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

Este trabalho apresenta a formulação de um problema de otimização topológica para o posicionamento ótimo de atuadores baseado na teoria de controle. A estrutura é composta por dois materiais: um material passivo elástico e um material ativo piezelétrico, ambos lineares. Pretende-se obter um sistema de controle no qual todos os estados sejam controláveis. O processo de otimização topológica busca a distribuição de material piezelétrico que maximize o menor autovalor do Gramiano de controlabilidade garantindo, assim, sua não singularidade e, consequentemente, que o sistema seja completamente controlável. Programação linear sequencial (SLP) é utilizada para a solução do problema de otimização e as sensibilidades para o modelo de elementos finitos são deduzidas para a função objetivo e restrições. Análises modais das topologias ótimas são utilizadas para a definição de um controlador LQR e as respostas das estruturas controladas submetidas à uma carga impulsiva são analisadas. / This work presents a topology optimization formulation for the actuator placement based on the control theory. The structure is composed by two materials: a passive elastic material and an active piezoelectric material, both linear. The aim is to obtain a control system which all states are controllable. The topology optimization process searches the piezoelectric material distribution which maximizes the smallest eigenvalue of the controllability Gramian ensuring its non-singularity and, therefore, the system is completely controllable. Sequential linear programming (SLP) is used to solve the optimization problem. The sensitivities for the finite element model were derived for the objective function and constraints. Modal analysis from the optimal topologies were employed in an LQR controller and the responses for the controlled structures submitted to an impulsive load are analyzed.

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Banca: Walter Katsumi Sakamoto / Banca: Alberto Luiz Serpa / Resumo: Este trabalho apresenta o projeto do regulador linear quadrático (LQR - do inglês Linear Quadratic Regulator) para atenuar vibrações em estruturas mecânicas. Estas estruturas, com atuadores e sensores acoplados, são denominadas estruturas inteligentes. Os projetos de controladores ativos são resolvidos utilizando desigualdades matriciais lineares (LMIs - do inglês Linear Matrix Inequalities). Assim, é possível projetar controladores robustos considerando incertezas paramétricas na planta a ser controlada. São utilizados atuadores e sensores piezelétricos (PZTs) para aplicações em estruturas flexíveis dos tipos vigas e placas e, também, atuadores de pilha para aplicações em estruturas do tipo treliça. O problema do posicionamento ótimo dos atuadores e sensores piezelétricos também é resolvido utilizando as normas de sistemas H2, H , Hankel e as matrizes grammianas de observabilidade e controlabilidade. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos e, também, utilizando o Método de Identificação de Subespaços através de dados experimentais. O problema de posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas e experimentais. Os resultados mostram que os controladores robustos aumentam o amortecimento estrutural minimizando as amplitudes de vibração. / Abstract: This work presents the Linear Quadratic Regulator design to vibration attenuation in mechanical structures. These structures are named Smart Structures because they use actuators and sensors electromechanically coupled. Active controller designs are solved using Linear Matrix Inequalities. So, it is possible to consider polytopic uncertainties. Piezoelectric actuators and sensors are used for applications in flexible structures as beams and plates and, also, stack actuators for applications in truss structures. Optimal placement problem of piezoelectric actuators and sensors also solved using H2, H , Hankel system norms and controllability and observability grammian matrices. The mathematical model of the smart structure is obtained through Finite Element Method and, also, through Numerical State Space of Subspace System Identification (Subspace Method) by experimental data. The optimal placement of actuator and sensor and the active vibration control is numerically and experimentally implemented. Results show that the robust controllers increase the structural damping minimizing magnitude of vibrations. / Mestre

Este trabalho apresenta a formulação de um problema de otimização topológica para o posicionamento ótimo de atuadores baseado na teoria de controle. A estrutura é composta por dois materiais: um material passivo elástico e um material ativo piezelétrico, ambos lineares. Pretende-se obter um sistema de controle no qual todos os estados sejam controláveis. O processo de otimização topológica busca a distribuição de material piezelétrico que maximize o menor autovalor do Gramiano de controlabilidade garantindo, assim, sua não singularidade e, consequentemente, que o sistema seja completamente controlável. Programação linear sequencial (SLP) é utilizada para a solução do problema de otimização e as sensibilidades para o modelo de elementos finitos são deduzidas para a função objetivo e restrições. Análises modais das topologias ótimas são utilizadas para a definição de um controlador LQR e as respostas das estruturas controladas submetidas à uma carga impulsiva são analisadas. / This work presents a topology optimization formulation for the actuator placement based on the control theory. The structure is composed by two materials: a passive elastic material and an active piezoelectric material, both linear. The aim is to obtain a control system which all states are controllable. The topology optimization process searches the piezoelectric material distribution which maximizes the smallest eigenvalue of the controllability Gramian ensuring its non-singularity and, therefore, the system is completely controllable. Sequential linear programming (SLP) is used to solve the optimization problem. The sensitivities for the finite element model were derived for the objective function and constraints. Modal analysis from the optimal topologies were employed in an LQR controller and the responses for the controlled structures submitted to an impulsive load are analyzed.

