本研究製作21.6公分翼展拍翼式飛行器，模仿鳥類拍翼運動及外型設計拍翼式飛行器，結合塑膠模具量產技術，實現了可量產、質輕且高強度之全塑膠飛行套件的拍翼機構。對拍翼四連桿機構建立數學模型，分析左右拍翼行程的相位差。並設計出十個輕量且機構運轉順暢的塑膠零件。然後針對一模多穴的模具進行精密射出成型實驗與探討。經組裝之後實地測試飛行，已可持續飛行367秒。接著採用仿生的鳥型機身設計，設計機體長度19.5公分的拍翼式微飛行器。鳥型機殼從外型工業設計到機殼內部配置拍翼機構齒輪組、電池及接收板的機構設計。然後再設計水平尾翼與垂直尾翼來配合機殼，使得拍翼式飛行器整體造型交織著鳥類仿生設計與高傾角的飛行姿態，機殼利用發泡成型達到量產的目標。微飛行器最後進行整體的組裝，經實地測試飛行，鳥型拍翼式飛行器已可持續飛行230秒，驗證仿生拍翼式飛行器設計的可行性。

The authors investigate the fabrication of components of MAVs (micro aerial vehicles) with 21.6 cm wingspan by using precision injection molding. In this study. a bio-mimicking flapping MAV was shaped like birds. The author also analyzes the degree of asymmetry flapping mechanism, designs ten different plastic components (for the gear transmission module) which are as light as possible, and guarantees the smooth flapping motion as well. Thereafter the injection flow analysis in the multi-mold cavity and the fabrication parameters of the molding process according to these data has been done. The finished MAV components finally verify the design and process flow of the precision injection molding. After the MAV was assembled and tested with the fore-mentioned plastic components, a successful flight record of 367 sec was created.
Additionally we designed a bird-like fuselage with 19.5cm in length, for horizontal tail, and for vertical airfoil. After the bird-like MAV was assembled and tested, it sustains a successful flight for 230 sec as well.
In summary, the design methodology of a polymeric bird-like MAV is proved, and the 
precision injection molding technique still shows its feasibility in real application to flapping MAVs herein.

目錄
誌謝	I
中文摘要	III
英文摘要	IV
目錄	VI
圖目錄	IX
表目錄	XVII
第一章 緒論	1
1-1研究背景	1
1-2 文獻回顧	3
1-3 研究目的與架構	7
第二章 拍翼機構的設計與分析	9
2-1 拍翼機構的仿生設計原則	9
2-2四連桿拍翼機構的設計	11
2-3四連桿拍翼機構數學模型的建立與分析	14
