臺灣博碩士論文加值系統

二十一世紀為資訊發展迅速的時代，然國內多數漁業養殖業者仍仰賴經驗觀測養殖水質，在這氣候極端變化的今日，常因未能及時掌握水質細微的變化，造成極大的損失。近年來國內外許多專家學者競相投入水質觀測監測器材之研究，用以觀測養殖飼料或藥劑對水質的變化。因此研究以仿生機器魚作為水下載具，並在機器魚本身掛載水質感測器，使其能夠親近魚群亦能夠監測水質的變化。
本研究以3D列印機製作仿鰺科機器魚外型，並採用鰺科魚種運動模式身體/尾鰭(Body and/or Caudal Fin, BCF)的推進模式，機器魚本身掛載水質檢測儀器，以Arduino單晶片微控制系統程式核心，手機App與電腦Visual Basic人機介面操作，供魚塭中不定點檢測。
本研究仿鰺科機器魚身長40公分，重達1065克，能夠完成直線、迴轉與感測水中溫度等功能，最大游速可達0.69倍於身長，迴轉速度可達每秒21度，並能夠在低頻率拍動下接近魚群與魚群同游。

Twenty-first century is the era that information technology is rapid developed in a lot of fields such as agriculture, industry, and medicine. For the owners of domestic aquaculture fields, the judgment of water quantity by eye’s observations could not fit the climate extremely changed today. Although a lot of water monitoring equipments are used in the water treatment factory, there is a space for development some automatic robotics for detecting the environment factors during feeding the fish. The aim of present study us to design and study the performance of small-scale robotic fish that can swim with fish and can also monitor the changes in water quality.
In this robotic fish, the shape of body is inspired from Carangidae fish and made by 3D printing machines. The propulsion mode is BCF (Body and / or Caudal Fin) with different shapes of trail. Arduino micro-control system is the core unit with pre-written program and the Zeebee module is used for communication. We have installed a water temperature sensor on the side of robot fish. App software is installed in the cell-phone that used to remote control the motion of robotic fish. A human machine interface written with language of Visual Basic is applied for giving commands for startup the flapping of trails for swimming.
The length of robotic fish is forty centimeter and its weight is one thousand and sixty-five grams. The robot fish can swim on straight line, rotating and sensing temperature on water. The maximum travel speed can up to 0.69 times the robot fish body length, and the rotation speed is 21 degree/second. It can co-swim with real fish at low flapping frequency of trail.

摘要 I
Abstract III
謝誌 V
目錄 VI
表目錄 X
圖目錄 XII
第一章緒論 1
1.1前言 1
1.2文獻回顧 2
1.3機器魚在國外發展情況 3
1.3.1 美國發展情況 4
1.3.2 日本發展情況 6
1.3.3中華人民共和國發展情況 9
1.4研究動機與目的 12
第二章 魚的運動模態分析 13
2.1魚如何游動 13
2.2鰺科加新月型尾鰭模式波形分析 15
第三章 研究方法 21
3.1設計概念 21
3.2使用設備 21
3.2.1 3D列印機 21
3.2.2 熱壓機 23
3.2.3 萬能拉力試驗機 26
3.2.4 電源供應器 28
3.3機器魚軟硬體介紹 30
3.3.1 防水盒 30
3.3.2伺服馬達 31
3.3.3 Arduino 35
3.3.4溫度感測器 36
3.3.5 藍芽模組 37
3.3.6 Visual Basic 39
3.3.7 App 40
3.4 機構設計 42
3.5 Arduino程式設計 46
3.6電路設計 47
第四章 系統測試與結果 49
4.1系統測試 49
4.1.1 溫度感測器 49
4.1.2 藍芽模組 53
4.1.3 密封材料 57
4.2 實驗規劃 63
4.3實驗方法 65
4.4實驗參數 66
第五章 結果與討論 67
5.1各種類尾鰭游速結果 67
5.2 機器魚各尾鰭耗電量 73
5.3機器魚迴轉半徑 76
5.4 溫度感測器應用 78
5.4 機器魚與魚塭中魚類游動情形 79
5.5機器魚製作成本 81
第六章 結論與未來展望 82
6.1結論 82
6.2未來展望 83
6.2.1改善 83
6.2.2建議 83
參考文獻 85
作者簡介 89


表目錄
表2.1魚的各種類對應St數值與游速比較 20
表3.2.1 3D列印機規格 23
表3.2.2 熱壓機規格 24
表3.2.3熱壓機操作壓力對照表 26
表3.2.4萬能拉力試驗機規格 27
表3.2.5電源供應器規格 29
表3.3.1 MG-90S規格 33
表3.3.2 XPERT WR-7701 HV規格 34
表3.3.3 Arduino nano板規格 36
表3.3.4溫度感測探頭規格 37
表3.3.5藍芽模組規格 38
表4.1.1三款膠材之吸濕率分析 62
表5.1各種類尾鰭之不同頻率下游速關係 73
表5.2機器魚在不同頻率操作下之耗電量與總游動里程 74
表5.4機器魚製作成本試算表 81



