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    A novel haptic model and environment for maxillofacial surgical operation planning and manipulation

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    This paper presents a practical method and a new haptic model to support manipulations of bones and their segments during the planning of a surgical operation in a virtual environment using a haptic interface. To perform an effective dental surgery it is important to have all the operation related information of the patient available beforehand in order to plan the operation and avoid any complications. A haptic interface with a virtual and accurate patient model to support the planning of bone cuts is therefore critical, useful and necessary for the surgeons. The system proposed uses DICOM images taken from a digital tomography scanner and creates a mesh model of the filtered skull, from which the jaw bone can be isolated for further use. A novel solution for cutting the bones has been developed and it uses the haptic tool to determine and define the bone-cutting plane in the bone, and this new approach creates three new meshes of the original model. Using this approach the computational power is optimized and a real time feedback can be achieved during all bone manipulations. During the movement of the mesh cutting, a novel friction profile is predefined in the haptical system to simulate the force feedback feel of different densities in the bone

    Dynamic behavior of Sandwich Beam with Piezoelectric layers

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    Sandwich beams with composite faces sheets and foam core are widely used as lightweight components in many of the industries such as automotive, marine and aerospace applications due to its high bending stiffness and strength combined with low weight. Thus, it is important to gain knowledge of their flexural behavior under static as well as dynamic loads. Although extensive research has been devoted to the flexural behavior of composite laminates in general, the flexural behavior of sandwich structures is quite and obviously different. Several works treating the dynamic flexural behavior of sandwich beams have also confirmed the marked susceptibility of sandwich structures to damage caused by the low velocity impact of foreign objects. Impacts can damage the face sheets, the core material, and the core face interface. The type of damage usually found in the faces is similar to that observed after impacts on monolithic composites. However, the damage initiation thresholds and damage area depend on the properties of the core material and the relationship between the properties of the core and those of the face sheets.The modelling is done for sandwich beam with create volume option with dimensions known in the software

    Model Based Control of Soft Robots: A Survey of the State of the Art and Open Challenges

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    Continuum soft robots are mechanical systems entirely made of continuously deformable elements. This design solution aims to bring robots closer to invertebrate animals and soft appendices of vertebrate animals (e.g., an elephant's trunk, a monkey's tail). This work aims to introduce the control theorist perspective to this novel development in robotics. We aim to remove the barriers to entry into this field by presenting existing results and future challenges using a unified language and within a coherent framework. Indeed, the main difficulty in entering this field is the wide variability of terminology and scientific backgrounds, making it quite hard to acquire a comprehensive view on the topic. Another limiting factor is that it is not obvious where to draw a clear line between the limitations imposed by the technology not being mature yet and the challenges intrinsic to this class of robots. In this work, we argue that the intrinsic effects are the continuum or multi-body dynamics, the presence of a non-negligible elastic potential field, and the variability in sensing and actuation strategies.Comment: 69 pages, 13 figure

    Inverse dynamics of underactuated flexible mechanical systems governed by quasi-linear hyperbolic partial differential equations

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    Diese Arbeit befasst sich mit der inversen Dynamik unteraktuierter, flexibler, mechanischer Systeme, welche durch quasi-lineare hyperbolische partielle Differentialgleichungen beschrieben werden können. Diese Gleichungnen, sind zeitlich veränderlichen Dirichlet-Randbedingungen unterworfen, welche durch unbekannte, räumlich disjunkte, also nicht kollokierte Neumann-Randbedingungen erzwungen werden. Die zugrundeliegenden Gleichungen werden zunächst abstrakt hergeleitet, bevor verschiedene mechanische Systeme vorgestellt werden können, die mit der eingangs postulierten Formulierung übereinstimmen. Hierzu werden geometrisch exakte Theorien hergeleitet, welche in der Lage sind große Bewegungen schlanker Strukturen wie Seile und Balken, aber auch ganz allgemein, dreidimensionaler Festkörper zu beschreiben. In der Regel werden Anfangs-Randwertprobleme, die in der nichtlinearen Strukturdynamik auftreten, durch Anwendung einer sequentiellen Diskretisierung in Raum und Zeit gelöst. Diese Verfahren basieren für gewöhnlich auf einer räumlichen Diskretisierung mit finiten Elementen, gefolgt von einer geeigneten zeitlichen Diskretisierung, welche meist auf finiten Differenzen beruht. Ein kurzer Überblick über derartige sequentielle Integrationsverfahren für das vorliegende Anfangs-Randwertproblem wird zunächst anhand der direkten Formulierung des Problems gegeben werden. D.h. es wird zunächst das reine Neumann-Randproblem betrachtet, bevor anschließend ganz allgemein, verschiedene Möglichkeiten zur Einbindung etwaiger Dirichlet-Randbedingungen diskutiert werden. Darauf aufbauend wird das Problem der inversen Dynamik im Kontext räumlich diskreter mechanischer Systeme, welche rheonom-holonomen Servo-Bindungen unterliegen, eingeführt. Eine ausführliche Untersuchung dieser Art von gebundenen Systemen soll die grundlegenden Unterschiede zwischen Servo-Bindungen und klassischen Kontakt-Bindungen herausarbeiten. Die daraus resultierenden Folgen für die Entwicklung geeigneter numerisch stabiler Integrationsverfahren können dabei ebenfalls angesprochen werden, bevor zahlreich ausgewählte Beispiele vorgestellt werden können. Aufgrund der sehr eingeschränkten Anwendbarkeit der sequentiellen Lösung der inversen Dynamik in Raum und Zeit, wird eine eingehende Analyse des vorliegenden Anfangs-Randwertproblems unternommen. Vor allem durch die Freilegung der hyperbolischen Struktur der zugrundeliegenden partiellen Differentialgleichungen werden sich weitere Einblicke in das vorliegende Problem erhofft. Die Erforschung der daraus resultierenden Mechanismen der Wellenausbreitung in kontinuierlichen Strukturen öffnet die Tür zur Entwicklung numerisch stabiler Integrationsverfahren für die inverse Dynamik. So kann unter anderem eine Methode vorgestellt werden, die auf der Integration der partiellen Differentialgleichungen entlang charakteristischer Mannigfaltigkeiten beruht. Dies regt zu der Entwicklung neuartiger Galerkinverfahren an, die ebenfalls in dieser Arbeit vorgestellt werden können. Diese neu entwickelten Methoden können anschlie\ss end auf die Steuerung verschiedener mechanischer Systeme angewendet werden. Darüber hinaus können die neuartigen Integrationsverfahren auch auf flexible Mehrkörpersysteme übertragen werden. Angeführt seien hier beispielsweise die kooperative Steuerung eines an mehreren flexiblen Seilen aufgehängten starren Körpers oder die Steuerung des Endeffektors eines flexiblen mehrgliedrigen Schwenkarms. Ausgewählte numerische Beispiele verdeutlichen die Relevanz der hier vorgeschlagenen, in Raum und Zeit simultanen Integration des vorliegenden Anfangs-Randwertproblems

