CAPITOLO 8: BANCO PROVA ESOSCHELETRI
8.1 Presentazione banco prova esoscheletri
Il banco prova esoscheletri presente nei laboratori del DIMEAS è un progetto sviluppato nell’elaborato di tesi [2] e costruito nell’ultimo anno, durante il quale sono state apportate alcune modifiche ed ottimizzazioni.
Lo scopo per cui è stato progettato il banco prova è quello di simulare i movimenti di un operatore in ambito industriale, appartenente al 95 percentile della popolazione italiana, in modo tale da poter testare degli esoscheletri posturali prima di farli indossare agli esseri umani. I movimenti che il banco deve emulare sono la flessione in avanti del tronco rispetto all’asse del giunto dell’anca, la sosta con busto piegato e la flessione indietro per tornare in posizione eretta.
La struttura è costituita da profilati in alluminio prodotti dall’azienda Meccania. Questi prodotti permettono di realizzare facilmente dei prototipi altamente personalizzabili e con ingombri e pesi limitati. Infatti, con questi articoli commerciali è stato possibile ottenere un banco di dimensioni molte ridotte pari a: 1320 𝑚𝑚 di lunghezza, 477 𝑚𝑚 di larghezza e 1210 𝑚𝑚 di altezza.
Il banco prova in alluminio è vincolato a quattro basamenti che servono per posizionare il sistema a terra garantendo così un’ottima stabilità durante l’esecuzione delle simulazioni.
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Al centro della struttura sono presenti le parti che simulano il bacino ed il tronco dell’operatore. Il bacino è riprodotto da una traversa in alluminio disposta tra due cerniere che fungono da assi di rotazione, mentre il tronco è rappresentato da una struttura di più profilati connessi tra loro. La cerniera inferiore simula l’asse del giunto dell’anca, mentre la cerniera superiore l’asse del giunto lombo-sacrale. Queste due sono fondamentali per la movimentazione del banco prova che deve poter simulare un operatore che compie una rotazione massima di 70° rispetto all’asse del giunto dell’anca.
La presenza della cerniera che simula l’asse del giunto lombo-sacrale permette una maggior precisione nei movimenti, visto che una flessione corretta di 70° è costituita da una prima flessione di bacino e tronco di 20° rispetto all’asse dell’anca ed un’ulteriore flessione di 50° del solo tronco rispetto all’asse lombo-sacrale
Nella figura 8.2 è riportata un’immagine del banco prova, dove sono indicati gli elementi più significativi per la movimentazione del sistema e per la simulazione della struttura corporea umana.
Figura 8.2: Banco prova esoscheletri con evidenziati gli elementi che simulano il corpo umano.
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Il banco prova è dotato di elementi aggiuntivi a forma di squadra, installati tra i profilati di alluminio, con l’obiettivo di aumentare la resistenza del sistema. Inoltre, dietro la cerniera del giunto d’anca si trovano due elementi in polizene che permettono di mantenere la struttura centrale in posizione eretta quando il sistema non è funzionante, evitando che si fletta verso il lato in cui si trovano i due attuatori disposti orizzontalmente in figura 8.2.
Sul banco prova è presente un sistema di attuazione costituito da tre cilindri pneumatici a doppio effetto della serie ISO 15552 prodotti dall’azienda Metal Work. Nella figura 8.3 è possibile osservare il posizionamento di tali attuatori sul banco prova esoscheletri, mentre nella tabella 8.1 sono riportate le caratteristiche principali fornite dalla casa costruttrice. La nomenclatura dei cilindri utilizzata nella figura 8.3 verrà riproposta in tutto l’elaborato di tesi.
Un aspetto sicuramente molto importante, che verrà preso in considerazione nel capitolo 9, dove verranno dimensionate le valvole per comanda i cilindri pneumatici, è la pressione massima di esercizio pari a 10 𝑏𝑎𝑟 che non deve mai essere superata per evitare malfunzionamenti del sistema.
I cilindri pneumatici sono stati scelti dal catalogo del costruttore in base alle forze di spinta e trazione richieste per poter simulare efficacemente la flessione dell’operatore e testare gli esoscheletri posturali. Nell’appendice C dell’elaborato di tesi [33] sono riportati i calcoli che sono stati eseguiti in fase di dimensionamento ed i risultati ottenuti.
Figura 8.3: Banco prova esoscheletri con evidenziati i cilindri pneumatici che permettono la movimentazione del sistema.
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CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE DEI CILINDRI PNEUMATICI PRESENTI SUL BANCO PROVA ESOSCHELETRI
CILINDRO PNEUMATICO 1
Alesaggio [𝑚𝑚] 63
Diametro asta [𝑚𝑚] 20
Corsa massima [𝑚𝑚] 280
Pressione massima di esercizio [𝑏𝑎𝑟] 10
CILINDRO PNEUMATICO 2
Alesaggio [𝑚𝑚] 63
Diametro asta [𝑚𝑚] 20
Corsa massima [𝑚𝑚] 280
Pressione massima di esercizio [𝑏𝑎𝑟] 10
CILINDRO PNEUMATICO 3
Alesaggio [𝑚𝑚] 50
Diametro asta [𝑚𝑚] 20
Corsa massima [𝑚𝑚] 280
Pressione massima di esercizio [𝑏𝑎𝑟] 10
Tabella 8.1: Caratteristiche costruttive dei cilindri pneumatici installati sul banco prova.
Tutti e tre gli attuatori sono costruiti per raggiungere una pressione massima pari a 10 𝑏𝑎𝑟, ma per una questione di sicurezza il banco prova è stato pensato per essere utilizzato ad una pressione di 6 𝑏𝑎𝑟 relativi. Di seguito sono indicate le funzioni dei singoli cilindri.
• Cilindro 1: è collegato alla struttura di profilati in alluminio del banco prova che riproduce il tronco del corpo umano e serve per simulare la presenza ed il peso corporeo dell’operatore che indossa l’esoscheletro.
• Cilindro 2: è collegato alla traversa del banco prova che riproduce il tronco dell’operatore e serve per contrastare il cilindro 1, esercitando il 70% della coppia muscolare richiesta all’operatore per compiere la flessione. La restante quota di coppia pari 30% verrà fornita dal gruppo di azionamento dell’esoscheletro montato sul banco prova.
• Cilindro 3: è collegato alla traversa che simula il bacino umano e serve per approssimare meglio il movimento di flessione del busto che, come evidenziato in precedenza, comporta rotazioni sia rispetto all’asse del giunto dell’anca sia rispetto all’asse del giunto lombo-sacrale.
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