An Adjustable Compliant Joint for Lower-Limb Exoskeletons

The field of exoskeletons and wearable devices for walking assistance and rehabilitation has advanced considerably over the past few years. Currently, commercial devices contain joints with stiff actuators that cannot adapt to unpredictable environments. These actuators consume more energy and may not be appropriate for human-machine interactions. Thus, adjustable compliant actuators are being cautiously incorporated into new exoskeletons and active orthoses. Some simulation-based studies have evaluated the benefits of incorporating compliant joints into such devices. Another reason that compliant actuators are desirable is that spasticity and spasmodic movements are common among patients with motor deficiencies; compliant actuators could efficiently absorb these perturbations and improve joint control. In this paper, we provide an overview of the requirements that must be fulfilled by these actuators while evaluating the behavior of leg joints in the locomotion cycle. A brief review of existing compliant actuators is conducted, and our proposed variable stiffness actuator prototype is presented and evaluated. The actuator prototype is implemented in an exoskeleton knee joint operated by a state machine that exploits the dynamics of the leg, resulting in a reduction in actuation energy demand and better adaptability to disturbances.

A Modified Positive Velocity and Position Feedback scheme with delay compensation for improved nanopositioning performance

Acknowledgments This paper was sponsored by the Spanish FPU12/00984 Program (Ministerio de Educacion, Cultura y Deporte). It was also sponsored by the Spanish Government Research Program with the Project DPI2012-37062-CO2-01 (Ministerio de Economia y Competitividad) and by the European Social Fund.

Direct observation of extension and retraction of type IV pili

Type IV pili are thin filaments that extend from the poles of a diverse group of bacteria, enabling them to move at speeds of a few tenths of a micrometer per second. They are required for twitching motility, e.g., in Pseudomonas aeruginosa and Neisseria gonorrhoeae, and for social gliding motility in Myxococcus xanthus. Here we report direct observation of extension and retraction of type IV pili in P. aeruginosa. Cells without flagellar filaments were labeled with an amino-specific Cy3 fluorescent dye and were visualized on a quartz slide by total internal reflection microscopy. When pili were attached to a cell and their distal ends were free, they extended or retracted at rates of about 0.5 μm s−1 (29°C). They also flexed by Brownian motion, exhibiting a persistence length of about 5 μm. Frequently, the distal tip of a filament adsorbed to the substratum and the filament was pulled taut. From the absence of lateral deflections of such filaments, we estimate tensions of at least 10 pN. Occasionally, cell bodies came free and were pulled forward by pilus retraction. Thus, type IV pili are linear actuators that extend, attach at their distal tips, exert substantial force, and retract.

Electro-mechanical coupling in the aging heart: role of the Late Na+ current

The aging myopathy manifests itself with diastolic dysfunction and preserved ejection fraction. However, the difficulty in defining myocardial aging and the mechanisms involved complicates the recognition of the cellular processes underlying impaired diastolic relaxation. We raised the possibility that, in a mouse model of physiological aging, defects in the electromechanical properties of cardiomyocytes are important determinants of the diastolic properties of the myocardium, independently from changes in the structural composition of the muscle and collagen framework. Here we show that an increase in the late Na+ current (INaL) in aging cardiomyocytes prolongs the action potential (AP) and influences the temporal kinetics of Ca2+ cycling and cell shortening. These alterations increase force development and passive tension. Inhibition of INaL shortens the AP and corrects the dynamics of Ca2+ transient, cell contraction and relaxation. Similarly, repolarization and diastolic tension of the senescent myocardium are partly restored. INaL offers inotropic support, but negatively interferes with cellular and ventricular compliance, providing a new perspective of the biology of myocardial aging and the etiology of the defective cardiac performance in the elderly.

Controle subótimo de manipuladores subatuados via redundância de atuação

Este trabalho apresenta uma metodologia de controle de posição das juntas passivas de um manipulador subatuado de uma maneira subótima. O termo subatuado se refere ao fato de que nem todas as juntas ou graus de liberdade do sistema serem equipados com atuadores, o que ocorre na prática devido a falhas ou como resultado de projeto. As juntas passivas de manipuladores desse tipo são indiretamente controladas pelo movimento das juntas ativas usando as características de acoplamento da dinâmica de manipuladores. A utilização de redundância de atuação das juntas ativas permite a minimização de alguns critérios, como consumo de energia, por exemplo. Apesar da estrutura cinemática de manipuladores subatuados ser idêntica a do totalmente atuado, em geral suas características dinâmicas diferem devido a presença de juntas passivas. Assim, apresentamos a modelagem dinâmica de um manipulador subatuado e o conceito de índice de acoplamento. Este índice é utilizado na seqüência de controle ótimo do manipulador. A hipótese de que o número de juntas ativas seja maior que o número de passivas permite o controle ótimo das juntas passivas, uma vez que na etapa de controle destas há mais entradas (torques nos atuadores das juntas ativas), que elementos a controlar (posição das juntas passivas). Neste ponto reside a contribuição desta tese ao estado da arte, uma vez que não há até o momento publicação que proponha o controle ótimo das juntas passivas neste caso.

