CAPITOLO 8: BANCO PROVA ESOSCHELETRI
8.5 Logica di controllo proposta per il banco prova
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8.5 LOGICA DI CONTROLLO PROPOSTA PER IL BANCO
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CILINDRI PNEUMATICI PRESENTI SUL BANCO PROVA ESOSCHELETRI CILINDRO 1
(Alesaggio di 63 𝑚𝑚)
È collegato alla traversa del banco prova che simula il tronco dell’operatore (lato posteriore) e serve a simulare la presenza del corpo dell’operatore durante il piegamento.
CILINDRO 2 (Alesaggio di 63 𝑚𝑚)
È collegato alla traversa del banco prova che simula il tronco dell’operatore (lato anteriore) e serve a bilanciare il cilindro 1.
In particolare, deve esercitare, per creare un equilibrio, il 70%
del valore della coppia muscolare richiesta all’operatore per compiere la flessione, mentre il restante 30% verrà fornito dal gruppo di azionamento dell’esoscheletro montato sul banco prova.
CILINDRO 3 (Alesaggio di 50 𝑚𝑚)
È collegato alla traversa che simula il bacino umano e serve per approssimare al meglio i movimenti dell’operatore. Infatti, una corretta flessione posturale comporta un’inclinazione del bacino di 20° rispetto all’asse del giunto dell’anca ed una flessione di 50° del tronco rispetto all’asse lombo-sacrale.
Tabella 8.6: Riassunto delle funzioni svolte dai cilindri pneumatici presenti sul banco prova.
Il banco prova per simulare correttamente il comportamento dell’operatore, svolgendo i tre movimenti definiti in precedenza, deve compiere un ciclo di lavoro costituito da cinque fasi.
Le fasi di lavoro dei cilindri pneumatici presenti sul banco prova possono essere descritte dal diagramma movimento-fasi riportato in figura 8.14. Al termine di ogni fase è indicato l’angolo di flessione realizzato durante la fase stessa, gli angoli positivi indicano una flessione in avanti, mentre gli angolo negativi una flessione indietro rispetto alla verticale passante per il giunto dell’anca. Al termine della prima fase, la parte di banco che simula il tronco dell’operatore è inclinata di 20° in avanti rispetto alla verticale dell’asse del giunto dell’anca, mentre al termine della seconda l’angolo di flessione è pari a 70° sempre rispetto all’anca (20° della fase precedente più 50° di inclinazione compiuti nella seconda fase rispetto alla verticale dell’asse lombo-sacrale). Al termine della quarta fase il tronco ha compiuto una flessione indietro di 50° e risulta essere inclinato di 20° rispetto all’anca, mentre al termine della quinta l’angolo di flessione è pari a 0° rispetto all’anca in seguito ad una flessione indietro di 20°.
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Figura 8.14: Diagramma movimento-fasi del ciclo di lavoro del banco prova.
Di seguito, sono spiegate le cinque fasi della logica di controllo proposta per raggiungere una flessione in avanti di 70° della parte superiore del banco (il banco può essere adattato per lavorare con angoli di inclinazione del busto diversi dal valore massimo).
1) Flessione in avanti del tronco e del bacino di 𝟐𝟎° rispetto alla verticale dell’asse del giunto d’anca.
Gli steli dei cilindri 1 e 3 fuoriescono facendo ruotare di 20° rispetto all’asse dell’anca la parte superiore del banco che rappresenta il tronco dell’operatore, e la traversa che simula il bacino.
In questa fase la cerniera lombo-sacrale viene mantenuta bloccata. Il cilindro 2 asseconda i movimenti degli altri attuatori pneumatici.
2) Flessione in avanti del tronco di 𝟓𝟎° rispetto alla verticale dell’asse lombo-sacrale.
Lo stelo del cilindro 1 fuoriesce facendo ruotare la parte superiore del banco, che rappresenta il tronco dell’operatore, rispetto all’asse lombo-sacrale di 50° in avanti. Lo stelo del cilindro
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2 rientra assecondando il movimento del cilindro 1, mentre il cilindro 3 resta fermo mantenendo in posizione la traversa che simula il bacino.
3) Banco prova fermo con il tronco inclinato di 𝟕𝟎° rispetto alla verticale dell’asse del giunto dell’anca.
Tutti e tre i cilindri pneumatici sono fermi per garantire all’operatore una corretta posizione di lavoro.
4) Flessione indietro del tronco di 𝟓𝟎° rispetto alla verticale dell’asse lombo-sacrale.
Lo stelo del cilindro 2 fuoriesce facendo ruotare la parte superiore del banco, che rappresenta il tronco dell’operatore, rispetto all’asse lombo-sacrale di 50° indietro. Lo stelo del cilindro 1 rientra assecondando il movimento del cilindro 2, mentre il cilindro 3 resta fermo mantenendo in posizione la traversa che simula il bacino.
5) Flessione indietro del tronco e del bacino di 𝟐𝟎° rispetto alla verticale dell’asse del giunto d’anca.
Gli steli dei cilindri 1 e 3 rientrano facendo ruotare la parte superiore del banco che rappresenta il tronco dell’operatore e la traversa che simula il bacino di 20° indietro rispetto all’asse dell’anca. In questa fase la cerniera lombo-sacrale viene mantenuta bloccata. Il cilindro 2 fuoriesce per portare il tronco in una posizione eretta.
Nella tabella 8.7 sono riassunti i movimenti degli steli dei cilindri pneumatici durante le cinque fasi del ciclo di lavoro del banco prova esoscheletri.
