Atuadores Piezelétricos Flextensionais consistem de uma estrutura flexível atuada por cerâmicas piezelétricas (ou “pilhas” de cerâmicas). A estrutura flexível conectada a piezocerâmica deve gerar deslocamentos e forças em diferentes pontos específicos do domínio, para uma direção especificada. Estes atuadores são usados em aplicações de mecânica de precisão, tal como, sistemas microeletromecânicos (MEMS), manipulador de células, interferometria laser, equipamentos de nanotecnologia, equipamentos de microcirurgias, nanoposicionadores, sonda de varredura microscópica, e etc. Porém, devido ao fato destes atuadores consistirem principalmente de um mecanismo flexível, seu projeto é complexo. A estrutura flexível comporta-se como um transformador mecânico pela amplificação para converter, direcionar e amplificar os pequenos deslocamentos gerados pela piezocerâmica (ordem de nanômetros). A estrutura flexível é projetada distribuindo-se flexibilidade e rigidez no domínio de projeto, o que pode ser obtido usando a otimização topológica. Portanto, o objetivo deste trabalho é implementar um método sistemático baseado no método de otimização topológica para projetar atuadores piezelétricos flextensionais. Essencialmente, o método de otimização topológica consiste em encontrar a distribuição ótima de material perfurando o domínio de projeto com infinitos microfuros. O material em cada ponto pode alterar de vazio a total presença de material, também assumindo material intermediário (ou compósito). A implementação do método de otimização topológica é baseado no modelo de material SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization). O problema de otimização é posto como a maximização dos deslocamentos gerados (ou força de blocagem) em diferentes pontos e direções especificadas do domínio. Considerando o comportamento linear da piezocerâmica. Alterando a flexibilidade e a rigidez da estrutura flexível conectada a piezocerâmica obtém-se diferentes tipos de atuadores piezelétricos flextensionais, que podem ser projetados para determinadas aplicações. Para ilustrar o método, os exemplos mostrados são modelos bidimensionais (2D), uma vez que a maior parte das aplicações envolve dispositivos planos. Estes atuadores são fabricados usando corrosão química em chapas de cobre abaixo de 200 μm de espessura através do método de litografia. Técnica de corrosão química tem um baixo custo e permite-nos fabricar diversos protótipos para testes. Esta técnica pode ser facilmente utilizada no LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron – Campinas). Análise experimental destes protótipos são procedidas para medição de deslocamentos usando uma Probe Station. Como trabalho futuro, estes protótipos serão construídos em escala de MEMS. / Flextensional Piezoelectric Actuators consist of a flexible structure actuated by piezoelectric ceramics (or a stack of piezoceramics). The flexible structure connected to the piezoceramic must generate displacements and forces in different specified points of the domain, according to a specific direction. These actuators are applied to precision mechanic applications such as microelectromechanical systems (MEMS), cell manipulators, laser interferometers, nanotechnology equipment, microsurgery equipment, nanopositioners, scanning probe microscopy, etc. However, due to the fact these actuators essentially consist of a compliant mechanism their design is complex. The compliant structure behaves as a mechanical transform by amplifying and changing the direction of small output displacements generated by piezoceramics (order of nanometer). The flexible structure is designed by distributing flexibility and stiffness in the design domain, which can be archieved by using topology optimization. Therefore, the objective of this work is to implement a systematic method based on topology optimization method to design flextensional piezoelectric actuators. Essentially, the topology optimization method consists of finding the optimal material distribution in a perforated design domain with infinite microvoids. The material in each point can change from void to full material, also assuming intermediate (or composite) material. The implemented topology optimization method is based on the SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization) material model. The optimization problem is posed as maximization of output displacements (or grabbing forces) in different specified directions and points of the domain. A linear behavior of piezoceramic is considered. By changing the flexibility and stiffness of flexible structure connected to the piezoceramics different types of flextensional piezoelectric actuators can be designed for a desired application. To illustrate the method, examples presented herein are limited to two-dimensional (2D) models once in most part of applications of these actuators they are planar devices. These actuators are manufactured by using chemical corrosion on a 200 um thickness copper plate through lithography method. Chemical corrosion technique has a low cost and it allow us to manufacture several prototypes for testing. For this technique, facilities of the micromachining laboratory of National Sincroton Light Laboratory (LNLS - Campinas) are used. Experimental analysis of these prototypes are conducted by measuring displacements using a probe station. As a future work, these prototypes will be built in a MEMS scale.