Aplicação de técnicas inteligentes com análise no domínio do tempo para reconhecimento de defeitos em motores de indução trifásicos

Os motores de indução trifásicos são os principais elementos de conversão de energia elétrica em mecânica motriz aplicados em vários setores produtivos. Identificar um defeito no motor em operação pode fornecer, antes que ele falhe, maior segurança no processo de tomada de decisão sobre a manutenção da máquina, redução de custos e aumento de disponibilidade. Nesta tese são apresentas inicialmente uma revisão bibliográfica e a metodologia geral para a reprodução dos defeitos nos motores e a aplicação da técnica de discretização dos sinais de correntes e tensões no domínio do tempo. É também desenvolvido um estudo comparativo entre métodos de classificação de padrões para a identificação de defeitos nestas máquinas, tais como: Naive Bayes, k-Nearest Neighbor, Support Vector Machine (Sequential Minimal Optimization), Rede Neural Artificial (Perceptron Multicamadas), Repeated Incremental Pruning to Produce Error Reduction e C4.5 Decision Tree. Também aplicou-se o conceito de Sistemas Multiagentes (SMA) para suportar a utilização de múltiplos métodos concorrentes de forma distribuída para reconhecimento de padrões de defeitos em rolamentos defeituosos, quebras nas barras da gaiola de esquilo do rotor e curto-circuito entre as bobinas do enrolamento do estator de motores de indução trifásicos. Complementarmente, algumas estratégias para a definição da severidade dos defeitos supracitados em motores foram exploradas, fazendo inclusive uma averiguação da influência do desequilíbrio de tensão na alimentação da máquina para a determinação destas anomalias. Os dados experimentais foram adquiridos por meio de uma bancada experimental em laboratório com motores de potência de 1 e 2 cv acionados diretamente na rede elétrica, operando em várias condições de desequilíbrio das tensões e variações da carga mecânica aplicada ao eixo do motor.

Estudo da topologia de motores de fluxo axial de excitação híbrida com foco na utilização em tração elétrica.

Os motores de corrente contínua convencionais são muito bem conhecidos pela sua robustez e pelo seu alto nível de controlabilidade, alem do fato de possibilitarem a operação na região de enfraquecimento de campo (modo motor), quando esta situação se fizer necessária. Por estas características, as máquinas de corrente contínua ainda são empregadas nos dias atuais em nichos específicos de utilização. Não obstante, a máquina c.c. apresenta algumas desvantagens, principalmente a intensiva e dispendiosa manutenção eletromecânica necessária para sua operação. Como opção de sanar este problema, surgiram na década de 60, as máquinas elétricas de corrente contínua sem escovas (brushless) com excitação por ímãs permanentes de fluxo trapezoidal. O problema destas máquinas se deve justamente a impossibilidade da variação de fluxo de excitação uma vez que são produzidos puramente pelos ímãs. Sendo assim, este trabalho tem como propósito, o estudo de topologias diferenciadas da máquina elétrica, através de um circuito magnético não convencional para aplicação e utilização em sistemas de tração elétrica para operação na região de enfraquecimento de campo através da variação do fluxo resultante no entreferro. Como objeto de estudo, foi focada a topologia de fluxo axial com excitação híbrida, ou seja, dupla excitação (excitação a ímãs permanentes e excitação elétrica). Para o projeto da topologia proposta, nesta tese, adicionalmente ao método analítico, foram realizadas simulações computacionais para a comparação e refinamento dos resultados das grandezas eletromagnéticas da máquina.

Estudo da intensificação da coalescência de emulsões de água em óleo com a aplicação de onda estacionária de ultrassom.

Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático.

Controle de uma plataforma inercial estabilizada com três graus de liberdade.

