손 움직임의 근육 활성도 분석을 위한 다자유도 손 근, 골격 모델개발 및 검증

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2016. 8. 이건우.Biomechanics is an academic field that understands the biological system by mechanical principles. There have been progresses in the study of computer modeling and simulation for biomechanics. Especially, musculoskeletal models of lower extremity have been developed for analysis of gait motion. However, there has been little research about the musculoskeletal model of upper limbs for the simulation analysis. No validated model is provided in freely available simulation software and commercial simulation programs. The aim of this study was to develop a hand musculoskeletal model for biomechanical analysis about various and complicated hand motions using AnyBody Modeling System and validate the model. The skeletal hand model was created based on the anatomical data to implement degrees of freedom of hand. The musculoskeletal hand model included the hill-type muscle models which made hand movements. The origin and the insertion attachment points of the muscles were founded using an optimization method to create moment arms of muscles from cadaveric study. The distance between motion capture markers and virtual markers was compared to validate the skeletal model. Muscles were validated through the comparison between the experimentally-measured moment arms of muscles and calculated moment arms of muscles in the musculoskeletal model. The developed hand musculoskeletal model could be used to analyze musculoskeletal diseases in the hand such as carpal tunnel syndrome. This study will help understanding of pathological causes and improving the pathological diagnosis.Chapter 1. Introduction 1 Chapter 2. Configuration of the hand model 5 2.1. Anatomy of the hand 5 2.1.1. Bones and joints of the hand 5 2.1.2. Muscles of the hand 8 2.2. Musculoskeletal model of the hand 10 2.2.1. Base model 10 2.2.2. Joint configuration of the hand model 11 2.2.3. Muscle modeling of the hand model 12 Chapter 3. Methods 14 3.1. Data acquisition 14 3.2. Scaling of the hand skeleton model 15 3.3. Determination of muscle attachment point 19 Chapter 4. Results 21 4.1. Comparison of the kinematics data 21 4.2. Comparison of muscle moment arms 30 Chapter 5. Discussion 33 Chapter 6. Conclusion 35 Bibliography 36 Abstract in Korean 40Maste

A Framework for Remaining Useful Life Prediction of Steam Turbines Applicable to Various Data Types

