[pt] Neste trabalho estuda-se um sistema de acompanhamento de alvos, também conhecido como sistema de rastreamento de alvos, do tipo pan-tilt atuado por motores de corrente contínua e fixo em um corpo em movimento. Para tanto é montada uma bancada de testes e implementa-se um programa de simulação. A modelagem para o programa é feita no domínio do tempo, permitindo a utilização de equações bastante complexas para representar o sistema, o que não é possível quando se utiliza modelos no domínio da freqüência. Apesar de se modelar o sistema com corpos rígidos, flexibilidades e amortecimentos estruturais devido aos redutores de velocidade são considerados. Erros nos sensores, folgas nos redutores, atritos seco e viscoso, limites de saturação para as correntes e tensões nas armaduras dos motores também são considerados. Um método para a inclusão dos atrasos de tempo para atualização dos sinais de controle e dados obtidos pelos sensores durante a integração numérica das equações de movimento é apresentado. Para controlar o sistema utilizam-se controladores que não requerem o modelo matemático da planta, tanto na bancada de testes como no programa de simulação. Três tipos diferentes de arquitetura de controle são propostas, chamadas neste trabalho de tipo 1, tipo 2 e tipo 3. A complexidade delas aumenta à medida que mais sensores estão disponíveis no sistema. A arquitetura do tipo 1 destina-se a sistemas onde se possui apenas sensores que fornecem os erros angulares de azimute e elevação do alvo. Se, além deste sensor, também houver sensores para medir as posições angulares relativas entre os elos do mecanismo usa-se a arquitetura do tipo 2. Se houver, ainda, sensores de velocidades angulares inerciais pode-se utilizar a arquitetura do tipo 3. Por fim são apresentados resultados de experimentos e simulações onde se compara o desempenho do sistema com cada tipo de arquitetura de controle. / [en] A study on a pan-tilt type target tracking system actuated by permanent magnet DC motors and assembled in a moving body is presented in this work. To achieve such objective, an experimental test bed is constructed and a simulation program is implemented. The mechanical model is derived and simulated in time domain. This approach allows using accurate non-linear equations to represent system behavior, otherwise infeasible in frequency domain. Although the system is modeled with rigid bodies, flexibility and structural damping due to the gearboxes are considered. Sensor errors, backlash in the gearboxes, dry and viscous friction, saturation limits for armature current and tension of the motors are also considered. A method to include the time delays for the control signal updates, as well as time delays due to sensor dynamic response, during the numerical integration of the equations of motion, is presented. Controllers that require no mathematical model of the plant are employed in the experimental test bed and in the simulation program. Three different control architectures are proposed, called in this work type 1, type 2 and type 3. Their complexity increases depending on the number of available sensors. The type 1 is applied to systems with only one sensor that provides the targets angular azimuth and elevation errors. If, besides this sensor, sensors to measure the relative angular positions between the mechanism links are available type 2 architecture is used. In addition, if sensors to measure inertial angular speeds are also available, type 3 architecture can be used. Finally, experimental and numerical results, comparing system performance with each control architecture are presented.

[pt] A vibração excessiva da coluna de perfuração leva à perda da eficácia do processo de perfuração de poços de petróleo e causa danos prematuros ao equipamento. Portanto, entender a dinâmica do sistema é essencial. O comportamento complexo das colunas de perfuração estimulou um grande número de publicações sobre a dinâmica de perfuração. A vibração torsional está presente na maioria dos processos de perfuração, eventualmente atingindo o fenômeno de stick-slip. Essa vibração torsional resulta da interação não linear entre brocas e rochas. Apesar da complexidade da interação broca-rocha, a relação entre torque e velocidade de broca é, frequentemente, tratada como uma força de atrito seco em um sistema delgado. Um grande número de modelos de atrito é usado para descrever a interação entre brocas e rochas, embora um modelo adequado seja necessário para uma interpretação precisa de sistemas com atrito. Esta contribuição utiliza dados experimentais de uma bancada de testes, capaz de reproduzir o comportamento torsional de um sistema real, equipada com dispositivos de freio simples para introduzir atrito ao sistema, perturbando o movimento de rotação. A bancada é matematicamente modelada como um pêndulo de torção atuado. Esta dissertação propõe um modelo de atrito baseado em dados experimentais e analisa vários fenômenos observados em relação ao atrito, incluindo a histerese. Os resultados experimentais são usados para identificação dos parâmetros do modelo proposto. Por fim, simulações numéricas e resultados experimentais são comparados para validação do modelo de atrito proposto. / [en] Excessive drill string vibration leads to loss of the drilling process effectiveness and premature damage to the equipment. Therefore, understanding the system dynamics is essential. The complex behavior of drill strings attracted considerable attention in specialized literature. Due to the drill string slenderness, torsional vibration is present in most drilling routines, eventually reaching the stick-slip phenomenon. This torsional vibration results from the nonlinear interaction between drill-bits and rocks. Despite the complexity of the bit-rock interaction, researchers often treat the relationship between torque and bit velocity as a dry friction force in a slender system. A large number of dry friction models is used to describe the interaction between drill bits and rocks although a proper model is required for a precise interpretation of systems with friction. This contribution utilizes data from a test rig that is capable of reproducing full-scale system torsional behavior with simple brake devices to introduce friction into the system, disturbing the rotating motion. This test rig is modeled as an actuated torsional pendulum for the numerical investigations of the experimental friction. This dissertation proposes a friction model based on experimental data and analyzes various frictional phenomena observed, including hysteresis. The experimental results are used to identify the proposed model parameters. Lastly, it compares numerical simulations with the experimental results and validates the proposed friction model.

