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.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2017-05-24T13:42:31Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3782473 bytes, checksum: 32dae2c7c7f319bb1f74f7a9be6d1239 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-24T13:42:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3782473 bytes, checksum: 32dae2c7c7f319bb1f74f7a9be6d1239 (MD5) Previous issue date: 2016-05-25 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / The Shape Memory Alloys (SMA) is part of an active material class due to a special characteristic, called Shape Memory Effect (SME) that can be activated by a thermal field. In general these materials are made by metallic alloys and belong to a group of conducting materials with electromagnetic properties when circulated by an electric current. If geometrically configured as an inductor and stimulated with an alternating current allows the variable magnetic induction provided by the magnetic flux inside the coil. Using the thermomechanical shape change and the magnetic induction characteristics, this paper presents a study and development of a variable inductor with an alloy Ni-Ti. This study is based in inductance variation through geometric variation of coils made of shape memory wire and keeping the magnetic permeability constant. It was also observed variations in magnetic inductance due to change in temperature through electrical current, showing a possible close relationship with the phase transformation temperature of the material. To collect the experimental results were necessary the development of SME inductors with ferrite nucleus. Results are presented for the inductance variation related to length and temperature variation of a SMA inductor. / As Ligas com Memória de Forma (LMF) fazem parte de uma classe de materiais ativos ou inteligentes por possuírem uma característica especial denominada de Efeito Memória de Forma (EMF) que pode ser ativado por um campo térmico. Por serem geralmente ligas metálicas estão no grupo dos materiais condutores e apresentam propriedades eletromagnéticas quando circulados por uma corrente elétrica. Se configurado geometricamente como um indutor e estimulado com uma corrente alternada possibilita a indução magnética variável proporcionada pelo fluxo magnético no interior das espiras. Aproveitando a característica termomecânica de mudança de forma e o efeito físico de indução magnética, este trabalho apresenta um estudo do desenvolvimento de um indutor variável com liga com memória de forma de NiTi. O estudo se baseou na variação da indutância pela variação geométrica das espiras construídas com fio com memória de forma e mantendo a permeabilidade magnética do núcleo constante. Foram observadas variações na indutância magnética devido à variação de temperatura provocada por corrente elétrica, demonstrando uma possível relação entre as temperaturas de transformação de fase do material. Para a coleta dos resultados experimentais foram desenvolvidos alguns indutores com LMF com núcleo de ferrite. São apresentados resultados da variação da indutância relacionados com a variação do comprimento e temperatura do indutor de LMF.

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.

Submitted by Rafael Santana (rafael.silvasantana@ufpe.br) on 2018-03-12T19:13:22Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) COMPORTAMENTO EM FADIGA TERMOMECÂNICA DE FIOS DE LIGA COM MEMÓRIA DE FORMA Ni-Ti-Cu.pdf: 4577247 bytes, checksum: 80f553611587916c4a69ac3a78c41e28 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-12T19:13:22Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) COMPORTAMENTO EM FADIGA TERMOMECÂNICA DE FIOS DE LIGA COM MEMÓRIA DE FORMA Ni-Ti-Cu.pdf: 4577247 bytes, checksum: 80f553611587916c4a69ac3a78c41e28 (MD5) Previous issue date: 2017-02-22 / Na maioria das aplicações tecnológicas os atuadores de liga de memória de forma (LMF) estão submetidos aos mais diversos tipos de carregamentos mecânicos, o que torna imprescindível o estudo da vida em fadiga destes tipos de materiais. Diante disto, o presente trabalho tem como objetivo analisar o comportamento dinâmico e a fadiga termomecânica de fios de LMF Ni-Ti-Cu, submetidos a ensaios dinâmicos em modo de flexão simples (Single Cantilever) utilizando um equipamento de Análise Mecânico Dinâmico (DMA – Dynamic Mechanical Analysis). Assim, foram realizadas análises para determinar a capacidade de amortecimento dos fios, além da fadiga estrutural nos estados martensítico e austenítico. A vida em fadiga dos fios foi avaliada por meio do número de ciclos até a ruptura em função das amplitudes de deformação aplicadas durante o processo de ciclagem mecânica. Os resultados demonstraram uma considerável capacidade de amortecimento dos fios, principalmente durante a transformação de fase e uma influência direta da amplitude de deformação imposta, nos valores de força e no tempo de vida dos fios, revelando que a fadiga situa-se numa faixa entre 103 a 105 ciclos, caracterizando uma fadiga de baixo ciclo. / In most technological applications, Shape Memory Alloy (SMA) actuators are subjected to the most diverse types of mechanical loads, which makes it essential to study the fatigue life of these types of materials. Therefore, the present work has the objective of analyzing the dynamic behavior and thermomechanical fatigue of SMA Ni-Ti-Cu wires, submitted to dynamic tests in single cantilever mode using a Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Thus, analyzes were carried out to determine the damping capacity of the wires, besides the structural fatigue in the martensitic and austenitic states. The fatigue life of the wires was evaluated by means of the number of cycles until the rupture as a function of the strain amplitudes applied during the mechanical cycling process. The results demonstrated a considerable damping capacity of the wires, especially during phase transformation and a direct influence of the imposed strain amplitude, on the values of force and the life time of the wires, revealing that the fatigue is in the range of 103 To 105 cycles, characterizing a low cycle fatigue.

