Engineering Mechanics Commons^™

หุ่นยนต์สวมใส่แบบโครงร่างเพื่อฟื้นฟูการเดิน, ณัฐภัทร คิ้ววงศ์งาม

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

หุ่นยนต์กายภาพบำบัดแบบสวมใส่ที่ข้อเข่าเพื่อฟื้นฟูการเดินได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการรักษาผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมองและโรคใกล้เคียง เพื่อลดภาระการทำงานของบุคคลากรและค่าใช้จ่ายที่ผู้ป่วยต้องแบกรับ รวมถึงยังเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการรักษา แต่ด้วยหุ่นยนต์ดังกล่าวในปัจจุบัน มีขนาดใหญ่ ยากต่อการพกพาและดูแล อีกทั้งยังมีราคาสูง ดังนั้น งานวิจัยนี้จึงมีจุดประสงค์เพื่อที่จะศึกษา ออกแบบ และจัดสร้าง หุ่นยนต์กายภาพบำบัดแบบสวมใส่ที่ข้อเข่า เพื่อฟื้นฟูการเดิน อันประกอบไปด้วย กลไกการส่งกำลังแบบหนึ่งข้อต่อและระบบควบคุมหุ่นยนต์อัตโนมัติ โดยมุ่งเน้นให้หุ่นยนต์มีน้ำหนักเบา สามารถพกพาได้ง่าย และมีราคาถูก โดยในขั้นตอนการออกแบบ ได้จัดทำการวิเคราะห์รูปแบบการส่งกำลัง และศึกษาสมการจลศาสตร์ของกลไก จากนั้นทำการจัดสร้างระบบกลไกส่งกำลังพัฒนาระบบควบคุม งานวิจัยนี้ได้ศึกษาและพัฒนาระบบควบคุมแบบ Impedance control ในสองรูปแบบคือ ระบบแบบออกแรงช่วยและระบบแบบออกแรงต้าน ซึ่งจะทำให้หุ่นยนต์สามารถช่วยเหลือผู้ป่วยในการฝึกฝนการเคลื่อนที่ที่มีความหลากหลาย งานวิจัยนี้ได้ทำเสนอการทดลองทั้งหมด 4 การทดลอง อันประกอบด้วย การทดลองที่ 1 การทดลองหาสภาพการขับย้อนกลับและแรงเสียดทานในระบบส่งกำลัง โดยพบว่าหุ่นยนต์ต้องการแรงขับกลับเพียง 0.457 นิวตันเมตร ซึ่งแสดงถึงความสามารถในการขับกลับที่สูงและแรงเสียดทานในระบบที่ต่ำ การทดลองที่ 2 ศึกษาประสิทธิภาพของระบบควบคุมแบบช่วยเหลือการเคลื่อนที่ในท่านั่ง การทดลองที่ 3 ศึกษาประสิทธิภาพของระบบต้านการเคลื่อนที่ในท่านั่ง โดยในการทดลองที่ 2 และ 3 หุ่นยนต์สามารถปรับแรงช่วยและแรงต้านสูงสุดให้เหมาะสมกับแต่ละผู้ใช้งานได้ในช่วงไม่เกิน 8 นิวตันเมตร และการทดลองสุดท้าย ศึกษาประสิทธิภาพในการช่วยเหลือการเดิน โดยพบว่าหุ่นยนต์สามารถช่วยส่งกำลังได้เพียงพอที่จะพาผู้ใช้งานให้เดินไปตามเส้นทางที่บันทึกไว้ได้ และในทุกการทดลองไม่พบผลกระทบอื่นใดในการใช้งานหุ่นยนต์

การประเมินศักยภาพระบบผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำในอ่างเก็บน้ำที่ผลิตไฟฟ้าพลังน้ำของการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ.), พร้อมศักดิ์ ทรัพย์ธนากร

