In figura 4.4 sono rappresentati i design points, le combinazioni dei parametri dell’elemento sensibile ai carichi simulati da ANSYS Workbench durante l’esecuzione dell’ottimizzazione.
(a) Parametro di uscita al variare della larghezza e dell’angolazione dei bracci.
(b) Parametro di uscita al variare dell’altezza delle travi sottili e dello spessore dei bracci.
(c) Parametro di uscita al va- riare del numero di bracci e di travi sottili.
Figura 4.4: Rappresentazione dei design points simulati da ANSYS Workbench durante l’esecuzione dell’ottimizzazione.
La figura ´e tripartita vista l’impossibilit`a di apprezzare in un unico grafico la variazione dei cinque parametri geometrici. Per la stessa ragione, a ogni valore o coppia di valori dei parametri sono associati pi`u design points, dovuti al contemporaneo cambiamento delle variabili rimanenti. Come spiegato nella sezione 3.2.3, tra quelle accettabili ´e stata scelta la configurazione associata al valore massimo del parametro di uscita, calcolato come media aritmetica delle deformazioni subite dalle strutture associate nelle diverse direzioni. Non ´e sorprendente pertanto constatare nella figura 4.5, per esempio, che la struttura risultante ´e dotata di tre bracci anzich´e quattro (fig. 4.4c). Nella tabella 4.2 sono quindi riportati i valori assunti dai parametri del modello al termine dell’ottimizzazione eseguita.
Tabella 4.2: Combinazione migliore dei parametri del modello dell’elemento sensibile ai carichi (fig. 3.14a) individuata attraverso l’ottimizzazione eseguita.
Parametro (Sigla) Valore Larghezza bracci (Lb) 11.0mm
Altezza bracci (Hb) 6.00mm
Angolazione bracci (ab) 40°
Spessore bracci (Sb) 3.25mm
Larghezza travi sottili (Lt) 18.0mm
Altezza travi sottili (Ht) 6.50mm
Spessore travi sottili (St) 4.00mm
Numero bracci e travi sottili (n) 3
L’elemento elastico cos`ı ottenuto presenta un margine di sicurezza teorico minimo per le due simulazioni di carico effettuate superiore a 4.0.
Complessivamente il sensore realizzato (fig. 4.6) ´e alto circa 105mm e ha un diametro di circa 115mm, per un peso leggermente inferiore a 0.8Kg. Esso, prodotto con la tecnologia della stampa 3D, ´e dotato di un’interfaccia meccanica che replica quella del robot in dotazione.
Figura 4.5: L’elemento sensibile ai carichi del sensore realizzato.
Figura 4.6: Il sensore di carico realizzato.
In figura 4.7 ´e mostrato lo spazio ricavato all’interno del suo supporto, adibito al contenimento dell’elettronica. Si possono notare, in particolare, la presenza della batteria per l’alimenta- zione nonch´e quella del modulo Bluetooth e dell’apertura sulla schermatura per consentire la comunicazione col PC, i quali hanno permesso di rendere il dispositivo completamente wireless.
Per la realizzazione della struttura sono stati utilizzati materiali differenti con un costo com- plessivo stimabile intorno ai 50e, mentre la spesa per i componenti elettronici e altri materiali si aggira sui 95e.
Circa il 15% dei dati acquisiti durante il processo di calibrazione, estratti tra questi in maniera aleatoria, sono stati utilizzati per analizzare l’accuratezza del sensore sviluppato, il quale ´e stato progettato per misurare fino a 22N di forza risultante e 500Nmm di coppia attorno a ogni asse. Nella figura 4.8 ´e possibile osservare il confronto tra i carichi misurati dallo stesso (in blu) e i valori di riferimento teorici calcolati manualmente (in rosso), mentre nella figura 4.9 sono riportati i valori assoluti degli errori corrispondenti. A prima vista ´e possibile notare come i carichi calcolati dal sensore seguano abbastanza bene l’andamento di quelli effettivamente applicatigli, a eccezione del momento intorno all’asse Z. Gli errori (tab. 4.3) medi rilevati nella misurazione delle forze applicate nelle diverse direzioni risultano essere comparabili e corrispondenti a un’accuratezza (tab. 4.4), calcolata come percentuale del fondo scala, intorno al 93%. Oltre a questo, le deviazioni standard degli errori sono abbastanza contenute, segno che la buona accuratezza ´e una caratteristica alquanto generalizzata. In alcuni punti, tuttavia, sono stati rilevati dei picchi di errori fino a 15N, con accuratezza minima intorno al 65%. Per quanto riguarda i momenti, escludendo quello in direzione Z, le valutazioni sono analoghe. Gli errori sono pi`u elevati, in virt`u del fondo scala di un ordine di grandezza superiore rispetto a quello delle forze. L’accuratezza media e la minima sono per`o in linea con i valori calcolati per queste ultime. Se si considera tuttavia anche il momento Mz le valutazioni cambiano; l’accuratezza media appare comunque abbastanza elevata ma la minima cala al 41%. Come si pu`o notare dalla figura 4.8, infatti, il momento Mz misurato dal sensore risulta essere sempre circa 0Nmm, con una piccola variabilit`a che non appare significativamente correlata alla variazione effettiva della coppia in direzione Z. Per questa ragione, in corrispondenza dei valori massimi e minimi di riferimento si notano degli errori elevati con accuratezza vicina al 50%, questo perch´e l’intervallo di misura ´e centrato appunto su 0Nmm in quanto il momento di intensit`a massima, cos`ı come gli altri carichi, pu`o essere applicato sia in verso positivo che in verso negativo. Per le stesse ragioni, l’accuratezza media ottenuta sulle misurazioni del momento Mz appare sovrastimata e dovuta principalmente a quei sistemi di carichi i quali non prevedono l’applicazione di alcuna coppia in direzione Z.
Figura 4.8: Confronto tra i carichi calcolati dal sensore sviluppato e i valori di riferimento teorici.
Figura 4.9: Valore assoluto degli errori teorici commessi dal sensore sviluppato nella determinazione dei carichi applicatigli.
Tabella 4.3: Errori massimi, errori medi e deviazioni standard degli errori commessi in valore assoluto nella misurazione dei diversi tipi di carichi dal sensore sviluppato.
Fx Fy Fz Mx My Mz Errore massimo 13.6N 11.2N 14.6N 392Nmm 283Nmm 708Nmm Errore medio 3.18N 3.03N 3.30N 87.3Nmm 64.9Nmm 207Nmm Deviazione standard 2.74N 2.52N 3.22N 73.0Nmm 59.8Nmm 182Nmm Errore massimo 14.6N 708Nmm Errore medio 3.17N 120Nmm Deviazione standard 2.84N 119Nmm
Tabella 4.4: Accuratezza minima e accuratezza media del sensore sviluppato nella misurazione dei diversi tipi di carichi. Fx Fy Fz Mx My Mz Accuratezza minima 68.1% 73.8% 65.7% 67.5% 76.6% 41.3% Accuratezza media 92.6% 92.9% 92.3% 92.8% 94.6% 82.8% Accuratezza minima 65.7% 41.3% Accuratezza media 92.6% 90.1%