虛擬蜘蛛建網(wǎng)及步行的互動(dòng)式模擬系統(tǒng)(編輯修改稿)
2025-07-16 04:47 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 寬度，就是圖五中的粗邊矩形中兩條細(xì)線的間距，螺旋線的寬度也是取決於蜘蛛的腳長(zhǎng)，螺旋線之間的寬度絕對(duì)不會(huì)大於蜘蛛橫向的身長(zhǎng)。這是因?yàn)樵诮ㄔ炻菪€時(shí)蜘蛛是一邊沿著已經(jīng)建好的螺旋線一邊量距離一邊搭線，並由實(shí)際觀察的結(jié)果也能證明此原理。另一個(gè)參數(shù)是離中心點(diǎn)多遠(yuǎn)才開(kāi)始放置螺旋線的距離，這裡我們將中心點(diǎn)到最內(nèi)圈螺旋線之間的部分叫做中心網(wǎng)(hub)，這點(diǎn)也是因?yàn)橹┲氲钠枚鴽Q定的。接下來(lái)就是螺旋線的演算法部分，一般來(lái)說(shuō)，蜘蛛會(huì)離中心軸一段距離才開(kāi)始放有黏性的螺旋絲我們可以從剛剛使用者指定的參數(shù)得到數(shù)值。依照觀察通常蜘蛛網(wǎng)的輻射絲中心會(huì)在比較偏高，原因是因?yàn)橹┲胪ǔＴ谥行木W(wǎng)(hub)的地方等待獵物，並且他往下衝的速度比往上爬的速度快了許多。此現(xiàn)象除了是因?yàn)榈匦囊Φ年P(guān)係外，也是基於蜘蛛行走的特性。蜘蛛一般由上向下快速移動(dòng)時(shí)會(huì)將自己的絲線一端黏在現(xiàn)在的位置上，再往下一跳助跑再爬行，所以蜘蛛在蜘蛛網(wǎng)上或其他地形向下跑會(huì)比較快。因此我們會(huì)把蜘蛛網(wǎng)的中心向上偏移的現(xiàn)象也加入這個(gè)模擬程式，不過(guò)跳躍的行為並不列入這次的模擬。我們?nèi)〉胔ub的參數(shù)之後就可以放置螺旋線。我們放置蜘蛛絲的做法是先決定好在那一條輻射絲開(kāi)始放螺旋絲，開(kāi)始用第二類(lèi)第一項(xiàng)規(guī)則(First Loop Rule)。在螺旋線繞完一圈後回到開(kāi)始蜘蛛絲放置的螺旋線上的，其距離中心點(diǎn)是使用者設(shè)定的參數(shù)「輻射線之間的寬度」加上hub的距離。接這就進(jìn)行第二項(xiàng)規(guī)則(Next Loop Rule)，依照使用者輸入的寬度和上一圈的螺旋絲保持距離產(chǎn)生絲線。當(dāng)蜘蛛重複做螺旋絲的動(dòng)作做到無(wú)法輻射線與外框之間沒(méi)有足夠的空間可以放螺旋線的時(shí)候，就開(kāi)始遵照第三項(xiàng)規(guī)則(Reverse Rule)反向再做第二項(xiàng)規(guī)則(Next Loop Rule)的動(dòng)作。最後再檢查是否有把整個(gè)蜘蛛網(wǎng)填滿(mǎn)。所謂”填滿(mǎn)”的意義是，真實(shí)的蜘蛛不會(huì)讓最外圈的輻射絲到外框之間有太大的空隙，因?yàn)檫@樣浪費(fèi)了蜘蛛網(wǎng)的空間，讓能獵補(bǔ)的空間少了許多，所以他們會(huì)盡量把螺旋線填滿(mǎn)任何一個(gè)可用的角落，如圖五所示。這就是最後一項(xiàng)規(guī)則(Complete Rule)。. 特殊狀況及實(shí)做考量關(guān)於設(shè)定外框，本系統(tǒng)不同於過(guò)去其他研究的做法是我們需要幫蜘蛛設(shè)定外框，再讓他做輻射線和螺旋線方便模擬蜘蛛網(wǎng)，而外框的形狀一定要是凸多邊形。這個(gè)強(qiáng)制要求的條件是因?yàn)橹┲胍话悴粫?huì)把網(wǎng)子的形狀編成凹多邊形，第一點(diǎn)來(lái)說(shuō)這樣的網(wǎng)子不如凸多邊形可以有效的利用每一個(gè)角落而會(huì)有浪費(fèi)空間的現(xiàn)象。第二點(diǎn)來(lái)說(shuō)凹多邊形的形成有可能是因?yàn)橥鈬Ъ艿膹埩Σ痪鴮?dǎo)致的，這樣的網(wǎng)子也比較容易纏在一起。所以我們會(huì)假設(shè)外框?yàn)橥苟噙呅?。一般的外框由於周遭地型的關(guān)係蜘蛛搭建的外框不一定會(huì)是完整的圓型，並且這種情形以長(zhǎng)型的外框居多，長(zhǎng)型的外框會(huì)使得上下兩側(cè)最接近外框的螺旋絲的距離變遠(yuǎn)。如果不做修正，就會(huì)和真實(shí)蜘蛛網(wǎng)不相似，所以要做折返，來(lái)使得蜘蛛網(wǎng)看起來(lái)比較完整。由於有誤差值的參數(shù)也會(huì)使得每一次的執(zhí)行結(jié)果會(huì)有不同所以要做出和蜘蛛網(wǎng)相似的圖形，其實(shí)還是很難模擬。由於要保持網(wǎng)子完整也要兼顧有些誤差的擬真，在這方面上的拿捏其實(shí)除了資料的收集主要還是憑人的感覺(jué)去做選擇。我們?cè)诔淌街性黾恿恕奔艟€”的功能，也就是把網(wǎng)子弄得殘缺再讓蜘蛛行走，做法就是藉由點(diǎn)選螺旋絲的線段移除該線段。