Progettazione di un robot parallelo di pura traslazione a tre gradi di libertà di tipo 3-PRPR
Autore
Elena Poluzzi - Università degli Studi di Bologna - [2002-03]
Documenti
Abstract
Da anni i manipolatori paralleli hanno suscitato notevole interesse da parte di aziende e ricercatori, grazie a proprietà quali elevata rigidezza, eccellenti prestazioni dinamiche ed alto valore del rapporto tra carico manipolabile e peso complessivo del robot.
E’ quindi evidente come risultino particolarmente indicati in applicazioni che richiedano alte prestazioni dinamiche (in termini di velocità e accelerazione raggiungibili dall’elemento terminale), oppure un alto standard di precisione, data la possibilità di progettare meccanismi particolarmente rigidi.
All’interno di questa famiglia di manipolatori, hanno attirato recentemente l’attenzione dei ricercatori i manipolatori paralleli la cui piattaforma possiede meno di sei gradi di libertà ed in particolare quelli di pura traslazione: ci si riferisce a questa tipologia con l’acronimo TPM (translational parallel mechanism).
Obiettivo del presente lavoro è la progettazione del prototipo di un manipolatore parallelo di pura traslazione, costituito da tre gambe di tipo PRPR: allo stato attuale, pur essendo state individuate e classificate diverse tipologie di manipolatori TPM, non sono stati costruiti esemplari riconducibili a questa particolare tipologia . Alla base della progettazione vi sono gli studi di ricerca portati a termine nell’ambito della Facoltà di Ingegneria Meccanica dell’Università degli Studi di Bologna, che hanno fornito le analisi cinematica e dinamica ed un primo progetto costruttivo, fondamentali per la realizzazione della presente Tesi di Laurea.
Nel tentativo di ottimizzare il rapporto tra volume dello spazio di lavoro e volume di ingombro del manipolatore, è stato necessario rimettere in discussione la disposizione spaziale dei membri che lo costituiscono, ottenendo alcune soluzioni degne di nota. Nell’ambito dell’analisi della singola gamba, sono state considerate e illustrate alcune possibili ipotesi costruttive, in relazione alle soluzioni tecnologiche attualmente disponibili.
Una volta illustrata la metodologia progettuale ed individuate le specifiche di progetto, si entra nel merito del dimensionamento del manipolatore, basato sull’ analisi statica: in una prima fase sono stati eseguiti alcuni semplici calcoli manuali, con il solo scopo di ottenere un dimensionamento di massima, essenziale per la realizzazione del un modello tridimensionale necessario per la successiva analisi agli Elementi Finiti.
Viene in seguito trattato il progetto costruttivo del manipolatore, a partire dai dati forniti dall’ Analisi Cinetostatica, necessaria al dimensionamento dei componenti commerciali per la realizzazione delle coppie cinematiche. Questo ha consentito la realizzazione del disegno d’insieme del robot; eventuali modifiche apportate al modello (dovute ad esempio alla non aderenza tra dimensioni di ingombro ipotizzate e reali dei componenti commerciali), sono state opportunamente prese in considerazione, valutandone gli effetti sulle caratteristiche di resistenza statica e sulle prestazioni dinamiche. Una volta determinati gli effettivi ingombri degli elementi costituenti il manipolatore, nonché i materiali che li costituiscono, è stato possibile ottenere la potenza richiesta agli attuatori, ultima fase di una metodologia progettuale inevitabilmente iterativa.
E’ quindi evidente come risultino particolarmente indicati in applicazioni che richiedano alte prestazioni dinamiche (in termini di velocità e accelerazione raggiungibili dall’elemento terminale), oppure un alto standard di precisione, data la possibilità di progettare meccanismi particolarmente rigidi.
All’interno di questa famiglia di manipolatori, hanno attirato recentemente l’attenzione dei ricercatori i manipolatori paralleli la cui piattaforma possiede meno di sei gradi di libertà ed in particolare quelli di pura traslazione: ci si riferisce a questa tipologia con l’acronimo TPM (translational parallel mechanism).
Obiettivo del presente lavoro è la progettazione del prototipo di un manipolatore parallelo di pura traslazione, costituito da tre gambe di tipo PRPR: allo stato attuale, pur essendo state individuate e classificate diverse tipologie di manipolatori TPM, non sono stati costruiti esemplari riconducibili a questa particolare tipologia . Alla base della progettazione vi sono gli studi di ricerca portati a termine nell’ambito della Facoltà di Ingegneria Meccanica dell’Università degli Studi di Bologna, che hanno fornito le analisi cinematica e dinamica ed un primo progetto costruttivo, fondamentali per la realizzazione della presente Tesi di Laurea.
Nel tentativo di ottimizzare il rapporto tra volume dello spazio di lavoro e volume di ingombro del manipolatore, è stato necessario rimettere in discussione la disposizione spaziale dei membri che lo costituiscono, ottenendo alcune soluzioni degne di nota. Nell’ambito dell’analisi della singola gamba, sono state considerate e illustrate alcune possibili ipotesi costruttive, in relazione alle soluzioni tecnologiche attualmente disponibili.
Una volta illustrata la metodologia progettuale ed individuate le specifiche di progetto, si entra nel merito del dimensionamento del manipolatore, basato sull’ analisi statica: in una prima fase sono stati eseguiti alcuni semplici calcoli manuali, con il solo scopo di ottenere un dimensionamento di massima, essenziale per la realizzazione del un modello tridimensionale necessario per la successiva analisi agli Elementi Finiti.
Viene in seguito trattato il progetto costruttivo del manipolatore, a partire dai dati forniti dall’ Analisi Cinetostatica, necessaria al dimensionamento dei componenti commerciali per la realizzazione delle coppie cinematiche. Questo ha consentito la realizzazione del disegno d’insieme del robot; eventuali modifiche apportate al modello (dovute ad esempio alla non aderenza tra dimensioni di ingombro ipotizzate e reali dei componenti commerciali), sono state opportunamente prese in considerazione, valutandone gli effetti sulle caratteristiche di resistenza statica e sulle prestazioni dinamiche. Una volta determinati gli effettivi ingombri degli elementi costituenti il manipolatore, nonché i materiali che li costituiscono, è stato possibile ottenere la potenza richiesta agli attuatori, ultima fase di una metodologia progettuale inevitabilmente iterativa.
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