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma plataforma inercial autônoma com três graus de liberdade para aplicação em estabilização de sensores - por exemplo, gravimétricos estacionários e embarcados - podendo ser utilizada também para estabilização de câmeras. O sistema é formado pela Unidade de Medida Inercial, IMU, desenvolvida utilizando um sensor micro eletromecânico, MEMS - que possui acelerômetro, giroscópio e magnetômetros nos três eixos de orientação - e um microcontrolador para aquisição, processamento e envio dos dados ao sistema de controle e aquisição de dados. Para controle dos ângulos de inclinação e orientação da plataforma, foi implementado um controlador PID digital utilizando microcontrolador. Este recebe os dados da IMU e fornece os sinais de controle utilizando as saídas PWM que acionam os motores, os quais controlam a posição da plataforma. Para monitoramento da plataforma foi desenvolvido um programa para aquisição de dados em tempo real em ambiente Matlab, por meio do qual se pode visualizar e gravar os sinais da IMU, os ângulos de inclinação e a velocidade angular. Testou-se um sistema de transmissão de dados por rádio frequência entre a IMU e o sistema de aquisição de dados e controle para avaliar a possibilidade da não utilização de slip rings ou fios entre o eixo de rotação e os quadros da plataforma. Entretanto, verificou-se a inviabilidade da transmissão em razão da baixa velocidade de transmissão e dos ruídos captados pelo receptor de rádio frequência durante osmovimentos da plataforma. Sendo assim, dois pares de fios trançados foram utilizados fios para conectar o sensor inercial ao sistema de aquisição e processamento.

Modelagem e controle de marcha de robôs bípedes com disco de inércia.

Esta tese trata de um robô bípede em caminhar dinâmico. Neste robô, que normalmente é um sistema sub-atuado, fazemos uso de um disco de inércia que funciona num certo sentido como um atuador adicional. Através deste disco, obtém-se mais liberdade para a elaboração de passos repetitivos e um aumento na robustez. Por outro lado, o sistema de controle dos passos deve controlar, além do passo propriamente dito, também a velocidade do disco, de modo que não sejam saturados os atuadores (motores elétricos). Apresentamos então um controlador capaz de realizar estas ações simultaneamente.

Avaliação do erro estático da ferramenta de uma máquina fresadora com arquitetura paralela.

Os mecanismos amplamente utilizados em aplicações industriais são de tipo serial, porém há algum tempo vem sendo desenvolvidos estudos sobre as vantagens que os mecanismos de arquitetura paralela oferecem em contraposição com os seriais. Rigidez, precisão, altas frequências naturais e velocidade são algumas características que os mecanismos paralelos atribuem a máquinas já consolidadas na indústria, destinadas principalmente nas operações de manipulação (pick and place). Nesse sentido, é relevante o estudo sobre a funcionalidade em outros tipos de operação como a usinagem e, particularmente o fresamento. Para isto, devem-se ainda explorar e desenvolver as capacidades dos mecanismos paralelos em relação à rigidez e à precisão nas operações mencionadas. Foi desenvolvido previamente o projeto e montagem do protótipo de uma máquina fresadora de arquitetura paralela. Também aracterizado pela redundância na atuação para o posicionamento da ferramenta. Com este intuito, pretende-se no trabalho atual, avaliar o erro estático de posicionamento da ferramenta por métodos experimentais, quantificar os deslocamentos, realizar um mapeamento experimental em diversas configurações dos membros. Por outro lado, pretende-se adaptar um modelo numérico simplificado que possa prever as deformações elásticas em diversas configurações, que contemple o efeito de juntas lineares flexíveis e que de alguma forma ajude a identificar as principais fontes de erro. Para tal, foram elaboradas rotinas de programação que através da cinemática inversa e o uso do método dos elementos finitos tentem prever o que de fato acontece nos experimentos. Foi proposta também uma implementação alternativa para o controle do mecanismo através de um software CNC e a conversão de coordenadas cartesianas em coordenadas dos atuadores, isto ajudaria na geração do código G. Finalmente, foram elaboradas algumas trajetórias que tentam avaliar a exatidão e repetitividade do mecanismo além de descrever outras trajetórias livres.

Arquitetura computacional para redes orgânicas e heterogêneas: plano de controle do sistema operacional swarm.

