機電工程學系

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系所沿革

為迎合產業機電整合人才之需求,本校於民國 91年成立機電科技研究所,招收碩士班學生;隨後並於民國93年設立大學部,系所整合為「機電科技學系」,更於101學年度起招收博士班學生。103學年度本系更名為「機電工程學系」,本系所之發展方向與目標,係配合國家政策、產業需求與技術發展趨勢而制定。本系規劃專業領域包含「精密機械」及「光機電整合」 為兩大核心領域, 使學生不但學有專精,並具跨領域的知識,期能強化學生之應變能力,以適應多元變化的明日社會。

教學目標主要希望教導學生機電工程相關之基本原理與實務應用的專業知能,並訓練學生如何運用工具進行設計、執行、實作與驗證各項實驗,以培養解決機電工程上各種問題所需要的獨立思考與創新能力。

基於建立系統性的機電工程整合教學與研究目標,本系學士班及研究所之教育目標如下:

一、學士班

1.培育具備理論與實作能力之機電工程人才。

2.培育符合產業需求或教育專業之機電工程人才。

3.培育具備人文素養、專業倫理及終身學習能力之機電工程人才。

二、研究所

1.培育具備機電工程整合實務能力之專業工程師或研發人才。

2.培育機電工程相關研究創新與產業應用之專業工程師或研發人才。

3.培育具備人文素養、專業倫理及終身學習能力之專業工程師或研發人才。

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    基於強化學習結合KAN網路和注意力機制的創新混合架構應用於多機器人避障系統
    (2025) 姜嵐新; Jiang, Lan-Shin
    本研究提出一種結合 Kolmogorov-Arnold Network(KAN)與多層感知器(Multi-layer Perceptron , MLP)的創新架構,用於解決多機器人系統中的避障問題。隨著機器人技術的發展,多機器人系統在複雜環境中的運作日益普及,有效的避障策略成為確保系統安全與高效運作的關鍵。本研究設計了一種整合卷積神經網路(Convolutional Neural Network , CNN)、注意力機制(Attention)與 KAN 的混合架構,結合近端策略優化(Proximal Policy Optimization , PPO)算法進行強化學習訓練。實驗結果表明,與傳統的 CNN-MLP 架構相比,所提出的 CNN_ATT_MLP_KAN-PPO 架構在參數效率、學習效率和泛化能力方面均具有顯著優勢,特別適用於複雜環境和大規模多機器人系統。研究結果不僅驗證了 KAN 網路在實際應用中的價值,也為多機器人協作系統的發展提供了新的技術路徑。
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    氮化鋁覆蓋層應用於氧化鋯鉿鐵電元件之電性分析
    (2025) 林書玄; Lin, Shu-Hsuan
    隨著科技近年日新月異的發展越加迅速,科技也在不斷的創新,帶動人工智慧(AI)、物聯網(IoT)應用技術、5G/6G通訊、汽車自動駕駛、高效能運算(HPC)等關鍵技術的成長,數據存取及整理相對重要,鐵電記憶體就扮演格外重要的角色,以其低功耗、讀寫快、耐久度優異的表現,成為其半導體發展重點。本研究使用氨電漿沉積氮化鋁作為覆蓋層,希望能減少介面缺陷產生,穩定上電極與氧化鋯鉿薄膜的介面品質,並且調變氮化鋁覆蓋層的氮含量10%、20%、40%、50%,探討其對氧化鋯鉿鐵電/反鐵電元件特性之影響。根據實驗結果皆以退火溫度600 °C為最佳條件,氮化鋁覆蓋層鐵電結構在操作電壓2.5 V下,在氮含量50%有最優異的兩倍殘餘極化量20.52 µC/cm²,在漏電流量測可以得知所有氮化鋁覆蓋層鐵電結構的漏電流值介在1.49×10-10 A ~ 1.15×10-9 A之間皆低於無覆蓋層鐵電結構2.25×10-9 A,氮化鋁覆蓋層反鐵電結構在操作電壓3.5 V下,氮化鋁覆蓋層反鐵電結構(N:20%、50%)表現出明顯反鐵電雙遲滯曲線特徵,且所有氮化鋁覆蓋層結構的漏電流值皆低於無覆蓋層反鐵電結構,觀察到在氮含量50%氮化鋁覆蓋層應用在鐵電或反鐵電結構上顯著提升極化特徵,並且抑制漏電流,推測高氮含量可以強化氮化鋁覆蓋層鍵結,提升熱穩定性,相較於其他氮含量結構,更有利於鐵電/反鐵電相的形成,同時達到抑制漏電流的效果。