Contest Mechanism Design with Budget-Constraint Agents

임재홍 서울대학교 대학원 2022 국내석사

In this paper, I analyzed how inserting of budget constraint assumption makes difference with the results of previous studies on contest mechanism design problems such as optimal contest mechanism design and affirmative action design. When there are some budget-constrained agents, mechanism designers have to think over not only the best way to balance gains (desirable allocation) and losses (wasteful cost) from the contest but also the best way to balance allocation of budget-constrained agents and budget-free agents. Compared to assortative matching mechanism, random matching mechanism and coarse matching mechanism are more likely to balance allocation of budget-constrained agents and budget-free agents well. Since random matching mechanism and coarse matching mechanism make participants waste less resources in signaling, they relieve some problems caused by budget constraints. When affirmative action is implemented, therefore, random matching mechanism and coarse matching mechanism allow agents with budget constraint problems to win for open seats. Consequently, more minority people are expected to achieve school seats under random or coarse matching mechanism.

Topology Optimization for Mechanism Synthesis Considering Dissimilar Mechanical Components

임능환 서울대학교 대학원 2023 국내박사

The mechanism topology optimization design approach offers several advantages, including the ability to synthesize mechanisms of various topologies and dimensions without the need for preliminary design outlines. This approach has been successful in designing innovative general mechanical devices. The majority of general mechanical devices consist of rigid links and joints, whereas robotic mechanisms incorporate dissimilar mechanical components, including elastic components, gear components, and pulley components, to improve performance. Unfortunately, previous mechanism topology optimization approaches have only been capable of synthesizing rigid links and joints, thereby limiting their applicability to robotic mechanisms. To overcome this limitation, this dissertation proposes an integrated design strategy for rigid-elastic mechanical components, with a focus on a lightweight and cost-effective 1-DOF planar mechanism with a single driving actuator. This dissertation considers two types of 1-DOF planar mechanisms: 1-DOF fully actuated and 1-DOF underactuated mechanism. The fully actuated mechanism can be synthesized using various dissimilar rigid mechanical components and is ideal for performing precise operations. On the other hand, the underactuated mechanism can be designed by incorporating both elastic and rigid mechanical components, and its underactuated DOF from the elastic components can be utilized to overcome obstacles or adapt to changes in the surrounding environment. To incorporate dissimilar mechanical components into the mechanism topology optimization approach, the proposed technique utilizes a novel shape spring connected rigid block model (shape-SBM). This model represents the topology and dimensions of diverse mechanisms using fewer design variables and a low discretization resolution. To represent multiple mechanical components, an integrated modeling method is necessary, and the proposed stacking method of the multi-component design space over the shape-SBM serves this purpose. Furthermore, the dissertation suggests new definitions of gear and pulley blocks, which correspond to gear and pulley components, respectively. Additionally, spring components connecting the mass centers of rigid blocks are also taken into consideration for spring components, which provide an elastic force corresponding to changes in elongations. To define each component-related design space, we discretize the design domain with gear blocks, pulley blocks, and spring components respectively. These component design spaces are then stacked over the linkage design space, which is the shape SBM with a rigid block. For the component design space, the corresponding rigid block is placed over the gear and pulley blocks with artificial zero-length springs connecting the gear block and pulley block to a rigid block at the four corners, known as gearing springs and pulley springs, respectively. In the case of spring components, we use spring configurations that utilize the stiffness value to represent the spring itself. This modeling method is referred to as multi-stacked SBM. Through this approach, the shape of the blocks and the stiffness values of the various springs can describe the various mechanism topologies and dimensions. To achieve efficient mechanism topology synthesis, we define an optimization formula based on the integrated mechanical components modeling approach (multi-stacked SBM). Given that the mechanism comprises nonlinearity and many design variables, gradient-based optimization methods are more effective for mechanism topology optimization than global optimization. Accordingly, we formulate new definitions of the objective function and constraint equations to determine the shape of the blocks and the stiffness value of the various springs, thus enabling efficient optimization. Our proposed method utilizes a multi-stacked SBM and optimization formulation. In order to validate its effectiveness, we will apply this approach to the synthesis of gear-linkage mechanisms, pulley-linkage mechanisms, and spring-linkage mechanisms, each with varying topologies and dimensions. Although each synthesis problem will be considered with its corresponding stacked-SBM separately in this dissertation, we anticipate that this technology will enable the integration and expansion of rigid-elastic mechanism synthesis and the synthesis method for integrated dissimilar mechanism components. Furthermore, we expect that this technology will encompass not only gear, pulley, and spring components but also other dissimilar mechanism components. 기구 위상 최적 설계는 초기 설계안이 없어도 다양한 위상과 치수의 기구를 합성할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 이러한 이유로 기구 위상 최적 설계 방법은 일반적인 기계장치를 설계함에 있어 창의적인 결과를 얻을 수 있었습니다. 일반적인 기계장치의 경우 주로 강체 링크와 조인트로 구성되어 있지만, 현재 로봇 메커니즘의 경우 민첩성 및 적응성과 같은 로봇 성능을 구현하거나 개선하기 위하여 다양한 이종 기구 요소와 탄성체 요소가 적극적으로 사용되고 있습니다. 그러나 기존 기구 위상 최적 설계 기법의 경우 강체 링크와 조인트로 구성된 기구만 합성 가능하기에, 다양한 이종 요소와 탄성체 요소에 대한 고려가 필요한 로봇 메커니즘에 적용하는 데는 한계점이 존재했습니다. 이에 이번 학위 논문에서는 위상 최적 설계 기반의 다중 강체-탄성체 기구 요소 통합 설계 기술을 제안하려 합니다. 다중 강체-탄성체 기구 요소 통합 설계를 제안하기 위해서는 다음 두 가지 문제를 해결해야 합니다. 첫 번째는 다양한 기구 요소의 위상과 치수를 표현할 수 있는 모델링이 필요하며, 두 번째는 이를 합성하기 위한 최적화 알고리즘을 정식화해야 합니다. 이 때, 통합 설계 기술의 대상은 하나의 구동기로 구성된 1자유도 메커니즘의 경로 생성 문제로 제한합니다. 1자유도 메커니즘의 경우 적은 구동기를 사용하기 때문에 저렴하며, 적은 무게를 갖기 때문에 로봇 메커니즘 적용에 적합합니다. 기구 위상설계 방법을 적용하기 위해서는 다양한 기구요소의 위상과 치수를 하나의 모델링으로 표현할 수 있는 모델링이 필요합니다. 이전 강체 링키지 기구의 기구 위상설계 방법론의 경우 설계 공간을 강체 블록과 강체 블록 간을 연결하는 스프링으로 이산화하여 표현하였습니다. 이때 각각의 강체 블록은 강체 링크를 의미하며, 연결되어 있는 스프링의 강성 조합으로 링키지 기구의 위상과 치수를 표현하였습니다. 본 학위 논문에서는 이산화된 강체 스프링 블록 모델을 기반으로 다양한 기구요소의 위상과 치수를 표현하고자 하며, 적은 설계 변수로 다양한 기구의 위상과 치수를 표현하기 위하여 강체 블록의 모양과 강체 블록의 질량 중심까지 고려할 수 있는 형상 강체 스프링 블록 모델을 새롭게 제안합니다. 다양한 기구의 구성 요소를 다루기 위해서는 새로운 통합 기구 요소 모델링이 필요합니다. 이번 학위논문에서 제안하는 다중 기구요소 통합 모델링의 가장 핵심 아이디어는 각각의 기구 설계 공간을 적층하는 방법입니다. 이를 위해, 기어요소와 풀리요소에 해당되는 기어블록과 풀리블록을 새롭게 정의하고, 강체블록의 질량중심을 서로 연결한 스프링 요소를 정의하였습니다. 각각의 블록들을 가지고 기구 요소에 해당되는 기구 설계 공간을 정의하며, 이를 링키지 설계 공간과 적층하여 사용합니다. 이때, 기어블록과 풀리블록은 링키지 설계 공간의 강체블록들과 스프링으로 연결되어 사용됩니다. 이러한 다중 기구 적층 모델을 사용하면, 다양한 기구의 위상과 치수를 연속 설계 변수를 통해 표현할 수 있습니다. 다양한 기구요소를 다루기 위해서는 새로운 통합 기구 요소 모델링이 필요합니다. 이 학위 논문에서 제안하는 다중 기구요소 통합 모델링의 가장 핵심 아이디어는 각각의 기구 설계 공간을 적층하는 방법입니다. 제안하는 다중 기구 요소 모델링의 경우 앞서 제시한 스프링 강체블록 모델에 기반하기 때문에 각각의 기구요소를 강체블록으로 적절하게 표현하는 것이 필요합니다. 이를 위해, 강체 이종 기구요소인 기어요소와 풀리요소에 해당되는 블록인 기어블록과 풀리블록을 새롭게 정의하고, 강체블록의 질량 중심을 서로 연결한 스프링 요소를 정의하였습니다. 기어블록은 입력 운동에 따라 특정 기어비를 가지고 회전하며, 풀리블록은 다른 강체블록들과 특정 각도 관계를 가지고 회전하는 블록을 의미합니다. 마찬가지로 스프링 요소의 경우도 늘어나거나 줄어든 거리에 비례하는 탄성력을 갖는 기구요소를 의미합니다. 이렇게 정의된 각각의 블록들을 가지고 기구요소에 해당되는 기구 설계 공간을 정의하며, 각각의 기구 설계 공간은 링키지 설계 공간과 적층하여 사용됩니다. 이때, 기어블록과 풀리블록은 링키지 설계 공간의 강체블록들과 4개의 꼭지점이 길이가 0인 스프링으로 연결되어 사용됩니다. 연결된 스프링이 최대 강성을 가지게 된다면, 해당 강체블록은 링크가 아닌 기어 요소 역할을 하게 되며, 연결된 스프링이 최소 강성 값을 갖게 되면 해당 강체블록은 그대로 링크의 역할을 유지하게 됩니다. 풀리 요소도 이와 마찬가지입니다. 스프링 요소의 경우, 스프링 자체의 강성 값이 직접적인 기구의 구성을 의미하도록 모델링하였습니다. 이러한 다중 기구 적층 모델을 사용한다면, 블록의 모양과 다양한 종류의 스프링의 강성값을 나타내는 연속 설계 변수를 통하여 다양한 기구의 위상과 치수를 표현할 수 있습니다. 제안하는 통합설계 기술은, 앞서 제안한 통합 기구 요소 모델링에 적합한 최적화 정식화가 새롭게 필요하기에, 최적화 알고리즘을 기반으로 합니다. 기구의 운동은 비선형성을 가지고 있기 때문에, 기구를 합성하는 데에는 민감도 기반의 최적화 알고리즘이 전역 최적화보다 효율적입니다. 이를 위해 연속 설계 변수로 표현된 블록의 모양과 스프링의 강성 값과 관련된 목적함수와 제한함수를 새롭게 정의하였습니다. 목적함수로는 기존의 링키지 기구 위상설계 방법에서 사용한 일전달 효율 함수를 사용하였으며, 제한함수로는 엔드이펙터에서의 생성경로와 목적경로와의 유클리디안 차이를 사용하였습니다. 또한, 주변 환경 변화에 대한 고려가 필요한 강체-탄성체 기구 합성 문제의 경우, 목적함수로 일전달효율함수에서 변형된 에너지기반의 함수를 새롭게 정의하여 사용하였습니다. 이 방법론은 다양한 위상과 치수의 기어-링키지 기구, 풀리-링키지 기구, 스프링-링키지 기구가 효율적으로 합성됨을 다양한 기구 예제를 통해 확인하였습니다. 더 나아가, 주변 환경 변화의 크기가 0인 경우를 기존 완전 구동 기구 합성 문제와 같기 때문에, 본 학위 논문에서 나누어 설명한 강체-탄성체 기구 요소 통합설계기술과 다중 강체 기구 요소 통합기술을 동시에 통합하여 확장할 수 있습니다. 더불어, 본 방법론은 기어, 풀리, 스프링 등 이종 기구 요소까지 확장하여 적용할 수 있습니다.

