[pt] Esta dissertação trata da modelagem dos esforços transmitidos por atuadores piezoelétricos, colados ou embutidos em vigas compósitas laminadas. O trabalho é motivado por aplicações na área de materiais e estruturas inteligentes. Em particular, procura-se avaliar o comportamento de diferentes teorias aproximadas nas faixas de médias e altas frequências, quando os comprimentos de onda podem ser da ordem da espessura da viga. Nestes casos, teorias tradicionais de vigas deixam de representar com acuracidade a resposta dinâmica de estruturas compósitas. Além disso, modelos convencionais que procuram representar os esforços gerados pelo atuador por forças e momentos fletores equivalentes, geralmente resultantes de uma análise estática, deixam de ser efetivos. São estudados modelos baseados na Teoria Clássica de Laminação (hipótese cinemática de Bernoulli-Euler) e na Teoria de Deformação Cisalhante de Primeira Ordem (hipótese cinemática de Timonshenko) e na Teoria discreta de Laminação proposta por Reddy (Reddy’s Layerwise Theory). Os três modelos são escritos na forma de equações de estado, e um método de solução é proposto para se obter a matriz de impedância dos atuadores. Resultados dos modelos estudados são comparados com os obtidos pelo método dos elementos finitos (código ANSYStm). São apresentados resultados para atuadores formados por camadas de PZT e Alumínio, bem como por camadas intercaladas de PZT, Aramide-Epóxi e Alumínio. / [en] This dissertation addresses the problem of modeling the excitation of laminated composite beams by piezoelectric patches bonded or embedded in the structure. This work has been motivated by applications in the field of smart structures and materials. In particular, attention is paid to the electromechanical response in the high-frequency range. An attempt is made to evaluate the capabilities of different laminate theories in the medium and high-frequency ranges, where traditional models, such as the Classical (Bernouli-Euler) or First Order Shear Deformation (Timoshenko) theories, fail to provide accurate assessments of the structural dynamic response. Also, at these frequency ranges, conventional approaches to model the piezoelectric excitation via equivalent forces and bending moments, usually resulting from static analysis, are no longer satisfactory. Three different laminate theories are investigated: Classical, First Order Shear Deformation, and Reddy’s Layerwise theories. In the frequency domain, the governing electro-elastodynamic equations are written in a common state space formulation. A general method of solution is presented where the impedance matrix for the actuator is analytically evaluated. Comparisons are also made with numerical models obtained from a commercial finite element code.

[pt] Músculos artificiais são versáteis para o projeto de atuadores pois, assim como os músculos naturais, podem ter pequenas dimensões ou serem agrupados para alcançar maiores dimensões. A capacidade do músculo de permitir a construção de atuadores sem partes móveis permite uma grande economia de energia, evitando atritos por deslizamento, menor desgaste, e baixos ruídos.Músculos artificiais são usados para desenvolver atuadores contínuos ou binários, utilizando diversos tipos de configurações para aproveitar ao máximo as vantagens que oferecem estes materiais. Músculos artificiais eletrostrictivos, acionados por altas tensões, já estão sendo utilizados em aplicações comerciais. Circuitos eletrônicos estão sendo projetados para trabalhar com altas tensões elétricas e interagir com estes tipos de músculos. Diversos tipos de material estão sendo avaliados para a implementação destes músculos.Este trabalho visa desenvolver um atuador de configuração cilíndrica de acionamento elétrico, por efeito capacitivo. O atuador é acionado por 3 músculos artificiais em configuração paralela, construídos a partir do elastômero acrílico VHB4905, o qual possui características visco-elásticas e baixo custo de produção. São analisados distintos modelos constitutivos dos músculos, baseados em molas e amortecedores em série e em paralelo.São desenvolvidos métodos de calibragem para calcular os parâmetros dos modelos matemáticos dos músculos a partir de dados obtidos em laboratório. Um método de medição baseado em processamento de imagens e teoria de visão estéreo, desenvolvido especificamente para este trabalho, permite que a posição da extremidade do atuador seja medida de forma não-invasiva, sem interferir em seu movimento, e sem a necessidade de colocar sensores ou instrumentos de medição. Os resultados mostram que os modelos matemáticos são eficientes para descrever o comportamento do atuador. / [en] Artificial muscles are versatile for the actuator projects, because, as well as the natural muscles, they can have small dimensions or they are grouped to obtain big dimensions. Muscle capacity to allow construction of actuators without movable parts allows great economy of energy, avoiding attritions for sliding, lessening waste, and reducing noise.Artificial muscles are used to develop continuous or binary actuators, using different types of configurations to take advantage to the benefit that offer these materials. Eletrostrictive artificial muscles, worked by high tensions, are already being used in commercial applications. Electronic circuits are being projected to work with high electric tensions and to interact with these types of muscles. Many types of materials are being evaluated for the implementation of these muscles.This work looks for to develop a cylindrical configuration actuator of electric activation, for capacitive effect. The actuator is activated by 3 artificial muscles in parallel configuration, built starting from the acrylic elastomer VHB4905, which possesses viscouselastic characteristics and low production cost. Different models of the muscles are analyzed, based on springs and shock absorbers in series and parallel.Calibrate methods are developed to calculate parameters of the mathematical models of the muscles starting from data obtained at laboratory. Measurement method based on processing of images and theory of stereo vision, specifically developed for this work, allows no-invasive measurement of the actuator’s extremity, without interfering in actuator’s movement, and without the need to put sensor or measurement instruments. The results show that mathematical models are efficient to describe the behavior of the actuator.