Para se obter alto desempenho em máquinas-ferramenta de ultraprecisão, são necessários o desenvolvimento de sistemas de posicionamento e o controle de movimento, os quais não raramente devem operar com resolução e repetibilidade na faixa submicrométrica. A utilização das modernas técnicas de metodologia de projeto auxiliam no desenvolvimento deste tipo de sistema. Neste trabalho são discutidas e analisadas as diversas alternativas disponíveis para os elementos constituintes do sistema de posicionamento. Aspectos críticos como cinemática, acionamento, guias e apoios são estudados e confrontados usando o método de análise de valor. E baseados no resultado do estudo prévio, obtém-se um sistema híbrido para microposicionamento angular de alta rigidez e ampla largura de banda, capaz de posicionar uma superfície com resolução angular inferior a 4.\'10 POT.-5\' graus. Através das técnicas de modelagem, pode-se verificar a funcionalidade desse sistema projetado, quanto ao seu comportamento estático e dinâmico. Uma modelagem cinemática é apresentada com o objetivo de auxiliar na veracidade do projeto do posicionador angular, através da qual pretende-se observar a influência de cada ponto de apoio no posicionamento final. São apresentados os resultados obtidos em simulações numéricas, as quais constatam não só o próprio desempenho do posicionador, como também, a validade da técnica utilizada. / In order to achieve high performance in ultra-precision machine tools, appropriate capability is required of motion control and positioning systems which have to operate at resolutions and repeatability in the sub-micrometre range. Machining may reach high levels of precision through the use of suitable sensors, actuators and controllers so that the development of micro-positioner with low backlash, high bandwidth and accuracy is a crucial aspect of high precision machining technology. Modern design techniques can greatly assist in the development and design of such systems. In this work, several design options for the elements of a positioning system are discussed and analysed. Critical aspects such as kinematics, driving and bearings are studied and compared using the value analysis method. A hybrid system based upon the results of this study is proposed which combines the best characteristics of each design option. The system possesses the capability of positioning a workpiece and/or tool angularly and/or linearly (micro-tilt stage) with a resolution better than 4 \'10 POT.-5\' arc degree and high stiffness and bandwidth. Through modelling techniques, it is possible to verify the static and dynamic behaviour of the system. A kinematics model of the micro-tilt stage is presented in order to establish a relationship between the displacement of the actuators and the final position of the stage. It is anticipated that such an approach will be required in respect of interferometric feedback control. Simulations of the model are performed showing that the technique applied is valid and the system fulfils the requirements for ultra-precision design.

Neste trabalho, é estudado o controle da transmissão do som numa placa retangular e fina. Para tanto, é encontrada a resposta dinâmica da placa, excitada por forças harmônicas pontuais e piezomomentos, obtida usando uma base não-clássica e uma análise modal. A radiação sonora emitida pela vibração da placa é encontrada. A potência sonora radiada pode ser calculada aplicando controle ativo diretamente na estrutura, na forma de uma entrada vibratória, uma vez conhecida a resposta na superfície da placa, obtendo-se uma signicativa redução analitica. Os piezocerâmicos, modelados como quatro momentos pontuais, são unidos a superfície da placa como atuadores. A potência sonora transmitida antes e depois do controle é comparada, usando diferentes número de atuadores. Uma estratégia clássica de controle linear quadrático (LQR) e empregada no contexto de um procedimento de otimização da posição dos atuadores do sistema.