在耐久度分析中,從實驗結果得知與氮化鋁覆蓋層鐵電結構經過108次循環操作次數測試後的衰減率介在80.8% ~ 86%之間,皆低於無覆蓋層鐵電結構的89.9%。接著討論無覆蓋層反鐵電結構經過108次循環操作次數測試後的衰減率為13.5%,其中氮化鋁覆蓋層反鐵電結構(N:20%、40%、50%)的兩倍殘餘極化量略為提高,以上實驗結果顯示氮化鋁覆蓋層應用於鐵電/反鐵電結構中可以提升元件耐久度,改善的主要歸因於氮化鋁覆蓋層也可作為介面調控層,均勻分散電場應力於鐵電層上,且也能有效減少介面缺陷產生,降低元件漏電流、使元件在長期操作下仍能維持穩定的電性表現。再進一步探討比較在電壓3 V與退火溫度700 °C條件下,結果顯示鐵電結構於10⁷次循環即發生崩潰,而反鐵電結構則可穩定運作至10⁸次,然而反鐵電結構相比鐵電結構具備更持久可靠度,可能歸因其內部氧空位較少,能有效延緩薄膜擊穿,並且氮化鋁覆蓋層反鐵電結構的衰減率低於無覆蓋層反鐵電結構的66.5%,顯示出氮化鋁覆蓋層可以減少介面缺陷並穩定介面品質。
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    316L不鏽鋼與600鎳基合金惰氣鎢極電弧異質銲接之特性研究
    (2025) 邱唯剛; Chiu, Wei-Kang
    異質金屬銲接因其能結合兩種或多種材料之優點,例如耐高溫、抗腐蝕與高強度,在電力工程、化工製程及航太工業等領域具有關鍵應用價值。本研究選用316L沃斯田體不鏽鋼與Inconel 600鎳基超合金作為異質接合材料,並採用惰性氣體鎢極電弧銲(GTAW)進行實驗,該方法具有高穩定性與良好的熱輸入量控制能力,有助於減少銲道缺陷與熱影響區之不良變化。為提升銲接銲道之機械性質與結構完整性,研究中應用田口實驗法進行參數優化,選定電流、送線速度與銲接速度三項重要製程參數進行實驗規劃與效能評估,並同步進行全因子實驗使其得到更加全面的數據應用,並選用Monel 400作為填充金屬,因其與316L及Inconel 600具有良好的冶金相容性。實驗中藉由拉伸測試、顯微硬度分析與金相組織觀察來評估銲道的力學與結構特性。結果顯示,在85A電流、8 mm/s送線速度與2.5 mm/s銲接速度下,銲道表現出最佳的抗拉強度(527 MPa),且破斷位置多集中於銲道重熔區,顯示銲道品質對整體性能有決定性影響。進一步的顯微組織分析指出,異質銲道中存在明顯的熔合區、熱影響區(HAZ)及晶界變化,且進行電化學腐蝕試驗,得知兩種材料於異質銲接後的抗腐蝕變化。綜合而言,本研究成果有助於釐清316L不鏽鋼與Inconel 600鎳基合金之異質銲接行為,並提供未來於高溫、高腐蝕環境下應用之製程優化依據。
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    基於In2O3/Borophene複合材料之可撓性二氧化氮感測器的研製
    (2025) 劉奕賢; Liu, Yi-Hsien
    在這個AI快速發展的時代,自動駕駛、智慧工廠等需求不斷提升,其中為了接收現實環境資訊所使用的感測器成為了重要的一環。NO2為一種有毒氣體,其主要來自於化石燃料的燃燒,故容易累積於工業活動、交通繁忙地區和發電廠周圍。為了環境與人類的健康安全著想,開發一種具有高響應、高穩定性且能即時監控NO2濃度的氣體測器,已成為重要的議題。本研究選用對苯二甲酸(1,4-benzenedicarboxylic acid, H2BDC)以及硝酸銦水化合物(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·xH2O)作為製備In2O3的材料。接著,使用高壓均質法將高純度硼粉剝離成硼烯奈米片(Borophene nanosheets, BNs)。