Novel force control methods in a teleoperation system of a hydraulic slider

The objective of the this research project is to develop a novel force control scheme for the teleoperation of a hydraulically driven manipulator, and to implement an ideal transparent mapping between human and machine interaction, and machine and task environment interaction. This master‘s thesis provides a preparatory study for the present research project. The research is limited into a single degree of freedom hydraulic slider with 6-DOF Phantom haptic device. The key contribution of the thesis is to set up the experimental rig including electromechanical haptic device, hydraulic servo and 6-DOF force sensor. The slider is firstly tested as a position servo by using previously developed intelligent switching control algorithm. Subsequently the teleoperated system is set up and the preliminary experiments are carried out. In addition to development of the single DOF experimental set up, methods such as passivity control in teleoperation are reviewed. The thesis also contains review of modeling of the servo slider in particular reference to the servo valve. Markov Chain Monte Carlo method is utilized in developing the robustness of the model in presence of noise.

MCMC Analysis for Optimization of Stochastic Models

In any decision making under uncertainties, the goal is mostly to minimize the expected cost. The minimization of cost under uncertainties is usually done by optimization. For simple models, the optimization can easily be done using deterministic methods.However, many models practically contain some complex and varying parameters that can not easily be taken into account using usual deterministic methods of optimization. Thus, it is very important to look for other methods that can be used to get insight into such models. MCMC method is one of the practical methods that can be used for optimization of stochastic models under uncertainty. This method is based on simulation that provides a general methodology which can be applied in nonlinear and non-Gaussian state models. MCMC method is very important for practical applications because it is a uni ed estimation procedure which simultaneously estimates both parameters and state variables. MCMC computes the distribution of the state variables and parameters of the given data measurements. MCMC method is faster in terms of computing time when compared to other optimization methods. This thesis discusses the use of Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods for optimization of Stochastic models under uncertainties .The thesis begins with a short discussion about Bayesian Inference, MCMC and Stochastic optimization methods. Then an example is given of how MCMC can be applied for maximizing production at a minimum cost in a chemical reaction process. It is observed that this method performs better in optimizing the given cost function with a very high certainty.

Estimativa da relação hipsométrica em clones de Eucalyptus sp. com o modelo de curtis ajustado por métodos bayesianos empíricos

Neste trabalho foi considerado o modelo de Curtis para a relação hipsométrica em clones de Eucalyptus sp. com os parâmetros sujeitos a restrições. Para fazer a inferência dos parâmetros do modelo com restrições, utilizou-se uma abordagem bayesiana com densidade a priori construída empiricamente. As estimativas bayesianas são calculadas com a técnica de simulação de Monte Carlo em Cadeia de Markov (MCMC). O método proposto foi aplicado a diferentes conjuntos de dados reais, dos quais foram selecionados cinco para exemplificar os resultados. Estes foram comparados com os resultados obtidos pelo método de mínimos quadrados, destacando-se a superioridade da abordagem bayesiana proposta.

Computational modeling for irrigated agriculture planning. Part II: risk analysis

Techniques of evaluation of risks coming from inherent uncertainties to the agricultural activity should accompany planning studies. The risk analysis should be carried out by risk simulation using techniques as the Monte Carlo method. This study was carried out to develop a computer program so-called P-RISCO for the application of risky simulations on linear programming models, to apply to a case study, as well to test the results comparatively to the @RISK program. In the risk analysis it was observed that the average of the output variable total net present value, U, was considerably lower than the maximum U value obtained from the linear programming model. It was also verified that the enterprise will be front to expressive risk of shortage of water in the month of April, what doesn't happen for the cropping pattern obtained by the minimization of the irrigation requirement in the months of April in the four years. The scenario analysis indicated that the sale price of the passion fruit crop exercises expressive influence on the financial performance of the enterprise. In the comparative analysis it was verified the equivalence of P-RISCO and @RISK programs in the execution of the risk simulation for the considered scenario.

Structural modelling of liquid ZrO2 and glassy B2O3 by using AB INITIO Molecular Dynamics method

Atomic structure of ZrO2 and B2O3 was investigated in this work. New data under extreme conditions (T = 3100 K) was obtained for the liquid ZrO2 structure. A fractional number of boron was investigated for glassy structure of B2O3. It was shown that it is possible to obtain an agreement for the fractional number between NMR and DFT techniques using a suitable initial configuration.

