A generic interior-point framework for nonsmooth and complementarity constrained nonlinear optimization

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Novel implant design of the proximal interphalangeal joint using an optimized rolling contact joint mechanism

Background The aims of this study were to propose a novel implant design for the proximal interphalangeal joint (PIPJ) of the hand using a rolling contact joint (RCJ) mechanism and to derive an optimal implant design based on human PIPJ kinematics. Methods In total, 10 participants with normal PIPJs were enrolled in this study. True lateral finger radiographs were obtained in 10° increments from 0º (full extension) to 120° flexion of PIPJ. Radiographs were used to determine the average center of rotation, which formed the basis of a mathematical expression of the PIPJ kinematics. The variations in extensor tendon excursions in relation to the range of motion of PIPJ were determined using results from previous cadaveric studies. As the next step, a PIPJ implant design using an RCJ mechanism that was most consistent with the mathematically expressed PIPJ kinematics and tendon excursions was determined using a constrained optimization algorithm. Results The final proposed PIPJ implant had a relatively constant center of rotation over the entire PIPJ range of motion among the participants. In addition, the extensor tendon excursions of the proposed implant as applied to the phalangeal bones were similar to those of the human tendon. The proposed PIPJ implant achieved an acceptable position of the RCJ surface on the proximal and middle phalanges, which was derived from the constrained optimization algorithm. Conclusions A novel PIPJ implant design using an RCJ mechanism demonstrated acceptable outcomes in terms of PIPJ human kinematics and tendon excursions.This research was supported by the Seoul National University Bundang Hospital Research Fund (grant no. 14-2017-001) and in part by the convergence technology development program for bionic arm through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science & ICT (no. 2015M3C1B2052817). The funders had no role in the study design, data collection, analysis and interpretation, and writing the manuscript

Optimal and Robust Control of Atmospheric Reentry Trajectories

Reentering the Earth’s atmosphere is one of the most difficult phases of any spaceship’s mission. During reentry, following an optimal trajectory in terms of minimal heating rate, dynamic pressure, and maximum deceleration is vital to the mission’s success. This dissertation proposes a novel design for a controller based on H8 control methods, with the goal of achieving optimal and robust control for a Reentry Lifting Vehicle. This dissertation begins by summarizing the theory and history behind the Shuttle Space Program, including the planning of its trajectories and descriptions of the Reentry Flight Dynamics Model. The analysis of the obtained reference trajectory will follow and the comparison of it to a real shuttle trajectory will be made. The design and configuration of the H8 controller comes after, beginning with the linearization of the obtained system in the previous step and ending with the recalculation of vehicle state variables after its application. The disturbance is then applied and the results of the actuation of the controller are displayed. The H8 controller for Reentry Lifting Vehicle proves itself to be a useful application presenting satisfying and significant results in this critical phase of flight.A reentrada na atmosfera terrestre é uma das fases mais difíceis da missão de qualquer nave espacial. Durante a reentrada, seguir uma trajectória óptima em termos de taxa mínima de aquecimento, pressão dinâmica e maáxima desaceleração é vital para o sucesso da missão. Esta dissertação propõe o design de um controlador baseado em métodos de H8, com o objectivo de alcançar um controlo óptimo e robusto para um Veículo de Reentrada na atmosfera capaz de produzir sustentação. Esta dissertação começa com um resumo da teoria e história por detrás do Programa Espacial do Vaivém, incluindo o planeamento de trajectórias e descrições do Modelo de Dinâmica de Voo de Reentrada. A análise da trajectória de referência obtida seguir­se­á e será feita a sua comparação com uma trajectória real do vaivém. A concepção e configuração do controlador H8 virá depois, começando com a linearização do sistema obtida no passo anterior e terminando com o recálculo das variáveis de estado do veículo após a sua aplicação. A perturbação é então aplicada e os resultados do accionamento do controlador são exibidos. O controlador H8 para Veículo de Reentrada capaz de produzir Sustentação mostrou ser uma aplicação útil apresentando resultados satisfatórios e significativos nesta fase crítica de voo

Modellbasierte Methoden zur transienten Optimierung von Antriebssystemen

Durch die Einführung des Konzepts der $\textit{Real driving emissions}$ (RDE) entstehen für die Motorenentwicklung neue Herausforderungen und damit auch für die etablierten Methoden der modellbasierten Kalibrierung. RDE-Ersatzzyklen weisen eine dynamische Charakteristik auf, die im Vergleich zum $\textit{Worldwide harmonized light duty vehicle test cycle}$ (WLTC) eine wesentliche Erhöhung der Emissionen nach sich zieht. Ist die Motorenkalibrierung des Betriebszustands mittels modellbasierter Kalibrierung in der Vergangenheit bevorzugt stationär erfolgt, steigt durch RDE die Bedeutung danymischer Fahrmanöver. Eine stationäre Optimierung des Motorsteuergerätes reicht zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte nicht mehr aus. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer modellbasierten Applikationsstrategie zur Optimierung von Antriebssystemen, um im dynamischen Motorbetrieb optimale Verbrauchs- und Emissionsgrößen zu erhalten. Bei der Kalibrierung von Motorsteuergeräten werden die Sollwerte in Kennlinien und Kennfelder abhängig vom Betriebspunkt parametriert. Beispielsweise wird im Steuergerät der Kalibrierparameter Einspritzzeitpunkt der Haupteinspritzung in einem Kennfeld definiert. Das Kennfeld ist über den beiden Führungsgrößen Drehzahl und Last aufgespannt. Anstelle der von diesen beiden Führungsgrößen abhängigen Steuergerätefunktion wird ein dreidimensionaler Kennraum für die modellbasierte Optimierung von transienten Emissionen eines Antriebssystems vorgeschlagen. Dabei wird die bestehende Definition des Betriebspunktes von einem zweidimensionalen Wertepaar auf ein dreidimensionales Wertetripel überführt. Unter Beibehaltung der bereits bestehenden Führungsgrößen wird als geeignete dritte Führungsgröße der Lastgradient identifiziert, der einen bedeutenden Einfluss auf die Höhe der Emissionen hat. Mittels statistischer Methoden erfolgen Voruntersuchungen, um den Versuchsaufwand zu reduzieren und die Wahl der Parameter für die Untersuchung vorab zu selektieren. Durch den dynamischen Charakter von RDE-Ersatzzyklen im Vergleich zu quasistationären Labortests steigen die nichtlinearen statistischen Zusammenhänge zwischen Motor- und Emissionssignalen. Da Emissionsmassenströme mittels Multiplikation der gemessenen Gaskonzentrationen mit dem Abgasmassenstrom berechnet werden, liefert die Arbeit zudem einen Beitrag zur Ermittlung von Gaslaufzeiten