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부, 2018. 8. 윤병동.최근 발전사간 경쟁이 치열해짐에 따라 발전 산업에서는 운전 비용을 절감하고 핵심 설비의 수명을 연장하는데 많은 노력을 기울이고 있다. 한편 운전 시간이 설계 수명에 근접함에 따라 증기터빈과 같은 핵심 설비의 열화가 가속되고 크고 작은 고장이 많이 발생하고 있다. 가속화된 열화나 예기치 못한 손상으로 발전소가 정지되면 막대한 경제적 손실과 국가적인 재해를 야기할 수 있다. 이에 따라 안정적인 설비의 운전을 가능케 하는 다양한 기술들이 개발되고 있으며 최근 들어 더욱 많은 각광을 받고 있는 시스템 건전성 관리 기술은 효과적으로 시스템의 상태를 감지, 진단, 그리고 예지하여 관리자가 유지 보수에 있어 필요한 결정을 내릴 수 있도록 도와준다. 특히 최적 유지정비 관점에서 적합한 방법론을 통해 예측된 잔존유효수명은 설비 수명에 정확한 정보를 기반으로 효과적인 유지 정비를 가능하게 한다. 증기 터빈은 발전소 수명을 결정하는 핵심 설비이기 때문에 발전소의 최적 운영을 위해 활용 가능한 정보를 최대한 활용하여 운전 중인 증기터빈의 잔존유효수명을 정확하게 예측하는 방법론의 개발이 매우 중요하다. 이에 본 박사학위 논문에서는 (1) 증기 터빈에 대한 고장모드영향분석과 연계한 잔존유효수명 예측 프레임워크, 그리고 이를 바탕으로 한 (2) 손상 성장 모델 (데이터 기반 방법론), (3) 크리프-피로 손상 상호작용을 고려한 모드 의존 손상 모델 (모델 기반 방법론) 등의 연구를 제안한다. 첫 번째 연구에서는 고장모드영향분석에 기반하여 증기터빈의 잔존유효수명을 예측하는 프레임워크를 제안한다. 프레임워크는 측정된 데이터에 기반한 방법론과 손상 모델에 기반한 방법론으로 구성된다. 오프라인이나 온라인과 같이 다른 목적으로 잔존유효수명을 예측할 때 불확실도를 평가하고 감소시킬 수 있도록 불확실도를 정량화하는 절차를 포함하였다. 두 번째 연구에서는 데이터 기반 방법론을 이용해 증기터빈의 잔존유효수명을 평가할 수 있는 손상 성장 모델의 개발을 목적으로 한다. 잔존유효수명은 손상 인자로부터 손상 성장 모델을 연계하여 예측한다. 현장에서 측정된 경도값으로부터 손상인자의 확률분포를 추정하고 손상의 성장을 평가할 때 불확실도를 고려하기 위해 베이지안 방법을 사용하였다. 제안된 손상 성장 모델을 통해 기저부하나 첨두부하에 사용되는 증기터빈의 종류에 상관없이 정확한 잔존유효수명 예측이 가능하다는 것을 검증하였다. 마지막 연구에서는 모델 기반 방법론을 이용해 크리프와 피로 상호작용이 고려된 모드 기반 손상모델을 제안하였다. 손상기구에 따른 재료 데이터를 통계적 기법으로 분석하고 실 증기터빈의 형상 정보와 운전정보를 이용해 기저부하와 첨두부하 터빈을 대상으로 크리프 및 피로 손상율을 계산하였다. 각각 계산된 손상율 결과와 크리프-피로 상호작용 모델을 통해 운전모드 또는 손상모드에 따른 증기터빈에서의 크리프와 피로 상호작용 효과를 분석하였다. Abstract i List of Tables viii List of Figures x Nomenclatures xiv Chapter 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Research Scope and Overview 4 1.3 Dissertation Layout 7 Chapter 2 Literature Review 8 2.1 Life Prediction Methodologies of Steam Turbine 8 2.1.1 Destructive Method 11 2.1.2 Non-destructive Method 11 2.1.3 Analytical Method 13 2.1.4 Summary and Discussion 13 2.2 Data-driven and Model-based Life Prediction 15 2.2.1 Data-driven Approach 21 2.2.2 Model-based Approach 21 2.3 Empirical Model-based Life Prediction 15 2.3.1 On-site Data Measurement 18 2.3.2 Bayesian Inference 19 2.3.3 Summary and Discussion 20 2.4 Damage Model-based Life Prediction 21 2.4.1 Creep or Fatigue Damage Model Analysis 22 2.4.2 Creep-Fatigue Damage Summation Model analysis 23 2.4.3 Summary and Discussion 27 Chapter 3 A Practical RUL Prediction Framework of Steam Turbine with FMEA Analysis 28 3.1 Overview of Steam Turbines 28 3.2 FMEA for Steam Turbines 31 3.3 A Framework for RUL Prediction of Steam Turbine 34 3.4 Summay and Discussion 38 Chapter 4 A Bayesian Approach for RUL Prediction of Steam Turbines with Damage Growth Model 39 4.1 Characteristics of On-site Measurement Data 40 4.2 Measured Data based Damage Indices 46 4.3 Damage Growth Model using Sporadically Measured and Heterogeneous On-site Data 51 4.3.1 Proposed Damage Growth Model 51 4.3.2 Bayesian Updating Scheme of the Damage Growth Model 58 4.3.3 Damage Growth Model Updating 60 4.4 Predicting the Remaining Useful Life(RUL) of Steam Turbines 68 4.4.1 Damage Threshold 68 4.4.2 Validation of the Proposed Damage Growth Model 72 4.4.3 RUL Prediction 74 4.5 Summary and Discussion 78 Chapter 5 Mode-Dependent Damage Assessment for Steam Turbines with Creep-Fatigue Interaction Model 80 5.1 Dominant Damage Mechanisms of Steam Turbine 82 5.2 Typical Opeation Data of Steam Turbine 83 5.3 Dominant Damage Model of Steam Turbine 86 5.3.1 Creep Damage Model 86 5.3.2 Fatigue Damage Model 88 5.3.3 Creep-Fatigue Damage Model 90 5.4 Statiatical Damage Calculation for Steam Turbine 91 5.4.1 Statistical Characterization of Creep-Fatigue Damage Data 91 5.4.2 Creep Damage Calculation with Steady State Stress 94 5.4.3 Fatigue Damage Calculation with Transient Strain 95 5.5 Mode-Dependent Multiple Damage Interaction Model 100 5.5.1 Estimation of Damage Interaction Parameters 100 5.5.2 Validation of Mode-Dependent Model 101 5.5.3 Effect of Mode-dependence Effects on Multiple Damage 104 5.5.4 Case Study : Risk Assessment 108 5.6 Summary and Discussion 111 Chapter 6 Conclusions 113 6.1 Contributions and Impacts 113 6.2 Suggestions for Future Research 116 References 119 국문 초록 142Docto

