Thesis (M. Tech.) -- Central University of Technology, Free State, 2009

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2005. / The aim of the thesis is to design a Control Moment Gyro (CMG) actuator which can be used in small satellite applications. The hardware and software of the CMG has to be designed according to specifications given. A satellite fitted with these CMGs has to be able to do a 30 degree rotation within 10 seconds.

In order for stroke subjects to gain functional recovery of their hemiparetic limbs, facilitation techniques such as the repetitive facilitation exercise, or RFE, have been developed. Currently, there is a lack of understanding of the neural mechanisms associated with these types of facilitation techniques. To better understand the neural mechanisms associated with the RFE a functional magnetic resonance imaging (fMRI) study should be conducted. This thesis presents experimental results testing the feasibility of implementing an fMRI-compatible actuator to facilitate a myotatic reflex in synchronization with the subject’s intention to move their hemiparetic limb. Preliminary data from a healthy individual demonstrated the feasibility of overlapping the long latency component of the afferent myotatic reflex, created by electrical stimulation, with descending nerve impulses, created using transcranial magnetic stimulation, in a time window of 15ms. In addition, a pneumatic actuation time delay due to long transmission line was evaluated. The pneumatic actuator met the timing precision requirement for the rehabilitation device for varying transmission line lengths. Therefore a pneumatic actuation system was chosen for the rehabilitation device. This thesis will also presents on the design of an fMRI-compatible pneumatic actuator device to excite a stretch reflex response. Initial, experimental results with the device demonstrated that the designed pneumatic device can control the timing of the muscle response with a fixed signal within the required 15ms window required for cortical facilitation, which was found in the previous feasibility study. However, the device was unable to create a long latency reflex observable at the muscle. Finally, this thesis presents on the capability of the device in creating subthreshold long latency response with precision to overlap with a subthreshold descending nerve impulse, created using transcranial magnetic stimulation. The overlap of the two responses was evaluated by comparing the amplitude of the muscle response with and without the stretch reflex, created by the fMRI-compatible pneumatic actuator device. Varying time delays were analyzed.

This thesis deals with the design of a technological demonstrator for data collection in IoT environment. A study of available IoT technologies was made, consisting of a description of available sensors / actuators, data transmission and processing. At the same time, the key components of the demonstrator, the AWS IoT cloud service and the MQTT communication protocol, were described. Based on the IoT technology study, a representative set of technological demonstrator elements was designed. Its functionality has been experimentally verified using the ESP8266 and ESP32 WiFi modules using Mongoose-os firmware. The result is a demonstrator of IoT data collection designed for usage in an Smart House.