2-3-1 左右拍翼行程數學模型的建立與分析	14
2-3-2 位置、角速度與角加速度數學模型的建立與分析	18
第三章 塑膠套件的設計與製造	23
3-1塑膠套件的設計概念	23
3-2塑膠套件構型的最佳化	28
3-2-1 基座的應力分析及模流分析	28
3-2-2 公差配合的探討	36
3-3塑膠套件的製造	37
3-3-1 套件的模流分析	37
3-3-2 套件的材料選擇	39
3-3-3 塑膠套件的精密射出成型	43
3-3-4 塑膠套件的量測	47
第四章 拍翼式飛行器的機殼及尾翼的設計與製造	58
4-1 機殼的設計流程	58
4-2 機殼造型的工業設計	58
4-3 機殼內部的機構設計	59
4-4 機殼落下測試分析	64
4-5 尾翼設計	69
4-6 機殼發泡成型	77
第五章 結果應用與討論	80
5-1飛行塑膠套件的開發結果討論	80
5-2 機殼及尾翼的開發結果討論	81
5-3 流場現象觀察	91
5-4 飛行套件於前後對翼拍翼機的應用與分析	93
5-4-1 飛行套件於前後對翼拍翼機的應用	93
5-4-2 前後對翼拍翼機的設計與分析	94
第六章 結論與未來展望	101
6-1 結論	101
6-2 未來研究發展方向	103
參考文獻	107
論文著述目錄	110
附錄A、零件設計圖	111
附錄B、模具組立圖	117
附錄C、Matlab程式碼	123
C-1 拍翼行程角及相位角之差的程式碼	123
C-2 求位置角速度角加速度的程式碼	126
C-3 前後對翼四連桿機構分析的程式碼	129
C-4 可變相位差機構之左右翼相位差的程式碼	134
附錄D、左右翼翅相位差對升推力影響的風洞實驗	138
D-1 可變相位差拍翼機構的實驗設計	138
D-2 可變相位差拍翼機構的風洞實驗	144
D-3 風洞實驗相位差對氣動力數據的結果討論	152

圖目錄

圖 1 1 達文西手稿中的飛行器	2
圖 1 2 開羅博物館裡收藏古埃及的木鳥	2
圖 1 3 微型蒼蠅機器人原型機	6
圖 1 4 美國Delaware大學製作的蜻蜓MAV原型機	6
圖 1 5 美國Delaware大學MAV原型機升力數據曲線	6
圖 1 6 韓國首爾大學研製三種原型機	7
圖 1 7 論文研究架構圖	8
圖 2 1 仿生拍翼機構設計流程圖	10
圖 2 2 四連桿拍翼機構簡圖	12
圖 2 3 減速齒輪組	12
圖 2 4 四連桿拍翼機構的簡化圖	14
圖 2 5 左右翼相位差程式設計流程圖	16
圖 2 6 拍翼四連桿機構設計圖	17
圖 2 7 參數曲線圖：(a) 左右拍翼行程角；(b)左右拍翼行程角之差；(c) 左右拍翼傳動角	18
圖 2 8 四連桿機構拍翼簡化圖	19
圖 2 9 位置、角速度與角加速度程式設計流程圖	21
圖 2 10 參數曲線圖：(a)拍翼行程角；(b)拍翼行程角速度 	22
圖 3 1 拍翼機構尺寸標示圖	23
圖 3 2 拍翼機構設計圖	23
圖 3 3 拍翼機構設計的相位差	24
圖 3 4 微飛行器拍翼機構零組件爆炸圖	26
圖 3 5 基座支架的剖面圖	27
圖 3 6 四種不同設計樣式的基座	29
圖 3 7 COSMOSWorks分析之操作程序	30
圖 3 8 基座在COSMOSWorks的設定	31
圖 3 9 模擬基座懸臂樑受力時的應力分佈圖	32
圖 3 10 模擬基座懸臂樑受力時的位移分佈圖	32
圖 3 11 網格化的基座、進澆點位置及節點位置	33
圖 3 12  Moldflow分析流程圖	34
圖 3 13 基座模流分析翹曲量的結果	35
圖 3 14 流道加裝調節閥：(a) 料頭上有加裝調節閥的流道痕跡；(b) 在Moldflow裡流道加裝調節閥的位置	38
圖 3 15 齒輪模波前流動溫度模擬	39
圖 3 16 塑料PVT曲線圖：(a)POM；(b)PA66	41
圖 3 17 POM與PA66在三副模具的翹曲量比較	42
圖 3 18 Arburg 220S射出成型機	44
圖 3 19 微飛行器零件的三副模具	45
圖 3 20 射出成型的成型週期圖	46
圖 3 21 組裝完成全塑膠套件的拍翼機構	46
圖 3 22 裝置全塑膠套件的拍翼式飛行器實體，翼展21.6 cm，總重7 .72g	47