Orientador: Gustavo Luiz Chagas Manhães de Abreu / Resumo: Os sistemas rotativos estão frequentemente sujeitos a excitações externas e internas que provocam vibrações indesejáveis, colocando em risco a própria integridade estrutural do sistema e até mesmo a saúde dos usuários. No âmbito industrial, por exemplo, a atenuação das vibrações pode permitir aos sistemas rotativos, uma operação mais eficiente e segura, proporcionando manutenções periódicas menos frequentes evitando com isso gastos dispendiosos. Neste contexto, o controle de vibrações tem sido objeto de preocupação de inúmeros centros de pesquisa e a literatura especializada é rica em propostas de soluções para esta questão. Este trabalho apresenta uma proposta teórica de um controle semi-ativo de vibrações em rotores flexíveis usando fios de liga com memória de forma (LMF). O rotor em questão é apoiado sobre dois mancais e um deles é suspenso por fios de LMF, cuja finalidade é promover o amortecimento das vibrações laterais presentes no sistema rotativo decorrentes de forças de perturbação, notadamente das forças de desbalanceamento. O controle proposto tem por objetivo possibilitar a passagem do rotor pelas velocidades críticas, com segurança. / Abstract: Rotational systems are often subjected to external and internal excitations which cause undesired vibrations and risk to the structural integrity of the system and the user's health. In the industrial eld, the vibration attenuation may allow rotating systems more e ciency and safety, making periodical maintenance less frequent and reducing costs. In this context, the vibration control has been a concern for many research centers and the specialized literature is rich in solution proposals for this subject. This study presents a theoretical proposal of a semi-active control of vibrations in exible rotors using shape memory alloy (SMA) wires. The rotor is supported by two bearings and one of them it is suspended by SMA wires to promote attenuation of the lateral vibration present in rotating machines due to disturbance forces, especially unbalancing forces. The proposed theory control has a goal to allow the rotor passing through critical speeds safely. / Mestre

Submitted by Renan Sanches Geronel (renansanches91@gmail.com) on 2018-10-09T17:02:12Z No. of bitstreams: 1 geronel_rs_me_ilha.pdf: 5620689 bytes, checksum: 950dc58c8b56a9f24a9a656722b4396d (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-10-09T19:55:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 geronel_rs_me_ilha.pdf: 5647462 bytes, checksum: dda190eff69aad90c5113e27f486d1b0 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-09T19:55:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 geronel_rs_me_ilha.pdf: 5647462 bytes, checksum: dda190eff69aad90c5113e27f486d1b0 (MD5) Previous issue date: 2018-09-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Os sistemas rotativos estão frequentemente sujeitos a excitações externas e internas que provocam vibrações indesejáveis, colocando em risco a própria integridade estrutural do sistema e até mesmo a saúde dos usuários. No âmbito industrial, por exemplo, a atenuação das vibrações pode permitir aos sistemas rotativos, uma operação mais eficiente e segura, proporcionando manutenções periódicas menos frequentes evitando com isso gastos dispendiosos. Neste contexto, o controle de vibrações tem sido objeto de preocupação de inúmeros centros de pesquisa e a literatura especializada é rica em propostas de soluções para esta questão. Este trabalho apresenta uma proposta teórica de um controle semi-ativo de vibrações em rotores flexíveis usando fios de liga com memória de forma (LMF). O rotor em questão é apoiado sobre dois mancais e um deles é suspenso por fios de LMF, cuja finalidade é promover o amortecimento das vibrações laterais presentes no sistema rotativo decorrentes de forças de perturbação, notadamente das forças de desbalanceamento. O controle proposto tem por objetivo possibilitar a passagem do rotor pelas velocidades críticas, com segurança. / Rotational systems are often subjected to external and internal excitations which cause undesired vibrations and risk to the structural integrity of the system and the user's health. In the industrial eld, the vibration attenuation may allow rotating systems more e ciency and safety, making periodical maintenance less frequent and reducing costs. In this context, the vibration control has been a concern for many research centers and the specialized literature is rich in solution proposals for this subject. This study presents a theoretical proposal of a semi-active control of vibrations in exible rotors using shape memory alloy (SMA) wires. The rotor is supported by two bearings and one of them it is suspended by SMA wires to promote attenuation of the lateral vibration present in rotating machines due to disturbance forces, especially unbalancing forces. The proposed theory control has a goal to allow the rotor passing through critical speeds safely. / CAPES - DS

Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-27T13:03:39Z No. of bitstreams: 1 ANGELO EMILIAVACA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 5881090 bytes, checksum: 6d09fd532b88ebec2b8684dfb0e6455f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-27T13:03:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ANGELO EMILIAVACA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 5881090 bytes, checksum: 6d09fd532b88ebec2b8684dfb0e6455f (MD5) Previous issue date: 2016-02-04 / CNPq / O desenvolvimento da indústria aeronáutica tem provocado alterações significativas nos conceitos atualmente aplicados em aeronaves, sejam elas para fins civis ou militares. Estas mudanças são, em parte, consequência da conscientização ambiental que tem pressionado as indústrias a produzirem aeronaves mais eficientes e menos poluidoras para continuarem competitivas. O impacto destas mudanças sobre o projeto e construção de aeronaves é a busca incessante por conceitos que aumentem a eficiência das aeronaves em um maior espectro de voo sem impactar a segurança e confiabilidade destes sistemas. Neste contexto surge o conceito de aeronaves adaptativas, capazes de se adaptar ao fluxo por mudanças aerodinâmicas sem comprometer a segurança do voo. Um dos conceitos usados em aeronaves adaptativas é o de asa adaptativa, com possibilidade de variação da curvatura do perfil aerodinâmico, o qual é adotado neste trabalho. Estas estruturas apresentam algumas limitações que ainda precisam ser desenvolvidas, como o sistema de atuação, sistema de controle e mecânica estrutural associada à mudança de forma. Baseado nestes aspectos, este trabalho descreve o desenvolvimento de um novo conceito de asa adaptativa, acionada por atuadores do tipo micromolas de liga com memória de forma (LMF). O protótipo desenvolvido, denominado de SMArt Morphing Wing, teve sua estrutura mecânica construída em polímero ABS por impressão 3D e um sistema de “pele” de recobrimento feito em chapa fina de acetato. O protótipo foi testado em vazio e sob carregamento aerodinâmico em túnel de vento, para avaliar a influência da pele e a resposta dos atuadores de LMF sob carga. Nos testes em vazio foram avaliadas as deflexões angulares máximas do protótipo com e sem pele, enquanto que nos testes sob carregamento aerodinâmico entre 6 m/s e 14 m/s, foram avaliadas as deflexões máximas e as forças de arrasto e de sustentação. Adicionalmente, usando a ferramenta computacional ANSYS® CFD, foram feitas análises teóricas do comportamento aerodinâmico do protótipo na condição mais crítica de deflexão e velocidade. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais obtidos em túnel de vento revelaram uma boa concordância, confirmando a eficiência do protótipo desenvolvido. / The development of the aeronautic industry has caused significant changes in concepts currently applied in aircraft either for civil or military purposes. These changes are partly due to environmental awareness that has pushed the industry to produce more efficient and less polluting aircraft to remain competitive. The result of these changes on design and construction of aircraft is the incessant search for concepts that increase the efficiency of aircraft in a broader flight range without impacting on the safety and reliability of these systems. In this context arises the concept of adaptive aircraft, which are able to adapt to the flow of aerodynamic changes without compromising flight safety. One of the concepts of morphing aircraft is the morphing wing, with the possibility of variation airfoil camber, which is used in this work. These structures have some limitations that need to be developed as the actuation system, control system and structural mechanics associated with the shape change. Based on these aspects, this work describes the development of a new concept of adaptive wing, driven by shape memory alloy (SMA) micro coil springs like actuator. The prototype, called SMArt Morphing Wing, had its mechanical structure built in ABS polymer for 3D printing and a system of "skin" made of thin sheet of acetate. The prototype was tested unloaded and under aerodynamic loading on the wind tunnel, to evaluate the influence of the skin and the response of SMA actuators under load. In the no load tests were evaluated the maximum angular deflection of the prototype with and without skin, whereas in tests under aerodynamic loading between 6m/s and 14m/s, the maximum deflection, drag and lift forces were evaluated. Additionally, using the computational tool ANSYS® CFD, theoretical analyses of the aerodynamic behavior of the prototype in the most critical condition deflection and speed they were made. The comparison between the numerical and experimental results obtained in wind tunnel showed good agreement, confirming the efficiency of the developed prototype.