Bone loss and muscle atrophy are two main physiological conditions affecting astronauts while being in space. In order to counteract the effects, at least two hours of aerobic and resistant countermeasure exercise is scheduled into their working day, seven days a week. Yoyo Technology AB has developed a resistance exercise device based on the flywheel principle, providing a load independent of gravity. However, there is no biomechanical research done on the efficiency of the device in microgravity, from a human movement point of view using simulation software. The aim of this thesis was to evaluate the effects of performing a leg press on the flywheel exercise device in a microgravity environment. Simulations of performing a flywheel leg press in earth gravity, microgravity and performing a conventional squat were done. The evaluated parameters were reaction forces, joint angles, joint moments, joint powers and muscle recruitment in the lower extremities. The simulations were done using a biomechanical simulation software based on a motion capture data collection. From the results two conclusions were proposed. Performing a flywheel leg press in microgravity environment or on earth provides at least as much peak moment as a body weighted squat performed on earth. Furthermore, performing a flywheel leg press in microgravity will induce a higher activity level among hip extensors and knee flexors compared to performing a flywheel leg press on earth.

年々増大するエンジントルク変動を低減するために広角トーショナルダンパの適用例が増してきているが，それらに起因する非線形振動のメカニズムや振動低減のための研究例は少ない．本論文の目的は，これらに関する非線形振動の解明および改善，および精度と計算コストを両立するモデルの開発である．そのため，実験検証に基づくモデルを開発し，非線形振動を大幅に削減する手法を検討した．さらに，計算コストを増加させることなく解析精度を改善する不等ピッチ離散化モデル化手法を検討した． / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

Using technology to evaluate performance is a field that previously has been limited to laboratories and high budgets. Today, the evolving of sensor technology and "internet of things" can help us provide more accessible, affordable and perhaps even more reliable feedback about performance. Still, developing such systems is not trivial and often require advanced processing methods to ensure reliability of the feedback. One such process is synchronizing data from multiple sensors.  If the sensors time is asynchronous, the presented feedback could be erroneous and give the wrong information. However, if the data is synchronized correctly it could possibly provide new insights about performance during training and rehabilitation. During this thesis a web application has been developed and used to collect data from multiple sensors during flywheel training. The data has been processed, synchronized and displayed as feedback in a user interface.The user interface displayed fatigue and bilateral asymmetry feedback from a training protocol of 15 squats at maximum intensity. 16 participants with varying background have used the interface, and evaluated it using a well known usability test. The synchronized data correlates as expected during training, but its accuracy has not yet been evaluated.The usability test resulted in an average usability score of 75, well above the tests' defined limits for "good" usability.Being able to obtain such feedback during rehabilitation in particular is deemed valuable and could be very useful in determining athletes readiness more consistently. This type of feedback is previously not available outside of a laboratory environment, but would need further development and research before it can be used and validated. It could possibly help reduce the massive spending on healthcare, and increase the longevity of athletes careers. / Att använda teknik för att utvärdera prestanda är ett område som tidigare har varit begränsat till laboratorier och höga budgetar. I dag kan utvecklingen av sensorteknik och "sakernas internet" hjälpa oss att ge mer lättillgänglig, prisvärd och kanske till och med mer tillförlitlig feedback om prestanda. Det är dock inte helt enkelt att utveckla sådana system, och ofta krävs det avancerade bearbetningsmetoder för att säkerställa att återkopplingen är tillförlitlig. En sådan process är att synkronisera data från flera sensorer.  Om sensorernas tid är asynkron kan den presenterade återkopplingen vara felaktig och ge fel information. Om uppgifterna däremot synkroniseras korrekt kan de eventuellt ge nya insikter om prestationen under träning och rehabilitering. Under denna avhandling har en webbapplikation utvecklats och använts för att samla in data från flera sensorer under svänghjulsträning. Uppgifterna har bearbetats, synkroniserats och visats som feedback i ett användargränssnitt.Användargränssnittet visade feedback om trötthet och bilateral asymmetri från ett träningsprotokoll med 15 knäböjningar vid maximal intensitet. 16 deltagare med varierande bakgrund har använt gränssnittet och utvärderat det med hjälp av ett välkänt användbarhetstest. De synkroniserade uppgifterna korrelerar som förväntat under träningen, men dess noggrannhet har ännu inte utvärderats.Användbarhetstestet resulterade i ett genomsnittligt användbarhetsbetyg på 75, vilket ligger långt över testets definierade gränser för "god" användbarhet.Att kunna få sådan återkoppling särskilt under rehabilitering bedöms som värdefullt och skulle kunna vara mycket användbart för att bestämma idrottsutövarnas beredskap på ett mer konsekvent sätt. Denna typ av feedback finns tidigare inte tillgänglig utanför en laboratoriemiljö, men skulle behöva ytterligare utveckling och forskning innan den kan användas och valideras. Den skulle eventuellt kunna bidra till att minska de enorma utgifterna för hälso- och sjukvård samt öka idrottsutövarnas livslängd.