最後,將BNs與In2O3複合即可合成In2O3/Borophene氣體感測材料。調整In2O3/Borophene的複合參數後,進行一系列的材料特性分析,並比較不同比例之In2O3/Borophene材料對於NO2氣體的靈敏度。另外,使用CO2雷射在聚醯亞胺(Polymide, PI)薄膜表面製作石墨烯指叉電極,電極尺寸為14 mm × 10 mm,電極間距與電極線寬的尺寸皆為0.5 mm,將材料塗覆在指叉電極表面,即完成可撓式氣體感測器元件之開發。研究顯示,In2O3/BNs-2在室溫下對10 ppm NO2的響應高達2117.9%,比純In2O3 (1738.4%)提升了379.5%。此外,In2O3/BNs-2在室溫下針對不同濃度(0.25-100 ppm) NO2表現出優異的線性關係,並經過計算最低檢測極限(Limit of detection, LOD)為4.12 ppb,較純In2O3 (50.76)降低了91.9%。另外,經過一系列測試,In2O3/BNs-2展現出優異的再現性(Repeatability)、選擇性(Selectivity)以及長期穩定性(Long-term stability)。結果表明,In2O3/Borophene所產生的異質結接面(Heterojunction)以及豐富的空缺氧(Vacancy oxygen),使得In2O3/Borophene展現出對NO2優異的感測性能,證明具有成為NO2感測材料的巨大潛力。
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    基於TPU/ILs/Li2CO3微結構陣列離子凝膠之可穿戴且高靈敏的壓力感測器研製
    (2025) 張智耀; Zhang, Zhi-Yao
    壓力感測器廣泛應用於智慧穿戴、生理監測、機器人觸覺系統與自動化控制等領域,隨著電子皮膚與人機互動技術的快速發展,具備高靈敏度、穩定性與可撓式的壓力感測器設計成為重要研究方向。本研究以此為出發點,提出一種新型離子電容式壓力感測器,藉由引入電雙層效應(Electrical Double Layer, EDL),以有效提升其整體感測性能。研究採用熱塑性聚氨酯(TPU)為基底,添加碳酸鋰(Li2CO3, LC) 與([EMIM]+[TFSI]−)離子液體(IL),製備TPU/IL/LC離子凝膠複合物介電層。在結構設計方面,運用3D列印製備倒金字塔結構之模具,接著以翻模技術製作出微結構陣列化的介電層,調整其結構尺寸與厚度參數來優化感測性能。實驗結果顯示,所製備之TPU/IL2.5感測器在低壓(0-130 kPa)範圍內具備64.49 kPa⁻¹的靈敏度,於中高壓(130-1400 kPa)區間則僅為4.04 kPa⁻¹。經Li2CO3改質後的TPU/IL2.5/LC0.20感測器在低壓範圍(0-130 kPa)內展現出高達211.57 kPa⁻¹的靈敏度,約為未改質感測器的3.28倍。此外,在130-550 kPa區間亦可達到104.26 kPa⁻¹的靈敏度,在550–1400 kPa區間則維持16.1 kPa⁻¹,顯示其於全壓力範圍內均具有大幅提升之靈敏度。TPU/IL2.5感測器具備最低檢測極限為0.052 Pa,而TPU/IL2.5/LC0.20感測器則進一步降低至0.047 Pa,顯示其微小壓力感測能力有所提升,解析度更高。此外,TPU/IL2.5/LC0.20感測器通過10000次壓縮與5000次彎曲循環測試,以及30天的長期穩定性測試,感測器依然維持穩定表現,展現出優異的可靠性與耐久性。在實際應用方面,TPU/IL2.5/LC0.20感測器可量測脈搏、呼吸、關節彎曲、水滴重量與氣壓微變等多種訊號,亦具備測量溫度與濕度之多功能感測效能。最後,透過CAV444 C-V轉換晶片、藍牙模組之整合與搭配Arduino控制板,即時將電容轉換成電壓訊號後傳輸至手機APP進行顯示,並成功應用於機械手臂之觸控暫停控制,顯示其作為撓性電子皮膚的潛力。整體成果證實本研究感測器具備高靈敏度、高穩定性與高可撓性,可提供未來智慧感測系統中材料設計、元件製作與應用整合潛力的可行解決方案。
