Under high velocity, pulse type near source earthquakes semi-active control systems are very effective in reducing seismic response base isolated structures. Semi-active control systems can be classified as: 1) independently variable stiffness, 2) independently variable damping, and 3) combined variable stiffness and damping systems. Several researchers have studied the effectiveness of independently varying damping systems for seismic response reduction of base isolated structures. In this study effectiveness of a combined system consisting of a semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device and a magnetorheological (MR) damper in reducing seismic response of base isolated structures is analytically investigated. The SAIVS device can vary the stiffness, and hence the period, of the isolation system; whereas, the MR damper enhances the energy dissipation characteristics of the isolation system. Two separate control algorithms, i.e., a nonlinear tangential stiffness moving average control algorithm for smooth switching of the SAIVS device and a Lyapunov based control algorithm for damping variation of MR damper, are developed. Single and multi degree of freedom systems consisting of sliding base isolation system and both the SAIVS device and MR damper are considered. Results are presented in the form of nonlinear response spectra, and effectiveness of combined variable stiffness and variable damping system in reducing seismic response of sliding base isolated structures is evaluated. It is shown that the combined variable stiffness and variable damping system leads to significant response reduction over cases with variable stiffness or variable damping systems acting independently, over a broad period range.
This paper focuses on the actuation system combined with a piezoelectric transducer and an electric circuit, which leads to a new insight; the electric actuation system is equivalent to mechanical variable-stiffness actuation systems. By controlling the switch in the circuit, the electric status of the piezoelectric transducer is changed, and consequently a variable-stiffness mechanism is achieved on the electric actuator. This proposed actuator features a shift in the equilibrium point of force, while conventional electrically-induced variable-stiffness actuators feature the variation of the stiffness value. We intensively focus on the equilibrium shift in the actuation system, which has been neglected. The stiffness of the variable-stiffness actuator is periodically modulated by controlling the switch, to suppress the vibration of the system in an open-loop way. It is proved that this electric actuator is equivalent to its mechanical counterpart, and that the electrical version has some practical advantages over the mechanical one. Furthermore, another kind of electrically-induced variable-stiffness actuator, using an energy-recycling mechanism is also discussed from the viewpoint of open-loop vibration control. Extensive numerical simulations provide comprehensive assessment on both electrically-induced variable-stiffness actuators employed for open-loop vibration control.
In the case of conventional soft robots, the basic stiffness is small due to the use of flexible materials. Therefore, there is a limitation that the load that can bear is limited. In order to overcome these limitations, a study on a variable stiffness method has been conducted. And it can be seen that the jamming mechanism is most effective in increasing the stiffness of the soft robot. However, the jamming mechanism as a method in which a large number of variable act together is not even theoretically analyzed, and there is no study on intrinsic principle. In this paper, a study was carried out to increase the stability of the force chain to increase the stiffness due to the jamming transition phenomenon. Particle size variables, backbone mechanisms were used to analyze the stability of the force chains. We choose a jamming mechanism as a variable stiffness method of a soft robot, and improve the effect of stiffness based on theoretical analysis, modeling FEM simulation, prototyping and experiment.
The elastic stiffness formula of leaf type holddown spring(HDS) assembly is verified by comparing the values of elastic stiffness with the characteristic test results of the HDS's specimens. The comparisons show that the derived elastic stiffness formula is useful in reliably estimating the elastic stiffness of leaf type HDS assembly. The elastic stiffness sensitivity of leaf type HDS assembly is analyzed using the formula and its gradient vectors obtained from the mid-point formula. As a result of sensitivity analysis, the elastic stiffness sensitivity with respect to each design variable is quantified and design variables of large sensitivity are identified. Among the design variables, leaf thickness is identified as the most sensitive design variable to the elastic stiffness of leaf type HDS assembly. In addition, the elastic stiffness sensitivity, with respect to design variable, is in power-law type correlation to the base thickness of the leaf.
Ham, KiBeom;Han, Jiho;Jeon, JongKyun;Park, YongJai
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.6
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pp.750-758
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2016
In general, a system can be stable when it is designed with a rigid material. However, the use of a rigid system can be limited, such as grasping a glass or using a small surgical instrument. To resolve this limitation, a variable stiffness mechanism was developed using a flexible material. Previous research verified the variable stiffness mechanism where flexible segments and rigid segments were connected alternately in series. However, research into the design parameters of the variable stiffness structure is needed to satisfy the desired stiffness. Therefore, a variable stiffness structure was tested by varying the design parameters to confirm the trend of the stiffness variation. When the radius of the structure becomes larger, the stiffness increases. The stiffness increased with decreasing length of the flexible segments. Under the same design parameters, the length of the flexible segments had a greater effect on the stiffness than the length of the rigid segments. In addition, the stiffness was estimated using the pseudo rigid body model and was compared with the experimental results. This parametric study can be used as a design guideline for designing the variable stiffness mechanism to satisfy the desired stiffness.