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 formulação de um problema de otimização topológica para o posicionamento ótimo de atuadores baseado na teoria de controle. A estrutura é composta por dois materiais: um material passivo elástico e um material ativo piezelétrico, ambos lineares. Pretende-se obter um sistema de controle no qual todos os estados sejam controláveis. O processo de otimização topológica busca a distribuição de material piezelétrico que maximize o menor autovalor do Gramiano de controlabilidade garantindo, assim, sua não singularidade e, consequentemente, que o sistema seja completamente controlável. Programação linear sequencial (SLP) é utilizada para a solução do problema de otimização e as sensibilidades para o modelo de elementos finitos são deduzidas para a função objetivo e restrições. Análises modais das topologias ótimas são utilizadas para a definição de um controlador LQR e as respostas das estruturas controladas submetidas à uma carga impulsiva são analisadas. / This work presents a topology optimization formulation for the actuator placement based on the control theory. The structure is composed by two materials: a passive elastic material and an active piezoelectric material, both linear. The aim is to obtain a control system which all states are controllable. The topology optimization process searches the piezoelectric material distribution which maximizes the smallest eigenvalue of the controllability Gramian ensuring its non-singularity and, therefore, the system is completely controllable. Sequential linear programming (SLP) is used to solve the optimization problem. The sensitivities for the finite element model were derived for the objective function and constraints. Modal analysis from the optimal topologies were employed in an LQR controller and the responses for the controlled structures submitted to an impulsive load are analyzed.

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

An MRI’s superior soft tissue contrast and ability to perform parametric scanning make it a powerful tool for use during medical procedures; from surgery to rehabilitation. However, the MRI’s strong static magnetic field, fast switching gradients and constrained space make accomplishing procedures within it difficult. Recent advances in the field of robotics have enabled the creation of devices capable of assisting medical practitioners in this environment. In this work, technologies to enable the use and control of robotic assistive devices for MRI interventions are presented. This includes a modular controller that is designed, built and used to control two surgical systems with minimal effect on image quality. Progressive improvements to an MRI conditional actuator including the construction of a first of a kind plastic piezoelectric resonant motor stator that improves the motor’s compatibility with the MRI is presented. Finally, control algorithms are evaluated for real-time functional MRI based control of a rehabilitation robot which includes the use of a robot for controlling brain activity of a subject in an online experiment.

Les actionneurs multi-axes sont de plus en plus prisés par les concepteurs de systèmes de nanopositionnement car ils permettent une réduction de l'espace occupé et de l'énergie consommée, une dextérité plus grande et une modularité avec peu de contraintes pour les applications. Certains de ces actionneurs et systèmes multi-axes sont cependant caractérisés par des oscillations mal-amorties qui compromettent de manière drastique leurs performances générales. Cette thèse concerne l'exploitation des techniques de commande en boucle-ouverte input-shaping classiquement utilisées pour amortir de manière sans capteurs les oscillations dans les systèmes mono-axes et les étendent pour qu'ils soient utilisables pour les systèmes multi-axes. Les résultats proposés dans la thèse qui sont des techniques input-shaping multivariables sont ensuite appliquées sur des actionneurs piézoélectriques classiquement dédiés pour les applications de nanopositionnement. / Multi-axes actuators are becoming more and more tempting to nanopositioning system designers as they enable them to save space, reduce energy consumption, increase dexterity and offer more modularity and freedom with fewer constraints to their applications. Some of these multi-axes actuators and systems exhibit however badly damped vibrations which strongly compromise their global performances. This thesis work exploits the advantages of the well-known feedforward input shaping techniques usually used to damp vibrations in monovariable (SISO) systems to present a new multivariable (MIMO) input shaping technique that can be used to damp vibrations in multi-axes systems. The approach that was used in this study is to extend a previous work that was done on multiple-input single-output (MISO) systems and generalize it for MIMO systems. The study demonstrates also the application of this newly developed technique on different piezoelectric actuators commonly used in nanopositioning systems.

An MRI’s superior soft tissue contrast and ability to perform parametric scanning make it a powerful tool for use during medical procedures; from surgery to rehabilitation. However, the MRI’s strong static magnetic field, fast switching gradients and constrained space make accomplishing procedures within it difficult. Recent advances in the field of robotics have enabled the creation of devices capable of assisting medical practitioners in this environment. In this work, technologies to enable the use and control of robotic assistive devices for MRI interventions are presented. This includes a modular controller that is designed, built and used to control two surgical systems with minimal effect on image quality. Progressive improvements to an MRI conditional actuator including the construction of a first of a kind plastic piezoelectric resonant motor stator that improves the motor’s compatibility with the MRI is presented. Finally, control algorithms are evaluated for real-time functional MRI based control of a rehabilitation robot which includes the use of a robot for controlling brain activity of a subject in an online experiment.