This paper presents the dynamic analysis of a humanoid robot using Nastran that is one of FEM analysis program. Generally, computer program based on the Lagrange-Euler method or Newton-Euler method was used for dynamic analysis of a robot. The Lagrange-Euler method requires much calculation performance and it is also hard to apply to complex structure, and the Newton-Euler method limits accurate modeling and calculation for closed structure like a humanoid robot. In this paper, mechanical and structural data are obtained from the Nastran. It is possible for Nastran to make model similar to real system and can apply a physical properties and laws to model. So, accurate simulation is possible. From this result, accurate data is gained by Nastran. Furthermore, this method is shown to be a useful method that guarantees accuracy for trajectory planning.
The structure design of divertor Multi-Functional Maintenance Platform (MFMP) actuated by hydraulic system for China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) was introduced in this paper. The model of MFMP was established according to maintenance requirements. In this paper, Newton-Euler method and the improved virtual work principle were used, the equivalent driving force of each actuator was obtained through the equivalent Jacobian inverse matrix derived from velocity relationship among the components. The accuracy of the model was verified by ADAMS simulation. The stability control of the heavy-duty components driven by hydraulic cylinders based on Newton-Euler method and improved virtual work principle was established.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.20
no.3
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pp.243-259
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2016
The Richards equation for water movement in unsaturated soil is highly nonlinear partial differential equations which are not solvable analytically unless unrealistic and oversimplifying assumptions are made regarding the attributes, dynamics, and properties of the physical systems. Therefore, conventionally, numerical solutions are the only feasible procedures to model flow in partially saturated porous media. The standard Finite element numerical technique is usually coupled with an Euler time discretizations scheme. Except for the fully explicit forward method, any other Euler time-marching algorithm generates nonlinear algebraic equations which should be solved using iterative procedures such as Newton and Picard iterations. In this study, lumped mass and distributed mass in the frame of Picard and Newton iterative techniques were evaluated to determine the most efficient method to solve the Richards equation with finite element model. The accuracy and computational efficiency of the scheme and of the Picard and Newton models are assessed for three test problems simulating one-dimensional flow processes in unsaturated porous media. Results demonstrated that, the conventional mass distributed finite element method suffers from numerical oscillations at the wetting front, especially for very dry initial conditions. Even though small mesh sizes are applied for all the test problems, it is shown that the traditional mass-distributed scheme can still generate an incorrect response due to the highly nonlinear properties of water flow in unsaturated soil and cause numerical oscillation. On the other hand, non oscillatory solutions are obtained and non-physics solutions for these problems are evaded by using the mass-lumped finite element method.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.39
no.10
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pp.1023-1030
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2015
The purpose of this paper is to present the basic mathematical modeling of a hexacopter, which could be used to develop proper methods for stabilization and trajectory control. A hexacopter consists of six rotors with three pairs of counter-rotating fixed-pitch blades. This mechanism is an under-actuated, dynamically unstable, six-degrees-of-freedom system. The whole motion of this object consists of translational and rotational motion in three dimensions, where the translational motion is created by changing the direction and magnitude of the upward propeller thrust. The hexacopter is controlled by adjusting the angular velocities of the rotors, which are spun by electric motors. It is assumed to be a rigid body; thus, the differential equation of the hexacopter dynamics can be derived from the Newton-Euler equation. The Euler-angle parametrization of the three-dimensional rotations contains singular points in the coordinate space that can cause failure of both the dynamical model and control. In order to avoid singularities, the rotations of the hexacopter are parametrized in terms of quaternions. This choice has been made considering the linearity of the quaternion formulation and their stability and efficiency. Further, control simulation of a hexacopter applying cascaded-PID control is also presented in this paper.
This paper presents inverse kinematic and dynamic analyses of HexaSlide type six degree-of-freedom parallel manipulators. The HexaSlide type parallel manipulators (HSM) can be characterized as an architecture with constant link lengths that are attached to moving sliders on the ground and to a mobile platform. In the inverse kinematic analyses, the slider and link motion (position, velocity, and acceleration) is computed given the desired mobile platform motion. Based on the inverse kinematic analysis, in order to compute the required actuator forces given the desired platform motion, inverse dynamic equations of motion of a parallel manipulator is derived by the Newton-Euler approach. In this derivation, the joint friction as well as all link inertia are included. Relative importance of the link inertia and joint frictions on the computed torque is investigated by computer simulations. It is expected that the inverse kinematic and dynamic equations can be used in the computed torque control and model-based adaptive control strategies.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.13
no.5
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pp.90-97
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2014
This paper presents a simplified dynamics model, dynamics simulations, and computed torque control experiments of the Delta high-speed parallel robot. Using the typical Newton-Euler method, a simplified but accurate dynamics model with practical assumptions is derived. Accuracy and fast calculations of the dynamics are essential in the computed torque control for high-speed applications. It was found that the simplified dynamics equation is in very god agreement with the ADAMS model, and the calculation time of the inverse kinematics and inverse dynamics is about 0.04 msec. From the dynamics simulations, the cycle trajectory along the y-axis requires less peak motor torque and a lower angular velocity and less power than that along the x-axis. The computed torque control scheme can reduce the position error by half as compared to a PD control scheme. Finally, the developed Delta parallel robot prototype, half the size of the ABB Flexpicker robot, can achieve a cycle time of 0.43 sec with a 1.0kg payload.