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2017-05-24T14:46:36Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 13879425 bytes, checksum: b7216c05b85b83f1b7adc4577ae083ba (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-24T14:46:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 13879425 bytes, checksum: b7216c05b85b83f1b7adc4577ae083ba (MD5) Previous issue date: 2015-08-28 / This work is based on studies that prove a great rejection rate by amputees on using prosthetic upper limbs due to various problems, such as weight, high noise and lack of anthropomorphism. In this context, this paper presents the development of a robotic hand drive which is not realized by conventional actuators, constituted of wires of a shape memory alloy (SMA). The mechanical structure of the robot hand was designed in CAD software and subsequently manufactured with ABS polymer through rapid prototyping using a three-dimensional printer. The project was designed partially based on the physiological characteristics of the human hand, regarding especially to the angles formed by fingers’ phalanges. A mechanical system was developed in order to compactly accommodate the thin wires of a NiTi SMA, known in this work as Artificial Muscle (AM) which made the compression of SMA wires easier. The performance (operation) of the fingers occurs by the AM activation that are connected to cables arranged in the lower part of the fingers’ structure, which, when activated, perform the movement of flexion. The return of each phalanx, or extension movement of the fingers occurs passively. Elastic elements were installed in the upper part of the phalanges which are responsible for this movement. To monitor the angles formed by each phalanx was used a resistive type sensor that is inserted inside it, varying its electric resistance according to angle variation. On top of this system, a fuzzy logic based controller was developed and it proved to be effective on monitoring the position of the robotic hand’s fingers. The performance of the robot hand can be considered appropriate, as it could partially achieve the desired angles based on the project design. / Este trabalho está fundamentado em estudos que comprovam o grande índice de rejeição por parte de pessoas amputadas ao utilizarem próteses de membros superiores devido a problemas diversos, tais como: peso, ruído elevado e falta de antropomorfismo. Nesse contexto, neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de uma mão robótica cujo acionamento é realizado por atuadores não convencionais, constituídos de fios de uma Liga com Memória de Forma (LMF). A estrutura mecânica da mão robótica foi projetada em programa computacional CAD e posteriormente fabricada em polímero ABS por meio de prototipagem rápida usando uma impressora tridimensional. O projeto foi concebido parcialmente com base nas características fisiológicas da mão humana, no que diz respeito principalmente aos ângulos formados pelas falanges dos dedos. Foi desenvolvido um sistema mecânico para acondicionar os fios finos de uma LMF de Ni-Ti de forma compacta denominado neste trabalho por Músculo Artificial (MA) o que facilitou a compactação dos fios de LMF. A atuação dos dedos ocorre pela ativação dos MA que estão conectados a cabos dispostos na parte inferior da estrutura dos dedos, os quais, ao serem ativados, realizam o movimento de flexão. O retorno de cada falange, ou seja, movimento de extensão dos dedos, ocorre de forma passiva. Foram instalados na parte superior das falanges elementos elásticos que são responsáveis por este movimento. Para monitorar os ângulos formados por cada falange foi utilizado um sensor do tipo resistivo que fica inserido dentro das falanges, variando sua resistência elétrica de acordo com a variação dos ângulos. Somado a este sistema, foi desenvolvido um controlador baseado em lógica fuzzy que se mostrou eficiente no monitoramento da posição dos dedos da mão robótica. Verificou-se que o desempenho da mão robótica pode ser considerado adequado, pois conseguiu atingir parcialmente os ângulos desejados de projeto.Este trabalho está fundamentado em estudos que comprovam o grande índice de rejeição por parte de pessoas amputadas ao utilizarem próteses de membros superiores devido a problemas diversos, tais como: peso, ruído elevado e falta de antropomorfismo. Nesse contexto, neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de uma mão robótica cujo acionamento é realizado por atuadores não convencionais, constituídos de fios de uma Liga com Memória de Forma (LMF). A estrutura mecânica da mão robótica foi projetada em programa computacional CAD e posteriormente fabricada em polímero ABS por meio de prototipagem rápida usando uma impressora tridimensional. O projeto foi concebido parcialmente com base nas características fisiológicas da mão humana, no que diz respeito principalmente aos ângulos formados pelas falanges dos dedos. Foi desenvolvido um sistema mecânico para acondicionar os fios finos de uma LMF de Ni-Ti de forma compacta denominado neste trabalho por Músculo Artificial (MA) o que facilitou a compactação dos fios de LMF. A atuação dos dedos ocorre pela ativação dos MA que estão conectados a cabos dispostos na parte inferior da estrutura dos dedos, os quais, ao serem ativados, realizam o movimento de flexão. O retorno de cada falange, ou seja, movimento de extensão dos dedos, ocorre de forma passiva. Foram instalados na parte superior das falanges elementos elásticos que são responsáveis por este movimento. Para monitorar os ângulos formados por cada falange foi utilizado um sensor do tipo resistivo que fica inserido dentro das falanges, variando sua resistência elétrica de acordo com a variação dos ângulos. Somado a este sistema, foi desenvolvido um controlador baseado em lógica fuzzy que se mostrou eficiente no monitoramento da posição dos dedos da mão robótica. Verificou-se que o desempenho da mão robótica pode ser considerado adequado, pois conseguiu atingir parcialmente os ângulos desejados de projeto.