A Study on Development of Automatic Temperature Control System in Blast Furnace

Maste

Stretchable Triboelectric Multimodal Tactile Interface Exclusively Recognizing Various Dynamic Stimuli and Its Applications

MasterIn this paper, multifunctional sensors capable of distinguishing different stimuli are introduced, which is inspired by human mechanoreceptors. Human cutaneous tactile receptors are deformable, and can sense temperature, pressure, shear force, and rate of stimuli. However, they can distinguish various stimuli. In addition, the tactile potential is self activated when external stimulation is exerted and the potential is transmitted to the nerve system, resembling the wake-up function in electronic devices. Through mimicking such characteristics of the human tactile receptors, I designed a stretchable triboelectric nanogenerator (TENG) for the stimuli-responsive potential generator. The TENG device has a multilayer structure independently recognizing lateral strain by the sliding mode, touch by the contact mode, the relative moving distance, and the relative moving velocity. In addition, the device design allows simultaneous sensing of strain and touch without signal interference. The self-triggered potentials generated by various body motions such as touching, joint bending, and the combinations turn on a sleeping microcontroller unit (MCU) and are used as the distinct motion signals. This study demonstrates a wearable low-power remote tactile interface that controls the 3D movements of a mobile device (drone) by the body motions.인간의 피부 촉각 수용기는 변형 가능하고 온도, 압력, 인장, 전단력 및 자극의 속도 등을 측정할 수 있지만 동시에 이를 구별 할 수 있다. 또한, 생체 시스템에서 활동 전위는 역치 이상의 외부 자극이 가해지면 스스로 활성화되어 진동수의 형태로 빠르고 효율적으로 신호를 전달할 수 있다. 이는 전자 장치의 웨이크 업 기능과 유사하며 신호 전달의 측면에서 유리하다. 본 연구에서는 인간 촉각 수용체의 이러한 특성을 모방한다. 우리는 자극에 반 응하는 전위 발생기를 연신성 마찰 전기 나노 발전기 (TENG)의 형태로 설계했다. 전자기 차폐현상과 구조적인 물질 설계를 통해 본 TENG 장치는 슬라이딩 모드, 접촉 모드에 의 한 압력, 인장 및 이동 속도를 신호 간섭 없이 독립적으로 인식할 수 있다. 촉각, 관절 굽힘 및 조합과 같은 다양한 신체 동작에 의해 생성된 전위는 효율적인 에너지 소모를 위해 수면 상태의 마이크로 컨트롤러 유닛 (MCU)을 켜는 스위치로써의 역할을 수행함과 동시에 자극의 정량적인 측정을 가능하게 한다. 이 연구는 착용 할 수 있는 저전력 원격 촉각 인터페이스에서 신체 움직임으로 모바일 장치 (무인 항공기)의 3D 움직임을 제어 가능함을 보여준다. 장치의 안정성 시험은 반복적인 스트레칭 및 접촉에 의해 수행됐는데, 실내 테 스트는 매우 안정적이었고 마찰에 의한 마모 또한 적은 것을 확인할 수 있었다. TENG 기 반 장치의 성능은 습도, 온도, 외부 전기장 등에 영향을 받을 수 있다. 습도의 영향을 - 36 - 테스트하지는 않았지만, 소수성 물질로 장치를 밀폐시키는 것으로 간단히 해결할 수 있 다. 또한, 외부 전기장의 간섭은 적절한 차폐를 통해 최소화할 수 있다. 하지만 섭씨 300도 이상의 온도를 가해줬을 때, 정전기 효과가 현저히 줄어드는 현상이 보고되고 있 고 이는 TENG가 센서로 쓰일 때 신호의 안정성을 저해할 수 있는 요인이 된다. 이러한 외부 요인들에 의해 변동 가능한 감지 신호를 안정되게 유지하는 것은 또 다른 과제이며 물질 개발, 적절한 응용분야 모색 등의 후속 연구가 필요하다

Fully integrated stretchable TENG using sliding mode and its application as strain sensor and controller

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