[pt] O estudo do comportamento de membranas quando expostas a pressões e tensões de diverssos tipos, assim como de suas propriedades mecânicas nos últimos anos vem recebendo uma notável atenção em razão da variada aplicabilidade das membranas nas mais diversas áreas da engenharia, incluindo atuadores, robótica, sensores, aeroespacial, bioengenharia e estruturas infláveis para engenharia civil. Neste trabalho será apresentado um estudo numérico e experimental de uma membrana sujeita a uma endentação e perfuração transversalmente ao seu plano indeformado, considerando-se a presença do atrito na interface membrana-endentor, fato que torna esse estudo pioneiro nesta análise. Os estudos numéricos foram feitos no software Abaqus CAE. Os ensaios experimentais têm por objetivo comprovar os resultados numéricos e assim validá-los. Foram desenvolvidos aparatos experimentais dedicados aos ensaios pretendidos devido à ausência de equipamentos no mercado que pudessem reproduzir tais ensaios. / [en] The study of membranes behavior when subjected to pressures and tensions from all kinds, as well as their mechanical properties, is receiving a noticeable attention over the last years due to various applications of membranes on various engineering fields, including, actuators, robotics, sensors, airspace, bioengineering and inflatable structures for civil engineering. On this job will be presented a numerical and experimental study of a membrane subjected to an endentation and penetration transversally to the membrane’s undeformed plane, considering friction on the interface of the membrane and endentor, which makes this study a pioneer on this kind of analysis. The numerical studies were performed on Abaqus CAE finite element software. The experimental tests are intended to validate the numerical results. Experimental apparatus were developed especially to perform the tests done in this job.

[pt] Este trabalho pretende demonstrar a possibilidade de usar pinos ativos em máquinas rotativas de forma a reduzir as amplitudes de órbitas em situações críticas através de uma investigação analítica com validação experimental. Os pinos funcionam como medida de segurança quando o rotor se torna instável ou começa a oscilar por qualquer razão. Para este propósito, foi realizado um estudo completo da influência da presença dos pinos dentro do mancal de retenção. Quatro pinos foram posicionados em duas bancadas de testes já existentes no laboratório. A atuação deles provém de motores de passo, que os inserem até um determinado comprimento na parte interna do mancal, isto é, a folga radial entre o rotor e a parede do mancal. Primeiramente, uma análise matemática dos fenômenos envolvidos foi desenvolvida, fornecendo as equações necessárias para as simulações numéricas do sistema. Em seguida, foram realizados testes experimentais nas bancadas e informações relevantes foram adquiridas e comparadas com os resultados das simulações. Eles demonstraram estar consistentes, o que ajudou a validar o conceito de inserção de pinos ativos no mancal de segurança, de modo a evitar possíveis condições perigosas, como atrito, roçamento total e efeitos abrasivos. / [en] This work intends to show the possibility of using active pins in rotating machines to reduce amplitudes of orbits at critical situations through an analytical investigation with experimental validations. The pins shall operate as a safety measure when the rotor becomes unstable or starts to oscillate by any reason. To this purpose a thorough study is made of the influence of the presence of pins inside the retainer bearing. Four pins were installed within two existing test rigs in the laboratory. Their actuation comes from step motors, which insert them until a certain length in the inner side of the retainer bearing, or the gap between the rotor and the bearing wall. First, a mathematical approach of the involved phenomena is developed, providing the equations to perform numerical simulations of the system. Then, experiments where performed in the test rigs and relevant data were collected and compared to the simulation results. They showed positive accordance, which helped to validate the concept of properly inserting active pins inside the retainer bearings to avoid possible hazardous conditions, such as, friction, full annular rubbing, and abrasive effects.

