Studio di fattibilità e analisi di un soft robot gonfiabile mediante simulazioni multibody = Feasibility study and analysis of an inflatable soft robot using multibody simulations

La tesi prevede lo studio di fattibilità e l’analisi di un soft robot gonfiabile mediate analisi multibody. Si tratta di un braccio robotico collaborativo con 3 gradi di libertà, azionati da motori elettrici, su cui è possibile equipaggiare un polso o un utensile. È composto da due link gonfiabili di materiale soft. I giunti che servono per la trasmissione del moto dal motore al link, che inglobano il motore stesso, sono rigidi e necessitano quindi di una adeguata progettazione. In generale una struttura, sottoposta ad un certo carico, cede quando si manifesta una deformazione, nel caso di strutture gonfiabili, si ha cedimento quando si supera la condizione di wrinkling moment, cioè quando avviene la formazione di una piega sulla superficie della struttura gonfiata. Superato il wrinkling moment, la struttura perde le caratteristiche di rigidezza, passando ad una trattazione non lineare. Nella prima parte della tesi si analizzano diverse formulazioni di wrinkling moment presenti in letteratura. Le trattazioni differiscono tra loro dal tipo di approccio: un corpo cilindrico gonfiato può essere studiato come guscio o come membrana. La maggior parte degli autori tratta come una membrana, giungendo a formulazioni simili fra loro: direttamente proporzionali alla pressione interna e al cubo del raggio. Dalle prove sperimentali effettuate in laboratorio, si è visto che le formulazioni proposte da Wielgosz e al., Veldman et al., e dalla NASA sono coerenti con quanto osservato. Per la progettazione successiva si è scelto di utilizzare la relazione di Wielgosz et al. Viene eseguito uno studio di fattibilità che identifichi le dimensioni dei link del robot, la pressione interna necessaria per sopportare il payload e i motori elettrici adatti all’applicazione. Le grandezze da analizzare sono: raggio dei link, pressione, lunghezza del link e payload. Si esegue quindi un’analisi variando una grandezza alla volta avendo fissate le altre. Per questo studio preliminare sono state usate delle stime riguardo le masse di motori e giunti. Successivamente si sono analizzati diversi tipi di motori e tipologie di riduzione, che garantiscono sufficienti prestazioni con un peso quanto più ridotto. Individuati i motori e le dimensioni del robot sono stati realizzate di tre configurazioni di robot, differenti tra loro dai motori impiegati e di conseguenza dai giunti. Tutte le versioni presentano la stessa soluzione per la rotazione verticale della base. La prima versione presenta cinghie di trasmissione su tutti i motori, che sono leggeri e non particolarmente prestanti, per aumentare ulteriormente la coppia a discapito della velocità, una versione senza cinghie con motori con coppie elevate ma più pesanti e l’ultima con la cinghia presente solo sul motore per muovere il primo link. Definite queste configurazioni si sono realizzati i CAD che vengono poi inseriti nel modello in ambiente Simscape Multibody. Sono stati realizzati tre modelli in Simulink, uno per ogni configurazione. Tramite il modello si sono valutate le prestazioni dinamiche dei motori e le vibrazioni a cui sono soggette i link. Sono state eseguite analisi parametriche modificando: masse di motori e giunti, rapporti di riduzione delle cinghie e pressione interna. Gli obbiettivi futuri sono: ottimizzazione topologica dei giunti volta a ridurre il peso, mantenendo la rigidezza, la progettazione dell'end effector e la validazione del modello multibody tramite l’esecuzione di prove sperimentali.