Unified Topology and Shape Optimization of Linkage Mechanisms Simultaneously Considering Kinematic and Compliance Characteristics

한상민 서울대학교 대학원 2020 국내박사

Mechanism synthesis based on topology optimization has recently received much attention as an efficient design approach. The main thrust behind this trend is the capability of this method to determine automatically the topology and dimensions of linkage mechanisms. Towards this direction, there have been many investigations, but they have thus far focused mainly on mechanism synthesis considering kinematic characteristics describing a desired path or motion. Here, we propose a new topology optimization method that synthesizes a linkage mechanism considering not only kinematic but also compliance (K&C) characteristics simultaneously, as compliance characteristics can also significantly affect the linkage mechanism performance; compliance characteristics dictate how elastic components, such as bushings in a vehicle suspension, are deformed by external forces. To achieve our objective, we use the spring-connected rigid block model (SBM) developed earlier for mechanism synthesis considering only kinematic characteristics, but we make it suitable for the simultaneous consideration of K&C characteristics during mechanism synthesis by making its zero-length springs multifunctional. Variable-stiffness springs were used to identify the mechanism kinematic configuration only, but now in the proposed approach, they serve to determine not only the mechanism kinematic configuration but also the compliance element distribution. In particular, the ground-anchoring springs used to anchor a linkage mechanism to the ground are functionalized to simulate actual bushings as well as to identify the desired linkage kinematic chain. After the proposed formulation and numerical implementation are presented, three case studies to synthesize planar linkage mechanisms were considered. Through these case studies, we verified the validation of the proposed approach and proved that the proposed methodology could solve problems when existing methods could not. After the effectiveness of the proposed method is demonstrated with a simplified two-dimensional vehicle suspension design problem, the proposed methodology is applied to design a three-dimensional suspension. To deal with three-dimensional mechanisms, a spatial SBM is newly developed because only planar SBMs have been developed. Furthermore, a set of design variables which can vary bushing stiffness are newly introduced. Using the proposed method, it was possible to successfully synthesize two types of suspension mechanisms which have similar kinematic characteristics to each other but different compliance characteristics. By using the proposed method simultaneously considering kinematic and compliance characteristics, a unique suspension mechanism having an integral module which is known to improve R&H performances was synthesized. In this study, although applications were made only to the design of vehicle suspensions, other practical design problems for which K&C characteristics must be considered simultaneously can be also effectively solved by the proposed approach. This study is expected to pave the way to advance the topology optimization method for general linkage mechanisms considering kinematic characteristics but also the other characteristics such as force-related characteristics. 위상 최적화(topology optimization) 기법을 이용한 한 기구 합성(mechanism synthesis)은 그 효율성으로 인해 최근 많은 주목을 받고 있다. 이러한 추세의 주 원인은 기구 위상 최적화 기법으로 인해 기구의 위상(topology)과 치수(dimension)를 자동으로 합성할 수 있기 때문이다. 이러한 방향성을 가지고 지금까지 많은 연구들이 진행되어 왔지만, 지금까지 진행된 연구들은 모두 경로 합성이나 운동 합성과 같이 기구학적 특성을 고려하는 데에만 관심이 집중되었다. 본 연구에서는 기구의 기구학적 특성(kinematic characteristics)과 컴플라이언스 특성(compliance characteristics)을 동시에 고려할 수 있는 새로운 기구 위상 최적화 기법을 제안한다. 기구학적 특성은 기구 설계에 있어 매우 중요한 특성이지만, 외력이 작용하였을 때 자동차 서스펜션(vehicle suspension)의 부싱(bushing)과 같은 탄성 요소들의 변형으로 인해 나타나는 컴플라이언스 특성 또한 기구 설계 시 고려해야 할 중요한 특성이기 때문이다. 새로운 기구 위상 최적화 기법을 위해 우리는 기구학적 특성만을 고려하기 위해 개발되었던 스프링-연결 블록 모델(spring-connected block model)을 기구학적 특성과 컴플라이언스 특성을 동시에 고려할 수 있도록 고안하였다. 기존의 스프링-연결 블록 모델에서는 기구학적 연결 관계만을 표현하는데 사용되던 가변 강성 스프링을 본 연구에서는 기구학적 연결 관계뿐 아니라 실제 부싱을 표현하도록 다목적으로 활용하여 기구학적 특성과 컴플라이언스 특성을 하나의 모델링을 통해 성공적으로 표현하였다. 개발한 방법론의 효과를 입증하기 위해 평면 기구 합성을 목표로 한 세 종류의 사례 연구(case study)를 진행하였고, 이러한 사례 연구를 통해 우리는 제안한 방법이 기존의 방법으로는 해결할 수 없는 문제 상황을 해결할 수 있음을 확인하였다. 개발한 방법론을 보다 실용적인 문제에 적용하기 위해 3차원 자동차 서스펜션(vehicle suspension) 설계 하고자 하였으며, 이를 위해 스프링-연결 블록 모델을 3차원으로 확장하였다. 또한, 보다 실용적인 설계 결과 도출을 위해 2차원 사례 연구에서는 사용하지 않았던 부싱 강성 조절 설계 변수를 추가적으로 도입하여, 부싱 강성도 동시에 설계를 진행하였다. 3차원 서스펜션 설계는 기구학적 조건은 동일하지만, 컴플라이언스 특성은 다른 두 가지 조건에 대해 진행되었으며, 두 설계 조건에서 모두 서스펜션 합성에 성공하였다. 특히, 두 서스펜션의 결과 위상이 서로 다른 것을 확인할 수 있었는데, 이를 통해 기구학적 조건은 동일하되 컴플라이언스 조건이 달라지면 결과 위상이 달라질 수 있음을 확인하였고, 개발한 방법론을 통해 설계 조건에 맞는 기구의 위상과 치수 그리고 필요한 부싱 강성까지도 성공적으로 설계할 수 있음을 증명하였다. 본 연구는 컴플라이언스 조건이 특히 중요시 되는 자동차 서스펜션을 설계하는데 집중하였지만, 개발한 방법론은 기구학적 특성과 컴플라이언스 특성이 모두 요구되는 다른 설계 문제에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 이 연구는 기구학적 특성뿐만 아니라 힘과 관련된 다른 특성을 고려한 일반적인 기구 위상 최적화 기법으로의 발전에 기여할 것으로 기대된다.

