2 – Progettazione preliminare del robot

2 – Progettazione preliminare del robot

2 – Progettazione preliminare del robot

2.1 Presentazione del capitolo

Nel secondo capitolo di questa tesi si descrivono le scelte basilari di progetto riguardanti l’architettura del sistema e la sua fabbricazione.

Partendo dalle informazioni ricavabili dai dati mostrati nel capitolo introduttivo, nel primo paragrafo si espone come si è giunti all’ideazione di una struttura composta da una serie di moduli centrali attuati, uniti ad una testa ed una coda appositamente conformate indicando le diverse soluzioni percorribili.

Le dimensioni sono state scelte anche in funzione degli ingombri degli attuatori utilizzati per la movimentazione descritti nel successivo paragrafo. Sono state effettuate anche delle prove sperimentali volte a stabilire le curve caratteristiche degli attuatori lineari elettromagnetici selezionati.

Altro aspetto che si è evidenziato nel capitolo sono le varie configurazioni sia dei moduli che della testa e della coda cui si è pervenuti prima di raggiungere la forma finale, cercando ogni volta di ovviare a possibili difetti riscontrati nelle strutture precedenti.

Si è poi spiegato il principio di funzionamento della tecnica di prototipazione rapida con

la quale si sono prodotti questi oggetti presso il laboratorio di ricerca dove si è svolto il

lavoro di tesi mostrando i risultati ottenuti.

2 – Progettazione preliminare del robot

2.2 Definizione del prototipo

Le dimensioni indicative del prototipo da realizzare sono state individuate in funzione di quelle di un normale individuo adulto di lampreda marina. Si è poi suddiviso l’intero corpo in vari settori: una parte anteriore non attuata rappresentante la testa, quattro moduli centrali contenenti gli attuatori e una coda finale movimentata dall’ultimo blocco di attuatori.

Lo schema riportato nella seguente figura 2.1 aiuta a comprendere quanto sino ad ora esposto, le dimensioni riportate sono orientativamente quelle adottate nel prototipo finale e servono solo per dare un’indicazione degli ingombri totali del sistema complessivo :

Figura 2.1 : dimensioni indicative robot lampreda

La scelta del modulo più adatto è stata raggiunta avendo come obiettivo l’idea di voler rendere gli atti motori della lampreda più liberi possibili evitando costrizioni ai movimenti di ogni singolo modulo ed anche all’insieme di essi una volta effettuato l’assemblaggio dei vari pezzi.

Punto di partenza è stato la scelta di predisporre ogni modulo di quattro attuatori per

riprodurre la struttura muscolare agonista/antagonista che la lampreda utilizza in natura.

2 – Progettazione preliminare del robot In realtà per ricreare un moto tridimensionale sarebbero stati sufficienti tre attuatori con l’evidente conseguenza di poter definire la struttura della lampreda come ridondante.

Ciò non deve sorprendere, infatti in natura gli organismi spesso manifestano una innata tendenza a predisporsi in strutture con una certa simmetria.

Si è così pervenuti preliminarmente alla progettazione di un modulo dove contenere i vari attuatori. Inizialmente è stata pensata ad una struttura di tipo flessibile dove inserire gli attuatori con lo scopo di ottenere contrazioni o estensioni della parte compresa tra gli attuatori a seguito della movimentazione degli stessi in una struttura di materiale gommoso di tipo siliconico nella quale immergere le serie di muscoli artificiali ricreati.

Figura 2.2 : progetto preliminare dei moduli

Una variante successiva è stata quella di progettare una struttura ellittica allo scopo di ottenere una forma più simile alla reale della lampreda, in modo tale da riprodurre una resistenza al moto in acqua identica a quella naturale.

Va però messo in evidenza che solo la parte terminale del corpo dell’animale è ellittica, mentre vi è una zona centrale di forma prettamente circolare.

In figura 2.3 si riporta un confronto tra il modello creato e la sezione reale che presenta la lampreda in diversi punti del corpo.