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    低功耗邊緣設備的系統實作與驗證
    (2025) 翁家祥; Weng, Chia-Hsiang
    本研究探討 IEEE 802.11ah(Wi-Fi HaLow)於物聯網(IoT)應用中的可行性與效能,並針對通訊穿透力、感測整合性與能耗管理等問題提出解決方案。系統以IEEE 802.11ah為核心,搭配 RS485 雷達水位感測器與 I2C 溫濕度感測器,實現異質感測資料之穩定蒐集與傳輸。實驗結果顯示,本系統具備良好通訊穩定性與低功耗特性,感測精度高且可於封閉環境中正常運作。資料透過 TimescaleDB 儲存並結合 Grafana 儀表板進行視覺化分析。本研究實驗測試邊緣端之裝置於啟動狀態、感測狀態及深度睡眠時期的工作電流與靜止電流,符合極低功耗運作標準。本實驗亦測試IEEE 802.11ah訊號的穩定性與強度,在室內的訊號強度(RSSI)平均約為-38.1dB,訊躁比(訊躁比)約落在33.6dB,而將其配合感測器放置於家用冰箱,測試封閉環境之下的訊號傳輸狀況,其訊號強度與訊躁比則分別為-59.4dB和9.3dB。證實 IEEE 802.11ah 於物聯網應用中之實務潛力,並為未來結合人工智慧與能源採集等智慧感測架構提供應用基礎。
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    基於RBFN模糊滑模自適應控制之髖膝外骨骼機器人在偏癱復健應用
    (2025) 翁晟祖; Weng, Cheng-Zu
    偏癱患者由於腦部損傷或中風等原因,常導致單側肢體運動功能障礙,嚴重影響日常生活活動能力。為解決此問題,本研究開發了一種能夠輔助偏癱患者進行步行訓練和日常活動的智能外骨骼系統,該系統針對偏癱患者所設計的髖膝外骨骼機器人,其控制基於徑向基底函數網路(Radial Basis Function Network, RBFN)模糊滑模控制(Fuzzy Sliding Mode Control,FSMC)方法設計。該系統結合了RBFN神經網路與模糊滑模控制的優勢,整合成一種自適應控制策略,能夠即時調整外骨骼機器人的輔助力度和運動軌跡。利用RBFN神經網路進行模式識別,然後通過模糊滑模控制器實現平滑的輔助控制。本研究進行了多組不同的實驗,從正常步行、慢速步行、變步距步行三種情境,觀察 PID、FSMC 與 RBFN-FSMC 三種控制器之表現。實驗結果表明,相比傳統的PID控制和單純的模糊滑模控制方法,所提出的RBFN模糊滑模控制系統在輔助效果、人機協同性和適應性方面均有顯著優勢。
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    新型鎢金屬有機框架衍生物複合石墨烯應用於超級電容器負極材料之開發
    (2025) 林璟棠; Lin, Ching-Tang
    面對氣候變遷與能源轉型的挑戰,可再生能源因其低碳排與永續特性,被視為未來能源系統的關鍵因素。然而,風能與太陽能等再生能源受限於其間歇性難以穩定供電,迫切需要高效儲能的研發。超級電容器具備高功率密度、快速充放電能力與長循環壽命等優勢,在穩定能源供需中展現出極大潛力。本研究以設計具備優異儲能能力的負極電極材料為目標,提出一種基於鎢金屬有機框架(W-MOF)衍生之複合材料,應用於超級電容器負極。鎢元素具多種氧化態(+2至+6),在氧化還原反應中具備高度活性,但以鎢作為金屬中心的 MOF 材料仍鮮有文獻深入探討。本研究使用六氯化鎢(WCl6)、均苯四甲酸(PMA)與硝酸(HNO3)透過一步水熱法合成W-MOF材料,並藉由煅燒形成鎢金屬框架衍生物材料(D-WO3)。為進一步提升其導電性與倍率性能,將不同含量之氧化還原石墨烯(rGO)摻雜其中,合成D-WO3@rGO複合材料。該材料兼具電雙層與擬電容儲能機制,並藉由D-WO3本身結構與rGO的協同效應,大幅提升其比表面積與導電性。