Study of Soil-Tine Interaction for the Application of Automated Mechanical Weeder

Kshetri, Safal Iowa State University ProQuest Dissertations & The 2020 해외박사(DDOD)

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Mechanical cultivation is common weed control method for organic farming. A wide variety of mechanical tool designs exist for mechanical cultivation applicable for inter-row and intra-row weeds. Some of the tool designs for intra-row weeding require active control in the row and sometimes between the rows. For these tools, the knowledge of soil disturbance and forces at different operational settings could help achieve desired weeding performance from the tools. Information on soil disturbance could help when making operational decision that focus on damaging weeds without harming the crops. Understanding soil reaction forces on a weeding tool could be valuable for achieving desired movement of the tool required for higher weeding efficacy. Soil disturbance and forces are two important aspects which could be explored using soil-tool interaction study to optimize settings and design of a weeding tool to achieve higher weed control. In this research, interactions between soil and tines of an intra-row weeder prototype were investigated for effective weeding. The prototype consisted of vertical rotating tines for weeding which were intended to move in and out of the crop row by an actuator.The first objective of this research was to develop a method to investigate the effects of soil and tool interaction on weeding performance for different settings in a controlled environment. Specifically, the effects of tines on small wooden cylinders, used as simulated weeds, were investigated through soil disturbance at different settings. Experiments for the study were conducted using a single cylindrical tine and a rotating tine mechanism in a loam soil. The total width of the soil disturbance and potential weeding rate were evaluated for the single cylindrical tine at different tine diameters (6.35 mm, 7.94 mm and 9.53 mm), working soil depths (25.4 mm, 50.8 mm and 76.2 mm) and two tine speeds (0.23 m/s and 0.45 m/s). The width of soil disturbance increased with increasing test levels of depth and diameters, while there was no significant evidence that tine speeds affected the width of soil disturbance. Potential weeding rate for a single tine was found to be affected by tine diameter, working depths and tine speeds. Particularly, the potential weeding rates increased with increasing levels of the three parameters. For the rotating tine mechanism, potential weeding rate was analyzed at different working soil depths (25.4 mm and 76.2 mm) and rotational speeds (25, 50 and 100 rpm). The potential weeding rate for the mechanism was found to increase for higher levels of working soil depths and rotational speeds. A simulation was developed to estimate area of soil disturbance caused by rotating tine mechanism at the same settings used in the experiment for the mechanism. The simulation results showed the percentage of disturbed soil area matched the patterns of the percentage of disturbed simulated weeds in the experiment. For the second objective of the research, models were developed to estimate soil forces on a vertical tine of a rotating tine mechanism operating at different linear and rotational velocities. Separate models were developed for longitudinal and tangential forces which relate to horizontal draft force and torque on the tine, respectively. The models used longitudinal velocity and speed ratio as kinematic parameters associated with linear and rotational velocities. Longitudinal velocity was the forward traveling velocity of the rotating tine mechanism across the soil bin length. Speed ratio was the ratio of longitudinal velocity to peripheral velocity of the tines due to rotation of the mechanism. The models also accounted for shearing and inertial forces on the tine and associated coefficients were acquired empirically. Two sets of soil bin experiments were conducted using artificial soil: (i) with one tine to estimate the coefficient values and (ii) with two tines 180o apart to evaluate model performance. A working soil depth of 70 mm and tine diameter of 6.35 mm were used for both experiments. In the experiments, horizontal draft force and torque were measured across variation of two experimental factors: longitudinal velocity and speed ratio. Three levels of longitudinal velocity were 0.09 m/s, 0.29 m/s and 0.5 m/s, and three levels of speed ratio were 1, 1.5 and 2. The coefficients estimated by curve fitting experimental data using nonlinear least squares method yielded values of KS ranging from 2.96 to 37.5 N and KI ¬ranging from 16.6 to 528 N-s2-m-2 for the treatments. The different values of the coefficients captured the variation in shearing and inertial forces on the tine due to difference in patterns of soil failure among the treatments. The means of longitudinal and tangential forces predicted using the model for two tines 180o apart had trends similar to those of means of respective measured forces for different treatments. However, the model underestimated the predicted forces because it did not account for the reduced force on a tine due to soil disturbance created by the other tine.In the research, the third objective was to study the effects of linear and rotational velocities on horizontal draft force and torque on the rotating tine mechanism operating in the soil. Experiments were conducted using the rotating tine mechanism consisting of four vertical cylindrical tines 6.35 mm in diameter in a soil bin with loam soil. The working soil depth of 70 mm was used throughout the experiment, and draft force and torque were investigated across different levels of longitudinal velocity and speed ratio. In the study, three levels of longitudinal velocity (0.09 m/s, 0.29 m/s, 0.5 m/s) were used for both draft force and torque. Four levels of the speed ratio (0, 1, 1.5 and 2) were used for investigating draft force and torque. Analysis of Variance (ANOVA) was conducted using significance level of 5%. The result showed the draft force, in general, decreased with increasing levels of speed ratio for the three levels of longitudinal velocity. The torque for different longitudinal velocity was found to increase, for most cases, as the speed ratio increased. These relationships were non-linear and exhibited large variability likely due to complex physical process that occurred during dynamic interaction between soil aggregates and tines of the mechanism. The results suggest that linear travel and rotational velocities can be optimized to manipulate draft force and torque of the rotating tine mechanism while targeting for desired weeding performance.

