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

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

Quando as atividades de um sistema mecatrônico são realizadas em ambientes com intenso campo elétrico e ou magnético, os dispositivos que irão executar as tarefas devem ser cuidadosamente projetados para que a presença de peças metálicas não se torne um risco. O campo elétrico pode gerar descargas elétricas e o campo magnético, exercer forças não previstas sobre peças metálicas. Assim o uso de alguns elementos, como motores elétricos, peças metálicas ou sensores eletrônicos se torna inviável. A motivação inicial para esse trabalho foi encontrar um atuador que possa ser construído sem o uso de elementos metálicos e com ele, construir um manipulador inerte a campos magnéticos e elétricos. Neste contexto, a transmissão de energia para os atuadores por meios hidráulicos ou pneumáticos se torna a opção mais indicada. Frequentemente, sistemas pneumáticos e hidráulicos apresentam atuadores com componentes metálicos, devido a resistência mecânica destes componentes. Em situações na qual os requisitos quanto a esforços são menores, elementos metálicos podem ser substituídos por materiais poliméricos de uso comum na Engenharia. Entre os atuadores hidráulicos e pneumáticos, um que já apresenta poucas partes metálicas é o músculo pneumático artificial (MPA). O MPA possui características tais como: baixo peso relacionado ao esforço gerado, escala de esforços similar a um cilindro pneumático de mesmo tamanho e construção simples. Assim, o MPA foi escolhido como atuador para o manipulador não-condutor desenvolvido neste trabalho. Adotando o MPA como elemento central, este trabalho tem por objetivo identificar as diretrizes para a aplicação do MPA na construção de um manipulador inerte a campos elétricos e magnéticos. Para isso, primeiramente foi desenvolvido um MPA livre de qualquer parte metálica. Visando sua aplicação, as características do músculo como: gama de esforços, tempo de resposta e histerese foram avaliadas através de testes. Algumas estratégias de controle do atuador foram testadas e comparadas, e com o atuador desenvolvido foi construído um manipulador inerte a campos magnéticos e elétricos. O manipulador construído tem como objetivo exercer movimentos distintos sobre a mão de um paciente, o mesmo deve acompanhar o paciente durante um exame de ressonância magnética. O atuador apresentou uma gama de esforços dentro do previsto, um tempo de resposta característico de atuadores pneumáticos e ao contrário do esperado, uma baixa histerese. Através de elementos mecânicos e com o uso de dois MPA, o manipulador foi capaz de exercer um trabalho sobre a mão de um voluntario fora do campo da RM, mostrando a viabilidade da aplicação. / When activities executed by a mechatronic system are performed in environments with strong magnetic and or electric field, the devices that will perform the tasks should be carefully designed so that the presence of metal parts does not become a risk. The electric field can generate electrical currents and the magnetic field may exert unexpected force in a metal part. Thus the use of some elements, such as electric motors, metallic parts or electronic sensors becomes unviable. The initial motivation for this work was to find an actuator that could be built without metallic elements and, using such actuator, build a manipulator inert to magnetic and electric fields. In this context, the use of hydraulic or pneumatic actuators becomes the most indicated option. Frequently, pneumatic and hydraulic systems have actuators with metal parts so as resist mechanical loads. In situations where the actuator is loaded by small loads, metal parts may be replaced by polymeric materials commonly used in Engineering. Among hydraulic and pneumatic actuators, one that already presents a few metal parts is the pneumatic artificial muscle (PAM). PAM has characteristics such as: low weight to effort ratio, simple construction as well as range of generated force and dimensions similar to a pneumatic cylinder. Thus, the PAM is chosen as the actuator for the non-conductive manipulator developed in this work. Adopting the PAM as a central element, this work aims identifying directives on using the PAM in the construction of a manipulator inert to electric and magnetic fields. For this, firstly it is developed a PAM free from any metal part. Next, the characteristics of the PAM such as range of efforts, response time and hysteresis curve are assessed through tests. Some strategies for the actuator control are tested and compared. Finally, using the developed actuator, a manipulator inert to magnetic and electric fields are constructed. The purpose of this manipulator is to induce motions to the fingers of a patient hand while the patient is examined in a MRI (magnetic resonance imaging) equipment. The actuator presented a range of efforts according to expectations, a response time compatible with pneumatic actuators and, contrary to expectations, low hysteresis.

