Industrial Automation for Unconventional Applications

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1 XXIII Ciclo di Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata Relazione Terzo Anno Industrial Automation for Unconventional Applications Curriculum: Robotica e Automazione Industriale Coordinatore: Prof. Giovanni Legnani Tutore: Prof. Rodolfo Faglia Dottoranda: Cinzia Amici Università degli Studi di Brescia

2 Struttura della presentazione Attività secondarie di ricerca Collaborazioni e progetti Pubblicazioni Sviluppi futuri Cinzia Amici Relazione Secondo Anno XXIII Ciclo di Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata 2

3 Struttura della presentazione Attività secondarie di ricerca Collaborazioni e progetti Pubblicazioni Sviluppi futuri Cinzia Amici Relazione Secondo Anno XXIII Ciclo di Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata 3

4 Automazione Industriale per Applicazioni Speciali Robotica parallela per lavorazioni di precisione Biomeccatronica Mini-manipolatori TRIPOD SPIDER BIOROBOT 4

5 Spider: Mini-manipolatore flessibile, ad architettura parallela, attuato mediante fili a memoria di forma o attuatori piezoelettrici, caratterizzato da cerniere flessionali; 5

6 Spider: implementazione in ambiente Maple Analisi cinematica di Spider: robot flessibile, ad architettura parallela, attuato mediante fili a memoria di forma o attuatori piezoelettrici, caratterizzato da cerniere flessionali; Analisi dinamica del robot; 6

7 Spider: implementazione in ambiente Maple Analisi cinematica di Spider: robot flessibile, ad architettura parallela, attuato mediante fili a memoria di forma o attuatori piezoelettrici, caratterizzato da cerniere flessionali; Analisi dinamica del robot; Leggi di moto agli attuatori: Modelli delle cerniere flessionali: Acc. Costante Acc. Trapezia con disturbo casuale Andamento delle forze esterne: Modello 1 Modello 2 Costanti In funzione del tempo 7

8 Spider: implementazione in ambiente MATLAB Definizione del WS ideale della struttura; Determinazione del WS reale (cerniere flessionali). 8

9 Spider: implementazione in ambiente MATLAB Definizione del WS ideale della struttura; Determinazione del WS reale (cerniere flessionali). 9

10 Biorobot: progettazione di una spalla biomeccanica Identificazione del modello del complesso articolare della spalla soggetto a forzanti impulsive; 10

11 Biorobot: analisi dei dati 11

12 [m] Biorobot: risultati sperimentali e validazione del modello # Parametro Val ottimale variazione (~10%) sigma dopo la variazione peggioramento 1 m kg ±0.05 kg 35.5 mm/s +2.7 mm/s (+8 2 c1 265 Ns/m ±25 Ns/m 48.9 mm/s mm/s (+4 3 k1 0 N/m ±50 N/m 33.0 mm/s +0.2 mm/s (+1 4 m kg ±0.15 kg 33.0 mm/s +0.2 mm/s (+1 5 c2 171 Ns/m ±25 Ns/m 38.3 mm/s +5.5 mm/s (+1 6 k2 0 N/m ±50 N/m 32.9 mm/s +0.1 mm/s (+0 7 s m ±0.005 m 43.4 mm/s mm/s ( Sigma ottimale 32.8 mm/s Spostamento misurato Spostamento simulato tempo [s] 12

13 TRIPOD: Robotica parallela per lavorazioni di precisione Approccio Cinematico Approccio Dinamico 13

14 TRIPOD: Approccio dinamico Modellizzazione del dispositivo Sviluppo del sistema di controllo (in posizione) del microposizionatore Equazione caratteristica del sistema: R m 0 0 h ka 0 0 h FA R Ix 0 = 0 R R 0 k B 0 1 R + 0 R R FB I y 0 0 kc F R R R R C R 3 R 1 R R Accelerazione del sistema: X = M ( R F R ) + M R F 1 T 1 e Identificazione delle matrici del sistema nello spazio degli stati Identificazione FdT del sistema: s ^ e007 s ^ e007 s ^ e PLTtf 0 s ^ e007 s ^ e s ^ e007 s ^ e007 s ^ e007 14

15 TRIPOD: Approccio dinamico Modellizzazione del dispositivo Sviluppo del sistema di controllo (in posizione) del microposizionatore PID in configurazione non interagente Kp Td 1/Ti R1 1*10^16 5*10^-8 1 R2 2*10^14 8*10^-8 1 R3 3.5 *10^14 8*10^-8 1 Disaccoppiatore ideale in avanti 15