Neste trabalho, é estudado o controle da transmissão do som numa placa retangular e fina. Para tanto, é encontrada a resposta dinâmica da placa, excitada por forças harmônicas pontuais e piezomomentos, obtida usando uma base não-clássica e uma análise modal. A radiação sonora emitida pela vibração da placa é encontrada. A potência sonora radiada pode ser calculada aplicando controle ativo diretamente na estrutura, na forma de uma entrada vibratória, uma vez conhecida a resposta na superfície da placa, obtendo-se uma signicativa redução analitica. Os piezocerâmicos, modelados como quatro momentos pontuais, são unidos a superfície da placa como atuadores. A potência sonora transmitida antes e depois do controle é comparada, usando diferentes número de atuadores. Uma estratégia clássica de controle linear quadrático (LQR) e empregada no contexto de um procedimento de otimização da posição dos atuadores do sistema.

[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.

Bombas de fluxo são dispositivos importantes em áreas como a Bioengenharia, Medicina, Farmácia, entre outras aplicações clássicas de Engenharia. Princípios para o bombeamento de fluidos baseados em atuadores piezelétricos estão sendo estudados no Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica, que permitem a construção de bombas de fluxo de pequena escala, ou seja, bombas de fluxo de pequena potência para deslocamento de pequenos volumes de fluido com baixo consumo de energia. O presente trabalho estuda bombas de fluxo piezelétricas de diafragma do tipo valve-less para geração de vazão. A bomba de fluxo piezelétrica de diafragma utiliza cerâmica piezelétrica como atuador para mover uma membrana (diafragma) para cima e para baixo como um pistão, que causa uma seqüência de aumento e diminuição do volume da câmara da bomba, forçando a entrada e a saída do fluido na bomba. A direção do fluxo é garantida por válvulas que privilegiam o fluxo em apenas um sentido. O objetivo deste trabalho é o estudo da metodologia de desenvolvimento de uma bomba de fluxo piezelétrica de diafragma de baixo custo do tipo valve-less. Para tanto, será utilizado a modelagem por Método dos Elementos Finitos (MEF) para a realização de análises de sensibilidade dos parâmetros geométricos e construtivos da bomba de fluxo. Serão realizadas simulações de escoamento de fluido pelo Método de Volumes Finitos (MVF) para a realização de análises de sensibilidade dos parâmetros geométricos dos elementos difusor/bocal e o levantamento das curvas características da bomba de fluxo. Por fim, protótipos serão construídos e caracterizados para validação dos resultados computacionais. Serão apresentadas a metodologia empregada e a discussão dos resultados obtidos, de forma a analisar o princípio proposto e os fenômenos físicos em questão. / Flow pumps act as important devices in areas as Bioengineering, Medicine, Pharmacy, among other areas of Engineering. Principles for pumping fluids based on piezoelectric actuators have been studied in the Department of Mechatronic and Mechanical Engineering of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, that allow the construction of small flow pumps, in other words, pumps for displacement of small fluid volumes with low power consumption. The present work studies valveless piezoelectric diaphragm flow pumps for flow generation. The piezoelectric diaphragm flow pump uses a piezoelectric ceramic as actuator to move a membrane (diaphragm) up and down as a piston. Consequently, there is a sequence of increase and decrease in the chamber volume that will force the fluid in and out of the pump. The direction of the flow is guaranteed by valves that privilege the flow in just one pumping direction. The main objective of this work is the study of a methodology to develop a low cost valve-less piezoelectric diaphragm flow pump. A sensitivity analysis is carried using computational simulation through the Finite Element Method (FEM) to study how construction parameters and assembly affect diaphragm flow pump performance. Using CFD simulations through the Finite Volume Method (FVM), a sensitivity analysis is done around nozzle/diffuser element geometrical parameters and pump characteristic curves are obtained. Finally, computational results are validated by prototype construction and characterization. The text presents methodologies employed and discusses the obtained results, analyzing the principle and the related physical phenomena.