Les actionneurs à base de polymères électroactifs ioniques constituent une alternative prometteuse par rapport aux actionneurs conventionnels, en particulier lorsqu’une réponse comparable à celle d’un muscle naturel est recherché. Parmi eux, les actionneurs à base de polymères conducteurs constituent une voie prometteuse pour des applications biomédicale où la biocompatibilité, la compacité et un positionnement précis sont requis. Néanmoins, l’essor de dispositifs fonctionnels est fortement ralenti en raison de la faible efficacité d’actionnement et de la rapide dégradation des performances de ce type d’actionneurs. L’absence de rétroaction sur la force ou sur la position est également un autre aspect limitant le développement de cette approche. L’objectif de cette thèse est de proposer une technique de fabrication à grande échelle pour l’élaboration d’actionneurs à base de polymères électroactifs ioniques et permettant également l’intégration de capteurs pour un contrôle rétroactif. L’impression par jet d’encre est une technologie clé pour le dépôt de polymères et une des plus alternatives les plus prometteuses pour la production d’actionneurs à base de polymères conducteurs. Cependant, la fabrication d’actionneurs par technique jet d’encre n’est pas encore totalement maîtrisée à cause des propriétés rhéologiques des solutions de polymères conducteurs qui rendent difficile le contrôle de l’éjection de gouttes mais également en raison de la nature complexe des interactions entre la solution et l’échantillon qui peut conduire à une faible adhésion et un mauvais contrôle de l’infiltration de l’encre. Pour optimiser cette méthode de fabrication, des membranes hybrides contenant des ions ont été développées. Le greffage d’un monomère hydrophile par plasma argon avec un dépôt contrôlé en profondeur a été utilisé pour obtenir des membranes en polyfluorure de vinylidène (PVDF) avec des surfaces hydrophiles tout en conservant une zone centrale hydrophobe. Ces membranes hybrides ont permis d’obtenir, par dépôt de gouttes, des actionneurs de morphologies très variées à base de polymères conducteurs. En outre, la durée de vie d’actionneurs obtenus avec une solution conductrice de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) a été sensiblement augmentée avec des déformations de plus de 0.6% sans qu’aucun signe de délamination ne soit perceptible. Enfin, la nature complexe des mécanismes physico-chimiques à l’origine des interactions entre le film polymère et la membrane poreuse a été mieux appréhendée durant ce travail. Les conditions nécessaires pour assurer une forte adhésion et les effets conduisant à un mauvais contrôle de l’infiltration ont été partiellement identifiés. Ces résultats ont permis de définir les paramètres clés concernant la préparation de la membrane et la composition de la solution polymère. En associant l’ensemble de ces résultats avec les exigences liées à l’utilisation de l’impression de solutions par jet d’encre, nous avons réalisé, en utilisant cette technique de dépôt, les premiers actionneurs ioniques à base de PEDOT:PSS. / Onic electroactive polymer based artificial muscles are promising alternative to traditional actuators, especially where compliant muscle-like response is desirable. Among them, conducting polymer actuators (CPAs) are most promising for biomedical applications, where biocompatibility, compactness and accurate positioning is essential. Nevertheless, development of applicable devices is hold down by their low efficiency and fast performance deterioration. The absence of a tactile, force or position feed-back is another feature limiting the development of functional devices. The goal of this thesis is to develop a fabrication technique for conducting polymer based actuators that could be up-scalable and enable facile integration of sensory feedback. Inkjet printing is key technology in the field of defined polymer deposition as well as in fabrication of strain sensors. It is also one of the most promising alternatives to prevalent fabrication of conducting polymer actuators. Nevertheless, inkjet printed actuators were not yet realized due to rheological properties of conducting polymer solutions that challenge jetting and the complex solution - membrane interactions, that lead to poor adhesion or uncontrolled infiltration. In order to enable this fabrication method, hybrid ion-storing membranes were developed. Argon plasma induced grafting-to of hydrophilic macromonomer with limited-indepth deposition was used to obtain polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes with hydrophilic upper surfaces and hydrophobic centre. Functionalized PVDF membranes were shown to withhold good adhesion to the conducting polymer films and preserve electrically insulating layer in between them. Hybrid membranes were demonstrated to be advantageous in fabrication of CPAs by drop casting and enable production of actuators with various morphologies. Furthermore, fabricated poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) based actuators demonstrated long lifetime with no signs of delamination as well as large strain of more than 0.6%. In addition, the complex nature of the physico-chemical mechanisms of the interactions between the polymer film and the porous membrane was better understood during this work. The conditions necessary in order to ensure strong adhesion as well as circumstances leading to uncontrolled infiltration were partially identified. These were used to set up limits to membrane preparation and polymer solution composition. Combining obtained knowledge with known requirements for inkjet printable solutions lead to the realization of the first inkjet printed PEDOT:PSS based ionic actuators.