16 TRIPOD: Approccio cinematico Analisi dell architettura cinematica del robot Studio del comportamento cinematico del manipolatore Tilt & Torsion Identificazione dell asse mobile attorno cui avviene la rotazione 16

17 TRIPOD: Approccio cinematico Analisi dell architettura cinematica del robot Studio del comportamento cinematico del manipolatore Studio cinematico diretto approccio geometrico, con il calcolo del baricentro della piattaforma come Punto di Fermat del tiangolo individuato dalle proiezioni dei carrelli sul piano superiore della piattaforma. Studio cinematico diretto approccio no torsion, con il calcolo del baricentro della piattaforma mediante le variabili Tilt & Torsion (Bonev, I.A., "Geometric Analysis of Parallel Mechanisms," Ph.D. thesis, Laval University, Quebec, QC, Canada, November 2002). Studio cinematico inverso mediante inversione delle formule individuate nell analisi diretta attraverso l approccio geometrico. Studio cinematico inverso mediante Algoritmo Genetico. Studio cinematico inverso approccio no torsion, con il calcolo del baricentro della piattaforma mediante le variabili Tilt & Torsion (Bonev, I.A., "Geometric Analysis of Parallel Mechanisms," Ph.D. thesis, Laval University, Quebec, QC, Canada, November 2002). 17

18 Calcolo dell errore negli algoritmi di Cinematica Diretta (approccio geometrico e no torsion ) Con valori costanti di h2 Con valori costanti di h1 Con valori costanti di h3 Errore massimo: e-008 µm (per h1, h2 ed h3) 18

19 Calcolo dell errore negli algoritmi di Cinematica Diretta e Inversa implementati (approccio no torsion ) Con valori costanti di h2 Con valori costanti di h1 Con valori costanti di h3 Errore massimo: e-005 µm (per h1, h2 ed h3) 19

20 Offset orizzontale concesso al baricentro della piattaforma in caso di spessore nullo 20

21 Struttura della presentazione Attività secondarie di ricerca Collaborazioni e progetti Pubblicazioni Sviluppi futuri 21

23 Partecipazione a corsi, convegni e seminari: Attività secondarie di ricerca Esperienze e prospettive di Biomeccanica presso la dell Università di Brescia : giornata di studio, Università degli Studi di Brescia,, Brescia, 30 Novembre Maple 11 Base e Maple 11 Advanced : corso, Università degli Studi di Brescia,, Brescia, 6 e 7 Marzo Pro/ENGINEER (Pro/E) versione Wildfire 3.0 : corso, Università degli Studi di Brescia,, Brescia, 17, 18, 19, 20 e 21 Marzo Smart Sensors Systems Design : seminario, Università degli Studi di Brescia,, Brescia, 8 Aprile Programmazione fuori linea : convegno SIRI con mostra di affiancamento,, Modena, 10 Aprile 2008 Corso nazionale automazione e robotica 2008 : corso SIRI,, Bergamo, 21,28 Maggio e 4, 18, 25 Giugno Tecniche avanzate di controllo ottimo e controllo robusto, Corso di formazione (TCN), Orbassano, Ottobre Umanoidi: trasferimento tecnologico e applicazioni : conferenza (SIRI), Milano, 21 Novembre Metodi e strategie per la pianificazione della sperimentazione in ambito scientifico e industriale : corso trasversale per i dottorandi dell ateneo, Università degli Studi di Brescia,, Brescia, 8 12 Giugno Workshop Rover Lunare : convegno (ASI), Roma, 1 e 2 Luglio Screw-Theory Based Methods in Robotics : International Summer School, Università di Genova, Agosto Bioingegneria per le neuroscienze cognitive : XXVIII Scuola Annuale, Gruppo Nazionale di Bioingegneria, Università degli Studi di Padova, Bressanone, 7 11 Settembre Partecipazione a IV Congresso Nazionale S.I.R.A.S. : congresso, Pavia, 26 e 27 Novembre Partecipazione a Neuroriabilitazione Robotica dell arto superiore : corso, IIT, Genova, 14 e 15 Dicembre Partecipazione a Autonomous Sensors Course : Graduate Course at the University of Brescia (Technology for Helth), Università degli Studi di Brescia, Brescia, 8 e 9 Marzo

