[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.

Orientador: Cláudio Kitano / Resumo: A manufatura de micro e nano dispositivos vem se tornado um mercado de grande representação na indústria moderna, onde destacam-se a indústria médica, eletrônica e mecatrônica, que necessitam de dispositivos capazes de movimentar ou manipular elementos de dimensões microscópicas, tais como micro-pipetas em cirurgias, posicionamento de máscaras de chips, de amostras em microscópios de força atômica, entre outros. Neste contexto, os atuadores piezoelétricos flextensionais são dispositivos consagrados quanto ao uso na micro e nano manipulação. A solução analítica destes atuadores normalmente é muito complexa ou até mesmo impossível e, diante disso, há a necessidade de efetuar a caracterização experimental do atuador após sua confecção. A interferometria óptica é uma técnica muito precisa de medição de pequenos deslocamentos. O interferômetro volumétrico é normalmente montado sobre uma mesa óptica (breadboard) por meio de estruturas comerciais para montagem de experimentos ópticos. Diante disso, o atuador é fixado ao breadboard por estruturas como postes, deslocadores cinemáticos de translação, rotação e tilt, etc. Dessa forma, neste trabalho, levantou-se a resposta em frequência de um protótipo de atuador piezoelétrico flextensional multi atuado que foi projetado e confeccionado no Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécica da USP - EPUSP. Utilizou-se um interferômetro de Michelson em óptica volumétrica, e, posteriormente, um interferômet... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The manufacture of micro and nano devices has become a market of great prominence in the modern industry, where the medical, electronic and mechatronic industries stand out that need devices capable of repositioning or manipulating elements of microscopic dimensions, such as micro-pipettes in surgeries, positioning of chip masks, adjusting of samples in atomic force microscopes, among others. In this context, flextentional piezoelectric actuators are appropriated devices for use in micro and nano manipulation. The analytical solution of these actuators is usually very complex or even impossible, and there is a need to characterize the actuator after its manufacturing. Optical interferometry is a very precise technique for measuring small displacements and consequently, primissing for the caracterization of these piezoelectric atuators. The bulk interferometer is usually mounted on an optical table (breadboard) by means of commercial precision kinematic optical mounts, such as posts, tilt platformors, translations and rotation stages, and others. In this work, the frequency response of a multi-actuated flextensional piezoelectric actuator prototype, designed and manufactured at the Department of Mechatronics and Mechanical Systems of the Polytechnic School of USP - EPUSP, was investigated. Both, a Michelson interferometer and a double Michelson interferometer were applied for the simultaneousmeasurement of the displacement of the actuator in the X and Y directions. The frequen... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-20T16:30:05Z No. of bitstreams: 1 154263.pdf: 2070809 bytes, checksum: d30ad738420a55cbcaaffc4acdbce07b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-20T16:30:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 154263.pdf: 2070809 bytes, checksum: d30ad738420a55cbcaaffc4acdbce07b (MD5) Previous issue date: 1980-09 / FINEP / É desenvolvido um modelo matemático não-linear, para descrever a resposta dinâmica de uma classe de atuadores pneumáticos. Estudos paramétricos são realizados utilizando a simulação digital. São usados tipos diferentes de sinais de entrada, para o acionamento do atuador pneumático. É construído um modelo linear, que é comparado com o modelo não-linear. Estratégias e recomendações de projeto são descritas para assistir o projetista na seleção dos parâmetros geométricos desta classe de atuadores. O modelo pode ser facilmente estendido e adaptado para sua utilização em outros tipos de atuadores sob diferentes configurações. / A non-linear mathernatical model is developed to describe the dynarnic response of a class of pneumatic actuators. Pararnetric studies were conducted using digital simulation. Different types of input signals were used to actuate the pneurnatic servo. A linearized rnodel is constructed and compared with the non-linear model. Design strategies and recomendations are reported to assist the designer in selecting the geometric parameters of that class of actuators. The rnodel can be easilly extended and adapted to suit other types of actuators.