Analizzando la figura si nota come la sezione vari, partendo da un andamento circolare

in prossimità della bocca e proseguendo con un incremento del diametro fino a circa

2 – Progettazione preliminare del robot due terzi della lunghezza totale del corpo, per poi procedere nell’ultimo tratto mutando la forma in una più compressa ai lati, ottenendo appunto una sezione di tipo ellittico.

Si può inoltre osservare nella figura la presenza di varie pinne nella zona superiore del corpo.

Nel nostro modello semplificato non si è tenuto conto di queste appendici in quanto non necessarie per lo scopo di questo robot prototipale, nel quale una eccessiva accuratezza aerodinamica non era l’obiettivo primario prefisso su cui sviluppare il modello stesso.

L’analisi di varie sezioni del corpo si è rilevata molto utile nella progettazione definitiva, infatti grazie alla comprensione di come i vari organi sono disposti all’interno della lampreda si è concepita l’idea di aggiungere al modello una spina dorsale flessibile analoga proprio alla notocorda presente nella zona centrale della sezione del corpo dell’animale.

Figura 2.3 : modulo ellittico e sezioni della lampreda

2 – Progettazione preliminare del robot Una prima idea sviluppata consiste nel porre questo artefatto di colonna vertebrale in concomitanza con il materiale gommoso, come rappresentato schematicamente in figura 2.4.

Figura 2.4 : modulo con la presenza della notocorda artificiale

Questa soluzione si è rivelata rendere la struttura da realizzare troppo rigida, con il rischio di ottenere un robot non in grado di compiere liberi e naturali movimenti.

Si è preso di conseguenza la decisione di utilizzare la sola colonna vertebrale per operare la flessione del robot lasciando gli attuatori liberi di compiere la propria corsa, ovviamente con la conseguente necessità di progettare un successivo dispositivo di collegamento tra i vari moduli essenziale al fine di ricreare il moto tipicamente ondulatorio della lampreda.

Si è pervenuti così all’idea finale del modello. In seguito alle decisioni prese si è giunti alla definizione delle soluzioni realizzative riguardanti:

• dimensioni e forma

• flessibilità

• struttura portante

• collegamento tra i moduli e tra gli attuatori.

Per quanto concerne dimensioni e forma, come già precedentemente detto, si prendono

a riferimento quelle di un individuo adulto, dovendo però progettare la struttura tenendo

conto degli ingombri degli attuatori da dover introdurre nei vari moduli.

2 – Progettazione preliminare del robot La forma finale del corpo si realizza circolare ad esclusione di testa e coda con la necessità di ideare anche un involucro per la tenuta durante le prove in acqua.

La flessibilità della struttura viene totalmente affidata alla notocorda artificiale, la quale viene progettata con una rigidezza analoga a quella della lampreda reale per non alterare il comportamento durante il moto.

La struttura portante è costituita dalla notocorda e dai moduli dove si fissano gli attuatori.

Il collegamento tra i moduli è costituito dall’ancoraggio degli stessi alla colonna vertebrale artificiale, mentre i vari blocchi di attuatori vengono collegati in serie tra loro attraverso un dispositivo meccanico per ottenere le contrazioni tra i vari moduli.

Questi vincoli progettuali a cui si è giunti possono essere considerati la specifica tecnica del progetto, infatti per lo sviluppo successivo del robot questi punti essenziali elencati saranno sempre presi a riferimento ed ogni scelta verrà ponderata in funzione di essi.

2.3 Scelta dell’attuatore

Per la scelta del tipo di attuatore da utilizzare per la movimentazione della lampreda robotica si è rivolta la nostra attenzione all’individuazione di un modello capace di riprodurre più realisticamente possibile le contrazioni prodotte da un muscolo. Tra i possibili attuatori esistenti in commercio, si sono rivelati più adatti ai nostri scopi, quelli lineari elettromagnetici. Il principio di funzionamento di questi attuatori è il seguente : riferendosi al più semplice modello di attuatore elettromagnetico costituito da un cavo percorso da corrente che genera un campo magnetico, si ottiene, attraverso la nota relazione di Lorentz, la forza

dF = i B ∧ dl

(2.1)

dove dl è il tratto di conduttore percorso da corrente i , e immerso in un campo

magnetico, ad esso non parallelo, B .

