流推力，使機器飛鳥向前飛行。機器鳥先透過配重設定初始之爬升角度，再透過可變的尾翼調整機器鳥爬升時所需的角度以及轉向時的方向角度。翅膀拍動循環時透過可彎曲連桿結構作動抵銷翅膀上下拍動時產生震動。
最後再安裝無線攝影機回傳即時影像到使用者端進行即時監控及影像辨識，達成具有偵查功能之仿生偵查機器鳥。

研究二「仿生六足昆蟲機器人」，由八顆馬達組裝而成，基本步態的六顆馬達及另外兩顆馬達進行抬放腳之控制來完成，並且以特殊靈活的“C”形足部結構功能來進行崎嶇路面與障礙物的突破，“C”形足部的上端透過十字萬向軸與馬達相連，下端則與地面接觸，使各個足部可分別獨立 360 度轉動及彎曲抬放腳，以週期性規則交互迴旋的方式使機器人前行，“C”形足部採用熱塑土製作，仿昆蟲型六足機器人其機構由，並使用特殊“C”形構造完成足部的行動機構以及利用特殊可彎曲之懸吊腳結構以及十字萬向軸傳動腳之所需之動力。裝上彈簧避震器讓機器人在探索受到外力撞擊時力量不會直接傳輸到馬達上，其力量會被避震器吸收，大大降低機器人在運作中損壞的機率。

This research has developed two different types of bionic robots, which are designed to imitate common birds and insects in nature.
The first research was a " Robotic Bird of Bionic Flapping Wing ". Through observing and studying bird kinematics, it has created special-purpose robotic birds. Folding-wing machines are different from the birds that are designed with a single wing. The wing drives the flexible structure through the link mechanism to increase the aerodynamic force. It is more like the real bird flying. The process uses a combination of mechanism design, aerodynamics, Gait control and other three elements.
In order to allow the robot bird to fly to the sky, the weight of the robot bird is very important. The calculation of the material of each part needs to be considered. For example, the extremely tough glass fiber board cuts out a very fine skeleton, which is light in weight and hard to break. The wing skeleton uses high-strength carbon fiber tubes, and the wing supports use extremely light balsa wood. The weight of the overall robot is controlled at about 600 grams, and the lightweight body has a better horsepower weight ratio.
The wings of each section use Balsa wood to shape the wing line of the streamline. Each section has a different shape, and there is a small range of movement space that can be changed. This allows the machine birds to flap the wings to produce backward airflow, enabling it to fly. The robotic bird first sets the initial climbing angle through the counterweight, and then adjusts the angle required for climbing and the angle of steering through the variable rear wing.
Finally, the wireless camera is installed to return real-time images to the user for monitoring and image recognition, and a bionic reconnaissance robot with detection capability is achieved.
The second research " Insect Robot of Bionic Six Foots " was assembled of eight motors. The six motors with the basic gait and the other two motors were used for foot lift control. And it breaks through rugged roads and obstacles with a special and flexible “C” shaped foot structure function. The "C" shaped feet are made of thermoplastic clay, utilizing the flexible structure of the bend and the power required to drive the Cardan shaft. The shock absorber is installed so that the robot will not directly transmit the force to the motor when it is impacted by the external force, and its force will be absorbed by the shock absorber, which greatly reduces the chance of the robot being damaged in operation.