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-02-29T21:40:50Z No. of bitstreams: 1 TaniroChaconRodrigues_TESE.pdf: 4412533 bytes, checksum: 500008d61dae88370bb6936adea4e788 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-03-01T20:21:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TaniroChaconRodrigues_TESE.pdf: 4412533 bytes, checksum: 500008d61dae88370bb6936adea4e788 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-01T20:21:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TaniroChaconRodrigues_TESE.pdf: 4412533 bytes, checksum: 500008d61dae88370bb6936adea4e788 (MD5) Previous issue date: 2015-03-30 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / Redes de Sensores e Atuadores sem Fio (RSASF) s?o um dos principais componentes de Sistemas de Computa??o Ub?qua e possuem aplica??es em diferentes dom?nios do conhecimento humano. Devido ? complexidade de programar para este tipo de rede, ? necess?rio que os desenvolvedores conhe?am especificidades das plataformas de sensores dispon?veis, aumentando a curva de aprendizado para o desenvolvimento de aplica??es. Neste trabalho, ? proposta uma abordagem de Desenvolvimento Dirigido a Modelos, mais especificamente, baseada em Arquitetura Dirigida a Modelos (MDA, do ingl?s Model-Driven Architecture), para o desenvolvimento de aplica??es para RSASF chamada de ArchWiSeN. Essa abordagem visa facilitar a tarefa dos desenvolvedores, atrav?s de: (i) uma linguagem espec?fica de dom?nio para RSASF; (ii) um processo para o desenvolvimento de aplica??es para RSASF; e (iii) uma infraestrutura de software composta de artefatos MDA (PIM, PSM e transforma??es) para dar suporte a este processo. A ArchWiSeN permite a contribui??o direta dos especialistas de dom?nio no desenvolvimento de aplica??es para RSASF, sem a necessidade de conhecimento espec?fico de programa??o nessas redes, e, ao mesmo tempo, permite que especialistas em redes foquem nas caracter?sticas da sua ?rea de especialidade sem a necessidade de conhecimento do dom?nio da aplica??o. Al?m disso, a ArchWiSeN tem como objetivo permitir que os desenvolvedores possam expressar e validar, em tempo de projeto, os requisitos funcionais e n?o funcionais (requisitos de desempenho) de suas aplica??es, incorporar servi?os oferecidos por plataformas de middleware para RSASF e promover o re?so dos artefatos de software desenvolvidos. Dessa forma, prop?e-se nesta Tese uma abordagem que compreende todas as etapas de desenvolvimento para RSASF nos cen?rios atuais e emergentes atrav?s de uma infraestrutura MDA. Por fim, foram realizadas avalia??es atrav?s de: (i) uma prova de conceito, composta de tr?s cen?rios distintos, realizada atrav?s da infraestrutura MDA e do processo de engenharia de aplica??o; (ii) execu??o de um experimento controlado para comparar a ArchWiSeN com os m?todos tradicionais para o desenvolvimento de aplica??es para RSASF; (iii) an?lise do suporte a servi?os de middleware para garantir que aplica??es para RSASF que utilizam tais servi?os possam atingir os seus requisitos atrav?s do uso das plataformas de middleware suportadas na ArchWiSeN; e (iv) an?lise sistem?tica da ArchWiSeN em termos de caracter?sticas desejadas para uma ferramenta MDA al?m da compara??o com outras ferramentas MDA para RSASF existentes. / Wireless Sensor and Actuator Networks (WSAN) are a key component in Ubiquitous Computing Systems and have many applications in different knowledge domains. Programming for such networks is very hard and requires developers to know the available sensor platforms specificities, increasing the learning curve for developing WSAN applications. In this work, an MDA (Model-Driven Architecture) approach for WSAN applications development called ArchWiSeN is proposed. The goal of such approach is to facilitate the development task by providing: (i) A WSAN domain-specific language, (ii) a methodology for WSAN application development; and (iii) an MDA infrastructure composed of several software artifacts (PIM, PSMs and transformations). ArchWiSeN allows the direct contribution of domain experts in the WSAN application development without the need of specialized knowledge on WSAN platforms and, at the same time, allows network experts to manage the application requirements without the need for specific knowledge of the application domain. Furthermore, this approach also aims to enable developers to express and validate functional and non-functional requirements of the application, incorporate services offered by WSAN middleware platforms and promote reuse of the developed software artifacts. In this sense, this Thesis proposes an approach that includes all WSAN development stages for current and emerging scenarios through the proposed MDA infrastructure. An evaluation of the proposal was performed by: (i) a proof of concept encompassing three different scenarios performed with the usage of the MDA infrastructure to describe the WSAN development process using the application engineering process, (ii) a controlled experiment to assess the use of the proposed approach compared to traditional method of WSAN application development, (iii) the analysis of ArchWiSeN support of middleware services to ensure that WSAN applications using such services can achieve their requirements ; and (iv) systematic analysis of ArchWiSeN in terms of desired characteristics for MDA tool when compared with other existing MDA tools for WSAN.