Novel Methods for Error Modeling and Parameter Identification of a Redundant Serial-Parallel Hybrid Robot

To obtain the desirable accuracy of a robot, there are two techniques available. The first option would be to make the robot match the nominal mathematic model. In other words, the manufacturing and assembling tolerances of every part would be extremely tight so that all of the various parameters would match the “design” or “nominal” values as closely as possible. This method can satisfy most of the accuracy requirements， but the cost would increase dramatically as the accuracy requirement increases. Alternatively, a more cost-effective solution is to build a manipulator with relaxed manufacturing and assembling tolerances. By modifying the mathematical model in the controller, the actual errors of the robot can be compensated. This is the essence of robot calibration. Simply put, robot calibration is the process of defining an appropriate error model and then identifying the various parameter errors that make the error model match the robot as closely as possible. This work focuses on kinematic calibration of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant serial-parallel hybrid robot. The robot consists of a 4-DOF serial mechanism and a 6-DOF hexapod parallel manipulator. The redundant 4-DOF serial structure is used to enlarge workspace and the 6-DOF hexapod manipulator is used to provide high load capabilities and stiffness for the whole structure. The main objective of the study is to develop a suitable calibration method to improve the accuracy of the redundant serial-parallel hybrid robot. To this end, a Denavit–Hartenberg (DH) hybrid error model and a Product-of-Exponential (POE) error model are developed for error modeling of the proposed robot. Furthermore, two kinds of global optimization methods, i.e. the differential-evolution (DE) algorithm and the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm, are employed to identify the parameter errors of the derived error model. A measurement method based on a 3-2-1 wire-based pose estimation system is proposed and implemented in a Solidworks environment to simulate the real experimental validations. Numerical simulations and Solidworks prototype-model validations are carried out on the hybrid robot to verify the effectiveness, accuracy and robustness of the calibration algorithms.

Vaikutusalakirjastojen muodostaminen Serpent-ARES-laskentaketjussa

Tässä diplomityössä on esitetty työn yhteydessä toteutetun Serpent-ARES-laskentaketjun muodostamiseksi tarvittavat toimenpiteet. ARES-reaktorisydän-simulaattorissa tarvittavien homogenisoitujen ryhmävakiokirjastojen muodostaminen Serpentiä käyttäen tekee laskentaketjusta muiden käytössä olevien reaktorisydämen laskentaketjujen mahdollisista virhelähteistä riippumattoman. Monte Carlo-laskentamenetelmään perustuvaa reaktorifysiikan laskentaohjelmaa käyttämällä ryhmävakiokirjastot muodostetaan uudella menetelmällä ja näin saadaan viranomaiskäyttöön voimayhtiöiden käyttämistä menetelmistä riippumaton laskentaketju reaktorien turvallisuusmarginaalien laskentaan. Työn yhteydessä muodostetun laskentaketjun ja tehtyjen vaikutusalakirjastojen muodostamisrutiinien sekä parametrisovitteiden toimivuus on todettu laskemalla Olkiluoto 3 - reaktorin alkulatauksen säätösauvojen tehokkuuksia ja sammutusmarginaaleja eri olosuhteissa. Menetelmä on todettu toimivaksi parametrien pätevyysalueella ja saadut laskentatulokset ovat oikeaa suuruusluokkaa. Parametrimallin tarkkuutta ja pätevyysaluetta on syytä vielä kehittää, ennen kuin laskentaketjua voidaan käyttää varmentamaan muilla menetelmillä laskettujen tulosten oikeellisuutta.

Avaliação postural em mulheres com dor pélvica crônica

OBJETIVO: avaliar por meio da fotogrametria as alterações posturais de mulheres com dor pélvica crônica. MÉTODOS: foram avaliadas 30 mulheres com queixa de dor pélvica crônica e 37 sem essa queixa, totalizando 67 mulheres. A avaliação constituiu de anamnese, colocação de marcadores fixos em pontos anatômicos definidos e obtenção de fotografias em vista frontal, posterior, lateral esquerda e direita. A análise das fotos foi realizada com o software CorelDraw®, versão 11.0. Foram identificados valores para as variáveis de análise postural de tornozelo, joelho no plano sagital, pelve, lordose lombar, cifose torácica, escápula aduzida/abduzida, ombros, cabeça e teste do terceiro dedo ao chão. As variáveis qualitativas estudadas foram joelho (varo, valgo ou normal), presença ou não de escápula alada e de nivelamento de ombros. Para as análises estatísticas utilizamos o Statistical Package for Social Sciences, versão 16.0. Para a comparação entre as variáveis qualitativas foi utilizado o teste exato de Fisher e método de Monte-Carlo e, para a comparação de dados quantitativos foi utilizado o teste t ou o de Mann-Whitney. As comparações entre os dados contínuos corrigidos para possíveis variáveis de confusão foram feitas pela análise de covariância univariada. O nível de significância foi estabelecido como 0,05 ou 5%. RESULTADOS: foi observada diferença significante entre casos e controles para cabeça protusa (47,5 e 52,0º, respectivamente; p<0,0001) e ombros protusos (1,9 e 1,6 cm, respectivamente; p=0,03). As demais variáveis não apresentaram diferenças significativas. CONCLUSÕES: com os resultados obtidos sugere-se atenção à postura da cabeça e dos ombros, à postura antálgica e ao fator emocional. A mulher com dor pélvica crônica deve ser tratada levando-se em consideração suas alterações musculoesqueléticas individuais, condições sociais e emocionais.