A continuous increase in demands from the utility grid and traction applications have steered public attention toward the integration of energy storage (ES) and hybrid ES (HESS) solutions. Modern technologies are no longer limited to batteries, but can include supercapacitors (SC) and flywheel electromechanical ES well. However, insufficient control and algorithms to monitor these devices can result in a wide range of operational issues. A modern day control platform must have a deep understanding of the source. In this dissertation, specialized modular Energy Storage Management Controllers (ESMC) were developed to interface with a variety of ES devices. The EMSC provides the capability to individually monitor and control a wide range of different ES, enabling the extraction of an ES module within a series array to charge or conduct maintenance, while remaining storage can still function to serve a demand. Enhancements and testing of the ESMC are explored in not only interfacing of multiple ES and HESS, but also as a platform to improve management algorithms. There is an imperative need to provide a bridge between the depth of the electrochemical physics of the battery and the power engineering sector, a feat which was accomplished over the course of this work. First, the ESMC was tested on a lead acid battery array to verify its capabilities. Next, physics-based models of lead acid and lithium ion batteries lead to the improvement of both online battery management and established multiple metrics to assess their lifetime, or state of health. Three unique HESS were then tested and evaluated for different applications and purposes. First, a hybrid battery and SC HESS was designed and tested for shipboard power systems. Next, a lithium ion battery and SC HESS was utilized for an electric vehicle application, with the goal to reduce cycling on the battery. Finally, a lead acid battery and flywheel ES HESS was analyzed for how the inclusion of a battery can provide a dramatic improvement in the power quality versus flywheel ES alone.

The thesis deals with Uninterruptible Power Supply (UPS) and associated problems of backup power in case of unexpected outages of electricity. Start of work is dedicated to limitation of the electricity supplies, as well as their causes and consequences. Furthermore, brief history of UPS and subsequently distinguish between UPS’s architectures. There is also a description of the energy sources such as batteries, flywheels or fuel cells. Part of thesis describes security of electricity supply in health care facilities, including requirements for emergency power. The own design of UPS is described in the end.

The thesis deals with Uninterruptible Power Supply (UPS) and associated problems of backup power in case of unexpected outages of electricity. Start of work is dedicated to limitation of the electricity supplies, as well as their causes and consequences. Furthermore, brief history of UPS and subsequently distinguish between UPS’s architectures. There is also a description of the energy sources such as batteries, flywheels or fuel cells. Part of thesis describes security of electricity supply in health care facilities, including requirements for emergency power. The own design of UPS is described in the end.

