Progetto Ed Ottimizzazione Di Forma Di Un Dispositivo Cedevole A Forza Costante

Nell’ambito della progettazione di dispositivi per la manipolazione di parti, la regolazione della forza di contatto rappresenta un problema di notevole rilevanza, specialmente nel caso di interazione con oggetti fragili o altamente flessibili. Nella pratica, i grippers industriali sono spesso equipaggiati con architetture di controllo anche complesse e con opportuni apparati sensoriali (e.g. sensori di forza o pressione), il cui scopo è quello di mantenere le forze di contatto ad un valore prefissato. Tali sistemi meccatronici consentono una notevole flessibilità ma, al contempo, possono risultare inadeguati o estremamente costosi in applicazioni per oggetti di piccole dimensioni (e.g. micro-scala). In questo caso, un’interessante alternativa alla regolazione attiva della forza è rappresentata dall’impiego di strutture cedevoli (compliant mechanisms [1,2]) appositamente progettate in modo da garantire una forza di reazione quasi-costante a fronte di spostamenti imposti di rilevante entità [3]. Alla luce di tali considerazioni, l’obiettivo di questa memoria è descrivere la progettazione di un meccanismo cedevole ad un grado di libertà caratterizzato da rigidezza limitata (idealmente nulla) all’interno di un ampio range di funzionamento. La metodologia progettuale si compone di due steps concettuali: 1) nel primo step, una soluzione sub-ottima viene ricavata utilizzando soluzioni note da letteratura e basate sull’utilizzo di modelli pseudo-rigidi a parametri concentrati [1]. Il risultato di questa prima fase è mostrato in Figura 1a, che riporta la geometria di un meccanismo flessibile (composto da tre cerniere elastiche), in grado di fornire una forza costante per limitati valori di spostamento imposto.2) nel secondo step, la soluzione precedente viene ulteriormente ottimizzata, utilizzando una singola struttura trabeiforme. Tale struttura è caratterizzata da spessore continuamente variabile e da asse neutro la cui forma è descritta da una funzione spline. In questa seconda fase, la geometria ottimale viene determinata utilizzando una procedura iterativa basata su uno script di Matlab e successive simulazioni FEM realizzate mediante il software Ansys APDL. Rispetto al design a cedevolezza concentrata, il dispositivo a cedevolezza distribuita, presentato in Figura 1b, garantisce la costanza della forza a fronte di un notevole incremento del range di funzionamento ammissibile. I risultati delle simulazioni sono confermati mediante sperimentazione su prototipi fisici realizzati in stampa 3D (vedi Figura 2a). Infine, Figura 2b riporta il design concettuale di un micro-gripper basato sull’utilizzo di quattro strutture a forza costante. [1] Howell, L. L., 2001. Compliant mechanisms. John Wiley & Sons. [2] Berselli, G., Guerra, A., Vassura, G., and Andrisano, A.O., 2014. “An engineering method for comparing selectively compliant joints in robotic structures”. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 19(6), pp. 1882–1895. [3] Liu, Y., and Xu, Q., 2017. “Design of a 3D-printed polymeric compliant constant-force buffering gripping mechanism”. IEEE ICRA International Conference on Robotics and Automation, pp. 6706–6711.