Este trabalho apresenta as equações dinâmicas de um dispositivo - Serra Ortopédica Mecatrônica. Para tanto, apresenta uma breve descrição da mecatrônica aplicada à área medica e uma relação dos principais centros de pesquisa em bioengenharia. Particularmente, é apresentado, um estudo da doença e seu tratamento foco deste trabalho osteoartrite e a osteotomia, respectivamente. Este é o primeiro trabalho em obtenção das equações matemáticas da serra mecatrônica e apresenta detalhes relacionados à sua estrutura construtiva mecânica baseada em uma metodologia de projeto mecatrônico. O trabalho também analisa e propõe uma lei de controle para um dos movimentos da serra mecatrônica, além de fornecer uma expressão matemática representa o comportamento da força de resistência do osso durante o processo de perfuração. As comparações preliminares entre o modelo matemático e o comportamento real da serra mecatrônica indicaram um bom comportamento do modelo.

An orthopaedic saw design and commissioning to be driven by a robot was envisaged based on the requirement to develop a system that would allow a physician to automate some surgical procedures that involve limb manipulation. The project goal is to design and build a proof-of-concept prototype employing both mechatronics and Integrated Product Design techniques and tools, following the specific demands required to build a medical device such as its weight, movement's and patient's anatomic constraints. This saw have intelligent features regarding its control strategy relying on its sensing capabilities such as force feedback and blade temperature sensing. The role of temperature is particularly important because the bone overheating causes cells necrosis. The cut's force penetration sensing provides readings to estimate the saw position during surgery in course. The saw's robot handling ensures the flatness and accuracy of the cut, providing the correct requirements for the osteotomy treatment. The accomplishment of these surgical requirements would ensure a higher rate of successful procedures, besides, it would promote shorten the patients' recovery time. The designing and building of prototype themselves are the original contributions. Furthermore, the spin-offs from this work such as the system's model and the study of its control are important highlights.

A literatura sobre métodos de projeto enfatiza aqueles de inovação tecnológica, entretanto grande parte de projetos realizados é direcionada para melhorias de produtos já existentes. Tais projetos não possuem, de modo metodológico, etapas para verificação das soluções disponíveis (tanto antigas como novas) que efetivamente orientam a soluções mais elaboradas e um leque de alternativas diferenciadas. Esta dissertação propõe uma abordagem metodológica própria, baseada na adaptação de modelos de desenvolvimento de projeto sugeridos por diferentes autores, em que o produto final requer mesclar soluções do passado e tendências atuais, buscando fundamentalmente uma solução baseada no conceito de projeto mecatrônico. Como um estudo de caso, o método foi aplicado no desenvolvimento de um equipamento conceito para ensaios reológicos, de maneira que este novo equipamento é aplicável nas principais etapas do processo produtivo de polímeros, não requerendo equipamentos dedicados para a realização destes ensaios. Um equipamento capaz de realizar ensaios de fases diferentes é interessante, pois o processo de fabricação da borracha é complexo e requer muitas etapas que tipicamente inclui a mistura, a moldagem e cura. A realização de ensaios em diversas etapas do processo de fabricação da borracha é necessário para controle e melhora da qualidade do produto final. Embora o método proposto tenha sido aplicado a um equipamento específico, é genérico e abrangente suficiente para ser aplicado no desenvolvimento de produtos mecatrônicos.

