• Soft robotics
• soft actuators
• manipolatore modulare
• variable stiffness systems

Negli ultimi decenni, ricercatori impegnati nel campo della robotica di assistenza hanno iniziato a sviluppare dispositivi/robot sempre più funzionalizzati ed in grado di fornire assistenza agli anziani durante le attività della vita quotidiana (activities of their daily living ADLs). La possibilità di fornire un supporto all’utente durante le attività di igiene personale per aumentarne l’indipendenza, costituisce un ulteriore e importante passo in avanti nell’ottica di migliorare le condizioni di invecchiamento della popolazione.
In questo contesto si inserisce il presente lavoro di tesi " Studio e sviluppo delle tecnologie di attuazione per la realizzazione di un manipolatore robotico soft per assistenza agli anziani", svolto presso il laboratorio di Soft Robotics dell'Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa.
Il punto di partenza per lo sviluppo del manipolatore oggetto del presente lavoro di tesi, è stato un attento e dettagliato studio delle tecnologie di attuazione presenti in Soft Robotics e come queste vengono combinate per lo sviluppo di manipolatori soft.
Sulla base delle conoscenze acquisite dall’analisi dello stato dell’arte e tenendo conto delle specifiche tecniche che il sistema finale dovrà avere, è stato scelto un approccio ad architettura modulare. In questo modo il manipolatore soft potrà garantire un workspace compatibile con le regioni del corpo target da raggiungere, mantenendo comunque le caratteristiche di flessibilità e leggerezza. Allo stesso tempo devono essere impiegate tecnologie di attuazione adatte a svolgere task in ambienti umidi e che garantiscano un’interazione sicura, adattabile ed accettabile dall’utente. Sulla base di questi requisiti, le tecnologie impiegate nel contesto del presente lavoro sono: (i) attuazione fluidica - McKibben (con design a soffietto che garantisce l’allungamento del modulo), (ii) attuazione a cavi (sfruttando una disposizione a 120° (che garantisce il bending omnidirezionale e l’accorciamento) ed (iii) un meccanismo basato sul layer jamming (che permette la modulazione della rigidezza).
L'attuatore fluidico possiede una lunghezza iniziale a riposo (L0) pari a 15 cm. Rispetto ad un tradizionale McKibben, il presente attuatore propone un design innovativo per la maglia esterna la quale viene manualmente deformata in maniera tale da assumere forma a soffietto che evita la deformazione radiale del palloncino interno.
Il bending e l’accorciamento del modulo sono realizzati mediante la trazione di tre cavi disposti a 120°, inseriti tra l'attuatore fluidico ed il layer jamming.
Una fase importante della progettazione ha riguardato il design e dimensionamento del layer jamming, tecnologia di attuazione che permette la variazione di rigidezza del modulo applicando il vuoto all’interno di una membrana custom che riveste layers parzialmente sovrapposti. L’elemento di base di quest’ultimo presenta una geometria a doppio strato di ellissi con 12 asole per ogni strato, ed una altezza di 3 cm. Il layer jamming è stato pensato per avvolgere una struttura cilindrica di diametro pari a 2.8 cm. Considerando che la lunghezza a riposo da coprire è pari a 15 cm, sono risultati necessari 9 avvolgimenti. Poiché l’asse maggiore di ciascuna asola presenta una dimensione di 1 cm, per ogni avvolgimento si riesce ad ottenere un allungamento pari alla dimensione di quest’ultimo, fino ad un massimo di di 9 cm (lunghezza massima del modulo L=24 cm). La struttura è stata integrata in una membrana di lattice per garantirne il completo isolamento durante l’applicazione del vuoto al suo interno.
Il modulo è stato poi testato al fine di valutare le capacità di movimento e di variazione di rigidezza. I test si sono suddivisi in:
Test per la misura del workspace, eseguiti mediante l’utilizzo del sistema di tracking elettromagnetico Aurora® (Northern Digital Inc.), con sonda a 6 DoF posizionata sul tip del modulo:
1. attuazione singola dei cavi senza attuazione del McKibben (P= 0 psi, L=17.5 cm).
2. attuazione singola dei cavi con attuazione del McKibben (P= 4 psi L=20 cm, P= 8 psi, L= 24 cm).
3. attuazione sincrona dei cavi (in coppia), senza attuazione del McKibben (P= 0 psi, L=17.5 cm).
4. attuazione sincrona dei cavi (in coppia), con attuazione del McKibben (P= 4 psi L=20 cm, P= 8 psi, L= 24 cm).
Test di valutazione della stiffness, mediante l’utilizzo di una cella di carico (ATI Mini 45).