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a Bioengenharia, seja para o bombeamento de sangue ou dosagem de reagentes e medicamentos, e na área de refrigeração de equipamentos eletrônicos. Muitos dos novos princípios aplicados no desenvolvimento desse tipo de bomba de fluxo baseiam-se no uso de atuadores piezelétricos. Esses atuadores apresentam certas vantagens em relação a outros tipos tradicionalmente utilizados, como maior potencial de miniaturização, menor geração de ruídos e número reduzido de partes móveis. Entre os vários tipos de bombas de fluxo piezelétricas destacam-se as baseadas nos movimentos ondulatórios e oscilatórios, como o nadar dos peixes. É bem conhecido que os peixes ao nadarem não provocam a morte de micro-organismos ao seu redor, o que torna esse princípio bem promissor para as aplicações em Biotecnologia, por exemplo. Assim, o presente trabalho de mestrado dedica-se ao estudo de novas configurações de atuadores piezelétricos bilaminares associados em paralelo e série para bombeamento de líquidos através do princípio oscilatório, a fim de se obter maiores vazões ou pressões. O escopo deste projeto abrange, computacionalmente, análises estruturais de atuadores piezelétricos bilaminares e simulações do escoamento de fluido e, experimentalmente, construções de protótipos para validação de resultados. Inicialmente é investigado o comportamento de um único atuador piezelétrico bilaminar em fluido viscoso (água), a fim de se dominar o princípio de funcionamento proposto neste trabalho. Esse estudo serviu de referência para as configurações de atuadores em série e paralelo propostas. Espera-se que a configuração dos atuadores em paralelo apresente um ganho na vazão de saída, enquanto que a configuração dos atuadores em série apresente um ganho na pressão de saída. Ao longo desta dissertação são apresentadas a metodologia empregada e as discussões dos resultados obtidos, de forma a analisar o princípio proposto e os fenômenos físicos em questão. / Flow pumps, in addition to traditional applications in Engineering, are important tools in areas such as Bioengineering, applied to blood pumping, dosage of medicine and chemical reagents, and in the field of thermal management solutions for electronic devices. Many of the new principles in flow pumps development are based on the use of piezoelectric actuators. These actuators present some advantages in relation to other applied types, for example, miniaturization potential, lower noise generation and fewer numbers of moving parts. Flow pumps based on undulatory and oscillatory movements, such as fish swimming, stand out among the various types of piezoelectric flow pumps. It is well known that fish swimming does not cause the death of microorganisms, what makes this principle applicable in Biotechnology, for example. Thus, the objective of this work is to study parallel-cascade configurations of bimorph piezoelectric actuators for liquid pumping based on the oscillatory principle, in order to obtain higher flow rates and pressure. The scope of this work includes structural and analyses of bimorph piezoelectric actuators and fluid flow simulations, and construction of prototypes for result validation. First, it is investigated the behavior of a single bimorph piezoelectric actuator oscillating in viscous fluid (water) to better understand the working principle used in this work. The study of a single piezoelectric actuator was used as a reference for the other proposed parallel-cascade configurations of actuators. It is expected that parallel actuators achieve higher flow rates, while the series actuators achieve higher pressures. The methods employed are presented and the obtained results are discussed, analyzing the principle and the related physical phenomena.

