虛擬蜘蛛建網(wǎng)及步行的互動式模擬系統(tǒng)(編輯修改稿)
2025-07-16 04:47 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 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，螺旋線之間的寬度絕對不會大於蜘蛛橫向的身長。這是因為在建造螺旋線時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，並由實際觀察的結(jié)果也能證明此原理。另一個參數(shù)是離中心點多遠(yuǎn)才開始放置螺旋線的距離，這裡我們將中心點到最內(nèi)圈螺旋線之間的部分叫做中心網(wǎng)(hub)，這點也是因為蜘蛛的偏好而決定的。接下來就是螺旋線的演算法部分，一般來說，蜘蛛會離中心軸一段距離才開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)的輻射絲中心會在比較偏高，原因是因為蜘蛛通常在中心網(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)象除了是因為地心引力的關(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時會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比較快。因此我們會把蜘蛛網(wǎng)的中心向上偏移的現(xiàn)象也加入這個模擬程式，不過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始放螺旋絲，開始用第二類第一項規(guī)則(First Loop Rule)。在螺旋線繞完一圈後回到開始蜘蛛絲放置的螺旋線上的，其距離中心點是使用者設(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作做到無法輻射線與外框之間沒有足夠的空間可以放螺旋線的時候，就開始遵照第三項規(guī)則(Reverse Rule)反向再做第二項規(guī)則(Next Loop Rule)的動作。最後再檢查是否有把整個蜘蛛網(wǎng)填滿。所謂”填滿”的意義是，真實的蜘蛛不會讓最外圈的輻射絲到外框之間有太大的空隙，因為這樣浪費(fèi)了蜘蛛網(wǎng)的空間，讓能獵補(bǔ)的空間少了許多，所以他們會盡量把螺旋線填滿任何一個可用的角落，如圖五所示。這就是最後一項規(guī)則(Complete Rule)。. 特殊狀況及實做考量關(guān)於設(shè)定外框，本系統(tǒng)不同於過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。這個強(qiáng)制要求的條件是因為蜘蛛一般不會把網(wǎng)子的形狀編成凹多邊形，第一點來說這樣的網(wǎng)子不如凸多邊形可以有效的利用每一個角落而會有浪費(fèi)空間的現(xiàn)象。第二點來說凹多邊形的形成有可能是因為外圍支架的張力不均而導(dǎo)致的，這樣的網(wǎng)子也比較容易纏在一起。所以我們會假設(shè)外框為凸多邊形。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是完整的圓型，並且這種情形以長型的外框居多，長型的外框會使得上下兩側(cè)最接近外框的螺旋絲的距離變遠(yuǎn)。如果不做修正，就會和真實蜘蛛網(wǎng)不相似，所以要做折返，來使得蜘蛛網(wǎng)看起來比較完整。由於有誤差值的參數(shù)也會使得每一次的執(zhí)行結(jié)果會有不同所以要做出和蜘蛛網(wǎng)相似的圖形，其實還是很難模擬。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除了資料的收集主要還是憑人的感覺去做選擇。我們在程式中增加了”剪線”的功能，也就是把網(wǎng)子弄得殘缺再讓蜘蛛行走，做法就是藉由點選螺旋絲的線段移除該線段。一般蜘蛛在獵補(bǔ)蟲子時會趁獵物在蜘蛛網(wǎng)上掙扎的時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，所以會有出現(xiàn)網(wǎng)子殘缺的現(xiàn)象，在實際上有些蜘蛛會忍受殘破的網(wǎng)繼續(xù)待下去，也有些蜘蛛會補(bǔ)網(wǎng)。補(bǔ)好的網(wǎng)子會和原先的網(wǎng)子又些不同，在螺旋線的部分就會在破掉的區(qū)域來回折返由內(nèi)側(cè)補(bǔ)到外圍。關(guān)於這方面的模擬提供了互動性的教學(xué)意義，目前我們做到了剪線的部份，在未來會再增加上述其他功能。整體而言，虛擬蜘蛛網(wǎng)和真實的蜘蛛網(wǎng)像不像的這個評估我們就交給使用者來評估而非[1]使用基因演算法的概念利用和真實蜘蛛網(wǎng)的上下左右的絲線總長度來比較評估來決定是否產(chǎn)生出理想的蜘蛛網(wǎng)，不過在我們的控制版提供的數(shù)據(jù)之下可以找出一個滿意的答案，並且也適合於給蜘蛛機(jī)器人當(dāng)作行走的環(huán)境。5. 計畫及模擬蜘蛛運(yùn)動在[2]中運(yùn)動的過程又分為全域(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)器人是如何移動腳步，直接將機(jī)器人從起點帶到終點的規(guī)劃，其中要遵守不會碰到障礙物的原則。以平面的全域規(guī)劃來說，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，如何從目前的站位走到下一個站立的位置。我們的做法是因為蜘蛛要判斷自己能不能走過這片網(wǎng)子的條件是目前的位置腳要有足夠的支撐點才能計算下一步，而且蜘蛛只感測自己附近網(wǎng)子的狀態(tài)，不會記住整張網(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)時在網(wǎng)子上有哪些可讓腳站立的點，為何不用考慮旋轉(zhuǎn)θ稍後會有詳細(xì)說明. 蜘蛛在蜘蛛網(wǎng)上的路徑規(guī)劃 圖七：(左圖)蜘蛛需要踩在每個象限的其中一個立足點這樣才能算是平衡。(右圖)X代表蜘蛛周圍八個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到終點的路徑規(guī)劃再考慮每一個移動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。在此我們把合法的踏腳點成為holds。蜘蛛的可以踩的範(fàn)圍之前有定義成一個以身體為圓心畫出的甜甜圈。此範(fàn)圍與蜘蛛網(wǎng)交集的部分就是合法的落腳點，獵物所在的位置是終點，只要把獵物放在網(wǎng)上。蜘蛛就能感知獵物離它有多近。事實上，真實的蜘蛛在獵物落到蜘蛛網(wǎng)時可以利用觸覺，依據(jù)獵物掙扎時傳回的震動大略測出獵物的位置，這一點和我們進(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)動規(guī)劃。要做腳步移動，要考慮兩個問題：圖八：顯示蜘蛛經(jīng)過程式計算後產(chǎn)生到終點的路徑。粗線代表的是蜘蛛從起點到終點的路徑。圓點是終點。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有合法的下一步。由於三腳架的原理
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