HTR-PROTEUS-reaktorin mallintaminen

Maailmassa on tarve entistä turvallisemmille ja taloudellisemmille ydinreaktoreille. Neljännen sukupolven reaktorikonseptit ovat aiempia turvallisempia ja luotettavampia, niissä on tehokkaampi polttoaineresurssien käyttö ja ydinjätettä syntyy vähemmän. Lisäksi ne ovat taloudellisesti kilpailukykyisempiä ja niissä on erinomainen proliferaation vastustuskyky. Kuulakekoreaktorikonsepti on toinen korkealämpötilaisten kaasujäähdytteisten reaktoreiden (HTGR, High Temperature Reactor) päätyypeistä ja jäähdytteen lämpötilan noustessa reaktorissa riittävän korkealle, sitä voidaan pitää myös erittäin korkean lämpötilan reaktorina (VHTR, Very High Temperature Reactor), joka on neljännen sukupolven reaktorikonsepti. Tässä kandidaatintyössä käsitellään 90-luvulla Sveitsissä sijainnutta kuulakekoreaktori-tyyppistä koereaktoria HTR-PROTEUS (tai LEU-HTR-PROTEUS), jolla tutkittiin ennen kaikkea matalaväkevöidyn (LEU, Low Enriched Uranium) uraanipolttoaineen käyttöä kuulakekoreaktorissa. Lisäksi erityisenä mielenkiinnon kohteena oli veden joutuminen reaktoriin onnettomuustilanteessa. Työn tarkoituksena on mallintaa reaktorisysteemi ja laskea kasvutekijät viidelle eri reaktorikonfiguraatiolle. Reaktorin mallinnus ja laskenta suoritetaan Monte Carlo -menetelmää käyttävällä Serpent-laskentakoodilla. Saatuja tuloksia verrataan muissa lähteissä eri laskentakoodeilla esitettyihin tuloksiin.

Near-Threshold Computing

Valmistustekniikoiden kehittyessä IC-piireille saadaan mahtumaan yhä enemmän transistoreja. Monimutkaisemmat piirit mahdollistavat suurempien laskutoimitusmäärien suorittamisen aikayksikössä. Piirien aktiivisuuden lisääntyessä myös niiden energiankulutus lisääntyy, ja tämä puolestaan lisää piirin lämmöntuotantoa. Liiallinen lämpö rajoittaa piirien toimintaa. Tämän takia tarvitaan tekniikoita, joilla piirien energiankulutusta saadaan pienennettyä. Uudeksi tutkimuskohteeksi ovat tulleet pienet laitteet, jotka seuraavat esimerkiksi ihmiskehon toimintaa, rakennuksia tai siltoja. Tällaisten laitteiden on oltava energiankulutukseltaan pieniä, jotta ne voivat toimia pitkiä aikoja ilman akkujen lataamista. Near-Threshold Computing on tekniikka, jolla pyritään pienentämään integroitujen piirien energiankulutusta. Periaatteena on käyttää piireillä pienempää käyttöjännitettä kuin piirivalmistaja on niille alunperin suunnitellut. Tämä hidastaa ja haittaa piirin toimintaa. Jos kuitenkin laitteen toiminnassa pystyään hyväksymään huonompi laskentateho ja pienentynyt toimintavarmuus, voidaan saavuttaa säästöä energiankulutuksessa. Tässä diplomityössä tarkastellaan Near-Threshold Computing -tekniikkaa eri näkökulmista: aluksi perustuen kirjallisuudesta löytyviin aikaisempiin tutkimuksiin, ja myöhemmin tutkimalla Near-Threshold Computing -tekniikan soveltamista kahden tapaustutkimuksen kautta. Tapaustutkimuksissa tarkastellaan FO4-invertteriä sekä 6T SRAM -solua piirisimulaatioiden avulla. Näiden komponenttien käyttäytymisen Near-Threshold Computing –jännitteillä voidaan tulkita antavan kattavan kuvan suuresta osasta tavanomaisen IC-piirin pinta-alaa ja energiankulusta. Tapaustutkimuksissa käytetään 130 nm teknologiaa, ja niissä mallinnetaan todellisia piirivalmistusprosessin tuotteita ajamalla useita Monte Carlo -simulaatioita. Tämä valmistuskustannuksiltaan huokea teknologia yhdistettynä Near-Threshold Computing -tekniikkaan mahdollistaa matalan energiankulutuksen piirien valmistaminen järkevään hintaan. Tämän diplomityön tulokset näyttävät, että Near-Threshold Computing pienentää piirien energiankulutusta merkittävästi. Toisaalta, piirien nopeus heikkenee, ja yleisesti käytetty 6T SRAM -muistisolu muuttuu epäluotettavaksi. Pidemmät polut logiikkapiireissä sekä transistorien kasvattaminen muistisoluissa osoitetaan tehokkaiksi vastatoimiksi Near- Threshold Computing -tekniikan huonoja puolia vastaan. Tulokset antavat perusteita matalan energiankulutuksen IC-piirien suunnittelussa sille, kannattaako käyttää normaalia käyttöjännitettä, vai laskea sitä, jolloin piirin hidastuminen ja epävarmempi käyttäytyminen pitää ottaa huomioon.