Computational Swarms (enxames computacionais), consistindo da integração de sensores e atuadores inteligentes no nosso mundo conectado, possibilitam uma extensão da info-esfera no mundo físico. Nós chamamos esta info-esfera extendida, cíber-física, de Swarm. Este trabalho propõe uma visão de Swarm onde dispositivos computacionais cooperam dinâmica e oportunisticamente, gerando redes orgânicas e heterogêneas. A tese apresenta uma arquitetura computacional do Plano de Controle do Sistema Operacional do Swarm, que é uma camada de software distribuída embarcada em todos os dispositivos que fazem parte do Swarm, responsável por gerenciar recursos, definindo atores, como descrever e utilizar serviços e recursos (como divulgá-los e descobrí-los, como realizar transações, adaptações de conteúdos e cooperação multiagentes). O projeto da arquitetura foi iniciado com uma revisão da caracterização do conceito de Swarm, revisitando a definição de termos e estabelecendo uma terminologia para ser utilizada. Requisitos e desafios foram identificados e uma visão operacional foi proposta. Esta visão operacional foi exercitada com casos de uso e os elementos arquiteturais foram extraídos dela e organizados em uma arquitetura. A arquitetura foi testada com os casos de uso, gerando revisões do sistema. Cada um dos elementos arquiteturais requereram revisões do estado da arte. Uma prova de conceito do Plano de Controle foi implementada e uma demonstração foi proposta e implementada. A demonstração selecionada foi o Smart Jukebox, que exercita os aspectos distribuídos e a dinamicidade do sistema proposto. Este trabalho apresenta a visão do Swarm computacional e apresenta uma plataforma aplicável na prática. A evolução desta arquitetura pode ser a base de uma rede global, heterogênea e orgânica de redes de dispositivos computacionais alavancando a integração de sistemas cíber-físicos na núvem permitindo a cooperação de sistemas escaláveis e flexíveis, interoperando para alcançar objetivos comuns.

Water reduction in waste-activated sludge by resettling and filtration in batch. Phase (1): pilot-scale experiments to optimize performance

This article describes an effective procedure for reducing the water content of excess sludge production from a wastewater treatment plant by increasing its concentration and, as a consequence, minimizing the volume of sludge to be managed. It consists of a pre-dewatering sludge process, which is used as a preliminary step or alternative to the thickening. It is made up of two discontinuous sequential stages: the first is resettling and the second, filtration through a porous medium. The process is strictly physical, without any chemical additives or electromechanical equipment intervening. The experiment was carried out in a pilot-scale system, consisting of a column of sedimentation that incorporates a filter medium. Different sludge heights were tested over the filter to verify the influence of hydrostatic pressure on the various final concentrations of each stage. The results show that the initial sludge concentration may increase by more than 570% by the end of the process with the final volume of sludge being reduced in similar proportions and hydrostatic pressure having a limited effect on this final concentration. Moreover, the value of the hydrostatic pressure at which critical specific cake resistance is reached is established.

Molecularly imprinted silica films prepared by electroassisted deposition for the selective detection of dopamine

Dopamine (DA) can be detected by electrochemical oxidation in conventional electrodes. However, the presence of other oxidizable species (interferents) usually present in physiological fluids at high concentrations (like ascorbic acid) makes very difficult its electrochemical detection. In the present work, glassy carbon electrodes have been modified with molecularly imprinted silica (MIS) films prepared by electroassisted deposition of sol–gel precursors. The production of MIS films was performed by adding the template molecule (DA) to the precursor sol. The molecular impression of silica was assessed showing a high coherency allowing a filtering capacity in the molecular scale. The MIS-modified electrodes present a high selectivity for the detection of DA in neutral or acidic solutions. The MIS-modified electrodes allow the amperometric determination of dopamine in solutions containing ascorbic acid with molar ratios lower than 1:50,000.

Real-time monitoring of electrochemically active biofilm developing behavior on bioanode by using EQCM and ATR/FTIR

In the current study, the relationship between current and biomass and bio-adhesion mechanism of electrogenic biofilm on electrode were investigated using EQCM and ATR-SEIRAS linking electrochemistry. The results indicated that cellular biomass of biofilm on QCM-crystal surface showed maximum value of 6.0 μg/cm2 in initial batch and 11.5 μg/cm2 in the second batch on mature biofilm, producing a similar maximum current density of 110 μA/μg. Especially, the optimum cell biomass linking high electricity production ratio (110 μA/μg) occurred before maximum biomass coming, implying that over-growth mature biofilm is not an optimum state for enhancing power output of MFCs. On the other hand, the spectra using ATR-SEIRAS technique linking electrochemistry obviously exhibited water structure adsorption change at early biofilm formation and meanwhile the water adsorption accompanied the adsorbed bacteria and the bound cells population on the electrode increased with time. Meanwhile, the direct contact of bacteria and electrode via outer-membrane protein can be confirmed via a series spectra shift at amide I and amide II modes and water movement from negative bands displacing by adsorbed bacteria. Our study provided supplementary information about the interaction between the microbes and electrode beyond traditional electrochemistry.