Modellistica e analisi delle prove sperimentali su un giunto robotico per applicazioni spaziali

Questo lavoro va collocato all’interno di un progetto molto ampio che coinvolge il Politecnico di Milano ed altri due enti esterni: ESA (European Space Agency), come commissionario del progetto e GALILEO AVIONICA, azienda italiana che opera nel settore aerospaziale e robotico, come progettista e realizzatore.
Oggetto di questo progetto è un innovativo robot da impiegarsi in applicazioni spaziali le cui caratteristiche principali sono quelle di essere costruito con l’impiego di componenti e soluzioni tecnologiche innovative al fine di poter garantire ottime prestazioni anche in condizioni estreme quali l’assenza di gravità. Le dimensioni del robot finale corrispondono a circa 1.20m di estensione totale ed una massa complessiva di 20Kg a fronte di una massa applicabile all’end-effector, in ambiente microgravitazionale, di 500Kg. Per la sua natura costruttiva questo oggetto assomiglia ad un braccio umano, per tale motivo i suoi componenti fondamentali sono i giunti, nei quali è concentrata gran parte dell’innovazione tecnologica del robot. I giunti si caratterizzano a livello costruttivo per dimensioni e massa estremamente ridotte a fronte di prestazioni considerevoli (coppia all’albero di uscita 100Nm); elettronica di comando, controllo e protezione interamente ospitata a bordo, permettendo il risparmio di notevole spazio e l’aumento dell’efficienza nello scambio dei dati; un foro sull’asse centrale di rotazione permette il passaggio di tutti i cavi necessari sia al giunto stesso sia quelli a valle nella catena cinematica; l’impiego di un sensore di coppia che permette di realizzare un sistema di controllo largamente indipendente dall’inerzia del carico applicato e di conseguenza sempre ugualmente efficace e altro ancora.
Questo progetto nasce qualche anno fa ed è suddiviso in tre fasi ognuna con un obiettivo: il primo è quello della stesura delle specifiche; il secondo è la realizzazione di un prototipo del giunto da applicare poi al robot completo ed il terzo è la realizzazione finale del robot e del suo sistema di controllo. Attualmente il progetto si trova tra la fine della seconda fase e l’inizio della terza, per cui è stato realizzato un prototipo del giunto e ci si accinge a costruire il robot completo con il relativo sistema di controllo. Per il progetto del giunto, ed in futuro del robot completo, ci si è avvalsi di un modello di simulazione realizzato dal Politecnico di Milano nel linguaggio Dymola-Modelica.
Obiettivo di questo lavoro è quello di analizzare i risultati delle prove sperimentali effettuate sul prototipo del giunto al fine di definirne le prestazioni ed identificarne i parametri fondamentali (attrito, ecc…) per poi poterli impiegare nel modello di simulazione che in futuro verrà utilizzato per la progettazione del sistema di controllo complessivo.
La struttura di questo lavoro è la seguente: nel primo capitolo è riportata una breve trattazione teorica riguardante modellistica e controllo di un servomeccanismo e la caratterizzazione delle sue prestazioni. Nel secondo e terzo capitolo è effettuata una descrizione del prototipo del giunto oggetto di analisi in questa tesina e dell’impianto sperimentale costruito ed utilizzato per la realizzazione delle prove su di esso. Nel quarto capitolo, parte centrale di questo lavoro, si sono analizzate le prove sperimentali effettuate al fine di identificare i parametri necessari alla validazione del modello e valutare le prestazioni del sistema. Nel quinto e ultimo capitolo si descrive brevemente il simulatore, si riportano e descrivono i controllori utilizzati per le prove sperimentali poi implementati sul modello Dymla-Modelica e si valida il modello con la replica di alcune delle prove sperimentali