O mercado aeronáutico tem se tornado cada vez mais competitivo. Este cenário tem pressionado as fabricantes de aeronaves a buscarem soluções inovadoras para aumentar a eficácia de seus processos de fabricação. Neste contexto surgiu o projeto AME (Automação da Montagem Estrutural de aeronaves), uma parceria entre o ITA e a EMBRAER para pesquisa e desenvolvimento de soluções economicamente viáveis para automação do processo de junção de fuselagens aeronáuticas. Um produto deste projeto é o EFIP (Efetuador de Furação e Inserção de Prendedores). Este efetuador robótico é utilizado para automatizar os processos de furação e instalação de prendedores. Neste contexto esta dissertação propõe uma solução para a arquitetura de software de controle para o efetuador multifuncional EFIP. Para seleção da arquitetura de controle do efetuador foram avaliadas três abordagens com características para implementação de aplicativos baseados em eventos discretos. Duas destas abordagens são específicas para controlar sistemas a eventos discretos: o state diagram e o statechart. Ambas apresentaram limitações. A primeira por ser mais adequada para sistemas de baixa complexidade e a segunda devido ao processo de conversão do statechart para linguagem LabviewTM. A terceira abordagem avaliada foi a arquitetura produtor-consumidor. Apesar de também apresentar limitações referentes à sua aplicação foi a arquitetura selecionada. Esta arquitetura possui um código aberto que permitiu ser customizado para atender aos requisitos do software de controle do EFIP. Para verificação da arquitetura selecionada foram utilizadas duas técnicas: A primeira faz verificação formal utilizando autômatos temporizados e a ferramenta UPPAAL. A segunda verifica o software desenvolvido por meio da aplicação de testes utilizando a metodologia COFI. As técnicas de verificação apresentaram contribuições importantes e complementares.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um robô não convencional de doze graus de liberdade para alinhamento e nivelamento automático de seções de fuselagens. Para o desenvolvimento do robô é apresentada e aplicada, no projeto mecânico e elétrico/eletrônico, uma metodologia de projeto que define a seqüência seguida para a elaboração do projeto. Para o desenvolvimento do software de controle e geração de trajetória do robô, foi desenvolvido um modelo matemático de sua cinemática utilizando coordenadas homogêneas. Para a validação do software de controle e geração de trajetória foi proposta uma seqüência de procedimentos com suporte metrológico. Os resultados dos ensaios foram analisados e considerados adequados para a utilização deste robô no processo de alinhamento e nivelamento automático de seções de fuselagem.

Este trabalho focaliza o modelamento teórico via grafos de ligações (bond-graphs) e a identificação experimental do modelo dinâmico de uma servo-válvula eletro-hidráulica de controle de pressão. A servo-válvula possui dois estágios de controle, onde o primeiro estágio é um sistema com duplo bocal-palheta, controlado por um motor de torque a solenoide e o segundo estágio é um sistema com camisa-carretel comandado pelo primeiro. Um modelo de grafo de ligação multi-pórtico é proposto para se determinar as equações não lineares do sistema eletro-hidromecânico. O sistema é então linearizado para se desenvolver uma função de transferência entre a entrada de corrente e a pressão no pórtico de saída; a manipulação simbólica para a obtenção da referida função foi realizada através do software MATHEMATICA. Uma montagem experimental foi implementada para estudos de validação do modelo dinâmico teórico. Esta montagem consiste na alimentação da servo-válvula com uma fonte de pressão constante; no pórtico de utilização foi conectada uma impedância hidráulica para simular a carga no sistema. Um microcomputador PC compatível dotado de conversores AD/DA é utilizado para monitorar a corrente de excitação e a pressão de saída do sistema, sendo a excitação de corrente gerada via "software" SISDIM e a aquisição dos dados de entrada e saída via placa AQDADOS. O "software" MATLAB foi utilizado para ajuste das séries temporais de entrada e saída e identificação de um modelo ARX (auto regressivo exógeno) do sistema eletro-hidráulico. A comparação dos valores numéricos dos coeficientes da função de transferência experimental com as expressões algébricas dos coeficientes da função de transferência teórica nos fornecerá os parâmetros do sistema hidráulico. Finalmente foi realizada uma análise de sensibilidade do modelo estudado com utilização do software VISSIM.

A furação orbital é um processo de usinagem com a finalidade de abrir furos através de um duplo movimento circular, acompanhado de um deslocamento linear na direção de furação. Uma ferramenta de corte girando em alta velocidade é colocada em movimento numa orbita excêntrica e simultaneamente deslocada contra a superfície do material a ser furado. Esta excentricidade define o diâmetro final do furo, sendo que o efeito de fresar a peça reduz o esforço de furação e acarretando num furo com bom acabamento superficial e isento de rebarbas, em comparação a processos convencionais de furação. Para promover estes movimentos, um dispositivo automático de furação orbital foi projetado e desenvolvido para ser acoplado no punho de um robô manipulador industrial. O processo de desenvolvimento deste dispositivo, seus requisitos, funções e módulos funcionais são apresentados neste trabalho, culminando na construção do sistema EFORB ou Efetuador de Furação Orbital Robotizado, sendo seu desenvolvimento e construção o tema central desta tese. Os resultados obtidos atestam o funcionamento do dispositivo desenvolvido, atendendo as tolerâncias e requisitos de processo exigidos para aplicações no setor aeroespacial.

