Hybrid simulation (HS) is a versatile tool for structural performance evaluation under dynamic loads. Although real structural responses are often multiple-directional owing to an eccentric mass/stiffness of the structure and/or excitations not along structural major axes, few HS in this field takes into account structural responses in multiple directions. Multi-directional loading is more challenging than uni-directional loading as there is a nonlinear transformation between actuator and specimen coordinate systems, increasing the difficulty of suppressing loading error. Moreover, redundant actuators may exist in multi-directional hybrid simulations of large-scale structures, which requires the loading strategy to contain ineffective loading of multiple actuators. To address these issues, lately a new strategy was conceived for accurate reproduction of desired displacements in bi-directional hybrid simulations (BHS), which is characterized in two features, i.e., iterative displacement command updating based on the Jacobian matrix considering nonlinear geometric relationships, and force-based control for compensating ineffective forces of redundant actuators. This paper performs performance validation and application of this new mixed loading strategy. In particular, virtual BHS considering linear and nonlinear specimen models, and the diversity of actuator properties were carried out. A validation test was implemented with a steel frame specimen. A real application of this strategy to BHS on a full-scale 2-story frame specimen was performed. Studies showed that this strategy exhibited excellent tracking performance for the measured displacements of the control point and remarkable compensation for ineffective forces of the redundant actuator. This strategy was demonstrated to be capable of accurately and effectively reproducing the desired displacements in large-scale BHS.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.11
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pp.2846-2859
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1994
This work deals with kinematic analysis of fault-tolerant 3 degree-of-freedom spherical modules which have force redundancies in its parallel structure. The performance of a redundantly actuated four-legged module with no actuator failure, a single actuator failure, partial and half failure of dual actuator are compared to that of a three-legged module, in terms of maximum force transmission ratio, isotropic characteristics, and fault-tolerant capability. Additionally, a system with an excess number of small floating actuators is considered, and the contribution of these small actuators to the force transmission and fault-tolerant capability is evaluated. This study illustrates that the redundant actuation mode allows significant saving of input actuation effort, and also delivers a fault tolerance.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.47
no.2
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pp.153-160
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2019
Electro-mechanical actuator system for aircraft has advantages in compactness and its lightweight, compared to the hydraulic actuator system. Hinge line actuator has low air resistance and is suitable for special purpose such as stealth. This paper describes design contents of 10,000 lbf-in class dual redundant hinge line electro-mechanical actuator system for performance test. The control structure was designed to minimize impact of torque fighting. A mathematical model is proposed to analyze and validate the performances of actuator by comparison with experiment results.
Song, Woo Keun;Kim, Sang Seok;Choi, Jeong Seok;Lee, JungUn;Lee, Jong Cheol;Lee, Jun won;Choi, Jong Yoon
Journal of Aerospace System Engineering
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v.16
no.5
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pp.62-69
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2022
EHA (Electro-Hydrostatic Actuator) is more energy efficiency than a centralized hydraulic system. In particular, the EHA used for aircraft has a redundant design in preparation for failure scenario. Also, due to the aircraft's internal space limitation, the actuator's length must be optimized. Therefore, a series configuration of double rod and single rod cylinder is advantageous. However, due to the asymmetry of the cross-sectional area of the piston, the force fighting phenomenon between the two cylinder areas occurs during redundant operation with a general control system. In this paper, the force fighting phenomenon of redundant EHA was simulated. A controller with load compensation and a force control-based position controller as a method to suppress its stimulation
In this paper, a real-time fault tolerant control system has been designed for the cooling system of the spent fuel pool storage. The fault tolerant control system consists of the fault detection part, the redundant actuator part(main and backup pumps) and the controller implemented on programmable. logic controller. This paper considers only the actuator fault whose detection is accomplished using Friedland's separated bias estimation method. This paper also shows the real-time experimental results from which it can be concluded that the designed fault tolerant control system exhibits satisfactory performance.