摘要...i
Abstract...iii
誌謝...v
目錄...vi
表目錄...ix
圖目錄...x
第一章 緒論...1
1.1 研究背景...1
1.2 研究動機與目的...2
1.3 文獻探討...3
1.3.1 仿生折翼式機器鳥文獻探討...3
1.3.2 仿生六足昆蟲機器人文獻探討...6
1.4 論文架構...9
第二章 系統架構...10
2.1 仿生折翼式機器鳥硬體架構...10
2.2 仿生折翼式機器鳥硬體規格...10
2.3.1 遙控器DEVO 12E...10
2.3.2 接收器DEVO-RX1002...12
2.3.3 直流無刷馬達...13
2.3.4 電子式速度控制器...14
2.3.5 伺服馬達...15
2.3.6 鋰聚合物電池...16
2.3.7 5寸顯示螢幕...17
2.3.8 40頻迷你影像發射器...18
2.3 仿生折翼式機器鳥軟體架構...19
2.4 仿生六足昆蟲機器人硬體架構...19
2.5 仿生六足昆蟲機器人硬體規格...20
2.5.1 RC-100A搖桿/BT-110A傳接收器...20
2.5.2 CM-700...21
2.5.3 RX-24F...22
2.5.4 MX-28...23
2.6 仿生六足昆蟲機器人軟體架構...24
2.4.1. RoboPlus Task...24
第三章 研究內容...25
3.1 鳥類飛行原理[26] [41]...25
3.1.2 翅膀[28]...26
3.1.3 骨骼[28]...27
3.2 昆蟲飛行原理[26]...27
3.3 飛機飛行原理[29] [30]...28
3.3.1 飛機結構[31]...29
3.3.2 機身[32]...29
3.3.3 機翼[33]...32
3.3.4 翼型[42]...33
3.4 仿生折翼式機器鳥設計...36
3.4.1 製作材料選用...36
3.4.2 身體設計...37
3.4.3 翅膀設計[36]...39
3.4.4 齒輪[37]...45
3.4.5 尾翼...51
3.5 昆蟲爬行原理...53
3.5.1 昆蟲身體結構...53
3.5.2 三角步伐...54
3.5.3 三角中心法...54
3.5.4 前進與後退行動模式設計...56
3.5.5 旋轉行動模式設計...57
3.5.6 匍匐前進行動模式設計...58
3.5.7 低姿態匍匐前進行動模式設計...59
3.5.8 仿昆蟲抬腳爬行行動模式設計...60
3.6 仿生六足昆蟲機器人設計...61
3.6.1 抬放腳結構－避震器...62
3.6.2 抬放腳結構－十字萬向軸傳動...63
3.7 機器人系統運動控制原理[22]...63
3.7.1 AI馬達簡介...63
3.7.2 開迴路、半閉迴路及完全型閉迴路定位系統...64
3.7.3 AI馬達控制原理...66
3.7.4 AI馬達封包傳送格式...68
第四章 實際成果與測試...69
4.1 仿生折翼式機器鳥...69
4.1.1 翅膀運動...72
4.1.2 尾翼運動...72
4.1.3 扭轉(Twisting)-可扭轉柔軟之翅膀結構...73
4.1.4 滑翔...75
4.1.5 拋射起飛...76
4.2 仿生六足昆蟲機器人...77
4.2.1 前進、後退...78
4.2.2 低姿態匍匐前進、後退...79
4.2.3 抬放腳測試...80
4.2.4 仿昆蟲抬放腳爬行...81
4.2.5 撞擊吸震測試-排球...83
4.2.6 撞擊吸震測試-積木...84
第五章 結論與未來展望...85
5.1 結論...85
5.2 未來展望...85
參考文獻...87
Extended Abstract...90

[1]多明尼哥．羅倫佐，2009，“彩色珍藏版達文西的飛行機器”，世茂出版有限公司
[2]Crispino, Enrica; Pedretti, Carlo; Frost, Catherine. "Leonardo: Art and Science". Giunti, 2001
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[3]癮科學：撲翼機，摘自:
https://chinese.engadget.com/2010/09/27/on-ornithopters/
[4]MIT Robot Locomotion Group - Agile Flight Project，摘自:
http://groups.csail.mit.edu/locomotion/flight.html
[5]Ornithopter，摘自:
https://www.youtube.com/watch?v=9Dp08p5mQ_g
[6]aerovelo，摘自:
http://www.aerovelo.com/ornithopter-summary
[7]Successful Flight of the Snowbird!!!!( 成功的雪鳥飛行!!!!)，摘自:
http://hpo.ornithopter.net/?q=content/successful-flight-snowbird
[8]SmartBird，摘自:
https://www.festo.com/group/en/cms/10238.htm
[9]３Dプリンタで作った羽ばたき飛行機　猫の舌忘れ試組，摘自:
https://trhk.exblog.jp/17830568/
[10]仿生偵查機器飛鳥，摘自
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[11]0226 仿生鳥 撲翼飛行器 仿生機器鳥，摘自:
https://www.youtube.com/watch?v=5jA5OC2I1vY
[12]ROBIRD，摘自:
https://clearflightsolutions.com/methods/robirds
[13]Bird Control with Robotic Birds at Farnborough，摘自:
https://www.uasvision.com/2016/07/11/bird-control-with-robotic-birds-at-farnborough/
[14]A ‘Bat Bot’ takes flight，摘自:
https://www.pbs.org/newshour/science/bat-bot-takes-flight
[15]BionicFlyingFox，摘自:
https://www.festo.com/group/zh/cms/13130.htm
[16]kodlab，摘自:
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[17]Lin, P-C. and Komsuoglu, H. and Koditschek, D. E.“Sensor Data Fusion for Body State Estimation in a Hexapod Robot With Dynamical Gaits,” IEEE Transactions on Robotics,Vol.22,No.5,pp.932-943,Oct,2006.
