淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文
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本論文探討視覺式感測器輔助飛行機器人巡航的議題，主要的任務是輔助飛行機器人進行定位與建立環境地圖，並且應用在全球定位系統無法順利運作的環境之中。當飛行機器人在環境中巡航時，視覺式感測器可以提供機器人狀態估測與建立環境地圖所需的量測訊息。考量飛行機器人的承載能力，本論文使用單顆攝影機，並且將影像以無線方式傳送到PC-based控制器進行處理。狀態估測器方面，使用擴張型卡爾曼過濾器，遞迴地預測與估測飛行機器人與環境靜態物件的狀態。單視覺影像特徵方面，使用反深度參數化方法描述影像深度，實現非延遲影像特徵初始化的程序。本論文有兩個主要研究成果，第一，針對單視覺影像深度估測的問題，使用超音波感測器提供一維的量測訊息，做為特徵座標初始化的依據。第二，規劃模糊資料關聯的程序，改善特徵地圖管理的效能。本研究在PC-based控制器內建立所需的發展環境，以Visual C++程式語言整合視覺感測器、影像處理、與狀態估測器。整合的系統應用於執行飛行機器人的同時定位與建圖之任務。
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為了LED應用在照明的發光特性，經常使用二次光學元件來達到照明效果。其中使得到高性能平行光束的集光器方面，若有複雜的外型結構不符合實用目的。本研究首先調查LED平行光束集光器的現況與發展，以瞭解目前LED集光器的技術要求，再從已發表的文獻中選擇結構設計上較簡單的三種LED集光器進行模擬、分析及探討。用曲面計算所解得的座標點匯入Solid Works軟體進行集光器建模。光學模擬使用Light Tools做為分析工具，並將模擬結果與文獻上的數值相互比較及驗證。本研究設定現代LED平行光束集光器的設計需符合以下四個重點：ㄧ、曲面合成計算簡易正確。二、經由集光器的輸出光束性能必須至少80%以上。三、製造容易，不得有低於 不利加工的銳角。四、滿足實務考量，某些應用需有體積限制，即集光器的軸長及直徑受到預期設定。 根據此四項指標，本文首先針對參考文獻上已發表的集光器加以改良，藉由提出的改善方式提高光學效率與照明品質。最後本文發展一款符合現代性能條件的LED集光器結構，並對集光器之軸長與直徑限制時提出設計程序，研究結果得知新的曲面合成方式具有正確性。最後本文亦綜合了設計LED平行光束集光器的程序與準則，供工程人員參酌應用。
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本文主要為發展適用於免疫演算法的限制條件處理策略。免疫演算法的原理是模仿B細胞表面受體上的Y型重鏈及輕鏈基因結構，藉由基因的高度突變完成病原體的解碼，達到最佳化的求解。處理限制的轉換目標策略是將限制條件的違反量轉換為另一目標函數，將此另一目標函數與原目標函數進行非支配排序，可得到Pareto前沿解，當另一個函數值為0的點即表示符合所有的限制條件。本文以發展完成的限制免疫最佳化演算法(CIA)，進一步發展處理含限制的雙目標最佳化問題及含限制的多極值最佳化問題。並以多個數值例題呈現及檢驗解題的精確性及演算法的穩健性及效率。 含限制的免疫最佳化應用於電熱微致動器的最佳化工程設計，應用到有限元素軟體(ANSYS)與免疫最佳化演算連結，設計微致動器的結構及輸入電壓以達到最大的位移效果。另一個設計問題是含三種材料的震動台，最小化成本達到最大震動效果的雙目標最佳化設計，應用到ANSYS與免疫演算法做連結，結果為多組解可供設計者選擇。含限制的多極值免疫最佳化程序，被應用於桁架拓樸設計與分析，本文採用了二階段設計程序。第一階段為排列桁架可能的型態，再經第二次型態與結構尺寸同步設計程序，最後可得到多種型態的設計結果，每種排列結構相當於不同尺寸的區域最佳解。其中包含平面及空間桁架結構設計，結果與參考文獻結構相同或較佳。