2 – Progettazione preliminare del robot

Figura 2.5: schema di un attuatore elettromagnetico lineare .

In figura è rappresentato un tradizionale attuatore elettromagnetico. Il principio di funzionamento di questi dispositivi sfrutta la concentrazione del flusso magnetico in piccoli intervalli di spazio.

La forza in direzione normale è data da :

( )

( )

2 NI z A z

z W

F

= µ

∂

− ∂

= (2.2)

dove W è la potenza, µ

la permeabilità dello spazio libero, N il numero di spire, z lo spessore dell’interspazio ed A l’area del traferro, figura 2.5.

La scelta del modello più adatto tra questo tipo di attuatori si è basata sulla ricerca di un esemplare capace di trasmettere una rilevante forza ed inoltre di ingombri tali da rientrare nelle dimensioni tipiche di un individuo adulto di lampreda marina.

In relazione alle esigenze precedentemente esposte, la preferenza è andata ad un modello prodotto da una ditta francese la “Mecalectro” e distribuito in Italia dalla

“Tecnelsystem” azienda con sede ubicata a Milano.

2 – Progettazione preliminare del robot

Figura 2.6 : attuatore lineare elettromagnetico

In figura 2.6 è riportato tale attuatore.

Per quanto riguarda gli ingombri ed il principio di funzionamento si vedano le schematizzazioni di figura 2.7 e 2.8. Si può notare nello schema di figura 2.8 il nucleo mobile dell’attuatore che varia la sua corsa a seconda che venga alimentato o meno l’attuatore: l’eccitazione dell’elettromagnete attira a se il nucleo mobile con una forza variabile in maniera non lineare in funzione della posizione assunta, come più avanti chiarito.

Questi attuatori sono comandati in corrente continua e sono stati scelti con un fattore di servizio, calcolato come rapporto tra tempo di alimentazione e durata totale del ciclo, pari al 5%.

Figura 2.7 : ingombri dell’ attuatore

2 – Progettazione preliminare del robot

Figura 2.8 : principio di funzionamento dell’ attuatore

Tale basso valore è giustificato dal fatto che la forza di un elettromagnete dipende dalla potenza della bobina, ma una potenza elevata comporta un rapido riscaldamento, per questo motivo il fattore di servizio, diminuendo all’aumentare della potenza, assume un così esiguo valore.

Quanto ora esposto viene riassunto nella seguente tabella :

ATTUATORE ELETTROMAGNETICO 8.54.02.52

Corsa nominale

4 mm

Potenza assorbita (W)

60

Forza di richiamo (N)

5.6

Forza di aderenza (N)

12

Fattore di servizio

5%

Tensione standard

24 Vdc

Esecuzione

Pull

Massa totale

45 g

Massa dell’armatura

10 g

Indice di protezione

IP00

Tabella 1 : caratteristiche dell’attuatore

2 – Progettazione preliminare del robot La forza varia in funzione della corsa in maniera non lineare secondo il grafico di figura 2.9.

Figura 2.9 : grafico forza(kgf)-corsa(mm) dell'attuatore

Come si nota dalla figura, l’andamento della forza di trazione in funzione della corsa nominale è quasi lineare in prossimità della corsa massima, mentre, muovendosi in direzione di inizio corsa, il nucleo mobile viene richiamato con una forza decisamente maggiore.

FM =5%

Corsa (mm) Forza

magnetica (kgf)

1

0.6

0.3 0.9

0.7 0.8

0.5 0.4

0.2 0.1

0 1 2 3 4 5 6

2 – Progettazione preliminare del robot Questo aspetto non rispecchia il comportamento del muscolo reale, sarà quindi necessario ovviare a tale andamento o controllando la forza tramite la realizzazione di un controllo di tipo elettronico, oppure progettando un dispositivo meccanico in grado di variare l’andamento della forza trasmessa dal nucleo mobile in funzione della corsa dello stesso per ottenere un robot che riesca a rispecchiare la naturale dinamica del moto della lampreda.