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

แนวทางการแก้ไขปัญหาวิกฤตพลังงานในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การส่งเสริมพลังงานทางเลือก รวมถึงพลังงานแสงอาทิตย์ ตามแผนพัฒนากำลังผลิตไฟฟ้าของประเทศไทย พ.ศ. 2561-2580 ฉบับปรับปรุงครั้งที่ 1 ระบุนโยบายส่งเสริมผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียน โดยกำหนดให้มีการใช้เซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำในเขื่อนผลิตกระแสไฟฟ้าของการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ.)ทั้งหมด 2,725 เมกะวัตต์ วัตถุประสงค์ของงานวิจัยนี้คือการศึกษาศักยภาพของระบบผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำในอ่างเก็บน้ำที่ผลิตไฟฟ้าของการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ.) โดยแบ่งการศึกษาเป็น 2 ส่วน ส่วนที่ 1 เป็นการศึกษาและเปรียบเทียบศักยภาพในจากการใช้ระบบผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำเต็มพื้นที่อ่างเก็บน้ำที่ผลิตไฟฟ้าพลังน้ำแต่ละแห่งในประเทศไทย อันได้แก่ เขื่อนสิรินธร เขื่อนภูมิพล เขื่อนสิริกิติ์ เขื่อนศรีนครินทร์ เขื่อนท่าทุ่งนา เขื่อนวชิราลงกรณ์ เขื่อนอุบลรัตน์ เขื่อนน้ำพุง เขื่อนห้วยกุ่ม เขื่อนจุฬาภรณ์ เขื่อนรัชชประภา และเขื่อนบางลาง โดยมีเงื่อนไขการพิจารณาคือเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำที่ติดตั้งเต็มพื้นที่ต้องไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำที่มีอยู่เดิม และพิจารณาศักยภาพ 4 หัวข้อ ได้แก่ ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้ต่อปี ซึ่งคำนวณด้วยวิธีของ Perez 1990 ปริมาณการลดการระเหยของน้ำ ซึ่งคำนวณด้วยวิธีของ Shuttleworth 1993 ความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ และปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ลดลงจากการผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำแทนการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล ผลการศึกษาพบว่า เมื่อติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำในเขื่อนศรีนครินทร์จะผลิตไฟฟ้าและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้สูงที่สุด เมื่อติดตั้งในเขื่อนอุบลราชธานีจะลดการระเหยน้ำได้มากที่สุด และเมื่อติดตั้งในเขื่อนสิริกิติ์จะถึงจุดคุ้มทุนเร็วที่สุด ส่วนที่ 2 ที่ทำการศึกษา เป็นการศึกษาศักยภาพในการใช้ระบบผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังน้ำของเขื่อนเพื่อผลิตไฟฟ้าคงที่ตลอดเวลา โดยการศึกษาในส่วนนี้ ใช้ข้อมูลจริงของเขื่อนศรีนครินทร์ใน พ.ศ. 2560-2564 เป็นตัวอย่างในการทำแบบจำลองเพื่อแสดงศักยภาพในการใช้ระบบผลิตไฟฟ้าผสมเพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้ารวมคงที่สูงสุดที่เป็นไปได้ของแต่ละขนาดการติดตั้งของเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำในเขื่อนศรีนครินทร์ ผลลัพธ์ของการจำลองแสดงให้เห็นว่าระบบผสมสามารถผลิตกำลังไฟฟ้ารวมคงที่ได้ระหว่าง 137.14 ถึง 246.76 เมกะวัตต์ และมีรูปแบบการเดินเครื่องได้ 3 รูปแบบ คือ รูปแบบการเดินเครื่องผลิตไฟฟ้าพลังน้ำเพียงอย่างเดียวคงที่ตลอดเวลา สำหรับกรณีที่ไม่มีการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำ รูปแบบการเดินเครื่องผลิตไฟฟ้าผสมแบบไม่มีการสูบน้ำกลับ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำไม่เกิน 0.3391% ของพื้นที่ที่ติดตั้งได้ หรือ 170.4 เมกะวัตต์ และรูปแบบการเดินเครื่องผลิตไฟฟ้าผสมแบบมีการสูบน้ำกลับ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำระหว่าง 0.3391% ถึง 1.20% ของพื้นที่ที่ติดตั้งได้ หรือระหว่าง 170.4 ถึง 603.03 เมกะวัตต์ หากมีการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์บนทุ่นลอยน้ำเกินกว่านี้จะไม่สามารถผลิตไฟฟ้ารวมแบบคงที่ได้ เนื่องจากข้อจำกัดของกำลังการสูบน้ำกลับของเครื่องผลิตไฟฟ้าที่ติดตั้งที่เขื่อนศรีนครินทร์ ข้อดีของรูปแบบการเดินเครื่องที่มีการสูบน้ำกลับร่วมด้วย คือสามารถมีช่วงกำลังการผลิตไฟฟ้าที่กว้าง แต่เนื่องจากการสูบน้ำกลับมีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าน้อยกว่าการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ จะทำให้มีการสูญเสียพลังงานจากการสูบน้ำกลับไปบางส่วน แต่การลดลงนี้มีผลน้อยมากเมื่อนำมาประเมินความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์