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本研究開發新的量測技術以決定蒸汽腔體均溫板之熱擴散係數，此係數代表材料在非穩態熱傳導時特有的性質，该值描述了材料在温度變化下熱反應的快慢。本實驗架構了一套具熱成像系統之量測平台，此平台之準確性先以暫態平面熱源法確認，再以Angstrom’s Method量測純銅以及人造石墨片之熱擴散係數，並且以相同之量測參數對蒸氣腔體均溫板進行實驗。 先以30秒、40秒、50秒、60秒不同週期與0至6公分之量測距離對30 mm×150 mm×3 mm純銅片與30 mm×150 mm×25 μm之人造石墨片進行實驗，實驗結果顯示當週期為40秒，距離為5公分時所測得之熱擴散係數與標準值比較最為準確與穩定。 最後以實驗週期40秒以及0至6公分量測距離對蒸氣腔體均溫板進行實驗。結果顯示量測距離為5公分處所得之熱擴散係數為12.168 cm2/s，相較於其它量測數據皆較為穩定；實驗中發現當量測距離與熱源點越接近時，波峰時間差也越不穩定，直接造成實驗數據的誤差。
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本研究提出以10cm拍翼機進行二維準定常流模擬分析以及以立體攝影術擷取移動邊界。軌跡擷取使用SURFER和GAMBIT將立體攝影的三維軌跡擷取出二維的1/4翼展並生成網格。在Fluent中進行流場模擬，其中準定常CFD模擬在Fluent中被視為二維移動邊界。流場設定上，上風速度在拍翼流場中也得到新的考量。最後計算含有時變的二維流場與對應的升力係數。從拍翼頻率40Hz下一週期之升力係數呈現出與風洞數據及PVDF現地量測數據相似之結果。 本研究開發並測試出一套新的方法，即是利用泡膜觀察拍翼流場。此研究是基於泡膜干涉之概念，其中不同厚度的泡膜將呈現出不同色彩。10cm翼展拍翼機在泡膜中作動，並且以一台彩色CCD捕捉泡膜色彩變化圖案。將影像送入MATLAB來生成每個像素的RGB值，並且對應標準泡膜厚度色卡之厚度。MATLAB求解器也被用來求解Poisson方程的Neumann邊界條件問題，最終獲得了速度勢與拍翼流場的流線圖。
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本文參考史特靈引擎的溫差驅動原理，應用於汪克爾引擎並將之微小化，主要目的在於改良，研製新型的微轉子引擎，分別微縮尺寸到10 mm × 5.3 mm 、5 mm × 2.65 mm 二種。首先經由ANSYS模擬分析，觀察前二代的熱傳導方式，之後改變前兩代的材料參數，觀察熱傳方式是否改變，並深入探討及比較，獲得新一代微轉子引擎的設計方向。為選用適合之材料搭配之異質材料微轉子引擎。後續利用微機電技術製作異質材料微轉子引擎，以ICP製作矽晶圓腔體和翻模母模，搭配聚二甲基矽氧烷PDMS翻膜製程，成功製作出腔體結構，玻璃轉子結構則以雷射切割技術製作。最後利用氧氣電漿做表面改質，將PDMS及矽晶圓腔體作接合，並鍍上parylene防止洩漏。於測試方面，先利用超音波震洗機確定轉子於製程中無沾黏於PDMS或Pyrex 7740表面，之後自行組裝加熱端及冷卻端，測試異質材料微轉子引擎是否可利用溫差改變流體體積而驅動轉子轉動。