The Primary type of swinging motion in human movement is that which is characteristic of a pendulum. The two types of pendulums are identified as simple and compound. A simple pendulum consist of a small body suspended by a relatively long cord. Its total mass is contained within the bob. The cord is not considered to have mass. A compound pendulum, on the other hand, is any pendulum such as the human body swinging by hands from a horizontal bar. Therefore a compound pendulum depicts important motions that are harmonic, periodic, and oscillatory. In this paper one discusses and compares two algorithms of Newton's method(F = m a) and Euler's method (M = $I{\times}{\alpha}$) in compound pendulum. Through exercise model such as human body with weight(m = 50 kg), body length(L = 1.5m), and center of gravity ($L_c$ = 0.4119L) from proximal end swinging by hands from a horizontal bar, one finds kinematic variables(angle displacement / velocity / acceleration), and simulates kinematic variables by changing body lengths and body mass. BSP by Clauser et al.(1969) & Chandler et al.(1975) is used to find moment of inertia of the compound pendulum. The radius of gyration about center of gravity (CoG) is $k_c\;=\;K_c{\times}L$ (단, k= radius of gyration, K= radius of gyration /segment length), and then moment of inertia about center of gravity(CoG) becomes $I_c\;=\;m\;k_c^2$. Finally, moment of inertia about Z-axis by parallel theorem becomes $I_o\;=\;I_c\;+\;m\;k^2$. The two-order ordinary differential equations of models are solved by ND function of numeric analysis method in Mathematica5.1. The results are as follows; First, The complexity of Newton's method is much more complex than that of Euler's method Second, one could be find kinematic variables according to changing body lengths(L = 1.3 / 1.7 m) and periods are increased by body length increment(L = 1.3 / 1.5 / 1.7 m). Third, one could be find that periods are not changing by means of changing mass(m = 50 / 55 / 60 kg). Conclusively, one is intended to meditate the possibility of applying a compound pendulum to sports(balling, golf, gymnastics and so on) necessary swinging motions. Further improvements to the study could be to apply Euler's method to real motions and one would be able to develop the simulator.
A new mathematical model to predict the beam pointing instability of a nonconservative two-body satellite system in spinning injection mode has been developed by using Newton-Euler and projection methods. Since the on-axis and null axis of the omni antenna with toroidal pattern beam form a right angle, wobbling of the antenna on-axis is measured by determining the Euler angles which represent the orientation of the satellite's spin axis. Because of the complexity of the system which is a time varying, nonstationary, nonlinear dynamical system, a numerical method is used for the analysis. Computer simulation results present the effects of the mass distribution and internal mass motion on the antenna beam pointing.
The dynamic equations of robotic manipulators can be derived from either Newton-Euler equation or Lagrangian equation. Model parameters which appear in the resulting dynamic equation are the nonlinear functions of both the inertial parameters and the geometric parameters of robotic manipulators. The identification of the model parameters is important for advanced robot control. In the previous methods for the identification of the model parameters, the geometric parameters are required to be predetermined, or the robotic manipulators are required to follow some special motions. In this paper, we propose an approach to the identification of the model parameters, in which prior knowledge of the geometric parameters is not necessary. We show that the estimation equation for the model parameters can be formulated in an upper block triangular form. Utilizing the special structures, we obtain a simplified least-square estimation algorithm for the model parameter identification. To illustrate the practical use of our method, a 4DOF SCARA robot is examined.
In this paper, We performed the human body dynamic modelling for the realistic animation based on the dynamical behavior of human body, and designed controller for the effective control of complicate human dynamic model. The human body was simplified as a rigid body which consists of 18 actuated degrees of freedom for the real time computation. Complex human kinematic mechanism was regarded as a composition of 6 serial kinematic chains : left arm, right arm, support leg, free leg, body, and head. Based on the this kinematic analysis, dynamic model of human body was determined using Newton-Euler formulation recursively. The balance controller was designed in order to control the nonlinear dynamics model of human body. The effectiveness of designed controller was examined by the graphical simulation of human walking motion. The simulation results were compared with the model base control results. And it was demonstrated that, the balance controller showed better performance in mimicking the dynamic motion of human walking.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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