Esta dissertação apresenta o projeto e a construção de atuadores elásticos em série para o acionamento das juntas de um exoesqueleto para membros inferiores, baseado em uma órtese comercial. Inicialmente, considerou-se como dispositivo de testes a parte do exoesqueleto referente à junta do tornozelo, ou seja, a construção de uma órtese tornozelo-pé ativa. Atuadores elásticos em série são considerados neste trabalho, pois tais dispositivos apresentam características ideais para a sua utilização em órteses ativas: controle de força, controle de impedância (possibilidade de impedância baixa), absorção de impactos, baixo atrito e largura de banda que se aproxima da movimentação muscular. Um primeiro protótipo do atuador elástico em série foi construído e resultados experimentais de controle de força, impedância e posição foram obtidos com sucesso, através de uma interface de acionamento e controle entre o atuador, os sensores (encoders e sensores de força) e o computador. Também foi construída uma órtese tornozelo-pé ativa acionada pelo atuador elástico em série construído, sendo apresentados os primeiros resultados experimentais obtidos com este dispositivo. / This dissertation deals with the design and construction of series elastic actuators for driving the joints of an exoskeleton for lower limbs, based on a commercial orthosis. Initially, it was considered the construction of the exoskeleton\'s ankle joint, that is, the construction of an active ankle-foot orthosis. Series elastic actuators are considered in this work since these devices have ideal characteristics for use in active orthoses: force control, impedance control (possibility of low impedance), impact absorption, low friction and bandwidth that approximates the muscle movement. A first prototype of the series elastic actuator was constructed and experimental results of force, impedance, and position control were successfully obtained trough of a control interface between the actuators, the sensors (encoders and force sensors) and the computer. Also, an active ankle-foot orthosis, driven by the series elastic actuator, was constructed and the first experimental results achieved with this device are presented.

Neste trabalho, é estudado o controle da transmissão do som numa placa retangular e fina. Para tanto, é encontrada a resposta dinâmica da placa, excitada por forças harmônicas pontuais e piezomomentos, obtida usando uma base não-clássica e uma análise modal. A radiação sonora emitida pela vibração da placa é encontrada. A potência sonora radiada pode ser calculada aplicando controle ativo diretamente na estrutura, na forma de uma entrada vibratória, uma vez conhecida a resposta na superfície da placa, obtendo-se uma signicativa redução analitica. Os piezocerâmicos, modelados como quatro momentos pontuais, são unidos a superfície da placa como atuadores. A potência sonora transmitida antes e depois do controle é comparada, usando diferentes número de atuadores. Uma estratégia clássica de controle linear quadrático (LQR) e empregada no contexto de um procedimento de otimização da posição dos atuadores do sistema.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:35:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2031_1.pdf: 3241124 bytes, checksum: 94c1c8e7f7c3ae5d379dad0084b75b2f (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2010 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento termoelástico de atuadores com geometrias diferentes, termoconformados a partir de um fio de Ti-Ni com memória de forma. O uso de atuadores com memória de forma pode ser aplicado em substituição às bobinas elétricas do tipo solenóide de válvulas industriais, eliminando o risco de centelhamento, sobretudo em áreas classificadas como de atmosfera explosiva. Ensaios de caracterização do tipo MEV-EDS, DRX e DSC foram empregados com o objetivo de identificar os elementos e fases constituintes na liga Ti-Ni. Em seguida, foram realizados ensaios de tração em um dispositivo desenvolvido no Laboratório de Materiais Inteligentes do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Pernambuco. Nestes ensaios foram aplicadas tensões constantes com magnitudes variando de 45MPa a 362MPa. A partir destes ensaios foram determinadas temperaturas críticas de transformação de fase (A S , A F , M S e MF ), histereses térmicas e deformações termoelásticas. Foi revelado o surgimento de uma terceira fase, denominada de fase R, suprimida em função da intensidade da tensão externa aplicada. A avaliação da influência das tensões externas aplicadas, nos ensaios de tração, permitiu concluir também que à medida que a magnitude da tensão era elevada, provocava aumento direto na temperatura crítica de transformação M S , comprovando a perfeita aplicabilidade da Lei de Clausius-Clayperon em atuadores com memória de forma com geometria helicoidal

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.