ETD

• Exhaust air recirculation
• Meccatronica
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La robotica soft ha rivoluzionato il panorama delle tecnologie assistive e riabilitative, offrendo soluzioni innovative, sicure e flessibili per l'interazione diretta con il corpo umano. Al centro di questa innovazione vi sono gli attuatori pneumatici soft, dispositivi che utilizzano l’aria compressa per generare movimento. L’attuatore soft, essendo l’elemento finale di un sistema pneumatico, ha delle prestazioni che sono fortemente influenzate dall’interazione di tutti i componenti che caratterizzano un circuito pneumatico (ovvero compressore, serbatoi, valvole, condotti e sistema di controllo). Infatti, molti studi hanno cercato di proporre delle metodologie sistematiche per ottimizzare i sistemi pneumatici studiando i principali parametri del circuito e la loro combinazione a partire dalle prestazioni richieste dall’attuatore. In parole povere, il singolo parametro isolato di un componente pneumatico non può descrive il comportamento dinamico che avrà l’attuatore successivamente. Quindi, ottimizzare un circuito pneumatico significa rispondere a domande del tipo: 1. Come devono essere scelte le componenti di un sistema pneumatico affinché un attuatore soft sia contemporaneamente efficace, rapido e portatile? 2. Cosa limita la velocità di un attuatore soft? 3. È necessario disperdere in atmosfera tutta l’aria uscente dall’attuatore soft durante lo sgonfiaggio? È possibile riutilizzarla? Per quanto riguarda le prime due domande, molti studi hanno attenzionato il modo in cui ottimizzare le valvole e la portata d’aria con l'obiettivo di aumentare la velocità di attuazione senza compromettere la capacità di controllo. Infatti, la velocità dell'attuatore dipende da quanto rapidamente si riesce a modificare la sua pressione interna. Ma la pressione interna dipende dalla quantità di massa d'aria che entra o esce. Studi recenti hanno, ad esempio, investigato configurazioni pneumatiche con valvole integrate su custom manifold, dimostrando che la geometria può influenzare molto l’attuazione oppure con sistemi multivalvola caratterizzate da orifizi di dimensioni differenti che riescono a migliorare l’RMSE di tracking. Infatti, l'impiego combinato di valvole con diversa capacità di portata permette di ottenere elevate portate durante le variazioni rapide di pressione e, contemporaneamente, un controllo più fine durante le fasi che richiedono maggiore precisione. Tuttavia, in altri lavori si è dimostrano che la valvola non è l’unico elemento che limita la velocità di risposta dell’attuatore perché la portata dell’aria può subire restrizioni anche a causa di lunghezza e diametro dei tubi, tema che risulta importante nell’ottica di un sistema indossabile e confortevole. Se da una parte la ricerca pone particolare attenzione sull’ottimizzazione delle prestazioni dinamiche, dall’altra parte un ulteriore aspetto di crescente interesse non ancora del tutto risolto riguarda la possibilità di recuperare e riutilizzare l’aria di scarico dagli attuatori e renderla fruibile per ulteriori cicli di attuazione. In questo contesto si inserisce il presente lavoro: l'architettura pneumatica sviluppata si propone di recuperare l'aria espulsa durante la fase di sgonfiaggio dell'attuatore, immagazzinarla e renderla nuovamente disponibile nei successivi cicli di gonfiaggio. Ottimizzando il ricircolo si può immaginare che gli sprechi vengano abbattuti (previa verifica e validazione dei risultati come verrà descritto nei capitoli 3 e 4) e che si possano impiegare componenti pneumatiche compatte, arginando il problema del peso e dell'ingombro. L'architettura è stata progettata con un approccio che ha previsto innanzitutto la definizione del problema da risolvere, l’analisi dei requisiti di partenza e la successiva progettazione e fabbricazione del prototipo sperimentale, pilotato attraverso una logica di controllo per gestire le diverse fasi operative. La strategia di controllo supervisiona l'attività dei componenti pneumatici, coordina il recupero dell'aria di scarico e ne governa il successivo riutilizzo, assicurando il corretto funzionamento dell'impianto durante le fasi di gonfiaggio e sgonfiaggio dell'attuatore. Infine, il prototipo è stato sottoposto a una rigorosa campagna sperimentale finalizzata a valutare le prestazioni di efficienza energetica dell’architettura, e di tracking e dinamiche dell’attuatore, mettendolo a diretto confronto con un'architettura pneumatica a ciclo aperto (open-loop).