A constante necessidade de melhoria nos processos de manufatura tem levado a um recente aumento no número de soluções automatizadas empregadas na montagem de estruturas aeronáuticas. Um processo de particular interesse para esta indústria é o alinhamento de seções de fuselagem, que atualmente é feito à mão ou por sistemas automatizados complexos e de alto custo. O método manual acrescenta um atraso significativo ao tempo de produção e a maioria dos sistemas automatizados possui pouca flexibilidade. Esta tese apresenta um sistema de integração implementado em uma solução alternativa de alinhamento que possui baixo custo e alta flexibilidade. Partindo de módulos pré-estabelecidos que incluem de manipuladores industriais a sistemas metrológicos de grande volume, este trabalho abrange os passos necessários para transformar a funcionalidade individual destes elementos em uma célula unificada. Primeiramente, uma análise funcional foi feita e os requisitos do sistema de integração foram detalhados de acordo com o padrão ECSS-E-ST-40C. Então um software foi escrito para implementar a abordagem planejada de acordo com os protocolos de rede requeridos por cada módulo. Uma IHM foi criada para centralizar o controle da célula e auxiliar na supervisão do processo. Finalmente foram realizados experimentos baseados no padrão EN ISO 9283 para se determinar qual configuração da célula melhor atende as tolerâncias de alinhamento. A configuração ótima atingiu a posição nominal com uma exatidão média de 0.16mm e 0.004.

Sensores a fibra óptica estruturalmente integrados formam a base para a tecnologia de estruturas inteligentes. Nos últimos anos foram desenvolvidas várias configurações de sensores a fibra óptica para medidas de deformação mecânica. Esta deformação altera o índice de refração e a geometria do material da fibra óptica causando variações na intensidade, fase e polarização da onda luminosa propagando-se ao longo da fibra. Sensores interferométricos a fibra óptica são extremamente sensíveis a medidas de deformação, sendo utilizados em aplicações que demandam elevado desempenho. Sua alta resolução faz destes sensores ideais para aplicações de controle. Interferometria com luz branca é uma técnica muito eficiente que vem sendo empregada para fornercer medidas de deformação mecânica com alta resolução. Neste trabalho foi implementado um sensor de deformação mecânica baseado no interferômetro de Michelson a fibra óptica com luz branca para medidas de deformação (strain) em uma viga não uniforme de seção retangular. A partir dos resultados experimentais obtidos com o sensor a fibra e com extensômetros de resistência elétrica (strain gauges), foram feitas análises comparativas de ambos os sensores com o propósito de avaliar a característica de resposta do sensor a fibra óptica. Isto foi feito principalmente com relação à linearidade de resposta do sensor a fibra. Em seguida, foram propostas algumas modificações de forma a adequá-lo às várias aplicações que se fizerem necessárias. Este trabalho permitiu o desenvolvimento de um sensor a fibra óptica no CTA e a integração de diversas áreas incluindo opto-eletrônica, engenharia mecânica e aeronáutica e computação.

A roda automotiva é um item de segurança do veículo, cujo desenvolvimento e produção é complexo e requer um rigoroso controle dimensional. Atualmente o sistema de medição da roda, situada entre etapas de produção, consiste no emprego de relógios comparadores. Desta forma, a qualidade da informação obtida depende da habilidade do operador em manipular o dispositivo de medição, estando também, suscetível ao desgaste físico por trabalho repetitivo.Soluções alternativas, para a medição da oscilação da roda, também foram estudadas, como por exemplo o emprego de equipamentos com sensores LVDT e roletes, os quais não apresentaram resultados satisfatórios. Devido a estes fatos, este trabalho tem como objetivo projetar um sistema mecatrônico, que utiliza recursos de visão computacional, para medir a oscilação da roda, buscando resolver os problemas apresentados por outros métodos comentados.