Com o crescimento populacional e a demanda energética crescente, a sociedade contemporânea têm enfrentado novos desafios para se manter. A aplicação da robótica em diversas áreas está cada vez mais comum, contribuindo para suprir estes novos desafios. Contudo, ainda existem casos em que o uso da robótica convencional é proibitivo, como em ambientes com campos elétricos e/ou magnéticos intensos, encontrado, por exemplo, nos sistemas de distribuição de energia elétrica e em máquinas de ressonância magnética. Isto porque os componentes condutores e ferromagnéticos utilizados podem oferecer perigos, causando queimaduras, curtos-circuitos e até lançamento de componentes. Em vista destas dificuldades, este trabalho propõe a construção de um manipulador robótico capaz de atuar nestas condições de campos elétricos e magnéticos elevados. Na construção de tal dispositivo, entretanto, é necessário o estudo da estrutura mecânica, dos atuadores, dos sensores e do controlador. No caso da estrutura mecânica e dos sensores, existem alternativas não condutoras disponíveis. O controlador geralmente é um microcomputador ou um dispositivo eletrônico, portanto condutor. Uma alternativa é manter o controlador distante e isolado do ambiente de risco. Mas para que esta hipótese seja testada, é necessário um atuador não condutor e não ferromagnético. Por isso, este trabalho propõe a construção de um atuador livre de materiais ferromagnéticos e condutores baseado no músculo artificial pneumático de McKibben. Músculos artificiais pneumáticos são disponíveis comercialmente, entretanto possuem materiais metálicos. Além disso, o controle preciso destes atuadores é dificultado pela sua alta não linearidade. Para verificar a viabilidade da aplicação de músculos artificiais em um manipulador não condutor, foram realizados testes com protótipos de músculos artificiais construídos com materiais compatíveis. O projeto e o dimensionamento do músculo artificial é abordado. Finalmente, é realizado o controle PID do músculo para avaliar sua controlabilidade e viabilidade de aplicação para tarefas de precisão em posicionamento. / With the population growth and the evergrowing energy dependency, the contemporary society have been facing new challenges to maintain yourself. The use of robotics in various fields is each time more common, contributing to surpass these new challenges. However, there are still cases where applying conventional robotics is prohibitive, such as in high electric and magnetic field environments, found, for example, in electric energy distribution systems and in magnetic resonance imaging machines. That\'s because conductive and ferromagnetic components can cause serious problems, like burns, short-cuts and even be throwed at high velocities. Knowing these difficulties, this work proposes the construction of a robotic manipulator capable of acting in these high electric and magnetic field environments. To build such manipulator, however, it\'s necessary to study the mechanic structure, the actuators, the sensors and the controller. In the case of the mechanic structure and sensors, there exists non-conductive and non-magnetic alternatives available. The controller is, in general, a microcomputer or an electric device, therefore, conductive. One alternative is to keep the controller far away from the risk environment. But to test this hypothesis, it\'s necessary to have a non-conductive and non-ferromagnetic actuator. Because of that, this work proposes the construction of an actuator free of conductive and magnetic materials, based on the McKibben pneumatic artificial muscle. Pneumatic artificial muscles are available commercially, but they have metallic components. Besides, the accurate control of these actuators is difficult for their high non-linearities. To verify the viability of applying artificial muscles on a non-conductive manipulator, tests were conducted with artificial muscle prototypes built with compatible materials. The design and dimensioning of the artificial muscle are covered. Finally, the PID controller is implemented to evaluate the muscle\'s controllability and its viability for tasks that need position accuracy.