MOVIMENTI DEGLI STELI DEI CILINDRI PNEUMATICI DEL BANCO PROVA DURANTE LE CINQUE FASI DEL CICLO DI LAVORO
Cilindro 1 Cilindro 2 Cilindro 3 PRIMAFASE: DA 0° A 20° IN AVANTI RISPETTO
ALLA VERTICALE DELL’ASSE DELL’ANCA OUT IN OUT
SECONDAFASE: DA 0° A 50° IN AVANTI RISPETTO
ALLA VERTICALE DELL’ASSE LOMBO-SACRALE OUT IN STOP
TERZAFASE: BANCO PROVA FERMO STOP STOP STOP QUARTAFASE: DA 50° A 0° INDIETRO RISPETTO
ALLA VERTICALE DELL’ASSE LOMBO-SACRALE IN OUT STOP
QUINTAFASE: DA 20° A 0° INDIETRO RISPETTO
ALLA VERTICALE DELL’ASSE DELL’ANCA IN OUT IN
Tabella 8.7: Movimenti steli dei cilindri pneumatici durante le fasi del ciclo di lavoro del banco prova.
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Nella figura 8.15 sono riportato alcuni fotogrammi estrapolati da un filmato realizzato al computer che mostrano le tre configurazioni del banco al temine delle fasi di lavoro. Nel capitolo 9 sono riportati i risultati sperimentali ottenuti nei laboratori del DIMEAS dove si è riprodotto il diagramma movimento-fasi utilizzando il banco prova reale.
Nella prima configurazione di figura 8.15 le parti del banco che simulano tronco e bacino sono erette (flessione pari a 0° rispetto alla verticale dell’asse del giunto dell’anca), nella seconda le medesime parti sono inclinata di 20° rispetto alla verticale dell’asse del giunto dell’anca. Mentre, nella terza configurazione la traversa in alluminio del banco che simula il bacino è inclinata di 20° rispetto alla verticale dell’asse dell’anca e la parte che rappresenta il tronco è inclinata di 50° rispetto alla verticale dell’asse lombo-sacrale (e di conseguenza di 70° rispetto all’anca).
Figura 8.15: Schema con le configurazioni del banco prova durante le fasi del ciclo di lavoro.
È importante sottolineare che gli attuatori durante il ciclo di lavoro non arrivano a fine corsa, ma compiono delle corse specifiche per garantire i corretti angoli di flessione delle parti mobili del banco rispetto alla verticale dell’asse lombo-sacrale ed alla verticale dell’asse del giunto dell’anca. In particolare, la corsa geometrica massima di tutti e tre i cilindri è pari a 280 𝑚𝑚, mentre le corse effettive per garantire l’inclinazione di 70° della parte di banco che simula il busto dell’operatore sono pari a:
• Corsa effettiva cilindro 1 (cilindro posteriore tronco): 252 𝑚𝑚;
• Corsa effettiva cilindro 2 (cilindro anteriore tronco): 232 𝑚𝑚;
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• Corsa effettiva cilindro 3 (cilindro bacino): 22 𝑚𝑚.
A lato del diagramma movimento-fasi (figura 8.14) sono indicate le corse effettive compiute dagli stantuffi dei cilindri pneumatici per evidenziare che i numeri “0” ed “1”, presenti sul diagramma, non indicano i finecorsa degli attuatori.
Sul diagramma sono presenti anche delle indicazioni in rosso che rappresentano i segnali di feedback di fine fase inviati al controllore centrale dai sensori angolari (che saranno da installare sul banco) con lo scopo di comandare l’input delle fasi seguenti. In particolare, “SA” è il sensore che rileva l’angolo di rotazione intorno all’asse del giunto d’anca, mentre “SLS” è il sensore che rileva l’angolo di rotazione intorno all’asse lombo-sacrale.
Nella tabella 8.8 viene proposta la nomenclatura dei sensori e il range angolare di funzionamento.
SENSORI ANGOLARI DA INSTALLARE SUL BANCO PROVA PER LA LOGICA DI CONTROLLO PROPOSTA
Sensore angolare “SA”
È il sensore che misura l’angolo di rotazione rispetto alla verticale dell’asse del giunto d’anca. A seconda della logica di controllo scelta, è in grado di comandare tutte le fasi, ma sicuramente è indispensabile per rilevare la fine della prima e della quinta fase quando la flessione rispetto alla verticale dell’asse del giunto dell’anca passa da 0° a 20°
e viceversa.
Sensore angolare “SLS”
È il sensore che misura l’angolo di rotazione rispetto alla verticale dell’asse lombo-sacrale ed è in grado di rilevare la fine della seconda e della quarta fase quando il tronco deve compiere una rotazione da 0° a 50° e viceversa rispetto alla verticale dell’asse lombo sacrale (o da 20° e 70° se si considera come sistema di riferimento assoluto la rotazione rispetto alla verticale dell’asse del giunto dell’anca).
Tabella 8.8: Sensori angolari da installare sul banco prova necessari per la proposta di logica di controllo.
Nel momento in cui inizia il ciclo di lavoro, ovvero all’inizio della prima fase (busto eretto), entrambi i sensori devono misurare un’inclinazione di 0°. Infatti, devono essere calibrati in modo tale che registrino dei valori nulli quando si trovano allineati alla verticale passante per gli assi rispetto ai quali devono essere misurate le variazioni angolari.
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