圖 3 23 寬20mm基座測量位置	48
圖 3 24 小齒輪測量位置	49
圖 3 25 中齒輪測量位置	50
圖 3 26 第一桿4mm大齒輪測量位置	51
圖 3 27  20.3mm之2nd Rod測量位置	52
圖 3 28  9mm之3rd Rod測量位置	53
圖 3 29 寬16mm基座測量位置	54
圖 3 30  第一桿3mm大齒輪測量位置	55
圖 3 31  20mm之2nd Rod測量位置	56
圖 3 32  7mm之3rd Rod測量位置	57
圖 4 1 燕子機殼製作流程圖	58
圖 4 2 燕子外型的導引曲線	59
圖 4 3 燕子外型的輪廓曲線	59
圖 4 4 配置各個模組示意圖	60
圖 4 5 各個模組配置設計圖	61
圖 4 6 基座固定示意圖	61
圖 4 7 電池模組配置設計圖	62
圖 4 8 接收板模組配置設計圖	62
圖 4 9 快速成型加工程序	63
圖 4 10 燕子機殼快速成型的模型	64
圖 4 11 不同機殼的設計樣式：(a) Case 1；(b) Case 2；(c) Case 3	65
圖 4 12 落下測試應力分佈圖：(a) Case 1；(b) Case 2；(c) Case 3	66
圖 4 13 應力量測圖元及曲線分析：(a)量測位置；(b) Case 2的應力曲線分析圖；(c)Case 3的應力曲線分析圖	67
圖 4 14 落下測試位移分佈圖：(a) Case 1；(b) Case 2；(c) Case 3	68
圖 4 15機殼設計圖：(a)機殼外觀設計圖；(b)機殼剖視圖	69
圖 4 16 尾翼與整體機身示意圖：（a）右視圖；（b）等角視圖	70
圖 4 17 尾翼設計成能立起來的拍翼式飛行器	70
圖 4 18 尾翼重心配置：(a)重心較前；(b)重心較後	71
圖 4 19 拍翼式飛行器飛行姿態拍攝	71
圖 4 20 跳水式起飛連續拍攝圖	72
圖 4 21 跳水式起飛示意圖	73
圖 4 22  水平尾翼工程視圖	73
圖 4 23 垂直尾翼工程視圖	74
圖 4 24 (a)水平尾翼刀模；(b)垂直尾翼刀模	74
圖 4 25 水平尾翼成型過程：(a)珍珠板置入底部墊板；(b)水平尾翼刀模裁切珍珠板；(c)水平尾翼成型完成	75
圖 4 26 垂直尾翼成型過程：(a)珍珠板置入底部墊板；(b)垂直尾翼刀模裁切珍珠板；(c)垂直尾翼成型完成	76
圖 4 27 尾翼完成品及組裝圖：(a)垂直尾翼；(b)水平尾翼；(c)垂直尾翼與水平尾翼組裝圖；(d)尾翼與機殼組裝圖	77
圖 4 28 發泡成型機	78
圖 4 29 保麗龍機殼模具：(a)公模；(b)母模	78
圖 4 30 保麗龍機殼發泡成型及其重量：(a)機殼表面；(b)機殼內部構造	79
圖 5 1 全塑膠零件開發流程圖	80
圖 5 2 拍翼式飛行器整體設計圖	81
圖 5 3 拍翼式飛行器套件爆炸圖	82
圖 5 4 本研究拍翼式飛行器跟i-Bird的比較：(a)本研究傳動組；(b) i-Bird傳動組；(c)本研究機殼重量；(d) i-Bird機殼重量；(e)本研究尾翼；(f) i-Bird傳動組	84
圖 5 5 本研究拍翼式飛行器的機體長度=19.48公分	84
圖 5 6 機體完成組裝的總重量	85
圖 5 7 內部模組的組裝	87
圖 5 8 翼膜詳細尺寸圖	88
圖 5 9 紅外線遙控傳輸模組	88
圖 5 10 彩色塗裝機殼機翼的造型	89
圖 5 11 飛行記錄3分50秒的拍攝(2009年6月10日)	89
圖 5 12 淡江大學溜冰場上空飛行的照片：(a) 剛手擲出去的拍翼式飛行器；(b)拍翼式飛行器在上空盤旋飛行。(2009年6月12日)	90
圖 5 13 大自然界的蜻蜓	90
圖 5 14 渦流軌跡觀察：(a)煙線通過機腹上升；(b)煙線在尾翼上端逆時針形成渦流	92
圖 5 15 本研究組裝的前後對翼拍翼機：(a)右視圖；(b)前視圖	94
圖 5 16 前後對翼拍翼機的秤重	94
圖 5 17 前後翼同相位的仿蜻蜓機構設計	97
圖 5 18 前後翼相位差180度仿蜻蜓的機構設計	98