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.

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.

Nos últimos anos, tem havido grande interesse em estudar manipuladores paralelos, aplicados principalmente em simuladores de voo, com seis graus de liberdade. O interesse em estruturas cinemáticas paralelas é motivado por sua alta rigidez e excelente capacidade de posicionamento em relação às estruturas cinemáticas seriais. Além disso, como os atuadores são posicionados em uma base, eles podem ser aplicados em cargas pesadas e ainda apresentam baixo consumo de energia, tendo em vista que vários atuadores atuam simultaneamente no mesmo corpo. A presente tese apresenta o projeto de três controladores, sendo eles, o controlador H infinito com realimentação de saída, o controlador PID e o controlador Fuzzy, com isto, esta metodologia poderá ser empregada na construção de um futuro simulador de voo. O modelo dos atuadores foi obtido através de uma entrada degrau de tensão nos motores, medindo os seus deslocamentos através dos encoders acoplados, individualmente, a cada um dos respectivos eixos dos motores. Sabendo-se a relação de transmissão do mecanismo de movimento entre o motor e cada haste dos atuadores obtém-se o deslocamento de cada haste a partir da rotação de cada motor medida pelo correspondente encoder e com isso obtém-se o modelo matemático de cada atuador em conjunto com seu sistema de transmissão. Entretanto, na prática, cada atuador é ligeiramente diferente dos outros, o que leva a comportamento e desempenho diferentes entre si. Isso afeta o comportamento da plataforma fazendo com que a trajetória final desejada não possa ser seguida adequadamente, algo que é extremamente necessário em simuladores de voo. Assim, uma das contribuições importantes deste trabalho é, em primeiro lugar, apresentar uma metodologia de padronização das respostas dos atuadores de modo a que todos eles tenham no final, um comportamento igual o mais próximo possível, particularmente em termos de velocidade e de posicionamento. Com os dados da cinemática e da dinâmica da plataforma compondo o modelo completo do sistema foram realizadas várias simulações que aplicadas na plataforma de Stewart real validaram o modelo e mostraram a eficiência das técnicas de controle aplicadas no controle de posição e orientação da plataforma. Para validar o projeto da Plataforma de Stewart como uma possível base de movimento de um simulador de voo, foi implementada a dinâmica longitudinal e lateral de um Boeing 747-100, e com o auxilio de um sensor inercial Xsens® MTi-G, foram realizadas as medições dos ângulos de Euler da Plataforma. Os resultados obtidos pelos três controladores foram satisfatórios e ilustram o desempenho e a robustez da metodologia proposta. / In recent years there has been great interest in studying parallel manipulators, mainly applied in flight simulators, with six degrees of freedom. The interest in parallel kinematic structures is motivated by its high stiffness and excellent positioning capability in relation to serial kinematic structures. Furthermore, since the actuators are positioned on a base, they can handle heavy loads and also have low power consumption, considering that several actuators act on the same platform. This thesis presents the design of three controllers, which are, H-infinity controller with output feedback, PID controller and Fuzzy controller, so that this methodology can be employed in building a future flight simulator. The actuators models were obtained by a step voltage input to the engines and measuring their displacements by the encoders that are coupled to each of the respective axes of the motors. Knowing the relation from the motion transmission mechanism between the motor and the spindle of each actuator, the displacement of each spindle is obtained from the rotation of each motor measured by the corresponding encoder and thus we obtain the mathematical model of each actuator together with its transmission system. However, in practice, each actuator is slightly different from others, which leads to different behavior and performance of each. This affects the behavior of the platform making the final desired trajectory cannot be properly followed something that is extremely necessary in flight simulators. Thus, one of the important contributions of this work is first to present a methodology to standardize the actuators responses so that they all have in the end a behavior equal a close as possible, particularly in terms of velocity and positioning. With the kinematics data and platform dynamics composing the complete system model, several simulations applied to the real Stewart Platform validate the model and show the effectiveness of control techniques applied to control the position and orientation of the platform. In order to validate the Stewart Platform design as a possible base for a motion flight simulator, the longitudinal and lateral dynamics of a Boeing 747-100 model were implemented, and with the aid of an inertial sensor Xsens® MTi-G, measurements of the Euler angles of the platform were performed. The results obtained by the three controllers were satisfactory and illustrate the performance and robustness of the proposed methodology.