Quando as atividades de um sistema mecatrônico são realizadas em ambientes com intenso campo elétrico e ou magnético, os dispositivos que irão executar as tarefas devem ser cuidadosamente projetados para que a presença de peças metálicas não se torne um risco. O campo elétrico pode gerar descargas elétricas e o campo magnético, exercer forças não previstas sobre peças metálicas. Assim o uso de alguns elementos, como motores elétricos, peças metálicas ou sensores eletrônicos se torna inviável. A motivação inicial para esse trabalho foi encontrar um atuador que possa ser construído sem o uso de elementos metálicos e com ele, construir um manipulador inerte a campos magnéticos e elétricos. Neste contexto, a transmissão de energia para os atuadores por meios hidráulicos ou pneumáticos se torna a opção mais indicada. Frequentemente, sistemas pneumáticos e hidráulicos apresentam atuadores com componentes metálicos, devido a resistência mecânica destes componentes. Em situações na qual os requisitos quanto a esforços são menores, elementos metálicos podem ser substituídos por materiais poliméricos de uso comum na Engenharia. Entre os atuadores hidráulicos e pneumáticos, um que já apresenta poucas partes metálicas é o músculo pneumático artificial (MPA). O MPA possui características tais como: baixo peso relacionado ao esforço gerado, escala de esforços similar a um cilindro pneumático de mesmo tamanho e construção simples. Assim, o MPA foi escolhido como atuador para o manipulador não-condutor desenvolvido neste trabalho. Adotando o MPA como elemento central, este trabalho tem por objetivo identificar as diretrizes para a aplicação do MPA na construção de um manipulador inerte a campos elétricos e magnéticos. Para isso, primeiramente foi desenvolvido um MPA livre de qualquer parte metálica. Visando sua aplicação, as características do músculo como: gama de esforços, tempo de resposta e histerese foram avaliadas através de testes. Algumas estratégias de controle do atuador foram testadas e comparadas, e com o atuador desenvolvido foi construído um manipulador inerte a campos magnéticos e elétricos. O manipulador construído tem como objetivo exercer movimentos distintos sobre a mão de um paciente, o mesmo deve acompanhar o paciente durante um exame de ressonância magnética. O atuador apresentou uma gama de esforços dentro do previsto, um tempo de resposta característico de atuadores pneumáticos e ao contrário do esperado, uma baixa histerese. Através de elementos mecânicos e com o uso de dois MPA, o manipulador foi capaz de exercer um trabalho sobre a mão de um voluntario fora do campo da RM, mostrando a viabilidade da aplicação. / When activities executed by a mechatronic system are performed in environments with strong magnetic and or electric field, the devices that will perform the tasks should be carefully designed so that the presence of metal parts does not become a risk. The electric field can generate electrical currents and the magnetic field may exert unexpected force in a metal part. Thus the use of some elements, such as electric motors, metallic parts or electronic sensors becomes unviable. The initial motivation for this work was to find an actuator that could be built without metallic elements and, using such actuator, build a manipulator inert to magnetic and electric fields. In this context, the use of hydraulic or pneumatic actuators becomes the most indicated option. Frequently, pneumatic and hydraulic systems have actuators with metal parts so as resist mechanical loads. In situations where the actuator is loaded by small loads, metal parts may be replaced by polymeric materials commonly used in Engineering. Among hydraulic and pneumatic actuators, one that already presents a few metal parts is the pneumatic artificial muscle (PAM). PAM has characteristics such as: low weight to effort ratio, simple construction as well as range of generated force and dimensions similar to a pneumatic cylinder. Thus, the PAM is chosen as the actuator for the non-conductive manipulator developed in this work. Adopting the PAM as a central element, this work aims identifying directives on using the PAM in the construction of a manipulator inert to electric and magnetic fields. For this, firstly it is developed a PAM free from any metal part. Next, the characteristics of the PAM such as range of efforts, response time and hysteresis curve are assessed through tests. Some strategies for the actuator control are tested and compared. Finally, using the developed actuator, a manipulator inert to magnetic and electric fields are constructed. The purpose of this manipulator is to induce motions to the fingers of a patient hand while the patient is examined in a MRI (magnetic resonance imaging) equipment. The actuator presented a range of efforts according to expectations, a response time compatible with pneumatic actuators and, contrary to expectations, low hysteresis.