Kim, Daeyeon;Park, Hyung Jun;Kim, Sang Seok;Kim, Dae Hyun;Kim, Sang Beom;Lee, Junwon;Choi, Jong Yoon
Journal of Aerospace System Engineering
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v.15
no.3
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pp.1-10
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2021
The electro-hydrostatic actuators (EHA) are widely used in various industrial fields since they can independently execute the function of the hydraulic power source and have high efficiency. Particularly, in the aviation field, the EHA is mainly designed as dual redundant asymmetric tandem actuator to mitigate failure and minimize installation space. However, aviation EHAs designed in the form of dual redundant asymmetric tandem actuator have the disadvantage of decreased durability performance due to the occurrence of force fighting. In this paper, the controller is designed based on backstepping technique to improve control performance and reduce force fighting for aviation EHA. The augmented state observer is proposed to estimate the states required for control. Through simulation, it was verified that the proposed controller had superior control performance and significantly reduces the force fighting compared to the general PI controller.
Transactions on Control, Automation and Systems Engineering
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v.2
no.1
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pp.56-61
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2000
Majority of industrial robots are controlled by a simple independent joint control of joint actuators rather than complex controllers based on the nonlinear dynamic model of the robot manipulator. In this independent joint control scheme, the performance of actuator control is influenced significantly by the joint disturbance torques including gravity, Coriolis and centrifugal torques, which result in the trajectory tracking error in the joint control system. The control performance of a redundant manipulator under independent joint control can be improved by minimizing this joint disturbance torque in resolving the kinematic redundancy. A 3 DOF planar robot is studied as an example, and the dynamic programming method is used to find the globally optimal joint trajectory that minimize the joint disturbance torque over the entire motion. The resulting solution is compared with the solution obtained by the conventional joint torque minimization, and it is shown that joint disturbance can be reduced using the kinematic redundancy.
Kim, Tae-Ju;Chung, Goo-Bong;Yi, Byung-Ju;Seo, Il-Hong
제어로봇시스템학회:학술대회논문집
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2003.10a
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pp.1598-1602
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2003
The parallel-type mechanism provides more accurate and stiff motion than the serial-type mechanism. However, in case of using the haptic device, the performance of the force reflection can be deteriorated due to the singular points existing in workspace. In this paper, we propose a redundantly actuated parallel 3-DOF haptic device, which is singularity-free in the workspace and has an improved force reflection capability. In addition, we propose a new force distribution algorithm, which can reflect force of both high and low resolution, using two sets of actuator with different size. Redundant actuators are attached to the base frame in order to minimize the inertia of the system. Moreover, a wire and gear reduction system is employed to achieve high force reflection along with soft feeling. We confirm the performance of the force reflection capability throughout simulation.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.5
no.8
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pp.977-989
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1999
The purpose of this study is to analyze how the human body having more muscles than its degree-of-freedom modulates an effective stiffness using redundant actuation, and to apply this concept to the design and control of advanced machines which requires adaptable spring. To investigate the adaptable stiffness phenomenon due to redundant actuation in the human body, this paper derives a general stiffness model of the Human body. In particular, for a planar 1 DOF human arm model, a planar 2 DOF human arm model, a spherical 3 DOF shoulder model, a 4 DOF human arm model, and a 7 DOF human arm model, the required nonlinear geometry ad the number of required actuator for successful modulation of the effective stiffness are analyzed along with a load distribution method for modulation of the required stiffness of such systems. Secondly, the concept of motion frequency modulation is introduced to show the usefulness of adaptive stiffness modulation. The motion frequency modulation represents a control of stiffness and / or inertia properties of systems. To show the effectiveness of the proposed algorithm, simulations are performed for 2 DOF anthropomorphic robot.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.5
no.4
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pp.756-765
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2001
An effective dexterous motion control method of redundant robot manipulators based on neural optimization network is proposed to satisfy multi-criteria such as singularity avoidance, minimizing energy consumption, and avoiding physical limits of actuator, while performing a given task. The method employs a neural optimization network with parallel processing capability, where only a simple geometric analysis for resolved motion of each joint is required instead of computing of the Jacobian and its pseudo inverse matrix. For dexterous motion, a joint geometric manipulability measure(JGMM) is proposed. JGMM evaluates a contribution of each joint differential motion in enlarging the length of the shortest axis among principal axes of the manipulability ellipsoid volume approximately obtained by a geometric analysis. Redundant robot manipulators is then controlled by neural optimization networks in such a way that 1) linear combination of the resolved motion by each joint differential motion should be equal to the desired velocity, 2) physical limits of joints are not violated, and 3) weighted sum of the square of each differential joint motion is minimized where weightings are adjusted by JGMM. To show the validity of the proposed method, several numerical examples are illustrated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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