Sviluppo di un modello di riduttore armonico di un robot collaborativo a fini diagnostici = Development of a harmonic drive model of a collaborative robot for diagnostic purposes

I sistemi di Prognostics and Health Management, (PHM), hanno come obiettivo l’individuazione di guasti incipienti e la stima della vita utile residua della parte danneggiata del sistema monitorato. Essi rappresentano un approccio ingegneristico fortemente emergente negli ultimi anni, soprattutto con l’affermarsi dell’industria 4.0, che protende verso un elevato grado di automazione, per il quale è necessario avere una maggiore affidabilità e sicurezza, abbinata ad una manutenzione intelligente. L’obiettivo del presente lavoro di tesi si divide in due parti. Nella prima si è impostato uno studio PHM su un robot manipolatore, l’UR5 della Universal Robots. In particolare, è stata posta l’attenzione su uno dei componenti più sollecitati, durante i movimenti del robot, ovvero l’Harmonic Drive relativo al giunto di spalla del robot. Per far ciò, si è considerato un approccio model-based molto diffuso nell’ambito della diagnostica e della prognostica qualora vi sia un’insufficienza di informazioni, derivanti da esperienze pregresse, sugli effetti ed evoluzioni di possibili guasti. Il primo passo è rappresentato dalla definizione di un modello matematico high-fidelity del robot, implementato all’interno dell’ambiente MATLAB Simulink/ Simscape Multibody. Il cui obiettivo è quello di simulare il comportamento nominale del sistema fisico oggetto di studio e di iniettarvi una modalità di guasto di natura meccanica nel riduttore armonico del giunto di spalla. In particolare, si vuol rappresentare la presenza e l’evoluzione di una cricca nella Flexspline, il componente più sollecitato del riduttore. Successivamente, attraverso simulazione si è verificato se l’influenza di tale guasto potesse determinare anomalie significative sui segnali che la sensoristica montata sul robot permette di misurare, in modo da poter estrapolare degli indicatori di salute rappresentativi delle condizioni del guasto. In tal senso, i risultati di simulazione in presenza del guasto non hanno riportato delle differenze significative rispetto a quelli rappresentativi delle condizioni di salute. Per cui, nella seconda parte del lavoro si è deciso di realizzare un ulteriore modello matematico del riduttore armonico da inserire nel modello del robot, che descrivesse più dettagliatamente il reale comportamento del riduttore, tenendo conto della dinamica di ciascun suo componente. In questo modo, si aprono scenari futuri sulla possibilità di inserire dei modelli di degradazione più dettagliati di possibili guasti, che interessano direttamente ciascun componente del riduttore, ossia il Wave Generator, la Flexspline e la Circular Spline; inoltre, rispetto al modello precedente, è possibile affinare nuove tecniche PHM, sempre secondo approccio model-based, basate sull’analisi di segnali nel dominio delle frequenze. Infatti, con il nuovo modello si introducono tre ulteriori gradi di libertà per ogni giunto del robot, ai quali corrispondono tre nuovi modi di vibrare del sistema, associati ai tre componenti di ciascun riduttore armonico. Per ogni modo di vibrare, ci sono altrettante frequenze proprie strettamente legate ai parametri fisici di ciascun componente, i quali sono direttamente influenzati dalla presenza di eventuali guasti. Pertanto, un’analisi nel dominio delle frequenze sul comportamento degli spettri di Fourier di alcuni segnali, può permettere l'identificazione di guasti attraverso la variazione delle frequenze proprie del sistema rispetto alle condizioni di salute.