VSA: Attuatore a rigidità variabile (Variable Stiffness Actuator)

Oltre all’elevata sicurezza, l’altro principale obiettivo che si vuole raggiungere nelle col- laborazioni uomo/robot è quello della performance, che spesso, a seconda del manipolatore con cui si interagisce, viene espressa in termini di velocità del moto; più in generale si può affermare che una macchina che si muove piano è si, meno pericolosa di una che si muove più veloce, ma spesso, a seconda delle applicazioni delle macchine troppo lente risultano inaccettabili in termini di qualità e quantità del lavoro effettuato.

Oltre alla sensorizzazione della parte in movimento e al controllo attivo del braccio, le al- tre soluzioni che fino ad ora sono state adottate per garantire la sicurezza consistono nella trasmissione elastica passiva o nella minimizzazione dell’inerzia del link e del motore con il progetto di una nuovo meccanismo di trasmissione.

4. Hardware e Software utilizzati

Una delle tecniche studiate di recente, che cerca di garantire contemporaneamente sia la sicu- rezza che la performance è l’approccio a impedenza variabile, tecnica che durante l’esecuzione di un compito ci permette di variare l’impedenza meccanica del sistema di attuazione; in particolare il modo in cui varia l’impedenza è determinato dalla soluzione del problema di controllo ottimo. Dalle simulazioni effettuate in tali condizioni, si può notare che il mecca- nismo ad impedenza variabile impone elevati valori di cedevolezza a basse velocità e bassi valori di cedevolezza per elevati valori della velocità, consentendo, così, il disaccoppiamento

dell’inerzia del link del braccio da quella dell’attuatore [2].

L’implementazione del principio dell’impedenza variabile da un punto di vista meccanico, porta allo sviluppo degli attuatori a rigidezza variabile (VSA).

4.3.2.1 VSA-I

Almeno nella fase iniziale, l’attuatore a rigidezza variabile è stato pensato per la sicurezza e le performance dei robot nell’ambiente condiviso con gli umani, tuttavia in seguito è stata osservata l’importanza e l’utilità di tale meccanismo anche in ambienti non strettamente connessi all’uomo, in cui è importante variare la rigidezza dell’attuatore durante l’esecuzione

di un determinato compito [2].

Figura 4.6.: "Attuatore a rigidezza variabile"

Nella figura 4.6, si può osservare il prototipo dell’attuatore a rigidezza variabile; in par-

ticolare nell’immagine sulla sinistra si ha una visione prospettica dell’attuatore, in cui la cinghia di trasmissione 1 collega le pulegge dei motori 2-3 all’albero del giunto 4, ed il tutto

è messo in tensione dagli elementi elastici passivi 5-6-7. Variazioni angolari, ”q1 e ”q2, nello

stesso verso dei motori 2 e 3 generano una variazione angolare nell’albero principale, ”qm,

mentre, una variazione angolare dei due motori in direzioni opposte genera una variazione della rigidezza meccanica, ”‡.

La principale differenza tra questo meccanismo e gli altri sviluppati è che questo si presta maggiormente ad una implementazione più compatta, permettendo così, una più rapida e continua variazione della rigidezza durante tutto lo svolgimento dell’attività. Per calcolare la rigidezza meccanica ‡ dell’attuatore VSA, si procede calcolando la coppia meccanica ·, generata dalla molla con costante elastica K, all’albero motore e la sua derivata rispetto alla variazione angolare che risulta essere proprio la rigidezza meccanica:

‡= ≠ ”·

”qm (4.1)

In figura 4.7 si riporta il meccanismo con cui si realizza la variazione di stiffness nel dispositivo:

Figura 4.7.: Variazione della rigidezza

4.3.2.2 VSA-II

VSA-II si presenta sempre come un attuatore a rigidezza variabile che ha lo scopo di superare le limitazioni riscontrate nel caso del VSA-I e dovute principalmente alle limitazioni

della capacità di carico e di implementazione in un braccio robotico [3].

Figura 4.8.: "Schema VSA-II"

Il nuovo prototipo dell’attuatore a rigidezza variabile, come mostrato in figura 4.8, è

pensato per riuscire a supportare una maggiore capacità di carico rispetto al precedente prototipo e per essere più compatto. Il sistema di trasmissione del VSA-II è basato su un

meccanismo 4-bar come quello mostrato in figura 4.9:

4. Hardware e Software utilizzati

costituito da due link più lunghi, di lunghezza pari a R e due link più corti, di lunghezza L e dove k rappresenta la costante elastica della molla e — è l’angolo di trasmissione. Lo scopo di questo sistema di trasmissione è quello di ottenere una caratteristica coppia/spostamento non lineare tra il carico applicato in ingresso dai motori e lo spostamento angolare dell’albero motore; quindi, l’attuatore VSA-II non è altro che un attuatore antagonista che ha due motori in opposizione.

Indicando con q1 e q2 gli angoli dei due motori, con ql la posizione angolare del link e

definendo ◊i,j=qi-qj, si ha che la coppia di carico è:

·l= 2M(◊1,l) + 2M(◊2,l) = 2M1,l+ 2M2,l, (4.2)

dove M(◊) è la derivata dell’energia potenziale immagazzinata nella molla

P =1

2k—2 (4.3)

M(◊) = ”P

”◊. (4.4)

L’espressione della rigidezza ‡ risulta essere anche in questo caso, espressa come la derivata della coppia di carico rispetto alla posizione angolare del link:

‡=”·l

”ql = 2‡1,l+ 2‡2,l

. (4.5)

Confrontando i due attuatori si può osservare che l’attuatore VSA-I ha un accoppiamento incrociato tra i motori, mentre l’attuatore VSA-II implementa un meccanismo antagonista, che risulta meno complesso nella ottimizzazione dei parametri. Inoltre, VSA-I ha bisogno di una differenza tra gli angoli dei due attuatori per ottenere rigidità minima, mentre nel caso della VSA-II si ha rigidità minima quando la differenza tra i due angoli è nulla. VSA-I e II hanno diversi range di rigidità. Se i dispositivi sono azionati da motori con coppie limitate, la rigidità ottenibile viene limitata in quanto, condizioni di rigidità infinita richiederebbero anche valori di coppia infinita.

I motori devono, inoltre, bilanciare la coppia di disturbo esterna che agisce sul link, ·load,

riducendo in questo modo, la coppia disponibile per il controllo della rigidità. All’aumentare del valore della coppia di disturbo diminuisce in entrambi i casi il range dei valori ammissibili per la rigidezza, anche se nel caso della VSA-I all’aumentare della coppia esterna aumenta il massimo valore ammissibile della rigidezza, nel caso della VSA-II tale valore diminuisce. Nel caso degli attuatori VSA-II, la rigidezza massima è limitata dal valore della coppia di stallo (o coppia di avviamento) del motore, mentre nel caso dell’attuatore VSA-I dipende anche dal carico applicato.

Tali considerazioni sono state effettuante valutando le performance dei due attuatori consi-

derando il valor medio del range della rigidezza,‡m e del valore dell’ampiezza relativa, ‡:

‡=(‡M AX_2‡≠ ‡M IN)

m (4.6)

all’aumentare del valore di ‡, si osserva un aumento delle prestazioni nel caso degli attuatori

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