The resonance frequency of electrostatically actuated micromachined beams can be tuned substantially by applying a DC voltage bias, first by decreasing the frequency until the onset of pull-in and then by increasing it by the virtue of contact. With the objective of modeling and designing the micromechanical structures after pull-in, a semi-analytical method was developed to determine the length of the contact between the beam and the substrate. The semi-analytical method which is validated on the straight beams is extended for the folded beam structures. This method provides a tool to the microsystem designer to quickly evaluate the deformed configuration of the folded beams after pull-in without the time-intensive contact analysis. This tool is used to design the micro‐speaker elements suitable for emitting low frequency sounds. Multiple instabilities after the pull-in were numerically observed and it was shown that the resonant frequency of an L-shaped beam can be varied in different frequency bands. The speaker element can emit any frequency in a given range, as the resonant frequency of the beam structures can be tuned both before and after pull-in. Operating the speaker element at resonance maximizes the efficiency of the speaker design because the amplitude of vibration is maximum at the resonance frequency. Furthermore, the interplay between the torsional and bending loads is used to minimize the out-of-plane deflection under self weight. A selection criterion is employed to choose a beam structure with optimum stiffness and natural frequency. Beam-based micro-speaker element designs with single and multi-layered suspended structures are proposed. Practical considerations such as volume displacement, mode shapes and dynamic coupling are discussed, on the basis of which design guidelines for a speaker element are proposed. Squeeze film effects and nonlinearity due to the midplane stretching is integrated into the transient analysis model to analyze the effect on the stroke of beam operating at resonance. A comparison between various speaker elements is presented.

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<p>Energy conservation is a growing topic of research within various fields.  Digital Hydraulics is a division of fluid power that focuses on using on/off technology to improve the performance and efficiency of fluid power systems. One significant benefit of Digital Hydraulics is that it has enabled additional control over fluid power systems, which helps achieve component and system level improvements. Conventional radial and inline piston pumps use positive sealing valves, which mitigate leakage losses, compared to port plates commonly seen in variable displacement pumps. By using digitally controlled positive sealing valves on radial and inline piston pumps, leakage losses can be mitigated to develop a more efficient variable displacement pump. This work focuses on the design, modeling, and simulation of a mechanically actuated valving system developed for a commercially available radial piston pump. The design uses a ball screw actuation method to phase the cam during operation, changing the displacement. Using a modeling and simulation software, GT-SUITE, a simulation model was created for the digital pump that shows close correlation to the manufacturer’s data at high pressure. The parameters simulated, 50 – 200 bar, showed that the system could achieve a peak efficiency drop of approximately 11.0% from 87.0% to 76.0% from 100 – 25% displacement simulated at 200 bar and 500rpm. Compared to a typical variable displacement axial piston pump unit, the digital pump showed increased efficiencies across the bandwidth of 35-83% displacement, with a lower overall drop in efficiency across most of its operating conditions. In the comparison used, the pump is outside of its operating range and has not been optimized; thus, the simulation model created in this thesis will be used in the future to optimize the system and evaluate the system's potential performance and feasibility for future prototyping and testing as a proof of concept.  </p>

Les systèmes non linéaires sont si diverses que des outils communs de contrôle sont difficiles à développer. La théorie du contrôle non linéaire nécessite une analyse mathématique rigoureuse pour motiver ses conclusions. Cette thèse aborde deux branches distinctes et bien importantes de la théorie du contrôle non linéaire: le contrôle des systèmes non-linéaires incertains et le contrôle des systèmes sous-actionnés.Dans la première partie, une classe de contrôleurs par mode glissant d’ordre supérieur (MGOS) robuste, basée sur la synthèse de Lyapunov, est développée pour le contrôle des systèmes non-linéaires incertains. Cette classe de contrôleurs est basée sur une classe de régulateurs qui stabilisent une pure chaîne d’intégrateurs en temps fini, et nécessite la connaissance a priori des bornes sur les incertitudes du système. Puis, afin d’éliminer la dépendance liée à la connaissance de ces bornes, un contrôleur par MGOS adaptatif est développé. Dans un deuxième temps, un contrôleur par MGOS homogène universel est développé où il est montré que le degré d’homogénéité peut être manipulé pour obtenir des avantages supplémentaires, tels que la bornitude de la commande, la garantie d’une amplitude minimale de la discontinuité de la commande et la convergence en temps fixe. Les performances des contrôleurs proposés ont été démontrées par des simulations et à travers des résultats expérimentaux sur un système pile à combustible.Dans la deuxième partie de la thèse, deux problèmes de commande de systèmes sous-actionnés sont étudiés. Le premier problème concerne le suivi de chemin global d’un robot mobile avec un point de visée. Le deuxième problème concerne la poursuite de trajectoire globale d’un bateau. Ces deux problèmes sont de nature distincte, cependant, ils sont soumis à des contraintes physiques similaires liées à la bornitude de la commande. Ainsi, les contrôleurs proposés sont basés sur l’utilisation de commandes saturées. Des simulations ont été effectuées pour démontrer les performances de ces contrôleurs. / Nonlinear systems are so diverse that generalized tools for control are difficult to develop. Nonlinear control theory requires rigorous mathematical analysis to justify its conclusions. This thesis addresses two distinct, yet important branches of nonlinear control theory: control of uncertain nonlinear systems and control of under-actuated systems.In the first part, a class of Lyapunov-based robust arbitrary higher order sliding mode (HOSM) controllers is developed for the control of uncertain nonlinear systems. This class of controllers is based on a class of controllers for finite-time stabilization of pure integrator chain, and requires the limits of the system uncertainty to be known