Metallic robotic arms, or manipulators, currently dominate automated industrial operations, but due to their intrinsic weight, have limited usefulness for large-scale applications in terms of precision, speed, and repeatability. This thesis focuses on exploring the feasibility of using polymeric composite materials for the construction of long-reach robotic arms. Different manipulator layouts were investigated and an ideal design was selected for a robotic arm that has a 5 [m] reach, 50 [kg] payload, and is intended to operate on large objects with complex curvature. The cross-sectional geometry of the links of the arm were analyzed for optimal stiffness- and strength-to-weight ratios that are capable of preserving high precision and repeatability under time-dependent external excitations. The results lead to a novel multi-segment link design and method of production. A proof-of-concept prototype of a two degrees-of-freedom (2-DOF) robotic arm with a reach of 1.75 [m] was developed. Both static and repeatability testing were performed for verification. The results indicated that the prototype robot main-arm constructed of carbon fiber-epoxy composite material provides good stiffness-to-weight and strength-to-weight ratios. Finite element analysis (FEA) was performed on a 3-D computer model of the arm. Successful verification led to the use of the 3-D model to define the dimensions of an industrial-sized robotic arm. The results obtained indicate high stiffness and minimal deflection while achieving a significant weight reduction when compared to commercial arms of the same size and capability.

In last decades, there has been a relevant growth in the application of composite materials reinforced by fibers in the several industries, especially the aeronautical, automotive, construction and offshore structures segments. How the composites exhibit relationships stiffness/weight and resistance/high weight, and other interesting features compared with other materials, they have been increasingly used to replace conventional materials. The present work has as objective to develop a study about laminated polymeric composite tubes subjected to thermomechanical loads. The laminae are composed of polymeric matrix involving unidirectional long fiber reinforcement. The walls of the studied tubes present various lamination schemes and different constituent materials. The analyses are set by analytical formulations that permits obtaining the displacements, stresses and strains, as well as verification failures in the laminae. Different empirical and semi-empirical analytical models are used for failure analyses. Effects of thermomechanical loads, such as internal pressure, bending, and temperature changes are considered. The analyzed cases consist of tubes with walls comprised of several layers with different directions of fibers, some including laminae sand impregnated with resin. The results are also compared with other available in the literature. It is verified that the Tsai-Wu criterion provides superior results to the other two failure models used in the work, especially for angles greater than 50°. Moreover, this criterion obtained an inconsistent result in the analysis of the temperature effects for the laminae [+55°/−55°]2. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Nas últimas décadas, houve um grande crescimento na aplicação de materiais compósitos reforçados por fibras em diversos setores, com destaque para os segmentos aeronáutico, automotivo, construção civil e de estruturas offshore. Como os referidos compósitos apresentam relações rigidez/peso e resistência/peso elevadas, além de outras características interessantes, em comparação com outros materiais, eles têm sido cada vez mais utilizados em substituição aos materiais convencionais. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um estudo sobre tubos de materiais compósitos poliméricos laminados submetidos a cargas termomecânicas. As lâminas são constituídas por uma matriz polimérica envolvendo fibras unidirecionais longas de reforço. As paredes dos tubos estudadas apresentam diferentes esquemas de laminação, podendo ser constituídas por diferentes materiais. As análises são feitas através de formulações analíticas que permitem a obtenção dos deslocamentos, tensões e deformações, assim como a verificação de falhas nas lâminas. Para a análise de falhas são empregados diferentes modelos analíticos empíricos e semiempíricos. Efeitos de cargas termomecânicas, tais como pressão interna, flexão e de variação de temperatura são considerados. Os casos analisados consistem de tubos com paredes constituídas por várias camadas com diferentes direções de fibras, alguns incluindo lâminas de areia impregnada com resina. Os resultados encontrados também são comparados com outros disponíveis na literatura. Verifica-se que o critério de Tsai-Wu fornece resultados superiores aos dos outros dois modelos de falha utilizados no trabalho, principalmente para ângulos superiores a 50°. Além disso, esse critério obteve resultado inconsistente na análise dos efeitos de temperatura para o laminado [+55°/−55°]2.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.