MECHANISM OF GLYCOSIDE HYDROLASE FAMILY 31 : MECHANISTIC PLASTICITY OF GLYCOSIDIC BOND CLEAVAGE

이승서 University of British Columbia 2004 해외박사

글라이코사이드 가수분해효소군 31은 글라이코사이드에 대해서 여러 가지의 다른 반응을 촉매 하는 효소들로 이뤄져 있다. 이 반응들 중 대표적인 것으로 일반적인 리테이닝 글라이코시데이즈들이 행하는 반응센터의 입체구조의 불변을 수반하는 가수 분해 외에도 특이하게도 제거반응이 있다. 같은 유전자군내의 효소들의 구조와 반응메커니즘은 일반적으로 보존되기 때문에 이 두 반응의 메커니즘은 비슷할 것으로 예상된다. 이에 이 효소군 31의 세가지 효소에 대하여 연구가 수행되었다. 아스퍼질러스 나이저로부터 분리된 리테이닝 알파-글루코시데이즈가 이중 치환 메커니즘을 이용한다는 것이 밝혀졌는데 이를 위하여 메커니즘 응용 활성저하시약인 5-플루오로-알파-글루코실 플루오라이드를 이용하여 공유결합 중간체가 존재한다는 것을 밝혔다. 중간체를 만드는데 참여하는 아미노산 잔기는 224번 아스파테이트라는 것이 병렬식 메스 스펙트럼을 이용하여 밝혀졌는데 이 잔기는 효소군 31을 통틀어 보존되어 있는 잔기이고 이전부터 중간체의 공유결합에 참여할 것으로 제시되어왔다. 가수분해효소군에 속해 있으면서도 알파-1,4-글라이코시딕 결합을 가수분해가 아닌 제거반응으로 끊어내는 특이한 효소인 알파-1,4-글루칸 라이에이즈에 대한 연구가 뒤따랐다. 또 다른 알파-글루코시데이즈의 인히비터인 5-플루오로-베타-아이도실 플루오라이드와의 반응을 통하여 이 효소 또한 공유결합 반응 중간체를 형성한다는 것이 밝혀졌으며 이는 가수분해 효소와의 공통적인 메커니즘을 수행한다는 강력한 증거중의 하나이다. 이 시약에 의하여 표지가 된 아미노산 잔기 또한 이 효소군에 공통적인 553번 아스파테이트, 즉 이미 앞에서 밝혀진 알파-글루코시데이즈의 224번 아스파테이트에 해당한다. 상세한 메커니즘 연구도 수행되었다. 산도에 따른 활성 변화도는 종모양을 띄며 이는 엑티브 사이트에 이온화하는 그룹이 두 개는 존재함을 의미한다. 이 효소의 일련의 아릴글루코사이드 기질들에 대한 두 반응속도상수들의 로그치와 산성분해상수의 상관관계를 관찰하는 브뢴스테드 상관관계를 보면 둘 다 하강직선을 보여주며 브뢴스테드 상수는 각각 -0.32, -0.33이다. 이 브뢴스테드 상수는 의미 있는 크기 (1.16 ? 1.19) 를 보여주는 알파 2차 중수소 동위원소 속도효과와 더불어 반응의 첫 단계인 글라이코실레이션의 전이상태에 글라이코시딕 결합이 크게 잘라져 있으며 동시에 수소이온이 리빙그룹의 산소에 상당부분 전달되어있는 상태라는 것을 보여준다. 이에 따라 반응탄소원소에 양전하가 발생하게 되는데 이는 아카보스와 1-디옥시노지리마이신에 의한 강력한 활성저하 효과에 의하여도 증명이 되며, 강한 음전기성을 띤 플루오린에 의한 반응탄소의 옆 수소의 치환에 의한 반응 속도 저하 현상을 통하여도 증명이 된다. 오로지 하나의 기질만이 효소반응의 두번째 단계인 제거반응 단계가 속도 결정단계였는데 이는 5-플루오로 알파-글루코실 플루오라이드이다. 이 기질과의 반응에서 1번 탄소에서 알파 2차 중수소 동위원소 속도효과의 큰 값이 측정되었고 (1.23), 2번 탄소에서 1차 중수소 동위원소 속도효과의 비교적 작은 값이 측정되었다 (1.92). 이는 제거반응의 메커니즘이 E1 성질을 상당히 띤 E2 반응 메커니즘임을 보여준다. 라이에이즈 반응 메커니즘과 가수분해 효소 메커니즘과의 이런 전반적인 유사성은 글라이코시딕 결합 분해에 있어서의 진화를 통한 메커니즘적인 유연성을 의미한다. 마지막으로, 이콜라이로부터 아미노산 잔기 배열이 효소군 31의 효소들과 유사성을 가진 단백질 (YicI) 을 복제하였고 이 단백질이 ?알파-자일로시데이즈라는 것을 밝혔다. 이를 위하여 두 개의 메커니즘 응용 활성저하시약이 새로이 합성되었으며 이들은 (5S)와 (5R)-5플루오로-알파-자일로실 플루오라이드이다. 이 새로운 시약들은 자일로시데이즈의 활성을 저하시켰으며 또한 반응에 관여하는 아미노산 잔기를 표지하였다. 이 아미노산 잔기는 이 효소군 31에 공통적인 416번 아스파테이트로서 전 효소군에 걸친 메커니즘의 일치성을 보여준다. Glycoside hydrolase (GH) family 31 contains enzymes that catalyze several different reactions on glycosides. These include a nucleophilic substitution reactions with net retention of stereochemistry, common to retaining glycosidases, as well as an unusual β-elimination reaction. Since structures and mechanism are expected to be conserved in the same gene family, the two mechanisms were expected to feature common aspects. Three different GH family 31 enzymes were therefore studied. A double displacement mechanism for the retaining α-glucosidase from Aspergillus niger was shown via trapping of a covalent glycosyl-enzyme intermediate with the mechanism based inactivator 5-fluoro-α-D-glucopyranosyl fluoride. The amino acid residue involved, Asp 224, was identified by LC MS/MS analysis of proteolytic digests. This residue is fully conserved in GH family 31 and has been suggested to be the catalytic nucleophile. An unusual GH family 31 enzyme, the α-1,4-glucan lyase from Gracilariopsis sp. (GLase) that cleaves the glycosidic bond of α-1,4-glucans via a net β-elimination reaction was also studied. The trapping of a covalent glycosyl-enzyme intermediate using 5-fluoro-β-L-idopyranosyl fluoride, another mechanism based inactivator of α-glucosidases, strongly suggests that the mechanism also involves the formation of a covalent intermediate like that of α-glucosidases. The labeled amino acid residue was confirmed to be the highly conserved Asp 553, equivalent to Asp 224, the catalytic nucleophile in α-glucosidase from A. niger. A detailed mechanistic evaluation was also carried out. A classical bell shaped pH dependence of k_(cat)/K_(m) indicates two ionizable groups (pK_(a)₁ = 3.1, pK_(a)₂ = 6.7). Brønsted relationships of log k_(cat) versus pK_(a) and log (k_(cat)/K_(m)) versus pK_(a) for a series of aryl glucosides both show a linear monotonic dependence on leaving group pK_(a) with low β_(lg) values of -0.32 and -0.33, respectively. The combination of these low β_(lg) values with large α-secondary deuterium kinetic isotope effects (k_(H)/k_(D) = 1.16 ~ 1.19) on the first step indicate a transition state for the glycosylation step with substantial glycosidic bond cleavage and proton donation to the leaving group oxygen. Substantial oxocarbenium ion character at the transition state is also suggested by the potent inhibition afforded by acarbose and 1-deoxynojirimycin and by the substantial rate reduction afforded by adjacent fluorine substitution. For only one substrate, 5-fluoro-α-D-glucopyranosyl fluoride, was the second, elimination, step shown to be rate-limiting. The large α-secondary deuterium kinetic isotope effect (k_(H)/k_(D) = 1.23) at C1 and the small primary deuterium kinetic isotope effect (k_(H)/k_(D) = 1.92) at C2 confirm an E2 mechanism with considerable E1 character for this second step. This considerable structural and mechanistic similarity with retaining α-glucosidases is a clear example of the mechanistic plasticity of glycosidic bond cleavage through evolution. Finally, an unknown protein (yicI) whose sequence has high similarity with GH family 31 was cloned from E. coli. and shown to be an α-xylosidase. Two new mechanism-based inactivators for α-xylosidases, (5S)- and (5R)-5-fluoro-α-Dxylopyranosyl fluorides were synthesized and shown to inactivate this enzyme. The amino acid residue labeled by these inactivators was identified as the invariant catalytic aspartate residue Asp 416, demonstrating the integrity of the mechanism within this gene family.