一般蜘蛛在獵補(bǔ)蟲(chóng)子時(shí)會(huì)趁獵物在蜘蛛網(wǎng)上掙扎的時(shí)候衝到他面前再用自己吐出的絲和部分的網(wǎng)子將獵物打包好，所以會(huì)有出現(xiàn)網(wǎng)子殘缺的現(xiàn)象，在實(shí)際上有些蜘蛛會(huì)忍受殘破的網(wǎng)繼續(xù)待下去，也有些蜘蛛會(huì)補(bǔ)網(wǎng)。補(bǔ)好的網(wǎng)子會(huì)和原先的網(wǎng)子又些不同，在螺旋線的部分就會(huì)在破掉的區(qū)域來(lái)回折返由內(nèi)側(cè)補(bǔ)到外圍。關(guān)於這方面的模擬提供了互動(dòng)性的教學(xué)意義，目前我們做到了剪線的部份，在未來(lái)會(huì)再增加上述其他功能。整體而言，虛擬蜘蛛網(wǎng)和真實(shí)的蜘蛛網(wǎng)像不像的這個(gè)評(píng)估我們就交給使用者來(lái)評(píng)估而非[1]使用基因演算法的概念利用和真實(shí)蜘蛛網(wǎng)的上下左右的絲線總長(zhǎng)度來(lái)比較評(píng)估來(lái)決定是否產(chǎn)生出理想的蜘蛛網(wǎng)，不過(guò)在我們的控制版提供的數(shù)據(jù)之下可以找出一個(gè)滿(mǎn)意的答案，並且也適合於給蜘蛛機(jī)器人當(dāng)作行走的環(huán)境。5. 計(jì)畫(huà)及模擬蜘蛛運(yùn)動(dòng)在[2]中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程又分為全域(Global)和區(qū)域(Local)兩種方式的規(guī)劃方式(planning)。全域規(guī)劃(Global planning)是不考慮機(jī)器人是如何移動(dòng)腳步，直接將機(jī)器人從起點(diǎn)帶到終點(diǎn)的規(guī)劃，其中要遵守不會(huì)碰到障礙物的原則。以平面的全域規(guī)劃來(lái)說(shuō)，機(jī)器人組態(tài)Q的描述需要X和Y軸的座標(biāo)位置再加上旋轉(zhuǎn)的角度θ來(lái)表示。Qg = (X, Y, θ) (global position)區(qū)域規(guī)劃(Local planning)就是注重在腳步之間是如何移動(dòng)，如何從目前的站位走到下一個(gè)站立的位置。我們的做法是因?yàn)橹┲胍袛嘧约耗懿荒茏哌^(guò)這片網(wǎng)子的條件是目前的位置腳要有足夠的支撐點(diǎn)才能計(jì)算下一步，而且蜘蛛只感測(cè)自己附近網(wǎng)子的狀態(tài)，不會(huì)記住整張網(wǎng)子。所以算是只做區(qū)域性規(guī)劃。在記錄位置上的組態(tài)Q呈現(xiàn)方式如下：Q = (X, Y, θ) holds(X, Y)函式holds(X, Y)代表蜘蛛在位置(X,Y)時(shí)在網(wǎng)子上有哪些可讓腳站立的點(diǎn)，為何不用考慮旋轉(zhuǎn)θ稍後會(huì)有詳細(xì)說(shuō)明. 蜘蛛在蜘蛛網(wǎng)上的路徑規(guī)劃 圖七：(左圖)蜘蛛需要踩在每個(gè)象限的其中一個(gè)立足點(diǎn)這樣才能算是平衡。(右圖)X代表蜘蛛周?chē)藗€(gè)空位代表蜘蛛下一步可可能選擇的方向。我們先要求出蜘蛛身體從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑規(guī)劃再考慮每一個(gè)移動(dòng)單位之間腳步的替換。首先，蜘蛛身體合法的位置建立在是否有合適的踏腳點(diǎn)。在此我們把合法的踏腳點(diǎn)成為holds。蜘蛛的可以踩的範(fàn)圍之前有定義成一個(gè)以身體為圓心畫(huà)出的甜甜圈。此範(fàn)圍與蜘蛛網(wǎng)交集的部分就是合法的落腳點(diǎn)，獵物所在的位置是終點(diǎn)，只要把獵物放在網(wǎng)上。蜘蛛就能感知獵物離它有多近。事實(shí)上，真實(shí)的蜘蛛在獵物落到蜘蛛網(wǎng)時(shí)可以利用觸覺(jué)，依據(jù)獵物掙扎時(shí)傳回的震動(dòng)大略測(cè)出獵物的位置，這一點(diǎn)和我們進(jìn)行的模擬原理一樣。利用之前第三單元的定義，蜘蛛踩在蜘蛛網(wǎng)上的限制與偏好作為設(shè)定障礙物的標(biāo)準(zhǔn)，就可以做出運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。要做腳步移動(dòng)，要考慮兩個(gè)問(wèn)題：圖八：顯示蜘蛛經(jīng)過(guò)程式計(jì)算後產(chǎn)生到終點(diǎn)的路徑。粗線代表的是蜘蛛從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑。圓點(diǎn)是終點(diǎn)。第一：蜘蛛要能在每一步保持平衡；第二：蜘蛛目前站立的姿勢(shì)有合法的下一步。由於三腳架的原理
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