圖 5 19 前後對翼簡化圖：(a)前翼四連桿；(b)後翼四連桿	99
圖 5 20 前後對翼四連桿機構程式設計流程圖	99
圖 5 21 前後拍對翼分析圖例一	100
圖 5 22 前後拍對翼分析圖例二	100
圖 6 1 增加彈簧的拍翼機構	104
圖 6 2 橫擺90°的拍翼機構	104
圖 6 3 鳥類拍翼示意圖	105
圖 6 4 可折疊式拍翼設計圖：(a)Downstroke；(b)Upstroke	105
圖 6 5 可動式機翼初步設計。	106
圖 A 1 寬20mm基座工程視圖	111
圖 A 2 小齒輪工程視圖	112
圖 A 3 中齒輪工程視圖	112
圖 A 4 第一桿4mm大齒輪工程視圖	113
圖 A 5  20.3mm之2nd Rod工程視圖	113
圖 A 6  9mm之3rd Rod工程視圖	114
圖 A 7 寬16mm寬基座工程視圖	114
圖 A 8 第一桿3mm大齒輪工程視圖	115
圖 A 9 20mm之2nd Rod工程視圖	115
圖 A 10 7mm之3rd Rod工程視圖	116
圖 B 1 齒輪模具上視圖	117
圖 B 2 齒輪模具側視圖	118
圖 B 3 基座模具上視圖	119
圖 B 4 基座模具側視圖	120
圖 B 5 連桿模具上視圖	121
圖 B 6 連桿模具側視圖	122
圖 D 1 (a)單曲柄雙搖桿機構; (b)雙曲柄雙搖桿機構	139
圖 D 2 風洞實驗用的雙曲柄雙搖桿機構	139
圖 D 3 雙曲柄雙搖桿簡圖	140
圖 D 4 左右翼相位差程式設計流程	143
圖 D 5 左右翼相位差分佈圖	143
圖 D 6 風洞測試系統：(a)淡江大學拍翼式飛行器所用之低速風洞；(b)精密六軸力規	144
圖 D 7 改裝的可變相位差拍翼機	145
圖 D 8 可變相位差拍翼機風洞實驗數據曲線圖	147
圖 D 9 可變相位差拍翼機左右翼	148

表目錄
表 2 1 MAV拍翼過程動態模擬	13
表 3 1塑膠零件編號表	27
表 3 2四種Case設計樣式的基座比較表	36
表 3 3 POM與PA66的材料性質比較表	41
表 3 4翹曲量分析結果	43
表 3 5寬20mm基座測量尺寸及重量	48
表 3 6小齒輪測量尺寸及重量	49
表 3 7中齒輪測量尺寸及重量	50
表 3 8第一桿4mm大齒輪測量尺寸及重量	51
表 3 9 20.3mm之2nd Rod測量尺寸及重量	52
表 3 10 9mm之3rd Rod測量尺寸及重量	53
表 3 11寬16mm基座測量尺寸及重量	54
表 3 12第一桿3mm大齒輪測量尺寸及重量	55
表 3 13  20mm之2nd Rod測量尺寸及重量	56
表 3 14  7mm之3rd Rod測量尺寸及重量	57
表 4 1落下測試分析應力、位移量表	68
表 5 1拍翼式飛行器套件零件表	82
表 5 2本研究拍翼式飛行器與市售i-Bird比較表	85
表 D 1齒數改變與左右翼翅相位差表	142
表 D 2風洞實驗設定參數	146
表 D 3風洞實驗升推力的數據	148
表 D 4 相位差對於左右翼拍翼行程分析圖表	149

王讚源，王冬珍校注，墨子(下)，國立編譯館主編出版，p.9340，2001年。
[2]	 達文西手稿：
http://img381.imageshack.us/img381/6046/projektmaszynylataj261ce jok148.jpg
[3]	 古埃及木鳥的照片：http://www.epochtimes.com/i6/5100315261497.jpg
[4]	 http://en.wikipedia.org/wiki/Ornithopter
[5]	 T.N. Pornsin-sirirak, Y.C. Tai, H. Nassef, and C.M. Ho, “Titanium-Alloy MEMS Wing Technology for a Micro Aerial Vehicle Application,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 89, No. 1-2, pp. 95-103, 2001.