A Numerical Study Of Flow Past Arrays Of Cylinders At Low Reynolds Number, Woraphon Wannaviroj

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

Coastal erosion along shorelines has increasingly been prevalent. A popular method for alleviating this problem is to use breakwaters, made of bamboo, known as “bamboo fencing”. The thesis numerically investigates steady, low-velocity flow past several geometrical configurations of bamboo fencings, modelled as array of cylinders using the ANSYS®-Fluent software. The Reynolds number based on incoming flow velocity (U∞), cylinder diameter (D), and fluid kinematic viscosity is Re = 100. Validation is done for mesh convergence and time-step size for the two-dimensional flow past a circular cylinder. For a pair of side-by-side arranged cylinders, it is found that the effect of …

Experimental Study Of Viscoelastic Fluid-Structure Interactions, Anita Anup Dey

Doctoral Dissertations

It is well known that when a flexible or flexibly-mounted structure is placed perpendicular to a Newtonian fluid flow, it can oscillate due to the shedding of vortices at high Reynolds numbers. Unlike Newtonian fluids, viscoelastic fluid flow can become unstable even at infinitesimal Reynolds numbers due to a purely elastic flow instability occurring at large Weissenberg numbers. This thesis focuses on exploring the mechanisms of viscoelastic fluid-structure interactions (VFSI) through experimental investigations on several different combinations of flexible and flexibly-mounted circular cylinders, micro and macro-scale cantilevered beams and viscoelastic fluids such as wormlike micelle solutions and polymer solutions. VFSI …

An Improved Foam Modeling Technique And Its Application To Petroleum Drilling And Production Practice, Yanfang Wang

LSU Doctoral Dissertations

Foam is one of the most common used multiphase fluid in Underbalanced Drilling (UBD) and Managed Pressure Drilling (MPD). Because of its low density, high capacity of lifting and carrying cuttings, low cost and compatibility with formations, foam has become more superior than the conventional drilling mud when depleted reservoir pressure, severe lost circulation, or unstable borehole are encountered. In general, the success of foam applications rely on the understanding of the fundamentals of foam rheology in downhole conditions.

Foam rheology has been studied for decades. Conventional foam rheological models such as Power Law, Bingham Plastic, Herschel-Bulkley to explain foam …

An Investigation Into The Effects Of Fly Ash On Freeze-Thaw Durability Prediction, Yancy Schrader

Graduate Theses and Dissertations

Air is purposefully entrained into concrete primarily to improve resistance to freeze-thaw deterioration while saturated with water. Air entraining admixtures (AEAs) are chemical admixtures designed to entrain air into the concrete to provide adequate resistance to the effects of freezing and thawing. One of the challenges associated with air entrainment in concrete is the interaction of an AEA with supplementary cementitious materials present in the concrete, particularly fly ash. Fly ash is a by-product of the coal fired electrical generation industry, and often contains residual unburned carbon and other components that can increase the AEA demand of a particular concrete …

Leveraging Biomimicry And Additive Manufacturing To Improve Load Transfer In Brittle Materials, Ana Paula Bernardo

Graduate Theses and Dissertations

With the emergence of Additive Manufacturing (i.e., 3D printing) in construction, new strategically designed shapes can be created to improve load transfer through structural members and foundations. Cross-sections can be optimized to carry load using less material, or even using weaker constituent materials, like soils, which are cheap and abundant. The goal of this research is to investigate the benefits of using cellular patterns which leverage biomimicry in civil engineering applications, since nature has perfectly engineered materials and patterns which carry loads with the least amount of material possible. Most of the periodic cellular work to date has focused on …

Me-Em Enewsbrief, October-December 2020, Department Of Mechanical Engineering-Engineering Mechanics, Michigan Technological University

Department of Mechanical Engineering-Engineering Mechanics eNewsBrief

No abstract provided.