Questo argomento sarà valutato in un secondo momento, una volta individuata l’esatta configurazione della struttura del robot. Attraverso poi verifiche sperimentali si deciderà verso quale genere di correzioni orientarsi per avere dei riscontri tangibili sul reale funzionamento del robot.

Prevedendo la realizzazione di quattro moduli del robot, in totale si utilizzeranno 16 attuatori, 4 per ogni modulo. Per ognuno si è progettato un dispositivo di fissaggio sia alla struttura che per il collegamento tra gli stessi.

Sugli attuatori acquistati sono state svolte delle prove sperimentali allo scopo di caratterizzare la riluttanza e la forza in funzione della corrente e della corsa.

Si sono effettuate diverse prove per ottenere l’andamento della corrente in funzione della corsa al variare della frequenza di alimentazione degli attuatori. Questo calcolo è stato affrontato allo scopo di individuare la sensorizzabilità degli attuatori attraverso la variazione della riluttanza. In figura 2.10 si riportano i risultati raggiunti facendo variare la frequenza da 100 a 1000 Hz.

2 – Progettazione preliminare del robot Per quanto riguarda invece l’andamento della forza in funzione della corrente, si è effettuata la sperimentazione applicando carichi diversi all’attuatore e rilevando la minima corrente da fornire in ingresso per sorreggere il carico applicato. Dai risultati ricavati si è giunti al tracciamento del grafico riportato in figura 2.11, nel quale è rappresentata la curva caratteristica forza-corrente. Come si può notare dalla figura c’è la presenza di una zona dove viene raggiunta la saturazione, cioè aumentando la corrente fornita agli attuatori, il carico applicato non aumenta ma si stabilizza intorno ad un valore massimo.

Figura 2.11 : caratteristica forza-corrente

Nella figura si è tracciato anche la funzione che meglio approssima la curva passante per i dati ottenuti sperimentalmente con la relativa espressione.

Questi attuatori dovranno poi essere montati a bordo di moduli fissati alla struttura scheletrica della lampreda robotica.

Sono state svolte anche ulteriore prove sugli attuatori al fine di verificare l’andamento della forza di trazione in funzione della corsa.

y = -1522,4x² + 3714,6x

0 500 1000 1500 2000 2500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

corrente (A)

forza (gf)

Serie1 Poli. (Serie1)

saturazione

2 – Progettazione preliminare del robot In figura 2.12 si mostra il procedimento concepito attraverso l’utilizzo di una macchina per effettuare prove di trazione: si fissa l’attuatore ad un supporto, ed il nucleo mobile si collega attraverso un’asta rigida ad una cella di carico.

Per effettuare le misure si stabiliscono diverse distanze note, grazie alla scala graduata presente in figura sui montanti della struttura, alle quali si pone il nucleo mobile.

Si sono poi collegati i morsetti di alimentazione ai terminali dell’attuatore.

Figura 2.12 : caratterizzazione forza-corsa

Per ogni distanza fissata si è misurata la forza di trazione del nucleo mobile manifestata a seguito dell’alimentazione dell’attuatore. Attraverso i valori in uscita dal pannello di controllo riportato a lato si è ricavata la tabella della forza di trazione in funzione della corsa effettuata

2 – Progettazione preliminare del robot Dai risultati ottenuti si giunge al seguente andamento riportato in figura 2.14.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 2 4 6 8 10

input (mm)

output force (N)

Figura 2.14 : caratteristica sperimentale dell’attuatore

Un confronto con il grafico di figura 2.9 evidenzia l’andamento identico delle due curve, a riprova del buon esito delle prove sperimentali effettuate.

Caratteristica importante di questo tipo di attuatori è il fatto di fornire per ogni punto

della corsa del nucleo mobile una diretta forza di trazione necessaria al robot per

replicare la contrazione muscolare: in concreto questo attuatore lineare

elettromagnetico si comporta in maniera del tutto analoga ad un muscolo, cioè se

alimentato sviluppa in uscita una forza diretta.

2 – Progettazione preliminare del robot

2.4 Definizione del modulo

Per progettare il modulo si è deciso di operare in ambiente CAD tridimensionale con l’obiettivo di ricreare una struttura in grado di ben adattarsi agli ingombri degli attuatori utilizzati.