Flywheel training is an increasingly popular training method that aids in the recovery process and promotes strength development while reducing the risk of re-injury. Additionally, automatic exercise classification offers athletes the convenience of effortlessly monitoring and tracking their training progress, enabling them to maintain consistency and achieve their fitness goals effectively. This thesis aims to investigate the feasibility and accuracy of developing a machine-learning model for classifying exercises performed on Exxentric kBox machines. The objective is to assess the model’s accuracy and determine whether the features provided by the Exxentric app are sufficient for constructing a robust classifier. To lay a strong foundation for the investigation, the research begins with a comprehensive literature review of exercise recognition studies. An exploratory data analysis is then conducted to gain valuable insights into the characteristics of the exercise data. The data preparation phase involves various techniques such as cleaning, feature engineering, scaling, sampling, and encoding to optimize the data for modeling. Moreover, signal processing techniques are employed to extract relevant features from the exercise data. A testing protocol is established, consisting of two sets of ten exercises. Each exercise is performed with a randomized number of repetitions, ranging from 5 to 12 repetitions. Data collection is carried out with the participation of ten individuals using the Exxentric App on their smartphones. Different types of classifiers are trained using data from the Exxentric database and tested on the collected data on-site, employing the generated features. Additionally, a CNN classifier is explored, utilizing only angular velocity as input. Comparative analysis is performed on the evaluation metrics of the models. In conclusion, while achieving accurate classification for all ten exercises was not fully realized, the CNN model relying on angular velocity as input exhibited promising results. Notably, squats were predicted correctly 95% of the time, which is the most prominent observation. The model also demonstrated significant accuracy in correctly identifying bent-over rows (72%), deadlifts (72.2%), standing calf raises (70.6%), and biceps curls (67%). Further research is warranted to improve the effectiveness and accuracy of exercise classification models. This includes exploring alternative input methods and refining feature engineering techniques to advance the field. / Svänghjulsträning är en alltmer populär träningsmetod som underlättar återhämtningsprocessen och främjar styrkeutveckling samtidigt som den minskar risken för nya skador. Dessutom erbjuder automatisk träningsklassificering idrottare bekvämligheten att enkelt övervaka och spåra sina träningsframsteg, vilket gör det möjligt för dem att upprätthålla konsekvens och effektivt uppnå sina träningsmål. Denna avhandling syftar till att undersöka genomförbarheten och noggrannheten hos att utveckla en maskininlärningsmodell för att klassificera övningar som utförs på Exxentric kBox-maskiner. Målet är att bedöma modellens noggrannhet och avgöra om funktionerna som tillhandahålls av Exxentric-appen är tillräckliga för att konstruera en robust klassificerare. För att lägga en stark grund för undersökningen inleds forskningen med en omfattande litteraturgenomgång av studier om igenkänning av övningar. Därefter genomförs en explorativ dataanalys för att få värdefulla insikter om egenskaperna hos övningsdatan. Dataförberedelsen innefattar olika tekniker såsom rengöring, funktionsteknik, skalning, provtagning och kodning för att optimera datan för modellering. Dessutom används signalbehandlingstekniker för att extrahera relevanta egenskaper från övningsdatan. En testprotokoll etableras, bestående av två uppsättningar med tio övningar. Varje övning utförs med ett slumpmässigt antal repetitioner, från 5 till 12 repetitioner. Insamlingen av data utförs med deltagande av tio individer som använder Exxentric-appen på sina smartphones. Olika typer av klassificerare tränas med hjälp av data från Exxentricdatabasen och testas på den insamlade datan på plats genom att använda de genererade egenskaperna. Dessutom undersöks en CNN-klassificerare som enbart använder vinkelhastighet som indata. En jämförande analys utförs på utvärderingsmåtten för modellerna. Slutsatsen är att även om det inte var möjligt att uppnå en korrekt klassificering för alla tio övningar, uppvisade CNN-modellen, med enbart vinkelhastighet som indata, lovande resultat. Noterbart är att knäböjningar korrekt förutsades 95% av tiden, vilket är den mest framträdande observationen. Modellen visade även betydande noggrannhet vid korrekt identifiering av stående rodd (72%), marklyft (72,2%), stående vadpress (70,6%) och bicepscurls (67%). Ytterligare forskning motiveras för att förbättra effektiviteten och noggrannheten hos modeller för klassificering av övningar. Detta inkluderar att utforska alternativa metoder för indata och att förbättra teknikerna för funktionsteknik för att vidareutveckla området.

No description available.