[6]	 T. N. Pornsin-siriraka, M. Liger, Y. C. Tai, “Flexible parylene-valved skin for adaptive flow control,” Proceeding of the 15th IEEE MEMS conference, Las Vegas, USA, pp. 101-104, 2004.
[7]	 劉峰齊，「單自由度拍撲翼機構之創新設計」，碩士論文，機械工程系，崑山科技大學，2004年。
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[10]	S. K. Banala, and S. K. Agrawal, “Design and optimization of a mechanism for out-of-plane insect winglike motion with twist,” Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME 127, No. 4, pp. 841-844, 2005.
[11]	H. Tanaka, K. Hoshino, K. Matsumoto, and I. Shimoyama, “Flight dynamics of a butterfly-type ornithopter,” Proc. of Intelligent Robots and systems, (IROS) IEEE/RSJ International Conference, pp. 310-315, Aug. 2005.
[12]	C. K. Huang, S. W. Chen, and C. T. Yang, “Accuracy and mechanical properties of multiparts produced in one mold in microinjection molding,” Polymer Engineering and Science, Vol. 45, pp. 1471-1478, 2005.
[13]	C. S. Lin, C. Hwu, and W. B. Young, “The thrust and lift of an ornithopter’s membrane wings with simple flapping motion,” Aerospace Science and Technology, Vol. 10, No. 2, pp. 111-119, 2006.
[14]	R. Madangopal, Z. A. Khan, and S. K. Agrawal, “Energetics-based design of small flapping-wing micro air vehicles,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 11, No. 4, pp. 433-438, 2006.
[15]	S. H. McIntosh, S. K. Agrawal, and Z. Khan, “Design of a mechanism for biaxial rotation of a wing for a hovering vehicle,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 11, No. 2, pp. 145-153, 2006.
[16]	R. Wood, “Fly, robot fly,” IEEE Spectrum, pp. 25-29, March, 2008.
[17]	Z. Hu and X. Deng, “A flight strategy for intelligent aerial vehicles learned from dragonfly,” book chapter in 9, Aerial Vehicles, In-Tech Book Corp., 2009.
[18]	J. H. Park, K.-J. Yoon, “Designing a biomimetic ornithopter capable of sustained and controlled flight,” Jounal of Bionic Engineering, 5, pp. 39-47, 2008.
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[25]	單岩、王蓓、王剛，Moldflow模具分析技術基礎，清華大學出版社，2004年。
[26]	王甫春、楊永然、朱鳳傳、康鳳梅、詹世良，工程圖學與電腦製圖之關聯，全華圖書股份有限公司，pp. 11-23，2007年。
[27]	徐茂功，公差配合與技術量測，機械工業出版社，p.4-37，2008年。
[28]	周其炎，Moldflow 5.0 基礎與典型範例，電子工業出版社，2007年。
[29]	李建邦，「利用精密射出成型製作微飛行器零件之研究」，碩士論文，工程技術研究所，龍華科技大學，2008年。
[30]	郭乙龍，「薄殼射出成型於電子辭典電池殼翹曲之研究」， 碩士論文，工程技術研究所，龍華科技大學，2004年。
[31]	RP簡介下載網址：www.me.cyu.edu.tw/laboratory/lab13/講義/RP簡介.pdf
[32]	EPS性質參考維基百科網站：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%81%9A%E8%8B%AF%E4%B9%99%E7%83%AF
[33]	T. N. Pornsinsirirak, Parylene MEMS Technology for Adaptive Flow Control of Flapping Flight, Ph.D. dissertation, California Institute of Technology, U.S.A., 2002.
[34]	高敏維，「微拍翼機可撓翼之氣動特性實驗」，碩士論文，機械與機電工程學系，淡江大學，2008年。