자율이동 태양광 패널청소 로봇의 보행형 구동부 및 흡착 메커니즘 개발

장우진 서울과학기술대학교 2021 국내석사

본 연구는 경사 40도까지의 태양광 패널을 청소하기 위한 태양광 패널청소 로봇 구동부 메커니즘 개발을 다룬다. 로봇은 경사 패널 주행을 위해 진공 모터와 진공 패드, 솔레노이드 밸브가 사용되며, 캐터필러형이 아닌 보행형 타입의 구동부가 사용된다. 새로운 Linkage Mechanism이 적용된 보행형 타입 구동 메커니즘은 패드의 접힘, 불확실한 흡착 문제를 예방한다. 그리고 보행형 타입 구동 메커니즘은 로봇의 몸체 떨림을 방지한다. 새롭게 Linkage Mechanism이 적용된 구동부는 링크와 스퍼기어로 구성된다. 구동부 당 2개의 Driving Line이 장착된 1차 프로토타입과 구동부 당 3개의 Driving Line이 장착된 2차 프로토타입을 제작하고 주행 실험을 통해 두 모델의 성능을 비교해보았다. 2차 프로토타입을 제작할 때, Driving Line을 추가 장착하여 속도 증진, Delay가 제거된 연속 주행, 직진 보정 문제를 개선한다. 그리고 로봇의 방향 전환을 위해 중심축 역할을 하는 회전부를 활용하여 제자리 회전을 한다. 태양광 패널 청소 로봇은 Linkage Mechanism이 적용된 구동부와 진공 패드, 진공펌프가 함께 사용되어 주행한다. 그래서 패드의 공압 상태를 바꾸어주는 솔레노이드 밸브 ON/OFF 시간 제어가 필요하다. 패드의 빠른 탈착으로 인해 로봇이 추락하거나, 늦은 탈착으로 인해 강한 부하를 받게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 운동해석을 통해 안정적인 주행을 위한 솔레노이드 밸브 제어 시간을 찾는다. This study dealt with the development of a solar panel cleaning robot driving mechanism for cleaning solar panels up to 40 degrees inclination. The robot used a vacuum motor, a vacuum pad, and a solenoid valve to move on the inclined panel, and a walking type driving part was used instead of a caterpillar type. The new linkage mechanism applied to a walking type driving mechanism prevented the folding of pads and uncertain adsorption problems. The driving part with the newly applied linkage mechanism was composed of links and spur gears. The first prototype equipped with two driving lines per driving part and the second prototype equipped with three driving lines per driving part were produced, and the performance of the two models was compared through driving experiments. When producing the 2nd prototype, the driving line was additionally installed to improve speed, continuous driving without delay, and straight line correction. In addition, the robot could rotate in place using a rotating part that acted as a central axis to change the direction of the robot. This solar panel cleaning robot was driven by using a driving part applied with linkage mechanism, a vacuum pad, and a vacuum pump together. So, it is necessary to control ON/OFF time of the solenoid valve that changes the pneumatic state of the pad. The robot may slide down due to the rapid detachment of the pad, or the late detachment. To solve this problem, the control times of the solenoid valves for a stable driving were found through motion analysis.

Efficient Mechanism Design and Implementation of a Robotic Leg for Running Motion

Jungsoo Cho 서강대학교 일반대학원 2020 국내박사

The thesis aims to propose mechanism design guidelines, apply the proper mechanism design to a robotic leg of legged robots, and implement running. Running requires fast motion during the swing, great force production during the stance, and impact mitigation at the transition from swing to stance to legs. Therefore, running is believed to be the most challenging task that the legs must deal with. Leg mechanisms that can be divided into actuator configuration, segment ratio, overall length, and flexion direction are hypothesized to affect fast swing recovery, great force production, and impact mitigation, as mentioned above. The study has proved the hypothesis and further, design a robotic leg with running-adept mechanisms to implement running. The first objective is to define the metrics that can measure the important features of running, i.e., fast swing recovery, great force production, and impact mitigation, and analyze the mechanisms, i.e., actuator configuration, segment ratio, overall length, and flexion direction, with the metrics. The metrics of tangential mobility and radial force producibility are defined corresponding to the running requirements of fast swing recovery and great force production while the metric of maximum contact inertia is defined corresponding to the running requirement of impact mitigation. Each mechanism is intensively analyzed in view of these three metrics, i.e., tangential mobility, radial force producibility, and maximum contact inertia. Experimental results verify that the three metrics are affected by the mechanisms. The second objective is to propose mechanism design guidelines for running based on the previous analysis. Since tangential mobility and radial force producibility represent the tangential velocity of the tip with respect to joint angular velocities and the radial force of the tip with respect to joint torques, respectively, the larger the better. On the other hand, since maximum contact inertia represents the effective inertia felt at the tip, the smaller the better. According to the previous analysis, the mechanism of overall length has a clear trade-off. For example, the long overall length leads to the large tangential mobility and maximum contact inertia, and the small radial force production. Conversely, the short overall length leads to the large radial force production and maximum contact inertia, and the small tangential mobility. Therefore, the overall length is excluded from the design guidelines and instead, the overall length is fixed as a constant. Since actuator configuration is divided into serial and parallel depending on how the actuators are mounted while flexion direction is divided into backward and forward depending on the leg's heading direction, both of them have two discrete variables, which leads to two discrete values in terms of tangential mobility, radial force producibility, and maximum contact inertia, respectively. On the other hand, since segment ratio has infinite number of ratio as the length of upper and lower limbs changes, it has continuous variables, which leads to continuous values in terms of tangential mobility, radial force producibility, and maximum contact inertia, respectively. Comprehensively considering feasibility conditions and practical constraints, the mechanism design guidelines are proposed in the end. According to the design guidelines, a leg is designed, fabricated, and implemented for running. Depending on the application, the mechanisms can be chosen differently. For example, one might decide to select the backward flexion, even if the decision compromises the effect of impact mitigation, in order to secure the sight of the robot. In either way, the metrics of tangential mobility, radial force producibility, and maximum contact inertia are found to be very useful in that they vary on the mechanism design related to actuator configuration, segment ratio, and flexion direction.

Molecular mechanisms of the defense systems against oxidative stresses in food-borne pathogens