Nonlinear Controller For Nonlinear Wave Energy Converters, David G. Wilson, Giorgio Bacelli, Rush D. Robinett Iii, Ossama Abdelkhalik

Michigan Tech Patents

The present invention is directed to a nonlinear controller for nonlinear wave energy converters (WECs). As an example of the invention, a nonlinear dynamic model is developed for a geometrically right-circular cylinder WEC design for the heave-only motion, or a single degree-of-freedom (DOF). The linear stiffness term is replaced by a nonlinear cubic hardening spring term to demonstrate the performance of a nonlinear WEC as compared to an optimized linear WEC. By exploiting the nonlinear physics in the nonlinear controller, equivalent power and energy capture, as well as simplified operational performance is observed for the nonlinear cubic hardening spring controller …

Advances In The Application Of Biomimetic Surface Engineering In The Oil And Gas Industry, Yanbao Guo, Zheng Zhang, Siwei Zhang

Friction

Friction is widespread in almost every field in the oil and gas industry, and it is accompanied by huge energy losses and potential safety hazards. To deal with a series of questions in this regard, biomimetic surfaces have been developed over the past decades to significantly reduce economic losses. Presently, biomimetic surface engineering on different scales has been successfully introduced into related fields of the oil and gas industry, such as drill bits and the inner surfaces of pipes. In this review, we focused on the most recent and promising efforts reported toward the application of a biomimetic surface in …

Rubber Plunger Surface Texturing For Friction Reduction In Medical Syringes, Haytam Kasem, Harel Shriki, Lihi Ganon, Michael Mizrahi, Kareem Abd-Rbo, Abraham J. Domb

Friction

Friction is a genuine issue in the use of many medical devices involving rubbery materials such as plungers in medical syringes. This paper presents a new direction for the reduction of friction in medical syringes based on surface texturing of the rubber plunger. The specimens were prepared by casting poly(vinylsiloxane) (PVS) rubber into a pre-fabricated negative template obtained by 3D printing. Friction tests were performed on a home-made test-rig. It was clearly shown that friction resistance can be considerably manipulated when using textured plungers.

Erosive Wear Properties Of Za-27 Alloy-Based Nanocomposites: Influence Of Type, Amount, And Size Of Nanoparticle Reinforcements, Aleksandar Vencl, Ilija Bobić, Biljana Bobić, Kristina Jakimovska, Petr Svoboda, Mara Kandeva

Friction

Metal matrix nanocomposites (MMnCs) comprise a metal matrix filled with nanosized reinforcements with physical and mechanical properties that are very different from those of the matrix. In ZA-27 alloy-based nanocomposites, the metal matrix provides ductility and toughness, while usually used ceramic reinforcements give high strength and hardness. Tested ZA-27 alloy-based nanocomposites, reinforced with different types (SiC and Al2O3), amounts (0.2 wt.%, 0.3 wt.%, and 0.5 wt.%) and sizes (25 nm, 50 nm, and 100 nm) of nanoparticles were produced through the compocasting process with mechanical alloying pre-processing (ball milling). It was previously shown that the presence of nanoparticles in ZA-27 …

Friction And Wear Behaviors Of Mos2-Multi-Walled-Carbon-Nanotube Hybrid Reinforced Polyurethane Composite Coating, Zhaozhu Zhang, Mingming Yang, Junya Yuan, Fang Guo, Xuehu Men

Friction

MoS2-multi-walled-carbon-nanotube (MWCNT) hybrids containing two-dimensional MoS2 and one-dimensional MWCNTs were synthesized through a one-step hydrothermal reaction. X-ray-diffraction and transmission-electron-microscopy results demonstrated that MoS2 nanosheets were successfully synthesized, and uniformly anchored on the MWCNTs' surfaces. Furthermore, the effects of the MoS2-MWCNT hybrids on the tribological performances of polyurethane composite coatings were investigated using a UMT-2MT tribo-tester. Friction and wear test results revealed that the friction coefficient and wear rate of a 3 wt% MoS2-MWCNT-1 filled polyurethane composite coating were reduced by 25.6% and 65.5%, respectively. The outstanding tribological performance of the MoS2-MWCNT-1 reinforced polyurethane composite coating was attributed to the excellent …

Sliding Friction Of Shale Rock On Dry Quartz Sand Particles, Huijie Zhang, Shuhai Liu, Huaping Xiao

Friction

The sliding friction of rock, involving all kinds of particles at the contact surface, is relevant to many problems, ranging from those in artificial engineering to earthquake dynamics. In this work, the frictional performance of the shale rock-dry quartz sand contact was investigated using a self-developed testing device. The study showed that the coefficient of friction of the contact increases with nominal stress and that the corresponding friction force increases approximately linearly with nominal stress, which is directly related to the contact stress between each single sand particle and rock shale. An overall dynamic coefficient, γ, reflecting the response of …

Friction Predication On Pin-To-Plate Interface Of Ptfe Material And Steel, Zhuming Bi, Donald W. Mueller