A sensibilidade eletromecânica dos transdutores de eletretos poliméricos resulta em muitas aplicações na engenharia, que motivaram a produção industrial de um filme não homogêneo e eletricamente carregado, denominado filme eletromecânico ou EMFi (ElectroMechanical Film). Um dispositivo alternativo a este EMFi, produzido em nosso laboratório, foi o resultado de uma bolha de ar homogênea termoformada, unida por dois filmes de teflon FEP. Este dispositivo possui uma estrutura similar ao EMFi, mas permite cavidades homogêneas a serem predefinidas e distribuídas no momento em que o dispositivo é produzido, diferindo das células no EMFi com tamanhos diversos e dispersas no interior do filme industrial. A possibilidade de controlar a geometria das bolhas de ar tornou possível o desenvolvimento de um modelo, empregado como uma ferramenta de projeto. A resposta eletromecânica deste transdutor foi modelada e então apresentada neste trabalho. Este modelo analítico avalia o desempenho destes transdutores com somente uma bolha termoformada, para efeitos de simplificação, baseado em capacitores em série, em função da deformação mecânica e da carga elétrica retida no polímero. São representados dinamicamente com parâmetros elétricos e mecânicos, definidos à medida que operam como sensores ou atuadores, com respeito ao limites impostos pela aplicação especificada. O gráfico da resposta em freqüência mostra a freqüência de ressonância e a largura da faixa para meia-amplitude que determina o coeficiente de amortecimento que não pode ser obtido diretamente do modelo analítico. Este gráfico também permite comparar a freqüência natural obtida graficamente com aquela calculada pelo modelo, tornando mais confiável o modelo desenvolvido para o transdutor. Finalmente, melhorias na instrumentação e em condições mais adequadas para os testes são sugeridas, bem como métodos alternativos para trabalhos futuros. / The electromechanical sensibility of polymeric electrets transducers yields many engineering applications which have motivated industrial production of a non-homogeneous and electrically charged film, the so-called electromechanical film (EMFi). An alternative device for this EMFi that has been produced in our laboratory was a homogeneous thermo-formed air bubbles bonded with two teflon FEP films. This device has a structure similar to the EMFi, but allows the homogeneous voids to be pre-defined and distributed at the moment the device is produced, differing the EMFi voids with diverse sizes and dispersed into the industrial film. The possibility to control the air bubbles geometry makes possible the development of a model to be used as a design tool. The electromechanical response of this transducer has been modeled and is presented in this work. Such analytical model evaluates the transducers performance using just a single thermo-formed bubble for simplification purposes, based on series capacitors, which are function of the mechanical deformation and electrical charge trapped in the polymer. They are represented dynamically, with electrical and mechanical parameters being defined as they work as sensors or actuators, regarding the limits imposed by the specified application. A frequency response plot shows the resonance frequency and the bandwidth for the half amplitude, which determines the damper coefficient that cannot be obtained directly from the analytical model. This plot also allows comparison of the natural frequency obtained graphically with the calculated one using the model, making more reliable the transducer model developed. Finally, instrumentation improvements and more suitable test conditions are suggested, as well as alternative methods for future works.