Configurazione i: vengono imposti spostamenti incrementali di 0.25 cm fino a 5 cm:
1. modulo a riposo con L=17.5 cm
2. sola attuazione del layer jamming con L=17.5 cm
3. attuazione del McKibben (P=8 psi) con L= 24 cm
4. sola attuazione del layer jamming (P= 0 psi) con L=24 cm
5. attuazione contemporanea di McKibben (P=8 psi) e layer jamming con L=24 cm
Configurazione ii: il modulo è flesso con un angolo di 90° ed è attivo solo il layer jamming. Vengono imposti spostamenti incrementali di 0.25 cm lungo X, Y e Z:
1. Scostamenti applicati lungo l’asse X fino a 3.50 cm
6. Scostamenti applicati lungo l’asse Y fino a 3.00 cm
7. Scostamenti applicati lungo l’asse Z, verso il basso fino a 2.00 cm
8. Scostamenti applicati lungo l’asse Z, verso l’alto fino a 2.50 cm
Test di misura della forza isometrica, eseguiti con l’ausilio della cella di carico (ATI Mini 45), in cui il McKibben è attivato a P=4Psi e P=8 Psi.
Per descrivere le caratteristiche elastiche del modulo è stato sviluppato un modello analitico che lo approssima a due cilindri concentrici quando il sistema a layer jamming è disattivo. Il cilindro esterno cavo rappresenta appunto la componente di attuazione semi-attiva (layer), mentre quello interno pieno rappresenta l’attuatore McKibben. Quando il layer jamming è attivo il modello che rappresenta il modulo si riduce al singolo cilindro cavo. Questa scelta viene effettuata poiché il layer jamming è il maggiore responsabile della variazione di rigidezza del modulo. Per verificare la veridicità del modello sono stati calcolati i moduli elastici equivalenti del modulo nelle diverse configurazioni grazie alle rilevazioni effettuate con la cella di carico.
Dai test per la valutazione del workspace con attuazione singola dei cavi si rileva che il modulo riesce ad effettuare degli spostamenti massimi lungo l’asse X di 16.26 cm, lungo l’asse Y di 16.54 cm e lungo l’asse Z di 10.93 cm.
Quando i cavi sono attuati in coppia (attuazione sincrona), il workspace massimo raggiunto dal modulo è di 16.80 cm lungo l’asse X, 13.86 cm lungo l’asse Y e 12.40 cm lungo l’asse Z.
Dalle prove di stiffness effettuate con il modulo ad L0= 17.5 cm si rileva che quando il layer jamming è attivo, la costante elastica incrementa del 317.39% rispetto a quando è disattivo.
Quando il modulo è allungato ad L= 24 cm si rileva che l’attivazione del layer jamming determina un incremento della costante elastica di circa il 500% rispetto a quando è disattivo.
I test relativi alla misura della forza isometrica mostrano come il modulo attuato con una P= 8 psi incrementi tale forza dell’81.4% rispetto a quando lo stesso è attuato con P=4 psi.
Dal confronto dei dati relativi alla costante elastica media del modulo ed il modulo elastico equivalente teorico ricavato tramite il modello analitico, si è osservato che aumentano entrambi in modo proporzionale quando viene attivato il layer jamming. Il confronto tra le due grandezze è possibile poiché costante elastica e modulo elastico sono direttamente proporzionali in quanto area di contatto e lunghezza del modulo non variano durante i test.
Sulla base dei risultati ottenuti, la caratterizzazione del modulo ha dimostrato come il design sviluppato permetta di coprire un ampio workspace, se paragonato alle dimensioni del dispositivo stesso, mantenendo la simmetria imposta dalla disposizione geometrica dei cavi.
Il meccanismo del layer jamming ha dimostrato ottima flessibilità quando si trova in configurazione compliante (senza l’applicazione del vuoto). Esso risulta infatti in grado di seguire i movimenti di allungamento e bending guidati dalla componente fluidica, senza ostacolarla; mentre in configurazione rigida, quando viene applicato il vuoto, garantisce una maggiore stabilità strutturale al modulo.
Dal punto di vista tecnologico, l’introduzione della componente semi-attiva contribuisce in maniera determinante e apprezzabile ad incrementare la stiffness del manipolatore. Questo rappresenta quindi un buon risultato per il presente lavoro di tesi, a dimostrazione delle potenzialità delle tecnologie utilizzate.
Da notare che la misura delle forze si è limitata alla quantificazione del solo contributo del layer jamming, tralasciando l’azione dovuta ai cavi, essenzialmente legata alla coppia sviluppata dal servomotore. Per tale motivo, nell’ottica dell’applicazione finale in cui sarà necessario tenere in considerazione il contributo della gravità e dell’acqua, le forze in gioco saranno più elevate quindi l’azione combinata di cavi e layer jamming potrebbe risultare la soluzione vincente.
Nonostante i risultati promettenti, esistono ampi margini di miglioramento del sistema per quanto riguarda gli aspetti di: (i) design ed interconnessione dei layer per la torsione durante l’allungamento; (ii) materiale per la realizzazione dei layer e della membrana (facilmente degradabile nel tempo); (iii) controllo del livello di tensione dei cavi.
In conclusione, alla luce di quanto riportato sia in termini di obiettivi raggiunti che di sviluppi futuri, il concept tecnologico sviluppato nel contesto del presente lavoro di tesi apre le porte ad altri possibili scenari di applicazione, specialmente laddove la possibilità di variare la rigidezza mantenendo un design compatto, leggere e a basso costo sono requisiti imprescindibili.