[18]IEEE Spectrum Automation Blog，2011年1月7日，摘自:
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[19]Chen, Li., Paul, B., Umbanhowar, Haldun Komsuoglu, Daniel, E., Koditschek, and Daniel Goldman, l. “Sensitive dependence of the motion of a legged robot on granular media,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol 106, No.9
[20]Lin, P-C. and Komsuoglu, H. and Koditschek, D. E.“Sensor Data Fusion for Body State Estimation in a Hexapod Robot With Dynamical Gaits,” IEEE Transactions on Robotics, Vol.22,pp932-943,No.5,2006.
[21]臺灣大學BioRoLa實驗室六足仿生機器人，2018年4月5日，摘自:
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[22]具跳躍或潛水能力之多功能六足機器人研發，2018年4月6日，摘自:
http://hdl.handle.net/11296/cevx8y
[23]直流無刷電動機，2018年4月8日，摘自:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%E6%B5%81%E7%84%A1%E5%88%B7%E9%9B%BB%E5%8B%95%E6%A9%9F
[24]無人載具---四軸機(二)---馬達、電子變速器，2018年4月9日，摘自:
http://robotrabbit.blogspot.com/2012/06/blog-post_21.html
[25]鋰離子聚合物電池，2018年4月10日，摘自:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%8B%B0%E9%9B%A2%E5%AD%90%E8%81%9A%E5%90%88%E7%89%A9%E9%9B%BB%E6%B1%A0
[26]昆蟲與鳥類的飛行原理，2018年4月10日，摘自:
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[27]鳥類身體構造介紹，2018年4月12日，摘自:
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[28]Young，JZ（John Zachary），1962，“The life of vertebrates”，New York, Oxford University Press
[29]什麼是飛機？，2018年4月14日，摘自:
http://www.taeda.org/?p=121
[30]飛行員航空知識手冊：飛機結構的組成部分，2018年4月15日，摘自:
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[31]戰機，2018年4月16日，摘自:
http://slidesplayer.com/slide/11393570/
[32]飛機結構，2018年4月17日，摘自:
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[33]飛機起飛的原理，2018年4月19日，摘自:
https://tw.answers.yahoo.com/question/index?qid=20050915000013KK13289
[34]學習飛行基本知識：飛機的空氣動力性能，2018年4月21日，摘自:
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[35]常用材料比重表，2018年4月23日，摘自:
https://wenku.baidu.com/view/106ebf21bcd126fff7050be1.html
[36]靈感 | 達•文西科技手稿，藝術史上無一人能與之並肩，2018年4月24日，摘自:
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[37]齒輪技術入門篇，2018年4月25日，摘自:
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[38]小昆蟲大智慧，六條腿的昆蟲為什麼跑那麼快，2018年4月26日，摘自:
https://kknews.cc/zh-tw/science/y886bzn.html
[39]李柏威，2004，“灰色理論應用於六足機械之穩定步伐探討”，國立臺灣大學生物產業機電工程學碩士論文。
[40]韓國Robotic公司網站，2018年4月27日，摘自:
http://support.robotis.com/en/product/dynamixel/ax_series/dxl_ax_actuator.htm
[41]一隻鳥怎麼飛？起飛/翱翔/著陸？，2018年4月30日，摘自:
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[42]第一節翼型介紹，2018年6月10日，摘自:
https://sites.google.com/site/aircraftdynamics/%E7%AC%AC%E4%B8%80%E7%AF%80%E7%BF%BC%E5%9E%8B%E4%BB%8B%E7%B4%B9
[43]The NACA: A Look Back，2018年6月12日，摘自:
https://www.nasa.gov/topics/aeronautics/features/naca2010_gallery4.html