Friction

In this paper, the friction behavior at a pin-to-plate interface is investigated. The pin and plate are made of Polytetrafluoroethylene (PTFE) and steel, respectively, and there is a reciprocating motion at the interface. Governing mathematical models for the relations of design variables and frictions are investigated, and a general procedure is proposed to solve the developed models and predict the friction forces at the interface subjected to given test conditions. Novel models have been developed to represent intrigued friction behaviors affected by various factors such as pin geometrics and finishes, lubrication conditions, and reciprocating speed. The test data from experiments …

Significant Friction Reduction Of High-Intensity Pulsed Ion Beam Irradiated Wc-Ni Against Graphite Under Water Lubrication, Gaolong Zhang, Yuechang Wang, Ying Liu, Xiangfeng Liu, Yuming Wang

Friction

Two types of commercial WC-Ni samples were irradiated with the High-intensity pulsed ion beam (HIPIB). Both the surface characteristics and tribo-characteristics of the non-irradiated and irradiated WC-Ni samples, sliding against graphite under water lubrication, were compared. Quite low steady friction coefficients (approximately of 0.02) of the irradiated WC-Ni were observed. The surface topographies and components were investigated. The quite low friction of the irradiated WC-Ni samples was ascribed to the higher fluid retention capability of the latter and the tribofilm formed during sliding.

Metal-Containing Nanomaterials As Lubricant Additives: State-Of-The-Art And Future Development, Igor E. Uflyand, Vladimir A. Zhinzhilo, Victoria E. Burlakova

Friction

This review focuses on the effect of metal-containing nanomaterials on tribological performance in oil lubrication. The basic data on nanolubricants based on nanoparticles of metals, metal oxides, metal sulfides, nanocomposities, and rare-earth compounds are generalized. The influence of nanoparticle size, morphology, surface functionalization, and concentration on friction and wear is analyzed. The lubrication mechanisms of nanolubricants are discussed. The problems and prospects for the development of metal-containing nanomaterials as lubricant additives are considered. The bibliography includes articles published during the last five years.

Experimental Study On The Tribo-Chemical Smoothening Process Between Self-Mated Silicon Carbide In A Water-Lubricated Surface-Contact Reciprocating Test, Le Jin, Herbert Scheerer, Georg Andersohn, Matthias Oechsner, Dieter Hellmann

Friction

Silicon carbide (SiC) can be tribo-chemically smoothened during a self-mated sliding procedure in the aqueous environment. As well reported in the point-contact tests, this smoothening process works well due to the abundant water as oxidant. After this smoothening process, the tribo-surface is well polished, a closely mated tribo-gap naturally forms, and an ultra-low friction state is built. However, water in the tribo-gap could be insufficient in industrial applications, e.g., the seal gap in mechanical seals. In this study, the tribo-chemical smoothening behavior in such environment was researched. A surface-contact reciprocating test was used to simulate the aqueous environment where water …

Water-Based Superlubricity In Vacuum, Chen Xiao, Jinjin Li, Lei Chen, Chenhui Zhang, Ningning Zhou, Tao Qing, Linmao Qian, Jiyang Zhang, Jianbin Luo

Friction

This study achieved water-based superlubricity with the lubrication of H3PO4 solution in vacuum (highest vacuum degree <10-4 torr) for the first time by performing a pre-running process in air before running in vacuum. The stable water-based superlubricity was sustainable in vacuum (0.02 torr) for 14 h until the test was stopped by the user for non-experimental factor. A further analysis suggested that the superlubricity may be attributed to the phosphoric acid-water network formed in air, which can efficiently lock water molecules in the liquid lubricating film even in vacuum owing to the strong hydrogen bond interaction. Such capability to lock water is strongly affected by the strength of hydrogen bond and environmental conditions. The realization of water-based superlubricity with H3PO4 solution in vacuum can lead to its application in space environment.

Tribological Performance Of Novel Nickel-Based Composite Coatings With Lubricant Particles, Ignacio Tudela, Andrew J. Cobley, Yi Zhang

Friction

The present study is focused on the evaluation of the tribological performance of novel Ni/hBN and Ni/WS2 composite coatings electrodeposited from an additive-free Watts bath with the assistance of ultrasound. Lubricated and non-lubricated scratch tests were performed on both novel composite coatings and on standard Ni deposits used as a benchmark coating to have an initial idea of the effect of the presence of particles within the Ni matrix. Under lubricated conditions, the performance of the Ni/hBN composite coating was very similar to the benchmark Ni coating, whereas the Ni/WS2 behaved quite differently, as the latter did not only show …