Máquinas manuais são utilizadas em diversos processos, como na usinagem mecânica. Apesar da existência de máquinas automatizadas, com boa precisão e conformidade, as máquinas manuais de usinagem possuem baixo custo inicial e alta flexibilidade de produção, sendo empregadas para produção de lotes pequenos ou peças únicas, como protótipos ou peças empregadas em pesquisas científicas. O operador humano possui mais flexibilidade que qualquer sistema automatizado por ter a capacidade de tomar decisões. O posicionamento da ferramenta de usinagem através de uma mesa linear com parafuso e porca, acionada manualmente com um manípulo, exige perícia do operador e impacta no custo final das peças produzidas. Um dispositivo robótico acoplado ao mecanismo de posicionamento poderia trabalhar em cooperação com o operador humano, sendo utilizado como um recurso optativo para auxiliá-lo na tarefa de posicionamento. Atuadores passivos do tipo freio são seguros para a manipulação humana direta e naturalmente estáveis ao manter uma posição estática, além de baratos e simples. Sendo controlado por computador e com a posição desejada facilmente programável, o freio eliminaria a preocupação do operador com o posicionamento crítico, permitindo concentrar-se em outros detalhes do trabalho de usinagem ao delegar a tarefa de posicionamento ao freio. Literatura ou índices de desempenho escassos e iniciais foram encontrados sobre a utilização de freios neste contexto. Desta forma, este trabalho estuda os mecanismos típicos de máquinas manuais de usinagem e de freios por atrito, propondo então algoritmos de controle e avaliando seu desempenho. Desenvolveu-se dois tipos de controladores para lidar com as fortes não linearidades do atrito e fatores estocásticos do mesmo: um primeiro que utiliza pré-alimentação de um modelo do atuador e um segundo que tenta diminuir a influência de perturbações no posicionamento final diminuindo a velocidade do sistema nas imediações da posição desejada de frenagem. Um protótipo foi montado e permitiu avaliar experimentalmente os algoritmos, que apresentaram bons índices de desempenho que confirmam seu potencial de utilização, baseados em trabalhos anteriores e normas técnicas de tolerâncias gerais. / Manual machines are those with minimum or non-existent automation, being employed in many processes, like in the mechanical machining, where the operator have the task to position a machining tool to manufacture pieces. Despite the existence of automated machines, with good precision and production regularity in its produced pieces, the manual machines has low initial cost and high production flexibility, being used for the production of small or unique batches, like prototypes or pieces for scientific research. The human operator has greater flexibility than any automated system as it has the ability to make decisions. The positioning of the machining tool, thru a linear work table with screw and nut, manually operated by a hand wheel, requires operator skills which impacts the final cost of the manufactured pieces. A robotic device coupled to the positioning mechanism would work in cooperation with the human operator, being used as a resource to help with the task of positioning. Passive actuators, like brakes, are safe for human direct manipulation and naturally stable to maintain a position, despite being simple and cheap. Being computer-controlled, with the desired position easily programmable, the brake would eliminate the operators worry with the positioning task, leaving it to the brake. This work studies typical machine mechanisms of manual machines and friction brakes, leading to the development and evaluation of control algorithms. Two main types of feedback controllers were developed to deal with the brakes hard nonlinearities of friction and stochastic factors: one that uses a feedforward model to compensate for modeled disturbances and a second that tries to lower the disturbances influence by lowering the velocity nearby the desired position. A prototype were built and allowed to experimentally evaluate the proposed algorithms, which presented good performance in relation to early works and tolerance standards.

A Plataforma de Stewart é um dos exemplos mais populares dos manipuladores do tipo paralelo, disponibilizando 6 graus de liberdade, apresentando ao mesmo tempo propriedades superiores de precisão e relação peso/carga, quando comparadas com mecanismos do tipo serial, o que a converte em uma opção atrativa para ser aplicada como simulador de movimentos. Neste contexto, o presente trabalho estuda o controle de seguimento de trajetória de um Manipulador Plataforma Stewart (MPS) com atuadores hidráulicos para ser aplicado como simulador de movimentos de navios. O estudo envolve a análise da cinemática, dinâmica, e controle do manipulador, incluindo a modelagem matemática dos cilindros hidráulicos usados como atuadores. Atenção especial é dispendida à formulação da dinâmica do MPS no espaço de juntas, procurando demonstrar a propriedade de antissimmetría das Matrizes de Inércia e Coriolis. O controle proposto foi validado como estável pelo critério de Lyapunov, e, leva em consideração tanto o sistema mecânico da Plataforma de Stewart, quanto o sistema de acionamento hidráulico dos atuadores. Através de simulações de controle usando trajetórias similares às do movimento de um navio, comprovou-se que o sistema proposto consegue disponibilizar fielmente os movimentos de uma embarcação. / The Stewart Platform is one of the most representative examples of parallel manipulators. It has six degrees of freedoms, and superior precision and load/weight ratio when compared to serial manipulators, properties that make them suitable and attractive options for motion simulation applications. In this sense, this work focuses on robust tracking control design for a high load capacity hydraulically driven Stewart Platform manipulator, capable of vessel motion simulations. The kinematic, dynamic and control analysis of the manipulator are presented, as well as a mathematical model of the hydraulic cylinders used as actuators. Especial attention is given to the derivation of the manipulator dynamics formulation, the skew symmetric property of the Inertia and Coriolis matrices is carefully proven in both Cartesian and joint state spaces. The proposed controller takes into consideration the manipulator mechanical dynamics and the actuators hydraulic dynamics. Furthermore, the Lyapunov criteria is used to guarantee control closed loop stability. The control performance is verified by means of computer simulations.