a-priori. Then, in order to eliminate the dependence on the knowledge of these limits, an adaptive arbitrary HOSM controller is developed. Using this new class, a universal homogeneous arbitrary HOSM controller is developed and it is shown that the homogeneity degree can be manipulated to obtain additional advantages in the proposed controllers, such as bounded control, minimum amplitude of discontinuous control and fixed time convergence. The performance of the controllers has been demonstrated through simulations and experiments on a fuel cell system.In the next part, the control of two under-actuated systems is studied. The first control problem is the global path following of car-type robotic vehicle, using target-point. The second problem is the precise tracking of surface marine vessels. Both these problems are distinct in nature; however, they are subjected to similar physical constraints. The solutions proposed for these control problems use saturated controls, taking into account the physical bounds on the control inputs. Simulations have been performed to demonstrate the performance of these controllers.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Auslegung und Regelung einer vollaktuierten Drohne, die als fliegende Arbeitsplattform für einen Manipulator dienen soll. Dabei werden ausgehend von der geometrischen Beschreibung einer allgemeinen, symmetrischen Drohne mit sechs Rotoren Methoden entwickelt, die den anforderungsbezogenen Entwurf der Geometrie einer vollaktuierten Drohne ermöglichen. Darüber hinaus werden prinzipielle Einflussmechanismen einzelner Geometrieparameter auf die durch die Drohne erzeugbaren Kräfte und Momente aufgezeigt. Zur Charakterisierung des Raums aller erzeugbaren Lasten wird dieser auf sogenannte Stützvektoren reduziert. Als Stützvektoren dienen dabei die für den Schwebeflug nötige Schubkraft, die garantierte Mindestkraft in horizontaler Richtung und das garantierte Mindestmoment um eine beliebige Achse, zu deren Berechnung zusätzlich analytische Formeln hergeleitet werden. Aufbauend auf die Beschreibung durch Stützvektoren wird die Formuliernung von Metriken vorgestellt, die die Bewertung einer Drohnengeometrie durch eine einzige skalare Maßzahl ermöglichen, wodurch die je nach Anwendung optimale Drohnengeometrie ermittelt werden kann. Zur Regelung des Systems aus Drohne und Manipulator wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches durch eine Entkopplung der Bewegungsgleichungen eine virtuelle Verschiebung des Schwerpunkts in das Drohnenzentrum realisiert und so eine präzise Regelung unabhängig von der tatsächlichen Schwerpunktlage ermöglicht. / This thesis’ subject is the geometrical design and control of a fully actuated drone, intended to be used as a flying operating-platform for a manipulator. Starting with the general geometrical description of a symmetric drone with six rotors, methods for the application specific design of a fully actuated drone are developed. Furthermore general influencing principles of geometric parameters on the forces and torques that can be generated by the drone, are pointed out. To characterize the drone's wrench-space, it is reduced to so called support vectors, which are given by the hovering thrust, the minimum guaranteed force in a horizontal direction and the minimum guaranteed torque in any direction. Additionally, analytic formulas are derived for the mentioned support vectors. Based on the description by the support vectors, a formulation of metrics is introduced, to enable the assessment of a specific drone geometry by a single scalar measure, to determine the ideal drone geometry for a specific application. Targeting the issue of controlling the flight system, consisting of the drone and the manipulator, a concept is developed that realizes a virtual dissplacement of the center of mass by decoupling the equations of motion and therby facilitates a precise control, independent of the actual location of the system's center of mass.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Auslegung und Regelung einer vollaktuierten Drohne, die als fliegende Arbeitsplattform für einen Manipulator dienen soll. Dabei werden ausgehend von der geometrischen Beschreibung einer allgemeinen, symmetrischen Drohne mit sechs Rotoren Methoden entwickelt, die den anforderungsbezogenen Entwurf der Geometrie einer vollaktuierten Drohne ermöglichen. Darüber hinaus werden prinzipielle Einflussmechanismen einzelner Geometrieparameter auf die durch die Drohne erzeugbaren Kräfte und Momente aufgezeigt. Zur Charakterisierung des Raums aller erzeugbaren Lasten wird dieser auf sogenannte Stützvektoren reduziert. Als Stützvektoren dienen dabei die für den Schwebeflug nötige Schubkraft, die garantierte Mindestkraft in horizontaler Richtung und das garantierte Mindestmoment um eine beliebige Achse, zu deren Berechnung zusätzlich analytische Formeln hergeleitet werden. Aufbauend auf die Beschreibung durch Stützvektoren wird die Formuliernung von Metriken vorgestellt, die die Bewertung einer Drohnengeometrie durch eine einzige skalare Maßzahl ermöglichen, wodurch die je nach Anwendung optimale Drohnengeometrie ermittelt werden kann. Zur Regelung des Systems aus Drohne und Manipulator wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches durch eine Entkopplung der Bewegungsgleichungen eine virtuelle Verschiebung des Schwerpunkts in das Drohnenzentrum realisiert und so eine präzise Regelung unabhängig von der tatsächlichen Schwerpunktlage ermöglicht. / This thesis’ subject is the geometrical design and control of a fully actuated drone, intended to be used as a flying operating-platform for a manipulator. Starting with the general geometrical description of a symmetric drone with six rotors, methods for the application specific design of a fully actuated drone are developed. Furthermore general influencing principles of geometric parameters on the forces and torques that can be generated by the drone, are pointed out. To characterize the drone's wrench-space, it is reduced to so called support vectors, which are given by the hovering thrust, the minimum guaranteed force in a horizontal direction and the minimum guaranteed torque in any direction. Additionally, analytic formulas are derived for the mentioned support vectors. Based on the description by the support vectors, a formulation of metrics is introduced, to enable the assessment of a specific drone geometry by a single scalar measure, to determine the ideal drone geometry for a specific application. Targeting the issue of controlling the flight system, consisting of the drone and the manipulator, a concept is developed that realizes a virtual dissplacement of the center of mass by decoupling the equations of motion and therby facilitates a precise control, independent of the actual location of the system's center of mass.