Materiais piezocompósitos laminados são compostos por camadas de material piezelétrico, metálico e compósito (matriz epóxi com fibras de carbono ou de vidro), que possibilitam obter vantagens em relação aos materiais piezelétricos convencionais, permitindo obter características superiores que não podem ser conseguidas pelos seus componentes de forma isolada como, por exemplo, maior flexibilidade e resistência mecânica ou menor peso. Sob esse enfoque, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de Estruturas Piezocompósitas Laminadas (EPLA) que consistem basicamente em estruturas multicamadas, através do projeto da sua resposta transiente e harmônica visando aplicações dinâmicas. Entre as potenciais aplicações dessas estruturas, tem-se atuadores, motores, sonares e dispositivos de coleta de energia (\"energy harvester\"), sendo de muito interesse a melhora das suas características dinâmicas e o seu desempenho. O projeto dinâmico de uma EPLA é complexo, porém pode ser sistematizado utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método baseado na distribuição de material num domínio de projeto fixo com o objetivo de extremizar uma função de custo sujeita às restrições inerentes do problema, combinando algoritmos de otimização e de elementos finitos. A formulação de MOT para o projeto dinâmico de EPLA pretende determinar tanto a topologia ótima dos materiais nas diferentes camadas quanto o sinal de polarização do material piezelétrico e o ângulo da fibra na camada compósita, tendo como finalidade a maximização da amplitude de vibração em pontos determinados (em atuadores) ou da geração de energia elétrica a partir de excitações mecânicas (em coletores de energia). Além disso, é formulado um problema combinando os enfoques harmônico e transiente com o intuito de customizar a resposta da EPLA, de modo que, o nível da resposta seja o mesmo perante diferentes tipos de onda de excitação (transdutores multi-entrada). O trabalho inclui as etapas de projeto, simulação, fabricação e caracterização de protótipos. / Laminated piezocomposite materials are composed by layers of piezoelectric, metal and composite material (epoxy matrix with carbon or glass fiber), which have advantages over conventional piezoelectric materials, because of their superior characteristics, which cannot be achieved by any of its components isolated, for example, more flexibility and strength and less weight. Under this approach, this work aims at the development of Laminated Piezocomposite Structures (LAPS) what primarily consist of multi-layer structures, through the transient and harmonic response design aiming at dynamic applications. Among the potential applications of these structures it can be cited actuators, motors, sonar devices and energy harvester, being of great interest the improvement of its dynamic characteristics and performance. The dynamic design of a LAPS is complex however it can be systematized by using the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a method based on the distribution of material in a fixed design domain with the aim of extremizing a cost function subject to constraints inherent to the problem by means of combining the optimization algorithms and the finite element method (FEM). The TOM formulation for the LAPS dynamic project aims to determine together the optimal topology of the materials for different layers, the polarization sign of the piezoelectric material and the fiber angle of the composite layer, in order to maximize the vibration amplitude at certain points (in actuators), or the generation of electrical energy from mechanical excitations (in energy harvesters). In addition, a TOM problem combining harmonic and transient approaches is formulated with the purpose of customizing EPLA response so that the response level is the same for different excitation waveforms (multi-entry transducers). The work includes design, simulation, manufacturing and characterization of prototypes.