本研究所製備的D-WO3@rGO60材料,擁有低電解液電阻(Rs) 2.31 Ω與電荷轉移電阻(Rct) 0.56 Ω,在電流密度為1 A g-1下可獲得高比電容值998.8 Fg-1。相比D-WO3(350A) (654.2 F g-1)、D-WO3@rGO40 (751.2 F g-1)與D-WO3@rGO80 (816.2 F g-1)材料,分別提升1.53、1.33及1.22倍,顯示D-WO3@rGO60具有優異的電容性能。當電流密度提升至5 A g-1時,仍保有40.5 %的倍率性能,驗證D-WO3透過水熱法複合rGO能有效提升其倍率性能。最後,以D-WO3@rGO60為負極材料,活性碳(Activated carbon, AC)為正極材料組裝成混合式超級電容器(Hybrid supercapacitor, HSC),該HSC在15.7 W h kg-1的能量密度下具有3000 W kg-1的高功率密度。它可點亮排列有NTNU ME圖樣的88顆並聯紅光LED燈,持續時間可達240秒,也透過相同方式成功驅動計算機20秒,證實本研究所開發的HSC具有作為儲能元件的實際應用能力,而其所使用之D-WO3@rGO60複合材料,可在高性能儲能領域,提供一條兼具材料創新性與應用導向性的技術路徑,對次世代可攜式與再生能源整合型儲能系統具有重要意義。
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    非奇異快速終端滑模超扭轉控制在下肢外骨骼機器人之半癱復健
    (2025) 巫政祐; Wu, Cheng-Yu
    本論文以「非奇異快速終端滑模控制應用於髖膝外骨骼機器人之下肢半癱復健」為研究主軸,針對因中風或神經損傷導致單側下肢癱瘓的復健需求,設計並實作一款可主動驅動髖關節與膝關節之穿戴式下肢外骨骼系統。其主要目標在於模仿健康側肢體的動作,帶動癱瘓側完成對稱步態,進而達到復健輔助之效果。硬體方面,外骨骼之機構設計依照人體下肢比例進行調整,並採用直流無刷馬達、編碼器與多軸驅動器進行雙關節控制;通訊部分透過 RS-232通訊方式與控制端實現即時資料接收與命令輸出。控制方法方面,本研究採用無模型控制架構,並整合線性擴展狀態觀測器(Linear Extended State Observer, LESO)以即時估測總擾動,搭配非奇異快速終端滑模控制(Nonsingular Fast Terminal Sliding Mode Control, NFTSM)與超扭轉控制(Super-Twisting Control)提升系統追隨能力與抗擾性能。進一步地,本研究導入阻抗模型控制機制,以模擬人機交互過程中的生物力學行為,進行交互力補償與柔順性調節,強化步態控制的自然性與安全性。本研究進行多組實驗,包括慢速步行、變步距步行等不同情境,觀察 PID、NFTSM-ST 與 LESO-NFTSM-ST 三種控制器之表現。結果顯示,LESO 輔助之 NFTSM 控制策略不論在穩定性、收斂速度或誤差抑制方面皆優於傳統方法,可有效提升外骨骼於復健過程中的使用效益,具備實際應用潛力。
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    使用新型ICP演算法多視角重建實現機器人手臂的噴漆路徑
    (2025) 楊皓翔; Yang, Hao-Xiang
    這篇論文介紹了一種創新的三維模型噴塗方法,利用 Open3D 多視角重建來優化機械臂輔助的工業噴塗過程。該方法首先通過深度相機從多個角度捕獲詳細的三維點雲,並通過迭代最近點(ICP)算法進行精確對齊和重建。這種精細的對齊產生了高度準確的三維模型,能夠引導機械臂進行精確且高效的噴塗應用。此外,我們開發了一種基於生成的點雲模型的往復路徑規劃策略,模擬典型的噴塗運動模式,以提高效率、覆蓋均勻性和應用的一致性。通過實驗評估,我們證明了這種方法顯著提高了噴塗精度,確保均勻的覆蓋和提高過程的可靠性。這使得該方法非常適合於先進的自動噴塗應用,為滿足大規模生產環境中嚴格的工業質量和精度標準提供了一個可靠的解決方案。