Inizialmente si è giunti alla concezione di un disco circolare con quattro fori necessari per permettere il moto dei nuclei mobili degli attuatori e due supporti sui quali dover fissare gli attuatori. Nel disco si è aggiunto poi al centro un cilindretto cavo per inserire i vari moduli nella corda spinale artificiale.

Figura 2.15 : primo modulo ideato

In questa prima soluzione si presentavano diversi problemi da dover risolvere.

L’aspetto sicuramente più critico è rappresentato dal sistema di fissaggio degli attuatori

da dover realizzare, che con questo tipo di supporti non risulta semplice né pratico, in

quanto tale collegamento deve risultare facilmente realizzabile ed inoltre non fisso a

2 – Progettazione preliminare del robot Si è perciò ideato un altro tipo di elemento di sostegno per gli attuatori, avente forma di una trave a doppio T in modo tale da poter così inserire sul supporto anche dei fori per permettere il fissaggio attraverso viti degli attuatori, sfruttando dei fori filettati già presenti sul telaio degli attuatori acquistati.

Figura 2.16 : variante dell' elemento di supporto

Questa soluzione sembrerebbe percorribile, ma va notata l’esiguità dello spazio tra la parte interna delle due basi del supporto, con la conseguenza di avere notevoli difficoltà nell’inserimento e nel serraggio delle viti in fase di assemblaggio degli attuatori.

E’ nata così l’idea di progettare una struttura esterna facente le veci di supporto degli attuatori ottenendo così un semplice e rapido metodo di collegamento, facilmente accessibile e controllabile.

A seguito di una iniziale incertezza sul fatto di ricoprire o meno tutti i lati del telaietto

degli attuatori oppure di restringere il sostegno solo su determinate porzioni di

perimetro, è poi prevalsa l’idea di realizzare una struttura interamente coprente, allo

scopo di rendere il supporto compatto, ottenendo un vero e proprio guscio contenente

2 – Progettazione preliminare del robot Come ulteriore sistema di basamento è stata ipotizzata l’aggiunta di elementi travi tra gli spazi interni rimasti tra gli attuatori al fine di irrigidire maggiormente la struttura, ipotesi successivamente scartata in quanto il modulo creato è risultato già di per sé robusto.

Quindi anche per evitare inutili possibili surriscaldamenti degli attuatori si è preferito eliminare questo elemento supplementare.

Figura 2.17 : disco con supporto esterno per gli attuatori

In figura 2.17 si nota la presenza del parallelepipedo interno al disco utilizzato per il contenimento degli attuatori, unito ai supporti centrali poi successivamente tolti. Il sottile disco esterno è stato inserito allo scopo di conformare il bordo del robot della lampreda rendendolo cilindrico, per evitare in seguito, durante la sperimentazione del moto in acqua, problemi di natura fluidodinamica.

Alla fine si e giunti alla configurazione definitiva del modulo, nella quale sono stati affrontati e corretti tutti gli errori evidenziati nelle antecedenti pagine di questo paragrafo, ottenendo il risultato di figura 2.18.

Oltre alle soluzioni esposte in precedenza va aggiunta la presenza dei fori sul disco

esterno necessari per facilitare l’avvitamento delle viti sugli attuatori. Inoltre si può

2 – Progettazione preliminare del robot Questo aspetto è stato adottato sempre al fine di semplificare il successivo assemblaggio con gli attuatori, in quanto essi presentano due terminali per la connessione di alimentazione nella parte opposta all’alloggio dei nuclei mobili e, a causa della forma rettangolare della sezione dell’involucro esterno, è stato necessario ideare un montaggio degli attuatori ruotato, per far posizionare di volta in volta i terminali verso l’esterno. Nelle facce interne del sostegno degli attuatori si può notare uno scalino dovuto proprio agli ingombri dei congegni del moto. Sul disco centrale si sono poi creati dei fori per il passaggio del cablaggio necessario per l’alimentazione.

Altro accorgimento è stato quello di incrementare la robustezza del cilindretto utilizzato per l’alloggio della notocorda artificiale, attraverso dei sostegni da ambo le parti del disco centrale.

