DESENVOLVIMENTO DE UM
U CIRCUITO PARA ACIONAMENTO
NAMENTO DE
MÚSCULOS ARTIFICIAIS
Haiglan Frank Batista Plotzki
Bolsista de IC do curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Pampa
[email protected]
Wang Chong
Professor/Pesquisador do curso de Engenharia Mecânica da
da Universidade Federal do Pampa
[email protected]
Resumo. O presente trabalho visa
apresentar uma topologia de circuito
adotado para realizar o controle de
equipamentos de alta potência utilizando de
dispositivos de baixa potência. A proposta
surgiu da necessidade de controlar
músculos
artificiais,,
compostos
por
polímeros
dielétricos,
através
do
computador. Esses
sses polímeros necessitam de
elevada tensão para realizar a sua
deformação, assim utiliza-se de circuitos do
tipo flyback para o acionamento.
acionamento O controle
do flyback pelo computador ocorre através
de um circuito que converta a saída do
computador para uma potência mais
elevada, para que não exista danificação do
computador e de seus periféricos. O circuito
circu
proposto foi capaz de realizar a conexão
entre os equipamentos, sendo que para o
circuito de acionamento foi observado
distorções quando o sinal se aproximava do
limite superior de tensão, e para o circuito
de aquisição observou-se
se o aparecimento de
um erro de leitura ao se conectar o circuito
de alta tensão.
Palavras-chave: Músculos Artificiais,
Polímero dielétrico, Controle de tensão.
1.
INTRODUÇÃO
Um tipo de atuador polimérico que vem
sendo explorado nos últimos anos é o
polímero dielétrico eletroativo (Dielectric
Electroactive Polymer - DEAP), ele consiste
de uma fita adesiva de dupla face que
apresenta a capacidade de deformação
superior a 100%.
Para realizar a atuação dos DEAP
utiliza-se dee campos elétricos de alta
intensidade, considerando-se
considerando
o efeito
capacitivo entre eletrodos flexíveis. Esses
eletrodos são formados utilizando de uma
graxa condutora depositada no polímero
fazendo com que o polímero atue como um
dielétrico entre os eletrodos
rodos formados pelas
graxas (ASSIS; MEGGIOLARO,
MEGGIOLARO 2010).
Uma forma de controlar a atuação dos
DEAP é através da conexão desses com o
computador, mas para ocorrer essa conexão
é necessária a utilização de equipamentos e
circuitos elétricos que realizem o correto
cor
ajuste e comunicação dos elementos de
potência (atuadores)) e dos elementos de
sinal (computador).
Neste artigo é apresentada uma
topologia de circuito elétrico utilizado para
realizar a conexão entre os equipamentos de
potência e os equipamentos de sinal.
si
Este artigo é estruturado de forma a
apresentar o Polímero Dielétrico
ielétrico (Seção 2),
onde dispõe de forma sucinta o
funcionamento dos DEAP; disponibiliza o
Circuito de Interconexão
nterconexão (Seção 3), seção
que apresenta a topologia
topolog
do circuito
utilizado; e os Resultados
esultados (Seção 4), onde
mostra o comportamento do circuito.
2.
POLÍMERO DIELÉTRICO
O funcionamento dos DEAPs pode ser
explicado pela força de atração eletrostática
(força de Maxwell) que ocorre entre as
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placas do capacitor devido a grande
diferença de potencial aplicada sobre os
terminais das mesmas. Esse fenômeno
ocorre quando as cargas elétricas opostas se
acumulam na superfície do material, gerando
uma atração entre os eletrodos acarretando
assim a deformação na espessura do
material. Devido às características desse
material de manter o volume constante, há
uma expansão das dimensões dos eletrodos
(Pelrine et al., 2000)
Os atuadores poliméricos necessitam de
tensões da ordem de KiloVolts para que haja
a deformação dos eletrodos. Assim é
necessária a utilização de dispositivos que
convertam baixa tensão em alta tensão. Um
circuito capaz de realizar essa conversão de
tensões é o conversor DC-DC flyback, mais
informações sobre esses circuitos podem ser
encontrado em RASHID (1999).
Esse circuito utiliza uma entrada em
tensão continua com alguns Volts e os
converte para faixa dos KiloVolts. O
conversor flyback adquirido para o projeto
foi o da empresa EMCO, modelo F101. Cuja
tensão de alimentação é 0 e 15 Volts, com a
corrente máxima drenada da fonte de 1,5
Amperes.
3.
CIRCUITO DE INTERCONEXÃO
Uma das propostas é realizar o
acionamento dos músculos artificiais através
de um computador. Assim, foram adquiridos
dois equipamentos da empresa National
Instruments, o primeiro foi dispositivo NI
USB – 6009, muito utilizado para a
aquisição de dados devido ao seu baixo
preço, outro equipamento adquirido foi o NI
9263, dispositivo utilizado como conversor
digital-analógico (DAC), utilizado em
conjunto com o NI cDAQ-9178, um chassi
NI CompactDAQ USB de 8 slots.