    Evaluation of a snowmobile track motion resistances with multibody dynamics simulation

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    Abstract. In this work, target is to build and validate a simulation model of a snowmobile track entity with multibody dynamics simulation software Adams. A full vehicle snowmobile simulation model is also explored. Before there has been a problem with the track model being inaccurate. The focus on this thesis is on implementing a track model, but a full vehicle model is also discussed and presented as the work with the model will continue. Existing tracked vehicle theory is studied and presented how Adams tracked vehicle plugin utilizes these theories. Research consists of simulations with the track model were driven with a real snowmobile and measured for torque and velocity data. Model validation proves that the track model acts quite accurately up to 25 km/h drive speed but with 50 km/h speed the model becomes unstable. With 10 km/h speed simulation result error is 19,87 % and with 25 km/h simulation result error is 1,17 %. In the future the model will be further improved with building a proper chassis and validating the full vehicle model. Knowledge gained from this thesis may be used with simulating a snowmobile before production phase accurately and the model can be used for studying the motion resistances of a snowmobile track. This type of track model may be built to any tracked vehicle and validated in the way done in this thesis.Moottorikelkan telaston ajovastuksien määrittäminen monikappaledynamiikka simuloinnilla. Tiivistelmä. Tässä työssä tavoitteena on rakentaa ja validoida moottorikelkan telaston simulointimalli Adams ohjelmistolla. Telastomallin lisäksi tarkastellaan myös kokonaisen moottorikelkan simulointimallia. Aiemmin on ollut ongelmana telamattomallin epätarkkuus. Työssä keskitytään etenkin kumitelamattomallin implementointiin, mutta kokonaista ajoneuvokokoonpanoa arvioidaan lisäksi, sillä työ mallin kanssa jatkuu. Olemassa olevaa tela-ajoneuvoteoriaa tutkitaan ja esitetään, kuinka Adamsin telaajoneuvo lisäosassa hyödynnetään kyseisiä teorioita. Tutkimus koostuu simulaatioista telamattomallilla sellaisilla nopeuksilla, joita tutkimuksen aikana on mitattu todellisesta moottorikelkasta vääntötiedon kanssa. Validoinnissa todistetaan, että telamalli käyttäytyy suhteellisen tarkasti 25 km/h nopeuteen asti, mutta 50 km/h nopeudessa malli muuttuu epävakaaksi. 10 km/h nopeudella simulaatiotuloksien virhe on 19,87 % verrattuna mitattuihin tuloksiin ja 25 km/h nopeudella simulaatiotuloksien virhe on 1,17 % verrattuna mitattuihin tuloksiin. Tulevaisuudessa mallia tullaan kehittämään lisäämällä siihen runkomalli ja validoimalla täydellinen ajoneuvokokoonpano. Työstä saatavaa tietoa voidaan hyödyntää tulevaisuuden moottorikelkkasimulaatioissa tarkan tiedon saavuttamiseksi ja nykyisellään mallia voidaan hyödyntää telastosta johtuvien ajovastusten tutkimiseen. Työssä esitellyn mallin rakennustavan pohjalta voitaisiin rakentaa telasto mihin tahansa tela–ajoneuvoon ja validoida se työtä vastaavalla tavalla

    Elastodynamics of piston compression rings

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    The piston ring pack accounts for a disproportionate amount of the total engine frictional losses. The frictional behaviour of piston rings is significantly affected and governed by its flexible dynamics. The dynamically changing shape of the ring determines its contact geometry with the cylinder liner and hence affects the frictional losses. The compression ring undergoes a multitude of complex motions during the engine cycle prescribed by the gas pressure, contact reaction, ring tension, friction between the ring and its groove and inertial forces that excite a plethora of the ring’s modal responses. This adversely compromises the functionality of the ring through a number of undesired phenomena such as ring flutter, twist, rotation and jump. Therefore, a prerequisite for improving the prediction of tribological conditions is an accurate determination of the ring’s elastodynamic response. This paper presents a methodology to directly solve the governing differential equations of motion for different forms of beam cross-section, where the shear and mass centres are not coincident, typical of the complex cross-sections of a variety of different piston compression rings. Combined numerical and experimental investigations are undertaken to determine the dynamic behaviour of the compression ring
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