Figura 2.18 : configurazione definitiva del disco

In figura 2.18 sono schematicamente evidenziate le ultime modifiche introdotte.

Supporti al sostegno del cavo

Fori per facilitare l’avvitamento

Fori per fissare gli attuatori Scalino dovuto ai

diversi ingombri

Fori utilizzati per il

cablaggio

2 – Progettazione preliminare del robot Le principali dimensioni del modello realizzato sono state decise in base a criteri atti a conseguire sia una struttura solida e resistente in funzione anche del materiale utilizzato per la fabbricazione, sia degli ingombri ridotti al minimo per ottimizzare le dimensioni del robot rientrando nelle specifiche ricavate dall’estensione media di un individuo adulto di lampreda.

I principali valori ottenuti sono i seguenti :

• diametro esterno del disco = 64 mm

• altezza del cilindro = 30 mm

• spessore della struttura di supporto degli attuatori = 2 mm

• spessore dell’involucro esterno cilindrico = 1 mm

• spessore del disco con i fori per i pistoncini = 3.5 mm

• lunghezza totale del rinforzo per il cavo centrale = 12 mm

• larghezza del parallelepipedo contenente gli attuatori = 25 mm

Ultimata la progettazione del modulo in ambiente CAD, si passa alla realizzazione dello stesso.

Tra i possibili sistemi realizzativi, si è scelto di utilizzare una tecnica di prototipazione rapida. Questo tipo di tecniche sono essenzialmente usate per la realizzazione rapida di modelli o prototipi in polimero spesso utili per prove e verifiche prima della realizzazione del prodotto definitivo. E’ infatti nella realizzazione di prototipi che queste tecniche evidenziano notevoli vantaggi rispetto ai processi tradizionali di formatura.

Tali vantaggi consistono da una lato nel minor costo nella realizzazione del prototipo:

con i processi tradizionali di formatura, anche per la realizzazione di un solo esemplare, è comunque necessario produrre costosi stampi e attrezzature da installare sulla macchina. Le tecniche RP sono invece attrezzature semplici e di basso costo.

Vi è anche un minor tempo complessivo nella realizzazione del prototipo : sebbene il

tempo di formatura con le tecniche RP sia decisamente più lungo rispetto ai tempi

usualmente necessari nei processi tradizionali, il tempo complessivo che porta dalla

ideazione del prodotto finito alla realizzazione del prototipo è notevolmente minore.

2 – Progettazione preliminare del robot Va considerato infatti che nei processi RP si passa dalla fase di ideazione, effettuata in ambiente CAD, alla fase di realizzazione del prototipo tramite un’interazione tra macchina di prototipazione ed il calcolatore adibito alla progettazione, senza dover né progettare né realizzare stampi come invece accade nelle tecniche tradizionali.

Con la stereolitografia si realizzano oggetti tridimensionali tramite un processo di

“accrescimento”, attraverso cioè la formazione di strati successivi che, sovrapposti l’uno sull’altro, vanno a creare il prodotto finale. Tale procedimento si basa sulla focalizzazione del fascio laser su un polimero fotosensibile creando uno strato lavorato, al quale ne seguiranno altri. I polimeri fotosensibili sono dei polimeri dotati di sensibilità alle radiazioni elettromagnetiche di particolari lunghezze d’onda. La macchina di prototipazione presente presso il laboratorio di ricerca dove si è svolto il lavoro di tesi si basa in realtà su una differente modalità di polimerizzazione dei singoli strati, non tramite la scansione del fascio laser, ma in questa variante la polimerizzazione viene realizzata contemporaneamente su tutti i punti dello strato illuminando l’intera area con una lampada UV a luce diffusa. Il modello utilizzati è una 3D Printer Invision SI

.

Nella seguente tabella si riportano le caratteristiche meccaniche della materia plastica utilizzata dalla macchina di prototipazione rapida per la creazione dei moduli :

Modulo di trazione 775 MPa

Resistenza a trazione 24 MPa

Modulo di flessione 110 MPa

Resistenza a flessione 42 MPa

Peso specifico 1.14 g/cm

Tabella 2 : proprietà del materiale di fabbricazione

Ultimato il processo di fabbricazione si sono ottenuti quattro moduli come quelli mostrati

in figura 2.19.