The project Austerland Energi at the eastern tip of the island of Gotland called Östergarnslandet was started as a response to the larger project Omställning Gotland funded by the Swedish government as an effort for a pilot project to convert to renewable energy to reach zero CO2-emissions for the country in 2045. The current plan for the Austerland energy system is a solar PV and wind production base with energy storage in the form of batteries and hydrogen which also can be used as vehicle fuel. The system will also continue to be connected to the grid and the annual electricity consumption for the area is 3.4 GWh, including both households and agricultural activities. The energy system has been modeled by Energenious, a company based in Berlin, Germany, who recommended a battery storage and electrically driven vehicles. The total investment cost of which was 30.099 MSEK and the operation and maintenance cost was 2,780 kSEK/year and the emission rate was 138 ton/year.  The yearly global horizontal irradiance is approximately 1,060 kWh/m2 at the location, the average wind speed is 7.5-8.5 m/s at 100 m hub height, but the wind turbine would have to be lower because of the Östergarnslandet being a protected area for the beautiful scenery. The heat production is mostly individual for each household or farm with either heat pumps or biomass boilers. There are no options for hydropower at the location and there is a desalination plant and a water treatment facility which provides the households and farms with drinking and irrigation water. The alternative energy storage solutions investigated in this thesis includes Flywheel, Redox flow battery, Pumped hydro, Deep Sea pumped hydro, Supercapacitors, Compressed air energy storage and Thermal energy storage. The first three of which were included in the models of the system. For the Future scenario changes of the energy consumption, the patterns of change for the households were based on national and regional trends the last 25 years.  The Austerland energy system was modeled using the software Homer Pro, where the base case of using batteries and batteries together with hydrogen storage was analyzed. The batteries were then switched to flywheels, a redox flow battery and a pumped hydro system respectively and analyzed with and without the hydrogen storage. The results showed that the recommended storage solution was still the batteries since the flywheel storage has too short storage duration, the flow battery storage is more expensive, and the pumped hydro storage has a complicated installation process. However, the recommended size of the batteries was half that of the recommended size provided by the Energenious models and the results also showed that the system would be suitable for a future change of the consumption patterns.  Lastly, the sustainability analysis showed that all the alternative energy storage devices have a slightly less CO2-emission rate, but none of the systems had a emission rate as low as that calculated by Energenious. However, when considering any of the components in an energy system, a more thorough investigation of environmental and social issues of the production process should be made. The investigation should include studying working conditions, wages, suspicions about child labour, process waste streams and other emissions streams and ethical values at the production company. / Projektet Austerland Energi är lokaliserat på ön Gotlands östra spets kallat Östergarnslandet. Projektet startades som ett efterfrågat initiativ genom det större projektet Omställning Gotland vilket är finansierat av den svenska regeringen. Omställning Gotland är för ett pilotprojekt för att ställa om till förnybar energi i landet och för att nå netto noll CO2-utsläpp i landet år 2045. Den nuvarande planen för Östergarns energisystem är en solcells- och vind produktions bas med energilagring i form av batterier och vätgas vilket också kan användas som fordonsbränsle. Systemet kommer även fortsättningsvis att vara anslutet till det lokala elnätet och den årliga elförbrukningen för området är 3.4 GWh inklusive både hushåll och lantbruksverksamhet. Energisystemet har modellerats av Energenious, ett företag baserat i Berlin, Tyskland, som rekommenderade batterilagring och elfordon snarare än att använda vätgas. Den totala investeringskostnaden var beräknad till 30,099 MSEK och drift- och underhållskostnaden var 2,780 kSEK/år och CO2-utsläppen var 138 ton/år.  Den årliga solinstrålningen på Östergarn är cirka 1,060 kWh/m2, medelvindhastigheten är 7.5-8.5 m/s vid 100 m navhöjd, men vindkraftverket måste vara lägre än så eftersom Östergarnslandet är ett skyddat område på grund av det vackra landskapet. Värme förses mestadels individuellt för varje hushåll eller gård med hjälp av antingen värmepumpar eller värmepannor som använder biomassa. Det finns ingen möjlighet för vattenkraft på denna del av Gotland men det finns en avsaltningsanläggning och en vattenreningsanläggning som förser hushållen och gårdarna med dricksvatten och vatten för bevattnings. De alternativa energilagrings lösningar som undersöks i denna avhandling inkluderar svänghjul, redox flödesbatteri, ett pumpkraftverk antingen på land eller till havs, superkondensatorer, trycklufts lagring och lagring av termisk energi. De tre förstnämnda alternativen ingick i modelleringen utförd i detta arbete. För undersökningen av framtida energiförbruknings förändringar, undersöktes utvecklingen för hushållen på nationella och regional nivå under de senaste 25 åren. Austerlands energisystem modellerades med hjälp av programvaran Homer Pro, där originalmodellen med endast eller batterier tillsammans med vätgaslagring analyserades. Batterierna byttes sedan till svänghjul, ett redox flödesbatteri respektive ett pumpkraftverk och analyserades med och utan vätgaslagringen. Resultaten visade att den rekommenderade lagringslösningen fortfarande var batterierna eftersom svänghjulet har för kort lagringstid, flödesbatteriet är för dyrt och pumpkraftverket har en mycket mer komplicerad installationsprocess. Den rekommenderade storleken på batterierna visade sig dock vara hälften av den rekommenderade storleken från Energenious-modellerna och resultaten visade också att systemet kommer vara lämpligt för den beräknade framtida konsumtionen. Slutligen visade hållbarhetsanalysen att alla alternativa energi lagringstyper har en något lägre koldioxidutsläpp, men inget av systemen hade en så lågt utsläpp som beräknat av Energenious. När någon av komponenterna i ett energisystem övervägs bör dock en mer grundlig undersökning av miljömässiga och sociala frågor i produktionsprocessen göras. Undersökningen bör omfatta arbetsvillkor, löner, misstankar om barnarbete, avfallshantering och andra utsläpp under produktionsprocessen och etiska värderingar hos produktionsföretaget.

The objective of the first part of master’s thesis is mapping the potential of various types of renewable sources in Europe and Czech Republic, especially solar energy, wind energy, water energy and biomass. There are described principals and ways of energy generation from these sources, brief overview of current technologies, and also their advantages and limitations. An important part is electric supply continuity from renewable sources, there are large differences and the resulting to restrictions on construction and connecting the units to the power system. In this work there are mentioned some impacts on network and rates of change of supply, some sources are also evaluated in terms of maximum power, that can be connected to the power system in our country. The conclusion of the first part is dedicated to energy storage technologies, which are suitable and usable for renewable sources, there are described their principals, properties, status of development and types of aplications, in which these technologies are used. This chapter also focusses on the price level of each technology. The second part of the thesis deals with 1 MWp on-grid photovoltaic power plant design. This design includes also the redox flow batteries accumulation, the first variant calculates on 24-hour steady energy supply, the second optimalized variant calculates on daily energy supply. There are the accumulation system costs estimated and also the payback period for the both variants. Additionally there is also determined minimum penalization for cost-effective operation. The last part is dedicated to changes of impact on the local grid and changes of system impacts, after the accumulation system is installed.