조인성 서울대학교 대학원 2019 국내박사

살균 산화제인 H2O2와 HOCl 은 병원균의 저감화를 위하여 식품 산업, 병원, 가정 등에서 널리 사용되고 있다. 하지만 대부분의 박테리아는 H2O2와 HOCl과 같은 산화제에 대한 정교한 방어시스템을 갖추고 있다. 본 논문에서는 그람 음성균의 산화적 살균제에 대한 방어 시스템에 초점을 맞춰 효과적인 병원성균의 제어 방안을 모색하고자 한다. 대부분의 그람 음성 박테리아는 H2O2에 대한 방어 시스템으로, H2O2를 인식하는 전사인자인 OxyR을 가지고 있다. 또한 HOCl의 센서로는 비교적 최근에 밝혀진 HypT 라는 전사인자가 있다. 1장에서는 박테리아의 항산화 시스템에 대한 전반적인 배경지식에 대하여 간단한 리뷰 형태로 서술하며, 2-4장은 H2O2에 대한 방어 시스템을, 5장에서는 HOCl에 대한 방어시스템에 대하여 서술한다. 제2장에서는 녹농균 OxyR의 전체길이 (full-length) 구조와 더불어 H2O2 결합구조, 그리고 중간 구조 (intermediate structure)를 규명하고 분석함으로써 OxyR의 자세한 활성화 메커니즘을 분자적 수준으로 제시하였다. OxyR은 N-말단의 DNA 결합 도메인 (DNA binding domain)과 C-말단의 조절 도메인 (regulatory domain) 으로 나누어져 있는데, 그 중 조절 도메인 (regulatory domain)의 구조만 규명 되어있었다. 본 논문에서는 OxyR 전체 구조를 최초로 규명하여, OxyR이 서로 다른 두개의 dimeric interface 를 통해 최종적으로 4분자체 (tetramer)를 형성하고 있는 것을 확인하였다. 그 뿐만 아니라 C199D 돌연변이 구조를 통해, 시스테인 잔기(Cys199)의 산화로 매개되는 분자내 상호작용이 분자내 이황화 결합 형성 (disulfide bond formation)을 촉진한다는 것을 확인하였다. 더 중요한 것은 Cys199 근처에 H2O2 한 분자와 두 분자의 물이 결합한 것을 관찰하였는데, 이를 통해 H2O2에 유도되는 산화 메커니즘을 제시하였다. 이와 같은 OxyR의 결정 구조와 더불어 모델링 연구를 통해, 조절 도메인 (regulatory domain)의 산화에 따른 구조적변화가 유도되며, 그에 따라 DNA 결합 도메인 (DNA binding domain)의 큰 구조적 이동이 유발되는 것을 확인하였다. 종합적으로 OxyR의 구조 분석을 통해 어떻게 OxyR이 H2O2를 인식하여 산화 의존적으로 항산화 유전자들의 발현을 조절하는지, 그에 대한 해답을 제공할 수 있었다. 제3장에서는 활성화된 OxyR이 다시 비활성화 상태로 환원되는 메커니즘에 대해 다룬다. 박테리아에 존재하는 다양한 Dsb 패밀리 단백질들은 시스테인 잔기를 가지고 있는 단백질들의 산화 환원에 관여한다. 최근에 동정된 DsbM 단백질은 Dsb 패밀리 단백질들과 같이 CXXC 모티프 시퀀스를 가지고 있으며, 녹농균 OxyR의 환원에 관여한다는 연구 결과가 있었다. 본 논문에서 녹농균의 DsbM 구조를 규명한 결과, 이황화 결합 (disulfide bond)을 환원시키는 효소 활성을 가지는 CXXC motif 와 더불어 그 활성화 부위를 덮고 있는 lid domain 을 가지고 있는 것을 확인하였다. 또한 DsbM과 GSH의 결합 구조를 규명하였을 때, GSH가 CXXC motif 근처의 긴 홈 (groove)에 결합한 것을 확인하였으며, 이 긴 홈에 DsbM의 실제 기질 펩타이드가 결합할 수 있음을 확인하였다. 실제로, 생화학 실험을 통해 DsbM이 OxyR의 주요 시스테인 잔기가 포함된 펩타이드의 이황화결합을 선택적으로 환원시키는 것을 확인하였고, 산화 환원 포텐셜 (redox potential) 을 측정해 보았을 때, DsbM이 OxyR을 환원시킬 수 있음을 다시 한번 확인하였다. 이러한 생화학 실험 결과와 규명한 구조를 종합하여 DsbM 이 활성화된 OxyR을 환원시키는 메커니즘을 제시하였다. 제4장에서는 농녹균의 OxyR 연구를 통해 밝혀낸 특성을 바탕으로, 식중독균인 비브리오 패혈증균의 OxyR2에 대한 연구를 다루고 있다. 비브리오 패혈증균은 두 종류의 OxyR (OxyR1, OxyR2)를 가지고 있는데, 이는 서로 다른 H2O2의 농도를 감지하여 두 종류의 Peroxiredoxin (Prx1, Prx2) 중 하나의 발현을 유도한다고 알려져 있었다. OxyR1은 다른 OxyR 단백질들과 높은 아미노산 서열 유사도를 가지고 그들과 비슷한 H2O2 농도를 감지하는데 비해 OxyR2 는 서열의 유사도가 상대적으로 낮으며 다른 OxyR 단백질들에 비해 더 낮은 농도의 H2O2를 감지한다고 알려져 있다. 무엇이 이러한 차이를 야기하는지 분석하기 위하여 OxyR2의 구조를 규명하고 생화학 실험을 수행하였다. 활성화 자리 근처의 시퀀스를 비교 해보았을 때, OxyR1을 포함한 다른 균의 OxyR에서는 Gly로 보존 되어있는 아미노산이 OxyR2에는 Glu(E204)로 존재하는 것을 발견하였다. 실제로 구조를 규명해 보았을 때 OxyR2의 해당 위치의 펩타이드 결합의 카보닐 그룹이 다른 OxyR과는 달리 반대로 뒤집혀 (flip) 있는 것을 관찰하였다. 단백질 backbone 의 유연성을 띄게 해주는 Gly 대신 Glu 로 바뀌면서 근처 구조의 유연성에 영향을 준 것으로 확인하였다. 실제로 OxyR2의 E204G mutant 구조에서는 해당 카보닐 그룹이 다시 뒤집힌 (flip) 구조를 관찰 할 수 있었다. 결과적으로 H2O2와 물 분자가 결합하는 backbone 과 His205의 잔기의 강직도 (rigidity) 에 204번 아미노산의 종류가 영향을 미치는 것을 구조적으로 확인하였다. 다시 말해서 OxyR2의 H2O2에 대한 높은 민감도는 E204의 상대적으로 높은 강직도 (rigidity) 에 의해 기인한 것이었다. 이 연구에서는 비브리오 패혈증균 유래 OxyR2 의 활성화 부위를 높은 해상도로 세밀하게 규명하고 분석함으로써, 메커니즘을 뛰어넘어 약 또는 식품첨가제로도 사용할 수 있는 저해제 개발에 이바지 할 것으로 생각한다. 제 5장에서는 비교적 최근에 동정된 HOCl 센서 전사인자인 HypT에 대해 다루고 있다. 이 연구에서 구조를 규명한 HypT 는 LysR-family 중에서 새로운 타입의 4중체 구조를 가지고 있었다. 또한 HOCl 분자가 결합한 구조에서는, 조절 도메인 (regulatory domain)의 전형적인 리간드 결합 부위의 보존된 메티오닌 잔기 옆에 HOCl 분자가 결합한 것을 확인하였다. 또한 그 메티오닌의 산화를 모방한 뮤턴트 구조를 통해 HypT의 조절 도메인의 구조적 변화를 관찰하였다. 이를 기반으로 모델링 연구를 진행하였으며, DNA 결합 도메인의 위치 변화를 예측하였다. 이와 더불어 HypT의 타겟 유전자를 동정하고 DNase I foot printing assay 를 통해 HypT가 결합하는 DNA 서열을 찾았다. 최종적으로 프로모터 분석과 HypT의 구조적 분석을 종합하여 HypT가 HOCl을 감지하여 타겟 유전자를 조절하는 분자 메커니즘을 제시하였다. 2-4장에 걸쳐 본 논문은 병원균이 식품 가공과정에서 흔히 사용하는 산화제에 대한 저항성을 어떻게 얻는지에 대한 분자 메커니즘을 제공한다. 이것은 식품 살균과정은 물론 가정, 병원 등에서 병원성균을 제어하는 데에 있어 매우 가치 있는 정보가 될 것이다. Oxidizing sanitizers, such as H2O2 and HOCl, are widely used in the food industry, hospital, and household to control the pathogens as well as in the host immune systems. Many pathogenic bacteria are equipped with sophisticated defense systems to survive against sanitizing oxidants. This thesis focuses on the anti-sanitizing oxidant systems of Gram-negative pathogenic bacteria. Most Gram-negative bacteria have the H2O2-sensing transcription regulator OxyR as a major defense system for H2O2. Recently, HypT has been identified as HOCl-specific sensor involved in HOCl-defense system in Escherichia coli. Chapter 1 introduces and reviews the overall background of bacterial anti-oxidant systems. Chapters 2 – 4 describe the H2O2 defense systems, and chapter 5 describes the HOCl-defense system. In chapter 2, the detailed mechanism of OxyR using OxyR from Pseudomonas aeruginosa as a model protein was proposed by determining and analyzing the full-length (FL) structures, H2O2-bound structure, and intermediate structure. The FL crystal structures revealed that OxyR has a tetrameric arrangement assembled via two distinct dimerization interfaces. The C199D mutant structures suggest that new interactions that are mediated by cysteine hydroxylation induce a large conformational change, facilitating intramolecular disulfide bond formation. More importantly, a bound H2O2 molecule was found near the Cys199 site, suggesting the H2O2-driven oxidation mechanism of OxyR. Combined with the crystal structures, a modeling study suggests that a large movement of DBD is triggered by structural changes in the regulatory domains upon oxidation. Taken together, these findings provide novel concepts for the enzymatic H2O2-sensing mechanism of OxyR and for DNA-binding mechanism depending on the redox state. Chapter 3 presents a mechanism for reduction of the activated OxyR proteins. In bacteria, many Dsb family proteins play diverse roles in the conversion between the oxidized and the reduced states of cysteine residues of substrate proteins. Most Dsb enzymes catalyze disulfide formation on periplasmic or secreted substrate proteins. Recently, DsbM proteins were found in some Gram-negative bacteria, which was characterized as a cytosolic Dsb member with the conserved CXXC motif on the basis of the sequence homology to the Dsb family proteins. The protein was implicated in reducing of the cytoplasmic redox sensor protein OxyR in P. aeruginosa. I present the crystal structures of DsbM from P. aeruginosa, revealing that it consists of a modified thioredoxin domain containing the CXXC motif and a lid domain surrounding the CXXC motif. In a glutathione-linked structure, a glutathione molecule is linked to the CXXC motif of DsbM and is bound in an elongated cavity region in the thioredoxin domain, which is also suited for substrate peptide binding. A striking structural similarity to a human glutathione S-transferase was found as the glutathione binding pocket. I further present biochemical evidence demonstrating that DsbM is directly involved in the reduction of a disulfide of Cys199 and Cys208 in OxyR, resulting in the acceleration of OxyR reduction in the absence of ROS stress. These findings may help expand the understanding of the diverse roles of the redox-related proteins that contains the CXXC motif. Based on the characteristics found in the studies for Pseudomonas aeruginosa OxyR, chapter 4 deals with a study for OxyR2 from Vibrio vulnificus. Vibrio vulnificus has two distinct OxyRs (OxyR1 and OxyR2), which are sensitive to different levels of H2O2 and induce expression of two different peroxidases, Prx1 and Prx2, respectively. Although OxyR1 has both high sequence similarity and H2O2 sensitivity comparable with that of other OxyR proteins, OxyR2 exhibits limited sequence similarity and is more sensitive to H2O2. To investigate the basis for this difference, I determined crystal structures and carried out biochemical analyses of OxyR2. The determined structure of OxyR2 revealed a flipped conformation of the peptide bond before Glu204, a position occupied by glycine in other OxyR proteins. Activity assays showed that the sensitivity to H2O2 was reduced to the level of other OxyR proteins by the E204G mutation. I solved the structure of the OxyR2-E204G mutant with the same packing environment. The structure of the mutant revealed a dual conformation of the peptide bond before Gly-204, indicating the structural flexibility of the region. This structural duality extended to the backbone atoms of Gly-204 and the imidazole ring of His-205, which interact with H2O2 and invariant water molecules near the peroxidatic cysteine, respectively. Structural comparison suggests that Glu-204 in OxyR2 provides rigidity to the region that is important in H2O2 sensing, compared with the E204G structure or other OxyR proteins. The findings provide a structural basis for the higher sensitivity of OxyR2 to H2O2 and also suggest a molecular mechanism for bacterial regulation of expression of antioxidant genes at divergent concentrations of cellular H2O2. Chapter 5 presents a molecular mechanism for HypT, a recently identified HOCl-specific transcription factor. HOCl is generated in the immune system to kill microorganisms. In E. coli, a hypochlorite-specific transcription regulator, HypT, has been characterized. HypT belongs to the LysR-type transcriptional regulator (LTTR) family that contains a DNA-binding domain (DBD) and a regulatory domain (RD). I identified a hypT gene from Salmonella enterica serovar Typhimurium and determined crystal structures of the full-length HypT protein and the RD. The full-length structure reveals a new type of tetrameric assembly in the LTTR family. Based on HOCl-bound and oxidation-mimicking structures, I identified a HOCl-driven methionine oxidation mechanism, in which the bound HOCl oxidizes a conserved methionine residue lining the putative ligand binding site in the RD. Furthermore, I proposed a molecular model for the oxidized HypT, where methionine oxidation by HOCl results in a conformational change of the RD, inducing a counter-rotation of the DBD dimers. Target genes that are regulated by HypT and their roles in Salmonella were also investigated. DNase I footprinting experiments revealed a DNA segment containing two pseudo-palindromic motifs that are separated by ~100 bps, suggesting that only the oxidized structure makes a concomitant binding, forming a DNA loop. An understanding of the HypT-mediated mechanism would be helpful for controlling many pathogenic bacteria by counteracting bacterial HOCl defense mechanisms. This study provides the molecular mechanisms for how the pathogens acquire the resistance to oxidizing agents commonly used in the food processing, which would be a valuable information to efficiently kill the food-borne pathogens during the food sanitizing processes.