2 – Progettazione preliminare del robot

Figura 2.19 : disco ottenuto tramite stereolitografia

In tale immagine si può notare anche un parziale assemblaggio preliminare del robot, con in evidenza il cavo flessibile centrale usato come sostegno dei vari moduli e rappresentante la corda spinale della lampreda.

Questi moduli fabbricati sono stati poi successivamente verniciati allo scopo di aumentare la rigidezza del modello, anche in previsione di future sperimentazioni in ambiente con fondale e ostacoli rocciosi, per preservare il robot da possibili danneggiamenti in caso di urto accidentale. Infatti le caratteristiche meccaniche indicate nella precedente tabella evidenziano una relativa fragilità del materiale usato, con il concreto pericolo di rottura.

In figura 2.20 è mostrata la modellazione 3D del robot ottenuta in ambiente CAD, comprensiva della testa e della coda già progettate, e degli attuatori inseriti a bordo di ogni modulo, con già il collegamento tra le serie di attuatori necessario per la generazione del moto.

In giallo sono riprodotti gli attuatori: tra un disco ed il successivo si intravedono i

collegamenti tra gli stessi, mentre in blu si nota il cavo centrale rappresentante la

notocorda ricostruita artificialmente.

2 – Progettazione preliminare del robot

Figura 2.20 : modello CAD della struttura portante del robot assemblata

In figura 2.21 si riporta a confronto, l’immagine del modello realizzato e preliminarmente assemblato. La lunghezza totale del robot comprensiva della coda e della testa raggiunge circa i 700 mm con un diametro di 64 mm.

Figura 2.21 : struttura portante del modello assemblata

2 – Progettazione preliminare del robot In ogni moduli si inseriscono gli attuatori come mostrato in figura 2.22. In tale immagine si può notare anche il fissaggio degli stessi con il disco di contenimento ottenuto tramite viti, e gli ancoraggi utilizzati per predisporre il collegamento degli attuatori in serie, sia nella parte anteriore del modulo dove si trovano i nuclei mobili, sia in quella posteriore dove si vede il retro della carcassa degli attuatori e la presenza dei terminali di alimentazione.

Figura 22 : montaggio degli attuatori sul modulo

2.5 Testa e coda

Discorso a parte merita la progettazione della testa e della coda del robot. Infatti questi due particolari non devono sottostare a vincoli inerenti gli ingombri degli attuatori, perciò sono state altre le considerazioni adottate per l’elaborazione di questi due componenti.

Per quanto concerne la testa, i criteri progettuali scelti hanno riguardato, non tanto l’esatta riproduzione della reale testa della lampreda, in quanto essa presenta una grossa bocca circolare necessaria per il nutrimento, ma piuttosto la ricerca di un profilo che non alterasse la forma del robot, riuscendo allo stesso tempo a ricreare una ragionevole opposizione al moto in acqua. Essendo inoltre questa parte non attuata, si è cercato di ridurne al minimo il peso per non ritrovarsi con una notevole percentuale di corpo non movimentata.

Inizialmente l’unica funzione attribuita alla testa è stata quella di solo contenimento dei

fili necessari per il collegamento con l’alimentazione e quindi si è predisposto un foro

2 – Progettazione preliminare del robot Durante la progettazione si è però manifestata l’idea di una successiva sensorizzazione del robot per permetterne l’orientamento durante le varie fasi del moto, per cui si è realizzato il vano entro la testa cava, rendendolo disponibile dei requisiti necessari per rappresentare un possibile alloggio dei vari sistemi di controllo. E’ stato perciò ideato il più sottile possibile considerando da un lato la necessità di non indebolire troppo la struttura con uno spessore eccessivamente esiguo e dall’ altro di non appesantire oltremodo il robot evitando anche inutile spreco di materiale di fabbricazione. Si è quindi cercato un compromesso tra le due richieste visibilmente in antitesi tra loro.