Raskaan raketinheittimistön kuorma-ammusten tulen tehon arviointi

Tehokasta asevaikutusta pitkille kantamille haettaessa yhdeksi varteenotettavaksi vaihtoehdoksi nousee raskas raketinheittimistö. Sen kuorma-ammusvalikoimassa on myös monipuolisia tytärkranaatteja, jotka soveltuvat niin henkilöstöä, panssaroituja ajoneuvoja kuin linnoitteitakin vastaan. Raskaalla raketinheittimistöllä olisi myös mahdollista korvata tulevaisuudessa jalkaväkimiinojen käyttöä. Tutkimuksessa esitellään käytössä olevien yleisimpien raskaiden raketinheittimien ampumatarvikkeita sekä niiden käyttöä ja tulen tehoa. Tutkimusongelma on asetettu seuraavaksi: Mikä on raskaan raketinheittimistön tulen teho tutkimuksen maalimalleja vastaan? Tutkimuksessa pohditaan myös tulen tehon parantamista ja siihen vaikuttamista erilaisin ratkaisuin. Tutkimuksen aineistona on käytetty julkisia kirjallisuus- sekä internetlähteitä. Tutkimuksessa on käytetty tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustutkimus sekä Monte Carlo -simulaatio. Simulaatio toteutetaan tietokoneen taulukkolaskentasovelluksessa. Saatuja tuloksia tullaan myös vertailemaan aikaisempien tutkimusten laskentatuloksiin. Tutkimuksen pohjalta on nähtävissä, että raskas raketinheittimistö on erittäin tehokas asejärjestelmä. Näin on ainakin tutkimukseen asetettuja maalimalleja vastaan. Tutkimuksessa olleilla raketinheittimillä ja niiden kuorma-ammuksilla on maalit lamautettavissa osin yhden heittimen puolisarjalla eli kuudella raketilla. Tulen tehon kasvattamiseksi tutkimuksessa on pohdittu niin teknisiä, ampumateknisiä kuin tulenjohto- ja maalinosoituksellisia asioita. Itsessään tehokas ampumatarvike ei riitä, jos sitä ei saada toimitettua riittävän lähelle maalia. Kehitystyön kohteita raskaalle raketinheittimistölle ovat aktiotykistöä suurempi hajonta, tytärkranaattien toimintavarmuus sekä asevaikutuksen tehokkuus amputarvikkeiden älykkyyttä ja ohjautuvuutta lisäämällä. Simuloinnin osalta tutkimuksessa esitellään yksinkertainen, itsetehty taulukkolaskentasimulaatio. Sen epätarkkuuksia sekä puutteita on tutkija pyrkinyt huomioimaan laskennassa ja tuloksia analysoidessa. Kaikenkaikkiaan voidaan todeta näinkin vaivattoman simulaation antavan oikean suuntaisia tuloksia.