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本研究使用外徑6mm、內徑3mm玻璃管製作震盪式熱管，使用去離子水及90、270、450 ppm之四氧化三鐵磁性奈米流體，填充率固定70 %，冷凝端溫度固定在25°C，輸入加熱功率20、55、90、125、160W，並分別在無磁場及磁場設置於蒸發端中央、兩側及全部三種不同磁場設置下進行實驗，利用數位攝影機拍攝記錄，觀察管路中工作流體的作動情形，並量測溫度變化，以及奈米流體及磁場對震盪式熱管之影響，並分析熱阻之變化。 結果顯示，震盪式熱管會因奈米流體之加入而性能提升；在所有實驗參數下，熱阻會隨著加熱功率增加而降低，125W至160W時，各實驗中皆有環狀流發生，且各熱阻值皆較相近，因此高功率下磁性奈米流體與磁場對震盪式熱管之作用並不明顯。在低加熱功率20W時，與無磁場設置比較，由於磁場之設置，奈米顆粒於蒸發端管壁上有較顯著的附著與較低的熱阻。另外在磁場設置於蒸發端兩側及全部比設置於中央有較顯著的奈米顆粒附著與較低的熱阻，但在高濃度450 ppm下磁場設置於蒸發端全部反而會因奈米顆粒過度附著而有較高之熱阻。最後使用田口法分析預測奈米流體濃度及磁場設置對震盪式熱管性能的提升。
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本文主要研究當微米圓盤成線性排列時，引起的光子奈米噴流傳播現象，稱為光子奈米噴流傳播模態。由氮化矽和二氧化矽兩種串聯微米圓盤，分別用紅光(671nm)、綠光(532nm)以及藍光(405nm)三種不同波長的雷射照射。本研究可分成理論分析及實驗測量兩部份進行研究。在理論方面，我們使用時域有限差分法，分別對不同微盤直徑、不同微盤折射率、不同光波長以及不同環境折射率進行模擬，觀察光子奈米噴流傳播模態的行為，並計算其傳輸效率、散射以及反射損失。在實驗測量方面，可分為兩項，第一項為晶圓製程，使用台灣大學奈米機電系統研究中心進行製程加工處理，第二項為晶圓量測及分析，使用本實驗式設計的光子奈米噴流量測系統觀察微米圓盤所產生的光子噴流傳播現象，分別照射在直徑3.5μm、4.5μm以及8.5μm的微米圓盤上，再將光纖探針放置於串聯微米圓盤的後方，利用光纖探針將光導入光譜儀中，進而取得光譜數據，並且與模擬結果相互驗證，此研究結果有助於解決高科技產業中影像量測以及傳輸問題。
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本研究是應用偏振散射光量測技術來量測木材表面的光學現象，其中使用二維和三維系統架構來量測三種木頭樣本(南方松、杉木、白楊木)，使用紅光雷射、綠光雷射和藍光雷射作為主要量測光源，經過波板、偏振鏡、空間濾波器、擴束器來校正光源，透過四個步進馬達來控制待測物二維及三維上的運動，接著改變入射角、反射角、旋轉角與三種雷射光的情況下，觀察木紋所反射之散射光影像並加以分析，進而從結果得知木材表面光學性質，最後可以分辨木材種類。
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隨著光電業和半導體業的快速發展，對於各種精密零件或光學元件的需求量很大，其光學元件從平面、球面、非球面進展至各種自由形式的幾何形狀。而對於次釐米光學元件的需求日益增加，近年來已開發許多新技術，改善現有的方法來有效並經濟的生產光學元件。玻璃模造技術(GMP)是大量生產精密玻璃光學元件的其中之一種方法，其關鍵在於精密模具製造，由於模具通常是硬而脆的材料，如碳化鎢(WC)和碳化矽(SiC)，主要使用精密鑽石砂輪研磨來完成這些模具。而光學元件的尺寸變小，製造模具的砂輪工具尺寸也勢必要縮小，這使得研磨過程變得成本提高與非常耗時。本研究開發小型光固化樹脂鑽石砂輪及利用其砂輪進行精密研磨、拋光，達到有效生產小型模具之目的，以改善小型模具之製造過程。於研究中，修整過後之小型砂輪直徑約0.5mm，利用其砂輪於加工方面，研磨非球面模具表粗Ra可達63 nm；單點拋光模具表粗Ra可達10 nm。