[pt] Uma linha de pesquisa de grande interesse no estudo de colunas de perfuração de poços de petróleo aponta para a necessidade de se aumentar a taxa de penetração (ROP) na perfuração em rochas duras. Procurando suprir tal necessidade, este trabalho tem como objetivo estudar mecanismos e propor um novo dispositivo, utilizando as próprias vibrações geradas na coluna durante a perfuração. As várias formas de vibrar da coluna são, geralmente, indesejadas durante a perfuração. Porém, é possível utilizar algumas destas formas de vibrar para melhorar a eficiência do processo de perfuração. Inicialmente, avalia-se a influência das vibrações torcional e axial na ROP. Posteriormente, estuda-se a perfuração na ressonância e alguns aspectos e cuidados no uso desta nova técnica de perfuração, que vem sendo desenvolvida por empresas do setor. Por fim, é desenvolvido um novo dispositivo de perfuração, chamado de perfuração com martelo em ressonância ou perfuração percussiva- rotativa auto-excitada. Este dispositivo tem como premissa usar a vibração axial gerada no processo de corte, para criar uma carga harmônica na broca e excitar uma massa de aço (martelo). Desenvolve-se um modelo com vibro-impacto e atrito seco, representando o martelo e a resistência da rocha, respectivamente. Faz-se aqui, um estudo numérico e uma validação experimental do movimento percussivo de um modelo que representa a broca com este novo dispositivo. Os resultados mostram que a melhor forma do dispositivo operar é impactando a cabeça da broca, em condição de período-1, com um impacto por ciclo de forçamento. Adicionalmente, os parâmetros do experimento são identificados e os resultados numérico-experimental são comparados, mostrando que são similares. / [en] An area of interest in the study of drillstrings is due to the device of increasing the rate of penetration (ROP) in hard rocks. Trying to supply such necessity, this work aims to study mechanisms and to propose a new device, using vibrations generated in the drillstring itself. The various forms of drillstring vibrations are generally regarded as detrimental in the question. However, it is possible to use some of these vibrations forms in such a way as to enhance drilling performance. Initially, the influence of the torsional and axial vibrations in ROP is analyzed. Next, the resonance drilling, that is being developed by companies in this area, and some aspects and cares in the use of this new drilling technique are studied. At the end, a new drilling device, called resonance hammer drilling or self excited percussive rotary drilling, is developed. This device has as premise to use the axial vibration due to the cutting process, to generate a harmonic load at the bit and to excite a steel mass (hammer). A model with vibro-impact and dry friction is developed, representing the hammer and the resistance of the medium, respectively. It is presented a numeric study and an experimental validation of the percussive motion of the model, that represent the bit. The results show that the best way of the hammer to operate is impacting the bit head, in period-1 condition, ie, with one impact per cycle. Moreover, the experimental parameters are identified and since the numerical-experimental results are similar, the model used is validated.

[pt] O uso de juntas cardânicas ativas é restrito pela capacidade de torque de pequenos motorredutores e, atualmente, os dispositivos embarcados são obrigatórios para as aplicações robóticas. O controle dinâmico é essencial para estudar as limitações desse dispositivo, portanto, o objetivo deste estudo foi controlar a junta cardânica ativa de três graus de liberdade usando simulações numéricas e experimento em bancada de testes. O manipulador foi projetado com apenas uma junta cardânica para que a sua cinemática e dinâmica sejam exploradas; por esse motivo, a junta foi construída com sensores de carga na base e sensor de unidade de movimento inercial na parte superior do efetuador do manipulador. Além disso, foram fabricadas três placas de controle: a primeira foi projetada para controlar os três acionamentos dos motores de passo; a segunda, para ler o sensor da unidade de movimento inercial; e a última, para ler os sensores de carga. Quatro problemas foram descritos para testar os limites deste dispositivo, analisando, além da cinemática e dinâmica, o atrito do rolamento, a identificação da folga e o torque do impacto. O primeiro problema mantém a posição do efetuador do manipulador constante enquanto transmite rotação entre os eixos. O segundo problema, o efetuador recebe um caminho planejado, por exemplo, um círculo, mas não transmite rotação entre os eixos. O terceiro problema é a combinação dos movimentos anteriores, em que o efetuador transmite rotação entre os eixos, enquanto segue por um caminho planejado. Para o quarto problema: uma nova abordagem é aplicada para mover o efetuador de um ponto para outro usando rotação cônica. / [en] The use of active cardan joints is restricted by torque capacity of small motors, and currently embedded devices have been mandatory for robotic applications. The dynamic control is essential to learn the limitations of this device, thus the objective of this study is to control active cardan joints of three degrees of freedom using numerical simulations and bench experiment. The manipulator was designed with only one cardan joint to understand its kinematics and dynamics and, for this reason, it was built with load sensors on its base and inertial motion unit sensor at the top of the manipulator end-effector. Furthermore, three control boards were manufactured: the first was designed to control the three stepper motor drives, the second was designed to read the inertial motion unit sensor, and the last was designed to read the load sensors. Four problems were described to test the limits of this device, analysing not only the kinematics and dynamics, but also the bearing friction, the backlash identification, and the impact torque. The first problem keeps the position of the manipulator end-effector constant transmitting rotation between the shafts. The second problem is given a planned path to the manipulator endeffector, such as a circle, but it does not transmit rotation between the shafts. The third problem is the combination of the previous motions, where the manipulator end-effector applies the output spin, while it follows by a planned path. The fourth problem, a new approach is applied to move the manipulator end-effector from one point to another point using a conical rotation.