[pt] A pesquisa e desenvolvimento de um acionamento para motor de passo operando em baixa tensão apresenta o desenvolvimento de um mecanismo de acionamento para motores de passo de 2 fases, destinado a operar na faixa de 12 a 18 V, tornando-se muito útil para automações em veículos, embarcações ou robôs que operam com baterias. O acionamento desenvolvido implementa o controle da corrente via chopper, como é usual nos acionamentos de motores de passo. Mas, ao contrário do usual, o tempo do ciclo ativo da onda responsável por ativar a corrente nas fases é pré-programado em microcontroladores, evitando-se a instabilidade e criticalidade típica dos circuitos responsáveis pelo sensoramento da corrente e sua realimentação para controle do ciclo ativo. Outro aspecto inovador do trabalho foi a utilização do integrado TD340 da ST Microeletronics, desenvolvido para utilização no controle de motores de corrente contínua, e que está sendo empregado com motores de passo. Os resultados experimentais apresentados no trabalho confirmam a adequação e utilidade do acionamento desenvolvido, tornando-o compacto e robusto. / [en] The research and development of an driver for step motor operating in low tension presents the development of a chopper driver intended to drive 2- phase step motors. The driver was designed to operate between 12 and 18 V which makes it very attractive for automations in vehicles and robots which carry their own batteries. Contrary to the usual design, where the duty cycle of phase current is controlled by sensing this current and feed backing its value to the chopper, the present driver uses fixed value duty cycle, which varies step by step according to a table stored in the memory of a microcontroller. In so doing, we avoid most of the troubles due to noise and voltage fluctuation in the feedback line, typical of usual drivers. Another innovation presented in this work, is to use the H-Bridge MOSFET driver TD340 in driving step motors. This component, manufactured by ST Microeletronics, was originally designed for driving CC motors. Experimental results presented in this work show that the driver developed in this research has performed successfully according with the intended goal.

[pt] O controle de empuxo vetorial (TVC) é usado para o controle de atitude de foguetes aeroespaciais. No caso de propulsão usando combustível líquido, tradicionalmente o bocal é conectado ao corpo do foguete através de uma junta cardânica. Dois atuadores hidráulicos são colocados ao redor do bocal para controlar sua orientação. Nesta tese, o TVC é tratado como uma plataforma robótica de base fixa. Ao invés de usar servo-válvulas comerciais para controlar os atuadores, uma nova válvula de controle é proposta. Primeiro uma plataforma cardânica é considerada com transdutores de posição angular medindo o deslocamento da cruzeta da junta. Em seguida, uma nova configuração da plataforma é proposta substituindo o cardan por uma junta homocinética. Neste caso, a realimentação da posição da plataforma é feito usando um estimador de atitude em tempo real. Este estimador é um filtro complementar baseado em matrizes de orientação que coleta dados de uma central inercial (IMU). A modelagem do sistema começa com a cinemática. Na sequência, a modelagem dinâmica utiliza a formulação de Newton-Euler para obter a equação de movimento. A modelagem do sistema hidráulico é apresentada com o modelo da nova válvula de controle e do atuador. Inicialmente, um controlador puramente proporcional é proposto. Durante a validação experimental é mostrado que devido as características do sistema de atuação, mesmo este simples controlador é preciso e confiável. Em seguida é demonstrado um método para avaliar outras estratégias de controle. A comparação entre a plataforma cardânica e homocinética mostra que, nas condições analisadas, ambas têm um comportamento dinâmico similar. Nas duas configurações da plataforma o sistema se mostrou preciso e confiável. / [en] Thrust Vector Control (TVC) is used for the attitude control of spacecrafts. In the case of liquid-propellant fuel, the nozzle is traditionally connected to the rocket frame through a gimbal. Two hydraulic actuators are placed around the nozzle to control its orientation. In this Thesis, TVC is treated as a fixed base robotic platform. Instead of using commercial servo-valves to control the actuators, a novel control valve is proposed. First a gimbaled platform is considered with two angular position transducers to measure the angular displacement of the joint crosshead. Then, a homokinetic platform configuration is proposed replacing the gimbal by a constant velocity joint. In this