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Die motorischen Fähigkeiten humanoider Roboter werden häufig von antriebsbedingten Nichtlinearitäten und Reibungseffekten negativ beeinflusst. Zur deren Kompensation werden üblicherweise modellbasierte Regelkreise genutzt, die i.d.R. von einer hochfrequenten Signalverarbeitung und mehreren Sensorqualitäten abhängen. Entgegen solch modellbasierten Techniken werden in der vorliegenden Arbeit modellfreie Steuerungsmethoden auf Basis parallel gekoppelter Antriebe entwickelt. Zur Entwicklung und Untersuchung dieser Steuerungsmethoden wird nach der von Pfeifer in seinem Werk “How the body shapes the way we think” beschriebenen synthetischen Methodik vorgegangen. Entgegen modellbasierten Untersuchungen auf Basis von Simulationen stehen bei der synthetischen Methodik empirische Untersuchungen am realen System im Vordergrund. Als Ausgangspunkt dienen konventionelle elektromechanische Antriebe mit deren bekannten leistungseinschränkenden Nichtlinearitäten und Reibungseffekten. Durch die parallele Kopplung mehrerer Antriebe an einem einzelnen Gelenk wird das Spektrum der Steuerungsmöglichkeiten deutlich erweitert. Es zeigt sich, dass (1) durch eine konstante antagonistische Vorspannung das Arbeitsverhalten von konventionellen Proportionalreglern optimiert werden kann, (2) durch dynamische asymmetrische Änderung der Vorspannung Nichtlinearitäten bei niedrigen Geschwindigkeiten ausgeglichen werden können und (3) getriebebedingte Reibungseffekte mit einer phasenverschobenen Pulsmodulation der Steuersignale kompensiert werden können. Weiterhin wird gezeigt, wie die erarbeiteten Steuerungsmethoden auf beliebig viele parallel gekoppelte Antriebe übertragen werden können. Für den praktischen Einsatz der Steuerungsmethoden werden diese in einer hybriden Steuerung zusammengeführt. Diese wird durch eine weitere Funktion, den Energiesparmodus beim Halten statischer Positionen, ergänzt und am humanoiden Roboter Myon implementiert und experimentell evaluiert. / Motor functions of humanoid robots are often negatively influenced by nonlinearities and friction effects of the actuators. The popular means of compensation are control circuits based on modelling, which rely on powerful HF Signal processing and various sensor qualities. In contrast, this thesis develops non-modelling control methods based on parallel coupled actuators. Development and exploration of these control methods follow Pfeifer’s synthetic methodology as described in his work “How the body shapes the way we think”. In contrast to the analysis based on emulation as used in modelling, the synthetic methodology focuses rather on empirical tests within the real system. The present work explores control methods for parallel coupled actuators for use in robot points. It starts from conventional electromechanical actuators with their known power limiting nonlinearities and frictional effects. Linking several parallel coupled actuators to a single joint significantly expands the spectrum of control capabilities. Using two parallel coupled actuators as an example, it is examined to which extent undesirable properties of single actuators can be compensated. The results show that (1) the Performance of conventional proportional controllers can be optimized by a constant antagonistic bias voltage, (2) nonlinearities at low velocities can be balanced out by a dynamic asymmetrical adjustment of the bias, and that (3) gear related frictional effects can be compensated by a phase shifted pulse modulation of the control signals. In addition, it is shown how the developed control methods can be applied to a random number of parallel coupled actuators. For practical use, the various control methods are combined in a hybrid control, which is supplemented by an energy saving mode when maintaining static positions. The hybrid control is being implemented into the humanoid robot Myon and evaluated by experiment.