Altro problema che si è affrontato è stato il fissaggio della testa sul resto del robot, in particolare sul modulo immediatamente successivo al quale viene collegato il primo blocco di quattro attuatori.

La soluzione più semplice si è rivelata quella di fissare con della semplice colla i due componenti ottenendo sì un collegamento permanente, ma comunque ugualmente ispezionabile con poco impegno costituito dalla sola rimozione del mastice di unione.

Nella seguente figura 2.23 è evidenziato questo aspetto con la visione proprio della zona di giunzione tra le parti sopra menzionate.

In questa immagine tale collegamento è ottenuto con del comune adesivo utilizzato soltanto a scopo dimostrativo.

Figura 2.23 : testa ottenuta tramite stereolitografia

2 – Progettazione preliminare del robot Gli ingombri ottenuti per la testo sono :

• diametro di base = 64 mm

Ovviamente questo valore è stato scelto per potersi perfettamente configurare con il modulo di ancoraggio.

• altezza del guscio = 50 mm

Questo valore è risultato in conseguenza del fatto di non aver scelto una forma sferica, ma si è realizzata una sagoma ovoidale per rendere più affusolato l’aspetto complessivo del robot.

• spessore della testa = 2 mm

Questo valore è stato ricavato in funzione della possibilità di eventuali urti durante il moto contro ostacoli artificiali.

La coda rappresentando la parte terminale del modello non necessita di contenere alcun dispositivo, va però considerato il fatto che questa parte viene movimentata dall’ ultimo blocco di attuatori, quindi esige una particolare conformazione in grado di permettere la giunzione tra le parti considerate.

Si è deciso perciò di suddividere questa estremità in due distinte parti, una costituita dalla coda vera e propria ed una consistente nella struttura di fissaggio degli attuatori.

La coda vera e propria si è stabilito di realizzarla di forma conica a base ellittica, innanzitutto per riprodurre fedelmente la forma della lampreda reale, ottenendo contemporaneamente una sagoma che ben si adatta fluidodinamicamente al modello.

Anche questo particolare viene realizzato cavo per permettere l’inserimento della corda spinale artificiale ed allo stesso tempo per non appesantire il robot.

2 – Progettazione preliminare del robot Le dimensioni di questa parte di coda sono le seguenti :

• asse maggiore della base ellittica = 64 mm

• asse minore della base ellittica = 44 mm

• altezza del cono ellittico = 140 mm

• spessore del cono = 1 mm

Per l’ altro pezzo costituente la coda, si è concepita una struttura in grado di permettere un fissaggio smontabile degli attuatori. Diversamente dal meccanismo ideato tra i vari moduli porta attuatori, in questo caso si è deciso di creare un disco ellittico abbastanza spesso operando poi sulla faccia quattro fori filettati contenuti ognuno in un cilindro di spessore maggiore del disco utilizzato come struttura di rinforzo, allo scopo di aumentarne la resistenza, data la notevole capacità di trazione degli attuatori.

Nella seguente figura 2.25 si nota anche la presenza del rinforzo per il cavo centrale presente pure negli altri moduli progettati.

Figura 2.25 : modellazione CAD della coda

Le dimensioni dell’altra parte di coda sono le seguenti:

2 – Progettazione preliminare del robot

• asse minore dell’ ellisse = 44 mm

• spessore disco ellittico = 44 mm

• spessore disco ellittico = 2 mm

• lunghezza totale del rinforzo per il cavo centrale = 10 mm

Per il fissaggio delle due parti si è utilizzato come sulla testa della comune colla, avendo preventivamente creato una sede sul disco ellittico in grado di facilitare l’alloggio della coda.

Sia la testa che la coda sono poi state successivamente verniciate come gli altri moduli sempre allo scopo di aggiungere uno strato protettivo alle parti.

I pezzi fabbricati e assemblati sul cavo flessibile centrale assumono l’aspetto riportato in figura 2.26, nella quale è evidenziato il particolare della coda appena introdotto , con in primo piano il cilindretto filettato utilizzato per il fissaggio della serie di attuatori.

Figura 2.26 : particolare della coda fabbricato con tecnica RP