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Tesi etd-07032003-113209


Thesis type
Tesi di laurea vecchio ordinamento
Author
Raffa, Oliviero
email address
rokko76@hotmail.com
URN
etd-07032003-113209
Title
Progetto e controllo di attuatori a cedevolezza variabile per applicazioni di robotica ad elevata sicurezza.
Struttura
INGEGNERIA
Corso di studi
INGEGNERIA ELETTRICA
Supervisors
relatore Prof. Bicchi, Antonio
Parole chiave
  • molle non lineari
  • robot intrinsecamente sicuro
  • cedevolezza variabile
  • attuatori cedevoli
Data inizio appello
23/07/2003;
Consultabilità
Parziale
Data di rilascio
23/07/2043
Riassunto analitico
In questa tesi si effettua il progetto di un manipolatore robotico intrinsecamente sicuro, attuato da molle non lineari e da motori in corrente continua.<br>
La sicurezza è un requisito fondamentale nel progetto di robot destinati a svolgere dei compiti che prevedano un’interazione con operatori umani.<br>
I classici manipolatori industriali devono soddisfare dei requisiti che riguardano fondamentalmente, la rapidità e l’accuratezza nell’inseguimento di traiettorie prefissate all’interno di ambienti noti. Una notevole rigidezza nei movimenti consente di ottenere ottime performance.<br>
Talora però i robot sono chiamati ad operare in ambienti non conosciuti, e ad interagire con operatori umani. In tutti questi casi il requisito fondamentale del robot è quello di non costituire un pericolo per coloro che gli stanno vicino. Le specifiche di progetto più importanti diventano allora la sicurezza e l’affidabilità.<br>
Gli studi sulla sicurezza dell’interazione uomo-robot hanno mostrato che in pratica non risulta possibile modificare un manipolatore rigido in modo da renderlo più sicuro.<br>
Un modo di procedere è aumentare il numero di sensori (di prossimità e di forza) utilizzati, in modo tale da ridurre la velocità in prossimità di ostacoli imprevisti. La presenza di un numero elevato di sensori, insieme ad una complessa architettura di controllo, comportano però l’introduzione di forti ritardi, che compromettono la rapidità d’intervento.<br>
Un metodo alternativo è stato suggerito da studi sul controllo del moto nel corpo umano.
Si è osservato che una caratteristica fondamentale dell’azione umana in ambienti sconosciuti (e quindi potenzialmente più pericolosi) è quella di ridurre la rigidezza dei movimenti, in modo tale che eventuali collisioni impreviste non comportino danni gravi. Il progetto di un manipolatore sicuro deve quindi prevedere un controllo della rigidezza. Un controllo di cedevolezza si può effettuare, su un manipolatore rigido, controllando i guadagni dei servomeccanismi di posizione dei giunti. In questo modo è possibile ottenere l’andamento desiderato della rigidezza, in funzione delle posizioni occupate dall’end effector. Il problema di tale tipo di controllo è che se si ha una collisione imprevista, non è possibile intervenire in tempo per aumentare la cedevolezza (al fine di ridurre il danno), a causa delle grosse costanti di tempo dei motori.<br>
La strategia più conveniente è risultata, allora, quella di inserire la cedevolezza direttamente a livello meccanico, interponendo una trasmissione cedevole tra le sorgenti di forza (motori) e i link. Un robot realizzato in questo modo viene definito intrinsecamente sicuro, poiché la sicurezza non è più conseguenza di una particolare strategia di controllo, ma è una caratteristica propria della struttura meccanica del robot, presente cioè anche in assenza di controllo.<br>
In questo lavoro di tesi si vogliono dunque fornire le modalità di studio e progetto di un particolare tipo di manipolatore robotico intrinsecamente sicuro.<br>
Per controllare indipendentemente cedevolezza e posizione, è necessario utilizzare degli attuatori che presentino un caratteristica forza-deformazione non lineare. Gli attuatori studiati in questa tesi sono le molle elicoidali coniche, che costituiscono la versione non lineare delle classiche molle cilindriche. Dopo un’accurata analisi teorica del funzionamento delle molle, lineari e non, viene presentato uno schema costruttivo per la realizzazione di un manipolatore planare a due gradi di libertà, attuato da un sistema di quattro motori in c.c. per mezzo di quattro molle non lineari.
Il sistema così ottenuto viene studiato nel suo complesso, fornendone un modello matematico approssimato, e ricavando le relazioni da utilizzare per effettuare il controllo. Successivamente viene fornito anche un possibile schema di controllo e i risultati di alcune simulazioni fatte in ambiente Matlab.<br>
Lo studio effettuato ha dimostrato che tale schema consente di ottenere le caratteristiche desiderate di sicurezza e performance. In fase di dimensionamento si è, però, arrivati alla conclusione che un attuatore che faccia uso di molle non lineari risulta essere troppo ingombrante e quindi, in molti casi, inutilizzabile.


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