Failure mechanism-based reliability assessment framework for lifetime estimation : case study on an automotive component

Kang, Moonsik Sungkyunkwan University 2022 국내석사

The objective of this thesis is to develop a framework to provide a readily usable guideline for failure mechanism-based reliability assessment application. Reliability assessment methodology has changed from a standard-based approach to a failure mechanism-based approach that uses information of failure mechanisms against field use conditions and how it is accelerated during testing. These pieces of information enable reliability tests to be customized for a specific product and application. However, one of the difficulties encountered in implementing a failure mechanism-based reliability assessment is inadequate knowledge regarding failure mechanism identification. Furthermore, another concern is that parameter value of life-stress model which relates the test conditions to the field use conditions is often assumed by referring to the standards or literature; however, such values only hold for very specific situations and failure mechanism. Incomplete knowledge of failure mechanism and model parameter can lead to failure to ensure product’s reliability life requirement under field use conditions. In this thesis, reference tables were developed to track the framework after comprehensive literature review. The tables contain information for identification of failure modes, causes, mechanisms, and accelerated stresses. In addition, this framework includes accelerated life tests at multiple stress levels to determine the true model parameter value by fitting the life-stress model to the time-to-failure data at multiple stress levels. The life-stress relationship allows test result to be extrapolated to field use conditions so that lifetime at various use conditions could be estimated. Finally, failure mechanism-based reliability assessment of an automotive component was conducted as a case study to verify the practicability of the developed framework. 본 논문의 목적은 고장메커니즘 기반 신뢰성 평가를 위한 프레임워크를 제시하는 것이다. 신뢰성이란 제품이 주어진 사용조건 아래에서 규정된 기간동안 의도한 기능을 수행할 (고장없이) 능력을 의미한다. 제품의 신뢰성을 평가하기 위한 방법으로는 표준 기반 혹은 고장 메커니즘 기반의 접근법이 있다. 표준 기반 방법은 표준에서 제시하는 신뢰성 시험을 사용하여 제품의 신뢰성을 평가하는 반면, 고장메커니즘 기반 방법은 제품의 사용조건과 고장메커니즘에 대한 정보가 이용된다. 이러한 정보는 특정 제품, 애플리케이션, 고장에 적합한 신뢰성 평가를 가능하게 만든다. 그러나 고장메커니즘 기반 신뢰성 평가를 적용할 때 직면하는 어려움 중 하나는 고장 메커니즘 식별에 대한 지식의 부족이다. 또한 다른 우려사항으로는 시험 조건과 필드 사용 조건을 연관시키는 수명-스트레스 모델의 파라미터 값을 종종 표준이나 문헌을 참고하여 가정되는 경우가 많다는 점이다. 불확실한 고장메커니즘에 대한 지식과 모델 파라미터는 실제 필드 사용 조건에서의 제품 신뢰성 및 수명을 잘못 추정하게 만든다. 본 논문에서는 고장메커니즘 기반 신뢰성 평가 프레임워크 적용이 용이하도록, 문헌조사를 통해 확립한 고장 모드, 원인, 메커니즘 및 가속 스트레스의 식별 절차에 활용할 수 있는 참조 테이블을 제시하였다. 또한, 이 프레임워크는 신뢰성 평가를 위한 시험 방법으로 다중 스트레스 수준 가속 수명 시험을 사용한다. 수명-스트레스 모델을 다중 스트레스 수준에서 얻은 고장 데이터에 적합시킴으로써 실제 모델 파라미터 값을 얻을 수 있다. 수명-스트레스 관계를 통해 시험 결과를 다양한 사용 조건으로 외삽하여 수명을 추정할 수 있다. 마지막으로, 프레임워크의 유용성을 검증하기 위하여 자동차 부품의 신뢰성 평가를 프레임워크에 따라 사례 연구로 수행되었다.

Design and analysis of redundant parallel micro manipulator for maskless lithography system

