Analisi termica FEM per l’ottimizzazione di un microsensore di scivolamento per applicazioni bio-robotiche

In questo studio di tesi si propone un design re-spin di un sensore termico di scivolamento. Un sensore di scivolamento riveste un ruolo importante nelle caratteristiche funzionali di una mano antropomorfa per applicazioni biorobotiche.Dopo un’accurata analisi dei sensori già esistenti, basati su diversi principi di funzionamento, si è scelto di prendere in esame il sensore termico di scivolamento per ottimizzarne le prestazioni. Tale sensore, ancora in stato prototipale, presenta notevoli vantaggi rispetto agli altri sensori studiati. I punti forza riguardano innanzitutto la tecnologia utilizzata in quanto si presenta semplice ed efficace nel contempo. Il principio di funzionamento si basa sulla rilevazione dello scivolamento tramite l’analisi della potenza termica dissipata dal sensore verso l’oggetto toccato. Il sensore, di dimensioni complessive molto ridotte (25x25 mm , 960 micron), si presenta come un un piastrino multistrato comprendente un basamento in vetro, un resistore collegato a dei pad tramite connessioni elettriche,uno strato protettivo ed infine un layer che si pone in contatto con l’oggetto toccato. La prima fase dello studio è stata quella di modellizzare il sensore attraverso software adatti. La geometria del sensore è stata riprodotta in Autocad e successivamente importata in Comsol capace di effettuare delle analisi FEM. Durante la caratterizzazione del problema termico in ambiente Comsol si sono dovute applicare delle semplificazioni in modo tale da riprodurre il comportamento reale del sensore. La simulazione del modello ha prodotto risultati equivalenti a quelli ottenuti sperimantalmente. Dalla modellizzazione di è passati all’analisi analitica del modello.Dall’equazione di fourier dello scambio termico si sono studiate le dipendenze di tutti parametri rispetto al calore dissipato.
E’ stata efettuata un’analisi dimensionale per cercare un’equazione analitica della potenza termica che meglio descrivesse il funzionamento del sensore.
L’analisi dimensionale ha prodotto come risultato infinito alla due soluzioni possibili in quanto si avevano a disposizione 4 equazioni in 6 incognite. Per definire una sola equazione si sono dovuti fissare dei valori ben definiti a due delle sei incognite. Dopo varie prove si sono fissati i valori delle dipendenze della temperatura e della velocità rispetto alla potenza termica. L’andamento esponenziale della velocità rispetto alla potenza è stato ricavato dalle simulazioni attraverso fittaggio. Scelta quindi l’equazione più consona ai nostri scopi si è scoperta una notevole somiglianza di questa con una formulazione dello scambio termico presente in letteratura che non ha fatto altro che validare i processi e le ipotesi fin qui adottate. In tale equazione è presente un coefficiente numerico che dipende fortemente dalla geometria del layer di contatto. Si è quindi calcolato il valore di questo per i vari materiali utilizzati nelle simulazioni e si è ottenuto un andamento dipendente dalla velocità ma nel contempo assimilabile costante per tutti i materiali. La dipendenza dalla velocità risultava predominante solo per basse velocità dell’oggetto toccato alle quali non si aveva un funzionamento operativo anche nelle prove sperimentali.Si è scelto quindi di definire un campo di velocità, concorde con quello utilizzato nella sperimantazione, tale da far risultare l’andamento del coefficiente A costante e quindi interpolabile con una retta. Definita quindi la legge che governa al meglio il comportamento del sensore si è analizzato il comportamento del sensore comprensivo di tutti i layer presenti realmente. I layer in questione sono quello protettivo e quello di contatto che, dopo aver appurato analiticamente la possibilità di trascurare la loro capacità termica, sono stati trattati come semplici resistenze. Successivamente sono stati svolti gli studi di sensibilità del sensore per individuare quali parametri presentavano un ruolo fondamentale ai fini del funzionamento e in che modo applicare le modifiche. Si è giunti alla conclusione che il layer da modificare era quello di contatto e in accordo ai vincoli strutturali e produttivi si è proposto un nuovo materiale per il layer di contatto e nuove dimensioni. Si è quindi rimodellizzato il sensore in ambiente Comsol e sono state svolte le simulazioni che hanno prodotto ottimi risultati in quanto si è arrivati alla caratterizzazione di un sensore più compatto e che offre valori di potenza termica dissipata 5 volte superiori.