Os atuadores hidráulicos são usados em muitas aplicações e áreas de trabalho devido à sua capacidade para manipular grandes forças com baixa inércia, pouca vibração e capacidade de trabalho por longos períodos de tempo. Entretanto, o maior problema no uso destes tipos de atuadores são as características dinâmicas tais como não-linearidade e variação de parâmetros, as quais dificultam seu controle em malha fechada. Assim, para controlar sistemas hidráulicos, é necessário o uso de modelos matemáticos não lineares e a aplicação de leis de controle complexas para obter um seguimento de trajetória com alta precisão. O objetivo principal deste trabalho é a obtenção de um sistema que siga com precisão as trajetórias de referência do tipo senoidais. Para tanto, este trabalho aborda o projeto de uma lei de controle por realimentação de estados (feedback linearization) combinada com o princípio do modelo interno para aplicar no sistema hidráulico de atuação de uma máquina de ensaios de fadiga. O princípio do modelo interno é aplicado utilizando um compensador dinâmico (que contém pólos imaginários com a mesma freqüência que o sinal de referência) num laço externo do sistema linearizado por realimentação de estados. Uma lei de controle do tipo realimentação de estados, considerando os estados do sistema linearizado e os do compensador dinâmico, é projetada para garantir estabilidade no sistema de malha fechada. A fim de avaliar a estratégia de controle proposta são discutidos e apresentados simulações do modelo experimental. / Hydraulic actuators are used in many applications due to their ability in driving large forces with low inertia and little vibration for a long period of time. However, the main problem in controlling these kinds of systems concerns their dynamics, which presents several nonlinearities and parameters variations. Thus, to control hydraulic systems, appropriated nonlinear models and complex control techniques to achieve a stable force regulation with a specified performance are necessary. The purpose of this work is the application of a feedback linearization scheme in the design of a force controller for a hydraulic actuator used in a fatigue test machine. The main control objective considered regards the achievement of sinusoidal force reference tracking. With this aim the internal model principle is applied by using a dynamic compensator (containing imaginary poles with the same frequency of the force reference) in an outer regulation loop. A state feedback control law, considering both the states of the feedback linearized hydraulic system and the ones of the dynamic compensator, is therefore designed in order to stabilize the whole closed-loop system. Experimental model identification and simulation control results are presented and discussed.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

Trata do desenvolvimento de um porta-ferramenta translativo (PFT). Objetiva o microposicionamento relativo ferramenta/peça durante a usinagem de ultraprecisão, para atender à tolerâncias nanométricas. Define esse microposicionamento com o emprego de atuador piezelétrico. Mostra alguns aspectos de projeto aplicados à engenharia de precisão que foram usados no desenvolvimento do PFT. Relata as técnicas de controle aplicadas como PID e compensador por atraso de fase. Realiza uma análise para verificação dos modos de vibrar do PFT, identificando assim as freqüências naturais do sistema. Apresenta um modelo ideal, ou seja, todos os componentes foram fabricados e montados para a realização dos testes. Propõe que a estratégia de controle seja baseada em processar sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da ferramenta para identificar a condição de posicionamento relativo ferramenta/peça e obter informações que foram posteriormente usadas em um controlador PID, para realimentação de posição. Conclui com a avaliação e testes experimentais de deslocamento da ferramenta de corte, até 25 &#956m; com freqüência, até 10 Hz, realizados com o PFT projetado. / This work deals with the development of a tool post (PFT) for the micropositioning of a tool during ultraprecision machining in the nanometric range. Micropositioning employing piezoelectric actuators is defined. Precision engineering designs aspects applied to the development of the PFT are discussed. Control techniques such as PID and phase-lag compensator are addressed. A computer simulation for the verification of the vibrating modes of the PFT, with the simultaneous identification of the natural frequencies is carried out. An ideal model - all components will be manufactured and assembled - is presented. A control strategy based on the processing of signals acquired during the micropositioning of the tool to identify the positioning condition and to obtain information to be used by a PID controller is proposed. Experimental tests are performed with displacement of the tool, up to 25 &#956m, with frequency, up to 10 Hz.

Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto de atuadores eletromagnéticos lineares inovadora para aplicação em sistemas de suspensão semiativa e ativa. A metodologia, apresentada na forma de fluxograma, define critérios para determinar os requisitos de força e curso que um atuador deve desenvolver considerando um sistema mecânico vibratório com um grau de liberdade com excitação harmônica de base quando o método de controle skyhook é aplicado. Um atuador eletromagnético linear de bobina móvel com duplo arranjo de quase-Halbach que apresenta elevada densidade de força, reduzida massa móvel, ausência de força de relutância e baixa ondulação de força é definido como estudo de caso. Um modelo numérico parametrizado em elementos finitos do comportamento eletromagnético de um passo polar do dispositivo é criado e analisado, considerando restrições dimensionais, com os objetivos de projeto definidos como: elevada densidade de força e reduzida ondulação de força com acionamento brushless CA. Com base no modelo de um passo polar do dispositivo, define-se o volume ativo que o mesmo deve apresentar e, a partir deste, todas as dimensões são definidas de forma a atender os requisitos de projeto. Uma vez definidas as dimensões do atuador com base no modelo eletromagnético, realiza-se a modelagem térmica numérica que permite avaliar qual a máxima densidade de corrente elétrica aplicável de forma que a temperatura, estipulada como máxima, nos enrolamentos não seja excedida. Ainda, a distribuição térmica permite determinar a temperatura de operação dos ímãs permanentes que têm curva de operação dependente da temperatura. A partir dos resultados da simulação térmica e do modelo eletromagnético para um passo polar, realizou-se o acoplamento eletromagnético-térmico por meio da correção das propriedades dos ímãs permanentes e aplicando uma densidade de corrente eficaz dependente das dimensões do modelo parametrizado. O modelo acoplado é simulado e analisado, de modo que as dimensões finais do atuador podem ser obtidas atendendo aos mesmos objetivos de projeto previamente mencionados, respeitando os limites de operação térmica. Adicionalmente, são apresentados modelos analíticos do comportamento eletromagnético e térmico do atuador que podem servir de base para implementação da metodologia proposta, se esta for baseada em modelos analíticos, e podem futuramente ser empregados para a aplicação de otimização matemática do dispositivo. Por fim, um protótipo do dispositivo é construído de forma a validar a metodologia proposta. Com este protótipo são realizados ensaios de densidade de fluxo magnético no entreferro, tensão induzida a vazio, força estática e ensaio dinâmicos com o dispositivo instalado em uma bancada de testes de vibrações controladas desenvolvida durante o projeto. Os resultados mostram a eficácia da metodologia proposta, uma vez que os resultados experimentais mostraram boa concordância com os resultados esperados. / This work presents an innovative linear electromagnetic actuator design methodology for application in semi-active and active suspension systems. The methodology, synthesized in a flowchart, sets criteria to determine requirements such as axial force and stroke that an actuator should develop considering a vibration system with one degree of freedom with harmonic base excitation when the skyhook control method is applied. A linear moving-coil electromagnetic actuator with dual quasi-Halbach arrays of permanent magnets that presents high force density, low moving-mass, no reluctance force and low force ripple is defined as a case study. A finite element numerical parameterized model that describes the electromagnetic behavior of one pole pitch of the device is created and analyzed, considering dimensional constraints, with the design objectives defined as: high force density and low ripple of force with brushless AC drive. Based on the model of one pole pitch of the device the active volume and all dimensions are defined in order to meet the design requirements. Once the actuator dimensions are defined, based on the electromagnetic model, a numerical thermal model was constructed, which allows to evaluate the maximum applicable electric current density so that the maximum temperature at the windings is not exceeded. Furthermore, the thermal distribution gives the operating temperature of the permanent magnets, which present performance highly dependent on temperature. With the results of the thermal simulation, the electromagnetic-thermal coupling is performed by correcting permanent magnet properties and by applying a parametric-dependent effective current density. The coupled model is simulated and analyzed so that the final dimensions of the actuator can be obtained with the same design objectives previously mentioned, while respecting thermal operating limits. In addition, the work presents analytical models of the electromagnetic and thermal behavior of the actuator that can be the basis for implementation of the proposed methodology, if it is based on analytical models, and can further be used for the application of mathematical optimization of the device. Finally, a prototype was built to validate the proposed method. Measurements were carried out to assess magnetic flux density in the air gap, open-circuit induced voltage, static force and dynamic tests with the device installed in a test bench that was developed during this work. The results show the effectiveness of the proposed method since experimental results have shown good agreement with the expected results.

Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto de atuadores eletromagnéticos lineares inovadora para aplicação em sistemas de suspensão semiativa e ativa. A metodologia, apresentada na forma de fluxograma, define critérios para determinar os requisitos de força e curso que um atuador deve desenvolver considerando um sistema mecânico vibratório com um grau de liberdade com excitação harmônica de base quando o método de controle skyhook é aplicado. Um atuador eletromagnético linear de bobina móvel com duplo arranjo de quase-Halbach que apresenta elevada densidade de força, reduzida massa móvel, ausência de força de relutância e baixa ondulação de força é definido como estudo de caso. Um modelo numérico parametrizado em elementos finitos do comportamento eletromagnético de um passo polar do dispositivo é criado e analisado, considerando restrições dimensionais, com os objetivos de projeto definidos como: elevada densidade de força e reduzida ondulação de força com acionamento brushless CA. Com base no modelo de um passo polar do dispositivo, define-se o volume ativo que o mesmo deve apresentar e, a partir deste, todas as dimensões são definidas de forma a atender os requisitos de projeto. Uma vez definidas as dimensões do atuador com base no modelo eletromagnético, realiza-se a modelagem térmica numérica que permite avaliar qual a máxima densidade de corrente elétrica aplicável de forma que a temperatura, estipulada como máxima, nos enrolamentos não seja excedida. Ainda, a distribuição térmica permite determinar a temperatura de operação dos ímãs permanentes que têm curva de operação dependente da temperatura. A partir dos resultados da simulação térmica e do modelo eletromagnético para um passo polar, realizou-se o acoplamento eletromagnético-térmico por meio da correção das propriedades dos ímãs permanentes e aplicando uma densidade de corrente eficaz dependente das dimensões do modelo parametrizado. O modelo acoplado é simulado e analisado, de modo que as dimensões finais do atuador podem ser obtidas atendendo aos mesmos objetivos de projeto previamente mencionados, respeitando os limites de operação térmica. Adicionalmente, são apresentados modelos analíticos do comportamento eletromagnético e térmico do atuador que podem servir de base para implementação da metodologia proposta, se esta for baseada em modelos analíticos, e podem futuramente ser empregados para a aplicação de otimização matemática do dispositivo. Por fim, um protótipo do dispositivo é construído de forma a validar a metodologia proposta. Com este protótipo são realizados ensaios de densidade de fluxo magnético no entreferro, tensão induzida a vazio, força estática e ensaio dinâmicos com o dispositivo instalado em uma bancada de testes de vibrações controladas desenvolvida durante o projeto. Os resultados mostram a eficácia da metodologia proposta, uma vez que os resultados experimentais mostraram boa concordância com os resultados esperados. / This work presents an innovative linear electromagnetic actuator design methodology for application in semi-active and active suspension systems. The methodology, synthesized in a flowchart, sets criteria to determine requirements such as axial force and stroke that an actuator should develop considering a vibration system with one degree of freedom with harmonic base excitation when the skyhook control method is applied. A linear moving-coil electromagnetic actuator with dual quasi-Halbach arrays of permanent magnets that presents high force density, low moving-mass, no reluctance force and low force ripple is defined as a case study. A finite element numerical parameterized model that describes the electromagnetic behavior of one pole pitch of the device is created and analyzed, considering dimensional constraints, with the design objectives defined as: high force density and low ripple of force with brushless AC drive. Based on the model of one pole pitch of the device the active volume and all dimensions are defined in order to meet the design requirements. Once the actuator dimensions are defined, based on the electromagnetic model, a numerical thermal model was constructed, which allows to evaluate the maximum applicable electric current density so that the maximum temperature at the windings is not exceeded. Furthermore, the thermal distribution gives the operating temperature of the permanent magnets, which present performance highly dependent on temperature. With the results of the thermal simulation, the electromagnetic-thermal coupling is performed by correcting