The stiffness of shape memory alloy (SMA) spring while in actuation is represented by an empirical model that is derived from the logistic differential equation. This model correlates the stiffness to the alloy temperature and the functionality of SMA spring as active variable stiffness actuator (VSA) is analyzed based on factors that are the input conditions (activation current, duty cycle and excitation frequency) and operating conditions (pre-stress and mechanical connection). The model parameters are estimated by adopting the nonlinear least square method, henceforth, the model is validated experimentally. The average correlation factor of 0.95 between the model response and experimental results validates the proposed model. In furtherance, the justification is augmented from the comparison with existing stiffness models (logistic curve model and polynomial model). The important distinction from several observations regarding the comparison of the model prediction with the experimental states that it is more superior, flexible and adaptable than the existing. The nature of stiffness variation in the SMA spring is assessed also from the Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA), which as well proves the proposal. This model advances the ability to use SMA integrated mechanism for enhanced variable stiffness actuation. The investigation proves that the stiffness of SMA spring may be altered under controlled conditions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.11
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pp.1077-1082
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2007
We present a micromechanical active amplifier, inspired from the principle of the outer hair cells in cochlea, amplifying both displacement and force. The present micromechanical active amplifier modulates the resonant carrier motion using the variable stiffness spring whose stiffness changes proportionally to the input motion. We design, fabricate, and characterize two types of the amplifiers A and B, each having the variable stiffness spring fur the maximum displacement gain and force gain, respectively. In the experimental study, the amplifier A shows the displacement gain of 5.62, which is 2.15 times larger than that of the amplifier 3. The amplifier B shows the force gain of 10.0, resulting in 1.26 times larger value compared to that of the amplifier A. We experimentally verify that the haircell-inspired micromechanical amplifiers are capable to amplify both displacement and force.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.10
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pp.1195-1200
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2013
In recent years, variable stiffness actuation has attracted much attention because interaction between a robot and the environment is increasingly required for various robot tasks. Several variable stiffness actuators (VSAs) have been developed; however, they find limited applications owing to their size and weight. For realizing their widespread use, we developed a compact and lightweight mini-VSA. The mini-VSA consists of a control module based on an adjustable moment arm mechanism and a drive module with two motors. By controlling the relative motion of cams in the control module, the position and stiffness can be simultaneously controlled. Experimental results are presented to show its ability to change stiffness.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.21
no.5
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pp.103-110
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2020
Bio-inspired underwater robots have been studied to improve the dynamic performance of fins, such as swimming speed and efficiency, which is the most basic performance. Among them, bio-inspired soft robots with a compliant tail fin can have high degrees of freedom. On the other hand, to improve the driving efficiency of the compliant fins, the stiffness of the tail fin should be changed with the driving frequency. Therefore, a new type of variable stiffness mechanism has been developed and verified. This study, which was inspired by the anatomy of a real dolphin, assessed a process of designing and manufacturing a robotic dolphin with a variable stiffness mechanism. By mimicking the vertebrae of a dolphin, the variable stiffness driving part was manufactured using subtractive and additive manufacturing. A driving tendon was placed considering the location of the tendon in the actual dolphin, and the additional tendon was installed to change its stiffness. A robotic dolphin was designed and manufactured in a streamlined shape, and the swimming speed was measured by varying the stiffness. When the stiffness of the tail fin was varied at the same driving frequency, the swimming speed and thrust changed by approximately 1.24 and 1.5 times, respectively.
Tracking control of systems with variable stiffness hysteresis using a gain-scheduled (GS) controller is developed in this paper. Variable stiffness hysteretic system is represented as quasi linear parameter dependent system with known bounds on parameters. Assuming that the parameters can be measured or estimated in real-time, a GS controller that ensures the performance and the stability of the closed-loop system over the entire range of parameter variation is designed. The proposed method is implemented on a spring-mass system which consists of a semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device that exhibits hysteresis and precisely controllable stiffness change in real-time. The SAIVS system with variable stiffness hysteresis is represented as quasi linear parameter varying (LPV) system with two parameters: linear time-varying stiffness (parameter with slow variation rate) and stiffness of the friction-hysteresis (parameter with high variation rate). The proposed LPV-GS controller can accommodate both slow and fast varying parameter, which was not possible with the controllers proposed in the prior studies. Effectiveness of the proposed controller is demonstrated by comparing the results with a fixed robust $\mathcal{H}_{\infty}$ controller that assumes the parameter variation as an uncertainty. Superior performance of the LPV-GS over the robust $\mathcal{H}_{\infty}$ controller is demonstrated for varying stiffness hysteresis of SAIVS device and for different ranges of tracking displacements. The LPV-GS controller is capable of adapting to any parameter changes whereas the $\mathcal{H}_{\infty}$ controller is effective only when the system parameters are in the vicinity of the nominal plant parameters for which the controller is designed. The robust $\mathcal{H}_{\infty}$ controller becomes unstable under large parameter variations but the LPV-GS will ensure stability and guarantee the desired closed-loop performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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