case, the platform position feedback is done using a real-time attitude estimator. The estimator is a complementary filter based on orientation matrices that collects data from an inertial measurement unit (IMU). The modeling of the system begins with kinematics. Then, the dynamic modeling uses the Newton-Euler formulation to obtain the equation of motion. The modeling of the electro-hydraulic system is presented with the model of the novel control valve and the linear actuator. Initially, a full proportional controller is proposed. During the experimental validation it is shown that due to the characteristics of the actuation system, even this simple controller is accurate and reliable. Thereafter, method is demonstrated to evaluate novel control strategies. The comparison between the gimbaled and homokinetic platform shows that, under the analyzed conditions, they have a similar dynamic behavior. In both platform configurations the system is accurate and reliable.

[pt] A popularização da Internet das Coisas (IoT) abriu uma série de oportuni-dades para a geração de novas aplicações que não eram possíveis anteriormente. No cenário atual de IoT existem marketplaces que vendem soluções completas para os clientes com objetos inteligentes, gateways para a transmissão dos dados e provedores que analisam estes por uma taxa de assinatura. Partimos da visão de que no futuro deverá ocorrer uma uberização de IoT, onde cada pessoa poderá oferecer dados de sensores e acesso a atuadores para outra e que eles estarão categorizados com base no QoS dos objetos que os fornecem, similarmente como são classificadas commodities hoje. Além disso, haverá plataformas multilaterais onde essas informações poderão ser negociadas em combinação com provedores de conectividade, para transmitir os dados, e de análise. Uma plataforma que fornece esse serviço deve garantir que o fluxo de dados (e do estado) de objetos seja contínuo, sem expor para o cliente algum problema de conectividade entre eles e os provedores. Ou seja, ela deve ter mecanismos para detectá-los e rapidamente selecionar novos provedores, isso dentro de um cenário de intensa troca de dados. Este trabalho apresenta como contribuições um mecanismo de detecção contínuo de problemas de conectividade que utiliza o paradigma Publish-Subscribe para o envio de mensagens de identificação de problemas e uma solução arquitetural de uma plataforma baseada em conceitos de marketplaces para IoT, que inclui os serviços de comoditização dos provedores de serviço e o matchmaking para selecionar uma combinação destes para prestar serviços para o cliente. Um estudo de caso no domínio de marketplaces é conduzido, com a análise dos serviços da plataforma em vários cenários de testes e a avaliação do mecanismo de detecção de problemas de conectividade, com a simulação de diferentes falhas na conexão. / [en] The popularization of the Internet of Things (IoT) opened up a series of opportunities for the generation of new applications that were not previously possible. In the current scenario of IoT there are marketplaces that sell complete solutions for users with smart objects, gateways for data transmission and providers that analyze these for a subscription fee. We start from the view that in the future an uberization of IoT should occur, where each person can offer sensor data and access to actuators to another and that they will be categorized based on the QoS of the objects that provide them, similarly as commodities are classified today. In addition, there will be multilateral platforms where this information can be negotiated in combination with connectivity providers, to transmit data, and analytics. A platform that provides this service must ensure that the data (and state) flow of objects is continuous, without exposing to the user any connectivity problems between them and the providers. That is, it must have mechanisms to detect problems and quickly select new providers, all this in a scenario of intense data exchange. This work presents as contributions a continuous connectivity problem detection mechanism that uses a Publish-Subscribe paradigm to send problem identification messages and an architectural solution of a platform based on marketplaces concepts for IoT, which includes the commoditization of service providers and a matchmaking service to select a combination of these to provide services to the customer. A case study in the domain of marketplaces is conducted, with the analysis of the services of the platform with several tests scenarios and the evaluation of the mechanism of detection of connectivity problems, with the simulation of different connection failures.