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

Este trabalho apresenta a modelagem, identificação de parâmetros e projeto do sistema de controle de um atuador rotacional antagônico com refrigeração forçada baseado em fios de liga de memória de forma, tendo em vista a aplicação em manipuladores robóticos. O modelo é baseado na abordagem de transformação de fases por subcamadas, que leva em conta a alta não linearidade que ocorre devido à dinâmica de transformação de fases do fio de memória de forma (especialmente a alta histerese envolvida). Um algoritmo de otimização por meio de Programação Quadrática Sequencial é então usado para se estimar os parâmetros do modelo de difícil obtenção exata, como as temperaturas de transição de fase dos fios de liga de memória de forma e o coeficiente de convecção. A função objetivo adotada é o erro entre a posição medida experimentalmente e a posição obtida por meio de modelagem e simulação. Parte-se de valores de parâmetros iniciais de tabela para a aplicação do algoritmo. Os resultados são em seguida comparados e avaliados com experimentos independentes em malha aberta, com o modelo apresentando boa correlação com a planta para uma excitação de até 2,0 Hz. Por fim, um sistema de controle não linear por modos deslizantes baseado no modelo é desenvolvido e simulado utilizando o modelo estimado, tanto em modo de controle de torque como em controle de posição. Aplica-se um controlador com camada limite e linearização utilizando a realimentação dos estados e o modelo estimado. Este tipo de controlador é robusto a eventuais diferenças entre o modelo e o sistema real. O controlador é então utilizado num modelo sistema de experimental, a partir do qual são obtidos resultados de desempenho dinâmico e exatidão do atuador controlado ao mesmo tempo em que são feitas comparações com os resultados das simulações. Por fim, demonstra-se que os objetivos iniciais do trabalho são atingidos, ao se realizar satisfatoriamente o controle de posição e de torque com robustez, exatidão e desempenho dinâmico adequados à aplicação prevista. / This work presents the modeling, grey-box parameter estimation and control design of a force-cooled antagonistic shape memory alloy (SMA) rotational actuator, having in mind the application in robotic manipulators. The model is based on a sub-layer phase transformation approach, taking account the large non-linearities that rise from the phase-transformation dynamics (in special, the highly hysteretic dynamics). An optimization Quadratic Sequential Programming Algorithm is used to for estimate estimating the model parameters, which are hard to obtain accurately, like the such as phase transition temperatures of the shape memory alloy wires and the convection coefficient. The objective function adopted is the error between the experimentally measured position and the position obtained by means of modeling and simulation. Initial parameters for the algorithm application are taken from factory tables\' datasheets. The results are then compared and evaluated with independent open loop experiments. At last, a model based nonlinear shape memory alloy SMA control scheme is designed and simulated using the estimated model, in torque and position control modes. The control scheme applied uses limit layer and feedback linearization using based on the estimated model. This control scheme is robust to eventual mismatch between modeling and the real system. The controller is then used in an experimental model, from which results of dynamic behavior and accuracy of the controlled actuator are obtained and compared with the simulated results. At last, it is showed that the initial objectives of this work are achieved, by satisfactorily performing position and torque control with robustness, accuracy and dynamic performances adequate to the application targeted.

As ligas com memória de forma (Shape Memory Alloy - SMA) consistem em um grupo de materiais metálicos que possuem a habilidade de retornar a um formato ou tamanho previamente definido quando submetidas a um ciclo térmico adequado, devido a alterações em sua estrutura cristalina. Esta mudança não é um processo termodinamicamente reversível, apresentando, conseqüentemente, histerese. Portanto, a característica principal destes materiais é a habilidade de sofrer grandes deformações e, em seguida, recuperar sua forma original quando a carga é removida ou o material é aquecido. Assim, pode-se utilizar esse fenômeno para construir atuadores leves e silenciosos, como verdadeiros músculos metálicos. O desenvolvimento de atuadores com as SMAs apresenta grande atrativo para diversos campos da engenharia, principalmente na área de robótica, substituindo os atuadores convencionais de grande peso e ruidosos, como motores, válvulas solenóides, etc. Entretanto, para o bom desempenho de atuadores SMA requer-se um complexo sistema de controle e resfriamento, reduzindo-se o tempo de resposta do atuador e minimizando-se os efeitos da histerese. Neste trabalho, propõe-se um inovador sistema de resfriamento, baseado em pastilha termo-elétrica (efeito Seebeck-Peltier). Este método possui a vantagem de ser mais compacto e simples que outros métodos de resfriamento forçado. Um modelo matemático completo foi também desenvolvido, e um protótipo experimental foi construído. Diversos experimentos foram utilizados para a validação do modelo e para a identificação de todos seus parâmetros. Analisou-se então a aplicabilidade de um controle de posição baseado em algoritmo PID, utilizando-se diversos métodos de ajuste de ganhos. Verificou-se um desempenho razoável, com uma largura de banda em malha fechada de aproximadamente 0,37Hz. Em seguida, desenvolveu-se um sistema de controle de posição baseado em teoria de modos deslizantes (sliding mode control), que utiliza o modelo matemático do sistema e leva em conta as não linearidades existentes. Embora matematicamente mais complexo, obteve-se um desempenho superior ao PID, com largura de banda de 0,69Hz. Diversos experimentos confirmaram também a robustez deste controlador e seu bom desempenho na presença de distúrbios. / Shape Memory Alloys (SMA) consist of a group of metallic materials that demonstrate the ability to return to some previously defined shape when subjected to the appropriate thermal cycle, due to shift in the materials crystalline structure. The change that occurs within SMAs crystalline structure is not a thermodynamically reversible process and results in hysteresis behavior. The key feature of these materials is the ability to undergo large plastic strains and subsequently recover these strains when a load is removed or the material is heated. Such property can be used to build silent and light actuators, similar to a mechanical muscular fiber. SMA actuators have several advantages in several engineering fields, mainly in robotics, replacing the conventional actuators like motors or solenoids. However, the good performance of the SMA actuator depends on a complex control and cooling systems, reducing the time constant and minimizing the effects of hysteresis. In the present work, a novel cooling system is proposed, based on thermo-electric effect (Seebeck-Peltier effect). Such method has the advantage of reduced weight and requires a simpler control strategy compared to other forced cooling systems. A complete mathematical model of the actuator was also derived, and an experimental prototype was implemented. Several experiments were used to validate the model and to identify all parameters. A PID position control system was developed and implemented in the prototype, using several tuning methods. A good performance was obtained, with a cut-off frequency of 0.37Hz. A position controller based on sliding mode theory was then developed, using the mathematical model of the system and taking into account the non-linear effects. Although such controller presents a more complex mathematical derivation, a better performance was obtained, with a cut-off frequency of 0.69Hz. Several experiments confirmed the robustness and disturbance filtering properties of the sliding mode controller.