permanent magnet properties and by applying a parametric-dependent effective current density. The coupled model is simulated and analyzed so that the final dimensions of the actuator can be obtained with the same design objectives previously mentioned, while respecting thermal operating limits. In addition, the work presents analytical models of the electromagnetic and thermal behavior of the actuator that can be the basis for implementation of the proposed methodology, if it is based on analytical models, and can further be used for the application of mathematical optimization of the device. Finally, a prototype was built to validate the proposed method. Measurements were carried out to assess magnetic flux density in the air gap, open-circuit induced voltage, static force and dynamic tests with the device installed in a test bench that was developed during this work. The results show the effectiveness of the proposed method since experimental results have shown good agreement with the expected results.

Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto de atuadores eletromagnéticos lineares inovadora para aplicação em sistemas de suspensão semiativa e ativa. A metodologia, apresentada na forma de fluxograma, define critérios para determinar os requisitos de força e curso que um atuador deve desenvolver considerando um sistema mecânico vibratório com um grau de liberdade com excitação harmônica de base quando o método de controle skyhook é aplicado. Um atuador eletromagnético linear de bobina móvel com duplo arranjo de quase-Halbach que apresenta elevada densidade de força, reduzida massa móvel, ausência de força de relutância e baixa ondulação de força é definido como estudo de caso. Um modelo numérico parametrizado em elementos finitos do comportamento eletromagnético de um passo polar do dispositivo é criado e analisado, considerando restrições dimensionais, com os objetivos de projeto definidos como: elevada densidade de força e reduzida ondulação de força com acionamento brushless CA. Com base no modelo de um passo polar do dispositivo, define-se o volume ativo que o mesmo deve apresentar e, a partir deste, todas as dimensões são definidas de forma a atender os requisitos de projeto. Uma vez definidas as dimensões do atuador com base no modelo eletromagnético, realiza-se a modelagem térmica numérica que permite avaliar qual a máxima densidade de corrente elétrica aplicável de forma que a temperatura, estipulada como máxima, nos enrolamentos não seja excedida. Ainda, a distribuição térmica permite determinar a temperatura de operação dos ímãs permanentes que têm curva de operação dependente da temperatura. A partir dos resultados da simulação térmica e do modelo eletromagnético para um passo polar, realizou-se o acoplamento eletromagnético-térmico por meio da correção das propriedades dos ímãs permanentes e aplicando uma densidade de corrente eficaz dependente das dimensões do modelo parametrizado. O modelo acoplado é simulado e analisado, de modo que as dimensões finais do atuador podem ser obtidas atendendo aos mesmos objetivos de projeto previamente mencionados, respeitando os limites de operação térmica. Adicionalmente, são apresentados modelos analíticos do comportamento eletromagnético e térmico do atuador que podem servir de base para implementação da metodologia proposta, se esta for baseada em modelos analíticos, e podem futuramente ser empregados para a aplicação de otimização matemática do dispositivo. Por fim, um protótipo do dispositivo é construído de forma a validar a metodologia proposta. Com este protótipo são realizados ensaios de densidade de fluxo magnético no entreferro, tensão induzida a vazio, força estática e ensaio dinâmicos com o dispositivo instalado em uma bancada de testes de vibrações controladas desenvolvida durante o projeto. Os resultados mostram a eficácia da metodologia proposta, uma vez que os resultados experimentais mostraram boa concordância com os resultados esperados. / This work presents an innovative linear electromagnetic actuator design methodology for application in semi-active and active suspension systems. The methodology, synthesized in a flowchart, sets criteria to determine requirements such as axial force and stroke that an actuator should develop considering a vibration system with one degree of freedom with harmonic base excitation when the skyhook control method is applied. A linear moving-coil electromagnetic actuator with dual quasi-Halbach arrays of permanent magnets that presents high force density, low moving-mass, no reluctance