RBMK-koereaktorin mallintaminen

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on tutkia jäähdytteen poistamisen vaikutusta RBMK-koereaktorin kasvukertoimeen ja erityisesti sitä, kuinka hyvin Monte Carlo -menetelmää käyttävä Serpent-laskentakoodi pystyy mallintamaan jäähdytteen poistamisen vaikutuksen. Aluksi tarkastellaan taustatietoina käytettyä raporttia käsiteltävän koereaktorin kriittisyysajoista ja aiemmista simulaatioista, sekä RBMK-reaktorin ominaispiirteitä ja Monte Carlo -simulaation teoriaa. Seuraavaksi esitellään koereaktorista luotu malli, selitetään mallinnettaessa tehdyt yksinkertaistukset ja kuvataan simulaation alkutilanne. Lopuksi käsitellään simulaation tuloksia ja Serpentillä luodun mallin soveltuvuutta verrattuna aiemmin suoritettuihin simulaatioihin.

On state and parameter estimation in chaotic systems

State-of-the-art predictions of atmospheric states rely on large-scale numerical models of chaotic systems. This dissertation studies numerical methods for state and parameter estimation in such systems. The motivation comes from weather and climate models and a methodological perspective is adopted. The dissertation comprises three sections: state estimation, parameter estimation and chemical data assimilation with real atmospheric satellite data. In the state estimation part of this dissertation, a new filtering technique based on a combination of ensemble and variational Kalman filtering approaches, is presented, experimented and discussed. This new filter is developed for large-scale Kalman filtering applications. In the parameter estimation part, three different techniques for parameter estimation in chaotic systems are considered. The methods are studied using the parameterized Lorenz 95 system, which is a benchmark model for data assimilation. In addition, a dilemma related to the uniqueness of weather and climate model closure parameters is discussed. In the data-oriented part of this dissertation, data from the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) satellite instrument are considered and an alternative algorithm to retrieve atmospheric parameters from the measurements is presented. The validation study presents first global comparisons between two unique satellite-borne datasets of vertical profiles of nitrogen trioxide (NO3), retrieved using GOMOS and Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III (SAGE III) satellite instruments. The GOMOS NO3 observations are also considered in a chemical state estimation study in order to retrieve stratospheric temperature profiles. The main result of this dissertation is the consideration of likelihood calculations via Kalman filtering outputs. The concept has previously been used together with stochastic differential equations and in time series analysis. In this work, the concept is applied to chaotic dynamical systems and used together with Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods for statistical analysis. In particular, this methodology is advocated for use in numerical weather prediction (NWP) and climate model applications. In addition, the concept is shown to be useful in estimating the filter-specific parameters related, e.g., to model error covariance matrix parameters.

Neutronisäteilylle altistuminen käytetyn polttoaineen siirrossa Olkiluodon voimalaitoksella

Tässä työssä on tutkittu OL1/OL2-ydinvoimalaitosten käytetyn polttoaineen siirrossa aiheutuvaa altistusta neutronisäteilylle. Käytetty polttoaine siirretään vedellä täytetyssä käytetyn polttoaineen siirtosäiliössä Castor TVO:ssa OL1/OL2-laitoksilta käytetyn polttoaineen varastolle. Siirtotyön aikana useat eri ammattiryhmiin kuuluvat henkilöt työskentelevät siirtosäiliön välittömässä läheisyydessä, altistuen käytetystä polttoaineesta emittoituvalle fotoni- ja neutronisäteilylle. Aikaisemmista neutronisäteilyannosten mittauksista on todettu, ettei jatkuvalle altistuksen seurannalle ole ollut tarvetta. Tämän työn tarkoitus on selvittää teoreettisilla laskelmilla siirtotyöhön osallistuvan henkilön mahdollisuus saada kirjausrajan ylittävä annos neutronisäteilyä. Neutronisäteilyn annosnopeudet siirtosäiliötä ympäröivässä tilassa on laskettu yhdysvaltalaisella Monte Carlo-menetelmään perustuvalla MCNP-ohjelmalla. MCNP:llä mallinnettiin siirtosäiliö, siirtosäiliön sisältämä polttoaine ja ympäröivä tila kolmella jäähtymisajalla ja kolmella keskimääräisellä maksimipoistopalamalla. Polttoainenippujen isotooppikonsentraatiot ja säteilylähteiden voimakkuudet on laskettu Studsvik SNF-ohjelmalla. Simuloinnin perusteella voidaan todeta, ettei neutronisäteilyannosten jatkuvalle seurannalle ole tarvetta käytetyn polttoaineen siirrossa. Vaikka neutronisäteilyn annosnopeudet voivat nousta siirtosäiliön läheisyydessä suhteellisen suuriksi, ovat siirtosäiliön lähellä tehtävät työt niin lyhytaikaisia, että kirjausrajan ylitystä voidaan pitää hyvin epätodennäköisenä. Johtopäätökset varmistetaan työssä suunnitellulla mittausjärjestelyllä.