Como a tensão de alimentação requerida
para os músculos são fornecidas pelo
flyback, e de acordo com as características
do mesmo, não há a possibilidade de
conexão entre este e o DAC diretamente,
pois existe o risco de queimar os
equipamentos. Dessa forma, elaborou-se um
circuito que realizasse essa comunicação
entre o equipamento de potência (flyback) e
o de sinal (DAC).
Figura 1. Esquemático elétrico do circuito de alimentação do flyback.
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Figura 2. Esquemático elétrico do circuito de medição da tensão gerada pelo flyback.
Na Fig. 1 é mostrado o esquemático
elétrico do circuito utilizado para o
acionamento do flyback.. Sendo na Fig. 2
disponibilizado o circuito de medição
mediçã da
tensão gerada pelo flyback.
O circuito de acionamento é composto
por
um
amplificador
operacional
responsável por converter
er a faixa de
operação do DAC (entre
entre 0 e 10 Volts) para a
faixa de operação do flyback,, posteriormente
utiliza-se
se de um amplificador, com ganho
unitário, conectado a um transistor para
realizar o aumento da capacidade de
corrente. Neste caso foi utilizada uma
associação em paralelo de transistores a fim
de reduzir a corrente que circula em cada
componente, pois no momento de confecção
da placa não havia disponível componentes
com a capacidade de corrente adequada.
Já o circuito de aquisição foi utilizado
um amplificador na topologia diferencial e
que apresenta
resenta um ganho para reduzir o valor
medido em alta tensão
nsão (de 0 a 12 Volts,
devido ao divisor resistivo disponibilizado
pelo fabricante do flyback) para a faixa do
DAC (entre 0 e 10 Volts).
4.
RESULTADOS
Os resultados dos testes da placa de
interconexão estão dispostos nas Fig. 3 e 4.
Para a obtensão dos resultados simulou o
comportamento do conversor digital–
digital
analógico através do uso de um gerador de
funções.
Na Fig. 3 são visualizadas as formas de
onda do gerador de função e a onda
adquirida pelo circuito de medição presente
na placa,, nesta imagem as formas de ondas
deveriam apresentar o mesmo formato,
formato
entretanto há a deformação
rmação da forma de
onda medida devido utilizar um divisor
resistivo para reduzir a alta tensão para baixa
tensão e no momento de conexão do circuito
de medição ocasiona na mudança da
resistência equivalente, mudando assim, o
ganho de tensão do divisor resistivo. Sendo
o efeito de saturação causado pela
alimentação do flyback.
Figura 3. Formas observadas nos terminais
dos conversores AD e DA.
Na Fig. 4 é mostrada a forma de onda
observada na entrada do módulo flyback,
forma de onda azul, e onda adquirida pelo
sistema de medição,, onda verde.
verde A distorção
da forma de onda sobre o módulo de alta
tensão ocorre devido à fonte de alimentação
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de o circuito ser limitada em 15 Volts, e
como existem quedas de tensão geradas
pelos transistores há uma diminuição da
máxima tensão aplicada, causando assim a
saturação da tensão de saída para valores
superiores a 13 Volts. Essa distorção pode
ser considerada benéfica, pois garante que o
flyback não irá receber tensão maior do à
necessária.
5.
REFERÊNCIAS
ASSIS, P. F. C. B. d; MEGGIOLARO, M.
A. Controle não-linear de força de músculos
artificiais poliméricos por efeito capacitivo.
Sba Controle & Automação, Campinas, v.
21, n. 5, Oct. 2010
PELRINE, R. et al. High-speed electrically
actuated elastomers with strain greater than
100%. Science, American Association for
the Advancement of Science, v. 287, n.
5454, p. 836-839, 2000.
RASHID, M. H. Eletrônica de potência:
circuitos, dispositivos e aplicações. [S.l.]:
Makron, 1999.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Figura 4. Formas de ondas aplicadas ao
módulo flyback e medida pelo circuito de
aquisição.
Na Fig 5 é mostrado uma foto dos
circuitos propostos.
Para corrigir os problemas relacionados
à medição do flyback, pretende-se
desenvolver uma nova placa utilizando de
uma
topologia
de
amplificadores
operacionais que apresentem uma elevada
impedância de entrada, reduzindo a
influência sobre o divisor resistivo.
Em relação ao circuito de acionamento,
pretende-se realizar uma nova montagem
utilizando-se de componentes com os níveis
adequados de corrente e tensão, além da
aplicação de um controlador PID para
garantir a replicação do valor de saída do
computador.
Figura 5. Placa dos circuitos da Fig 1 e Fig
2.
Agradecimentos
Os autores agradecem o CNPq pelo
apoio financeiro através do Processo:
477907/2012-1. O autor Haiglan agradece a
FAPERGS por uma bolsa de IC.
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