Human joint motion can be kinematically described in three planes, typically the frontal, sagittal, and transverse, and related to experimentally measured data. The selection of reference systems is a prerequisite for accurate kinematic analysis and resulting development of the equations of motion. Moreover, the development of analysis techniques for the minimization of errors, due to skin movement or body deformation, during experiments involving human locomotion is a critically important step, without which accurate results in this type of experiment are an impossibility. The traditional kinematic analysis method is the Angular-based method (ABM), which utilizes the Euler angle or the Bryant angle. However, this analysis method tends to increase cumulative errors due to skin movement. Therefore, the objective of this study was to propose a new kinematic analysis method, Position-based method (PBM), which directly applies position displacement data to represent locomotion. The PBM presented here was designed to minimize cumulative errors via considerations of angle changes and translational motion between markers occurring due to skin movements. In order to verify the efficacy and accuracy of the developed PBM, the mean value of joint dislocation at the knee during one gait cycle and the pattern of three dimensional translation motion of the tibiofemoral joint at the knee, in both flexion and extension, were accessed via ABM and via new method, PBM, with a Local Reference system (LRS) and Segmental Reference system (SRS), and then the data were compared between the two techniques. Our results indicate that the proposed PBM resulted in improved accuracy in terms of motion analysis, as compared to ABM, with the LRS and SRS.
In this study, we developed an optical sighting system capable of shooting at a long-distance target by operating a digital gyro mirror composed of a gyro sensor and an FSM. The optical sighting system consists of a reticle part, a digital gyro mirror (FSM), a parallax correction lens, a reticle-ray reflection mirror, and a partial reflection window. In order to obtain the optimal volume and to calculate the leading angle range according to the driving angle of the FSM, a calculation program using Euler rotation angles and a three-dimensional reflection matrix was developed. With this program we have confirmed that the horizontal leading angle of the developed optical sighting system can be implemented under about ${\pm}8^{\circ}$ for the maximum horizontal driving angle (${\beta}={\pm}12.5^{\circ}$) of the current FSM. Also, if the ${\beta}$ horizontal driving angle of the FSM is under about ${\pm}15.5^{\circ}$, it can be confirmed that the horizontal direction leading angle can be under ${\pm}10.0^{\circ}$. If diagonal leading angles are allowed, we confirmed that we can achieve a diagonal leading angle of ${\pm}10.0^{\circ}$ with a vertical driving angle ${\alpha}$ of ${\pm}7.1^{\circ}$ and horizontal driving angle ${\beta}$ of ${\pm}12.5^{\circ}$.
This paper presents the study in the development of optimal working method for an outer-hull preprocessing robot using a quaternion. The out-hull preprocessing robot consists of feathering and cleaning parts. This robot should be controlled correctly for feathering work because it is to be worked on a curved plate that can result in the errors of orientation. In this paper, we propose a control algorithm between given two orientations of the out-hull preprocessing robot by using a quaternion with spherical linear interpolation. The proposed control algorithm is shown to be effective in terms of motor angles and torques when compared to a conventional Euler angle interpolation, by using both $MATLAB^{\circledR}$ and $VisualNastran4D^{\circledR}$.
Orbit-raising is an important step to place spacecraft from parking orbits into working orbits. Attitude control system design is crucial in the success of orbit-raising. Several text books have discussed this design and focused mainly on the traditional methods based on single-input single-output (SISO) transfer function models. These models are not good representations for many orbit-raising control systems which have multiple thrusters and each thruster has impact on the attitude defined by all outputs. Only one published article is known to use a more suitable multi-input multi-output (MIMO) Euler angle model in spacecraft orbit-raising attitude control system design. In this paper, a quaternion based MIMO model for the orbit-raising attitude control system design is proposed. The advantages of using quaternion based model for orbit-raising control system designs are (a) there is no need for mathematical transformations because the attitude measurements are normally given by quaternion, (b) quaternion based model does not depend on rotational sequences, which reduces the chance of human errors, and (c) the singular point of reduced quaternion model is the farthest from the operational point where linearization is performed. We will show that performance of quaternion model based design will be as good as the performance of Euler angle model based design for orbit-raising problem.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제39권10호
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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.
In this paper, we evaluated prediction accuracy of Euler angle spectrograph classification method using a convolutional neural networks (CNN) for hand gesture recognition in augmented reality (AR) cognitive rehabilitation system based on Leap Motion Controller (LMC). Hand gesture recognition methods using a conventional support vector machine (SVM) show 91.3% accuracy in multiple motions. In this paper, five hand gestures ("Promise", "Bunny", "Close", "Victory", and "Thumb") are selected and measured 100 times for testing the utility of spectral classification techniques. Validation results for the five hand gestures were able to be correctly predicted 100% of the time, indicating superior recognition accuracy than those of conventional SVM methods. The hand motion recognition using CNN meant to be applied more useful to AR cognitive rehabilitation training systems based on LMC than sign language recognition using SVM.
In this paper, a new coarse alignment algorithm is proposed for roughly determining the initial attitude of the vehicle. The algorithm, referred as two-step coarse alignment algorithm, computes roll and pitch angle of the vehicle using accelerometer outputs, and then determines yaw angle with gyro outputs. With the geometric relation between sensor outputs and attitude angles, the algorithm error is analytically derived and compared with the previous coarse alignment algorithm that computes a transformation matrix using accelerometer md gyro outputs simultaneously. The simulation is also performed by varying the sensor errors. The results show that the proposed two-step coarse alignment algorithm has better performance for east tilt angle.
The elastic deflections and Euler buckling loads are investigated for a class of tapered and initially curved cantilevered beams subjected to loading at the tip. The beam's width increases linearly and its depth decreases linearly with the distance from the fixed end to the tip. Unloaded, the beam forms a circular are perpendicular to the axis of bending. The beam's deflection responses, obtained by solving the differential equations in closed form, are presented in terms of four nondimensional system parameters: taper ratio ${\kappa}$, initial shape ratio ${\Delta}_0$, end load ratio f, and load angle ${\theta}$. Laboratory measurements of the Euler buckling loads for scale models of tapered initially straight, corrugated beams compared favorably with those computed from the present analysis. The results are applicable to future designs of the end structures of highway guardrails, which can be designed to give the appropriate balance between the capacity to deflect a nearly head-on vehicle back to its right-of-way and the capacity to buckle sufficiently that penetration of the vehicle may be averted.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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