De maneira geral, a necessidade de melhorar o desempenho e diminuir o tamanho de sistemas mecatrônicos tem levado a indústria moderna a desenvolver mecanismos de posicionamento com características excelentes de aceleração e precisão. O uso de posicionadores em equipamentos de precisão, em particular no posicionamento da ferramenta/peça na usinagem de ultraprecisão, deve-se à necessidade de se obter rígido controle do perfil a ser fabricado. Neste sentido, foi desenvolvido no Laboratório de Engenharia de Precisão da EESC-USP um microposicionador angular rotativo capaz de monitorar a posição da ferramenta em relação à peça durante o processo de usinagem e fazer as devidas compensações de erros, além da possibilidade de obtenção de geometrias diferenciadas. Neste trabalho encontram-se estudos referentes à aplicação do método dos elementos finitos com o intuito de verificar a funcionalidade do sistema mecânico proposto, avaliando suas características estáticas e dinâmicas. Além disso, propõe-se validar o uso de redes neurais artificiais como ferramenta capaz de auxiliar no desenvolvimento de um algoritmo de identificação de imagens, baseado no conhecimento, que emprega como elemento multi-sensor, imagens interferométricas, representando posições. Dentre as principais características a serem alcançadas pelo algoritmo idealizado está a habilidade de identificar a posição de uma superfície justaposta ao sistema microposicionador angular e, assim, permitir maior rapidez de processamento das informações, possibilitando seu emprego em sistemas de controle em tempo real. A aplicação desta técnica foi avaliada por meio de simulação e apresenta resultados significativos para incentivar pesquisas envolvendo imagens interferométricas. / In broad terms, to achieve high performance and miniturization of mechatronic systems it is necessary to develop positioning mechanisms with high response and precision. The use of positioning devices compatible with precision equipment, particularly in the positioning of a tool relative to a workpiece in ultraprecision machining, results from the need for absolute control of the dimensions of cut. A microtilt stage was developed in the Precision Engineering Laboratory of EESC-USP which is capable of monitoring the position of a diamond tool relative to a workpiece, in-process, permiting error compensation and the generation of complex forms. Finite Element Method is applied to perform a functional analysis (static and dynamic) of the mechanical parts. The use of artifitial neural networks as a tool to help the development of an algortithm for the identification of images is proposed. This algorithm is based on knowledge and employs interferograms as a multi-sensor element representing positions. One desired characteristic of the proposed algorithm is its ability to perform the identification of the position of a surface on the tilt stage and to permit fast processing of the information. This turns the device appropriate to be used in real time applications. This technique was assessed by simulation and presented significant results, encouraging further researches envolving interferometric pattern recognition.