圖目錄
圖1.1 RoboTuna[11] 4
圖1.2 RoboPike[12] 5
圖1.3 UCUUV[13] 6
圖1.4 PF-600 Tuna-type Tail[15] 7
圖1.5 PF550機器魚[16] 7
圖1.6 PF-700機器魚[17] 8
圖1.7 UPF-2001 機器魚[18] 9
圖1.8中國第一條仿生機器魚SPC-II[19] 10
圖1.9哈爾濱工程大學研製“仿生-I”機器魚[21] 11
圖1.10哈爾濱工程大學研製“HRF-I”機器魚[22] 11
圖2.1魚類的游動分類，灰色部分為拍動部位[19,23,24,25]a.BCF；b.MPF. 14
圖2.2鰺科加新月尾鰭魚體型態與部位名稱[28] 15
圖2.3魚體游動時受力圖[26] 16
圖2.4尾鰭的受力分析[22] 17
圖2.5尾鰭翼展圖[28] 18
圖2.6尾鰭擺動角度示意圖 19
圖3.2.1 3D列印機 22
圖3.2.2熱壓機 24
圖3.2.3熱壓機之壓力表 25
圖3.2.4萬能拉力試驗機 27
圖3.2.5電源供應器 28
圖3.2.1保護電路防水盒 31
圖3.3.2伺服馬達構造圖[33] 31
圖3.3.3伺服馬達MG-90S 32
圖3.3.4伺服馬達XPERT WR-7701 HV 34
圖3.3.5 Arduino nano板 36
圖3.3.6溫度感測探頭 37
圖3.3.7藍芽模組 39
圖3.3.8 VB介面 40
圖3.3.9 App介面 41
圖3.3.10 App開始畫面 42
圖3.3.11點選藍芽模組畫面 42
圖3.4.1機器魚外觀 43
圖3.4.2莫三比克口孵非鯽(俗稱:吳郭魚) 44
圖3.4.3新月形尾鰭外觀(仿鰺科) 45
圖3.4.4扇型尾鰭外觀(仿慈鯛科) 45
圖3.4.5大扇型尾鰭外觀(仿慈鯛科) 46
圖3.5.1 Arduino程式設計流程圖 47
圖3.6.1機器魚電路圖 48
圖4.1.1溫度轉換校正圖 49
圖4.1.2 Arduino接收溫度顯示(25°C) 50
圖4.1.3溫度計顯示溫度(25°C) 50
圖4.1.4溫度計顯示溫度(14°C) 51
圖4.1.5 Arduino接收溫度顯示(14°C) 51
圖4.1.6溫度計顯示溫度(33°C) 52
圖4.1.7 Arduino接收溫度顯示(33°C) 52
圖4.1.8 VB介面中藍芽接收溫度 54
圖4.1.9 App介面中藍芽接收溫度 54
圖4.1.10尾鰭拍動分解圖 56
圖4.1.11魚體黏合所使用的防水材料(a)與(b)為AB膠，(c)為塑鋼土 58
圖4.1.8乾燥成品TGA圖 60
圖4.1.13經一天泡水環境處理後TGA圖 61
圖4.2.1整體實驗規劃流程圖 63
圖4.2.2尋找最佳尾鰭實驗規劃流程圖 64
圖4.3.1實驗魚塭 65
圖5.1尾鰭與水面距離倍率為0.173倍 67
圖5.2尾鰭與水面距離倍率為0倍 68
圖5.3尾鰭與水面距離倍率為0倍與0.173倍游速圖 68
圖5.4新月形與扇形尾鰭之對應游速圖 69
圖5.5新月形與大扇形尾鰭之對應游速圖 70
圖5.6新月形三種厚度之對應游速圖 71
圖5.7新月形與扇形尾鰭0.5mm厚度之對應游速圖 72
圖5.8機器魚迴轉半徑示意圖 77
圖5.9魚塭溫度分布圖 78
圖5.10機器魚拍動頻率為0Hz之魚群共游情況 79
圖5.11機器魚拍動頻率為1Hz之魚群共游情況 80
圖5.12 機器魚拍動頻率為2Hz之魚群共游情況 80

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[18] Fish Robot Home Page, “Prototype Fish Robot, UPF-2001,” Available at: https://www.nmri.go.jp/eng/khirata/fish/experiment/upf2001/index_e.html, Accessed 17 July 2016.
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