26 Collaborazioni e progetti Collaborazione didattica nell ambito del settore disciplinare di meccanica applicata alle macchine (esercitazioni frontali, supporto alla stesura e alla correzione di elaborati) per gli anni accademici 2007/2008, 2008/2009 e 2009/2010. Collaborazione al corso di Biomeccanica, nell ambito del Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria dell Automazione Industriale per l anno accademico 2007/2008. Attività di revisore per IEEE International Conference on Robotic and Automation, May 4-8, 2010, Anchorage, Alaska, USA. Membro del comitato organizzatore di Mechatronics based Rehabilitation at Home (MRH), Conferenza Internazionale inserita nel progetto europeo Innovation 4 Welfare, Università degli Studi di Brescia,, 30 Settembre Correlazione alla tesi Banco prova differenziale per sistemi a dinamica impulsiva, L. Signoroni, Laurea di II livello in Ingegneria Meccanica, Febbraio Correlazione alla tesi Analisi e valutazione di un modello cinematico del complesso articolare della spalla per il calcolo dello spazio di lavoro del braccio, C.A. Seneci, Laurea di I livello in Ingegneria dell Automazione Industriale, Settembre Correlazione alla tesi Sviluppo di un sw per il controllo di un dispositivo a 3 g.d.l. azionato mediante attuatori piezoelettrici, D. Barbieri, Laurea di I livello in Ingegneria dell Automazione Industriale, Settembre Partecipazione al progetto Biorobot in collaborazione con il, Università degli Studi di Brescia,. Partecipazione al progetto Integ Micro in collaborazione con il, Università degli Studi di Brescia,. Frequenza al corso Costruzione di Macchine A (codice 12147, modulo 1119), Prof. Donzella, Università degli Studi di Brescia,. 26

29 Pubblicazioni Riviste Internazionali C. Amici, A. Borboni, R. Faglia, A Compliant PKM Mesomanipulator: Kinematic and Dynamic Analyses, Advances in Mechanical Engineering, Hindawi Publishing Corporation, 30 Settembre Congressi Internazionali M. Lancini, C. Amici, C. Breda, Measurement Techniques and Characterization of High Speed Moving Objects, AMME 14, Il Cairo, 25, 26 e 27 Maggio C. Amici, A. Borboni, R. Faglia, D. Fausti, P. L. Magnani, A Parallel Compliant Meso-Manipulator for Finger Rehabilitation: Kinematic and Dynamic Analysis, IROS 2008, Nizza, 22, 23, 24, 25 e 26 Settembre C. Amici, A. Borboni, P. L. Magnani, D. Pomi, Kinematic Analysis of a Compliant, Parallel and Three-Dimensional Meso-Manipulator Generated from a Planar Structure, EUCOMES 2008, Cassino 17, 18 e 19 Settembre C. Amici, A. Borboni, P. L. Magnani, D. Pomi, Dynamic Analysis of a Compliant, Parallel and Three-Dimensional Meso-Manipulator Generated from a Planar Structure EUCOMES 2008, Cassino 17, 18 e 19 Settembre Congressi Nazionali A. Merlo, F. Taddei, F. Aggogeri, C. Amici, M. Baù, R. Faglia, V. Ferrari, M. Mazzola, N. Pellegrini, D. Pomi, Sistemi meccatronici di nuova concezione per micro posizionamenti in lavorazioni UHP (Ultra High Precision), Coordinamento della Meccanica Italiana, Palermo, 20, 21 e 22 Giugno 2010 Libri C. Amici, Dynamic modelling of industrial robots Chapter 6, in A. Borboni, R. Faglia, Parasitic Phenomena in the Dynamics of Industrial Devices, CRC Press Taylor & Francis Group, ISBN , USA. (Accepted project, Publication date: June 15, 2011). 29

32 Sviluppi futuri Spider Ottimizzazione degli algoritmi di gestione della dinamica del robot; Biorobot Realizzazione del sistema; Tripod Analisi dinamica del manipolatore mediante l approccio Tilt & Torsion; Campagna di prove sperimentali per la validazione dei modelli implementati negli algoritmi; Realizzazione del controllore. 32

33 XXIII Ciclo di Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata Relazione Terzo Anno Industrial Automation for Unconventional Applications Curriculum: Robotica e Automazione Industriale Dottoranda: Cinzia Amici Coordinatore: Tutore: Prof. Giovanni Legnani Prof. Rodolfo Faglia Università degli Studi di Brescia