Ihn, Yongseok Sungkyunkwan University 2013 국내박사

본 논문은 회전형모터와 선형 가이드를 이용한 구동기 모듈과 이것을 기반으로 여유자유도를 가지는 병렬 마이크로 매니퓰레이터에 대한 설계 및 분석에 관한 연구로써, 다음과 같이 크게 세 부분의 주요 연구로 이루어져 있다. 첫 번째는 병렬 메커니즘에 대한 기구적 구조의 검토와 기구학 해석에 관한 연구로써, 이를 위해서 병렬 메커니즘의 대표적인 기구적 구조를 구동자유도와 여유자유도 관점에서 검토하였다. 대표적인 기구적 구조는 먼저 평면상에서 구동되는 기구적 구조와 공간상에서 구동되는 기구적 구조를 구분하였으며, 다음으로 여유자유도를 가지는 기구적 구조와 여유자유도가 없는 기구적 구조를 구분하였다. 그래서 병렬 메커니즘의 대표적인 기구적 구조의 사례로 3-PRS, 4-PPS, 6-SPS, 그리고 8-SPS를선정하였다. 그리고 병렬 메커니즘에서 여유자유도가 가지는 의미를 정의하였으며, 이것이 가지는 장점과 단점에 대해서 구체적으로 서술하였다. 앞서 언급한 내용을 종합하여 본 연구에서는 여유자유도를 가지는 병렬 메커니즘의 기구적 구조를 제안하였다. 제안한 기구적 구조는 4-[PP]PS로써 구동자유도는 6자유도이다. 그리고 제안한 4-[PP]PS에 제어를 위해서 다음과 같은 기구학 해석을 하였다. 먼저 본 연구에서는 병렬 메커니즘에서 모바일 플랫폼을 원하는 위치 또는 경로로 구동하기 위한 기본적인 해석으로 역기구학 해석 결과를 제시하였다. 본 연구에서 제시한 역기구학 해석을 위해서 강체 동역학의 회전 변환에서 일반적으로 사용되는 오일러 각도를 이용하였다. 최종적으로 자코비안 행렬을 유도하여 제시하였다. 다음으로 실제 병렬 메커니즘을 제어할 때 각각의 구동기의 출력값을 이용하여 모바일 플랫폼의 위치 또는 경로를 예측하기 위한 해석으로 순기구학 해석 결과를 제시하였다. 보통 병렬 메커니즘의 순기구학은 수식으로 유도되는 경우가 극히 드물기 때문에 대부분 수치해석을 이용한다. 하지만 본 연구에서는 4-[PP]PS 의 구조적인 특징을 이용하여 수식으로 순기구학을 유도하였으며 이와 관련된 결과를 제시하였다. 두 번째로 병렬 메커니즘의 하드웨어의 구현과 테스트에 대한 연구로써, 이를 위해서 먼저 병렬 메커니즘의 최소 구성요소가 되는 구동기 모듈에 대한 연구를 제시하였다. 구동기 모듈의 구현을 위해서 4개 구성 요소로 이루어진 구동기 모듈의 기본 구조를 제안하였다. 제안한 구동기 모듈은 수직방향과 수평방향으로 구분하여 구동되는데 이것은 4개 구성 요소의 상대적인 모션의 차이로 구현된다. 또한 쇄기 형상의 구성 요소를 통하여 수직방향의 정밀도를 수정할수 있으며, 본 연구에서는 수직방향의 정밀도와 수평방향의 정밀도가 10배 차이가 존재한다. 구동기 모듈의 기본 구조로 구현 할 수 있는 하드웨어 상세 설계로는 수직방향과 수평방향이 동시에 구동되는 것과 수직방향과 수평방향이 선택적으로 구동되는 것이 있으며, 본 연구에서는 수직방향과 수평방향이 선택적으로 구동되는 것을 채택하였다. 이것은 구동회로가 비교적 간단한 장점이 있다. 하지만 구동축 선택장치를 추가적으로 구현해야 하는 단점이 있다. 본 연구에서는 2개 에어그리퍼를 이용하여 구동축 선택장치를 설계하였으며, 이것은 구동축 선택과 더불어 구동기 모듈의 강성을 증가시키는 기능도 있다. 본 연구에서는 최종적으로 구동축 선택 장치가 결합된 구동기 모듈의 하드웨어를 제작하여 제시하고 수평방향과 수직방향의 구동 테스트와 정밀도 테스트 결과를 제시하였다. 다음으로 구동기 모듈을 이용하여 병렬 메커니즘의 하드웨어 구현에 대한 연구를 제시하였다. 병렬 메커니즘의 기구적 구조는 앞서 제안한 4-[PP]PS이며, 4개 구동기 모듈을 이용하여 구현한 하드웨어를 제작하여 제시하였다. 최종적으로 병렬 마이크로 매니퓰레이터의 하드웨어 성능 평가로 각각의 자유도별 정밀도 테스트 결과를 제시하였다. 세 번째로 앞서 개발된 결과들이 활용 가능한 시스템으로 마스트리스 노광 시스템과 마이크로 매니퓰레이션 시스템을 소개하였다. 먼저 마스크리스 노광 시스템은 기존에 마스크를 이용하여 패턴을 생성하는 리소그래피와 달리 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micromirror device)를 이용하여 패턴을 생성하기 때문에 패턴 생성에 시간이 소요된다. 노광 공정상의 효율을 높이기 위하여 여러 개의 광학헤드를 사용하게 되며, 이와 같은 경우 각각의 광학헤드의 간의 정밀한 위치 조정이 요구이다. 본 연구에서 제안한 병렬 마이크로 매니퓰레이터는 광학헤드를 장착하는 어댑터 역할과 최적의 노광을 위하여 광학헤드의 위치를 조정하는 역할을 한다. 다음으로 마이크로 매니퓰레이션 시스템은 마이크로 디바이스나 세포와 같이 아주 작은 물체를 조작하기 위한 시스템이다. 일반적인 경우 물체의 위치를 파악하는 비전 시스템, 물체를 조작하는 매니퓰레이션 시스템, 그리고 제어 시스템으로 구성되는데, 본 연구에서 제안한 병렬 마이크로 매니퓰레이터는 물체를 조작하는 역할을 수행 할 수 있다. This dissertation is about design and analysis of parallel micro manipulator with actuator redundancy based on actuator module using a linear guide and spindle motor. It consists of the following three studies. The first study is about review of kinematic configuration and kinematic analysis about parallel mechanism. For this, typical kinematic configuration of parallel mechanism has been reviewed in terms of degrees of freedom and redundancy. For the typical kinematic configuration, it is divided into the configurations of being actuated in plane and being actuated in space. And it is divided into configurations of having redundancy and having no redundancy. So 3-PRS, 4-PPS, 6-SPS, and 8-SPS are selected as the typical kinematic configurations of parallel mechanism. And then the physical meaning of actuator redundancy in parallel mechanisms is defined and its advantages and disadvantages are described concretely. Based on the contents aforementioned, this study suggests the kinematic configuration of parallel mechanism having actuator redundancy. The suggested kinematic configuration is 4-[PP]PS and it is six degrees of freedom. For the control of the suggested 4-[PP]PS, the following kinematic analysis is conducted. First, the inverse kinematic analysis is suggested as a fundamental analysis in order to actuate the mobile platform to a desired position or path in parallel mechanism. For the inverse kinematic analysis, Euler angle which is used generally in rotational transform of rigid body dynamics is used. And finally it is proposed by using Jacobian matrix. Next, as an analysis of expecting the position or path of the mobile platform, the forward kinematic analysis is proposed by using the output of each actuator when controlling the parallel mechanism. Usually the forward kinematic analysis of parallel mechanism is rarely induced in closed form equations so it uses numerical analysis method in most cases. However, this research induces the forward kinematic analysis by using the structural characteristics of 4-[PP]PS in closed form equations and the related results has been presented The second study is about the implementation and experimental test of the hardware of parallel mechanism. For this, the study of the actuator module which is the minimum component of parallel mechanism is suggested. For implementing the actuator module, the structure consisting of four units is proposed. The suggested actuator module is actuated in horizontal and vertical directions and this can be actuated by the relative motions of four units. And the degree of precision for the vertical direction can be adjusted through the wedge shaped components and the difference between the vertical direction and horizontal direction of the precision degrees is by ten times in this research. For the detail design of implementation based on the actuator module structure, there are two kinds; one is being actuated in horizontally and vertically at the same time and the other one is being actuated in horizontal or vertical direction selectively. In this study, the one being actuated in horizontal or vertical direction selectively has been selected. The advantage of this is to make the actuation circuit simple but it requires an additional device to select the actuation axis. This study designed the axis selection device by using two air grippers and this can also increase the stiffness of actuator module. In this study, the hardware of actuator module assembled with the axis selection device has been implemented. Also the operation and accuracy test of horizontal and vertical directions are performed. The next study is about implementing the hardware of parallel mechanism by using the actuator module. The kinematic configuration of parallel mechanism is 4-[PP]PS mentioned earlier and the hardware using four actuator modules was also implemented. Then accuracy test result of each degrees of freedom has been presented for the evaluation of hardware. Thirdly, the maskless lithography system and micro manipulation system are introduced as a system which the aforementioned results can be applied. In the case of maskless lithography system, the digital micromirror device is used to produce pattern so it takes some time to generate the pattern. In order to increase the efficiency of manufacturing, several optical heads are used and it requires a precise position controlling between each optical head. The parallel micro manipulator suggested in this study plays a role as an adaptor which installs the optical head and controls the location of the optical head for the optimized exposure. And next, the micro manipulation system is a system for operating very small objects like micro device or cell. In general cases, it consists of vision system, manipulation system, and controlling system. The parallel micro manipulator can conduct as a manipulation system to operate the objects.