force and low force ripple is defined as a case study. A finite element numerical parameterized model that describes the electromagnetic behavior of one pole pitch of the device is created and analyzed, considering dimensional constraints, with the design objectives defined as: high force density and low ripple of force with brushless AC drive. Based on the model of one pole pitch of the device the active volume and all dimensions are defined in order to meet the design requirements. Once the actuator dimensions are defined, based on the electromagnetic model, a numerical thermal model was constructed, which allows to evaluate the maximum applicable electric current density so that the maximum temperature at the windings is not exceeded. Furthermore, the thermal distribution gives the operating temperature of the permanent magnets, which present performance highly dependent on temperature. With the results of the thermal simulation, the electromagnetic-thermal coupling is performed by correcting permanent magnet properties and by applying a parametric-dependent effective current density. The coupled model is simulated and analyzed so that the final dimensions of the actuator can be obtained with the same design objectives previously mentioned, while respecting thermal operating limits. In addition, the work presents analytical models of the electromagnetic and thermal behavior of the actuator that can be the basis for implementation of the proposed methodology, if it is based on analytical models, and can further be used for the application of mathematical optimization of the device. Finally, a prototype was built to validate the proposed method. Measurements were carried out to assess magnetic flux density in the air gap, open-circuit induced voltage, static force and dynamic tests with the device installed in a test bench that was developed during this work. The results show the effectiveness of the proposed method since experimental results have shown good agreement with the expected results.

Com os avanços significativos no campo da medicina, cada vez mais a tecnologia robótica vem sendo empregada no tratamento de indivíduos que sofreram alguma deficiência física. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um Atuador Elástico em Série Compacto, aqui denominado AESC, e suas possíveis utilizações no campo da reabilitação robótica. Os controles implementados foram: Controle de Posição, Controle de Força e Controle de Impedância. Atuadores elásticos em série são utilizados, pois tais dispositivos apresentam características ideais para a utilização em equipamentos voltados à reabilitação: impedância controlável possibilidade de impedância baixa), baixo atrito e largura de banda que se aproxima do padrão de movimento humano. Aplicações do AESC para reabilitação de indivíduos que tenham sofrido lesão cerebral ou lesões ortopédicas e traumatológicas são apresentadas. Elas se mostram como um recurso para incrementar a reabilitação relacionada ao ganho de força muscular do tornozelo, bem como aumento da amplitude de movimento. A Plataforma Robótica de Reabilitação de Tornozelo utiliza uma interface baseada em jogos para o auxílio da reabilitação, tornando o processo mais lúdico estimulando a aprendizagem. O Exoesqueleto para Membros Inferiores simula o caminhar humano, auxiliando pessoas que tenham sofrido Acidente Vascular Encefálico. / With significant advances in the medical field, more and more robotic technology has been used to treat individuals who have suffered a physical disability. This dissertation presents the development of a Compact Series Elastic Actuator, named here as AESC, and its possible uses on the field of robotic rehabilitation. The controls types implemented include: Position Control, Force Control and Impedance Control. Series elastic actuators are used because such devices have ideal characteristics for use in equipments for rehabilitation: controllable impedance (possibility of low impedance), low friction and bandwidth that approaches the human movement. Applications of the AESC for rehabilitation of individuals who have suffered brain or orthopedic damages are presented. They appear as a resource to enhance the rehabilitation related to gain in muscle strength of the ankle muscles, as well as to increase the range of motion. The Robotic Platform of Ankle Rehabilitation uses a game-based interface for rehabilitation, to make the rehabilitation process more playful. The Exoskeleton for Lower Limbs simulates human walking, helping people who have suffered stroke.