Prototipazione polso robotico
ABSTRACT
The human wrist contributes considerably to the mobility of the arm-hand system, allowing the final effector to be oriented without imparting a significant translational movement, to make the kinematics more fluid and optimized. This thesis work aims at the mechanical and electronic design, in addition to the actual realization of the prototype, of a humanoid wrist capable of orienting the terminal grasping system. The system has been entirely designed based on the physiological movements of a human wrist, obviously considering the range of motion, which will be controlled by a series of Hall effect sensors, which will not allow these limits to be exceeded. We started from the design using a CAD (Computer-Aided Design) software capable of creating the three-dimensional components, which were then printed with the aid of 3D printers with FDM and SLA-LCD technology, using particular materials that are both elastic and resistant. For the electronic part, a board has been designed that can contain the microcontroller Arduino, 3 stepper motors, with the relative control drivers, which guarantee fluidity in the movements with a precision of 0,225°, making the system suitable both for very detailed operations and for rough jobs, exactly like the replicated human wrist. A NRF24L01 module has also been inserted inside the card which guarantees a stable radio connection allowing us, in future developments, to interface of the wrist control system with the central system, which can be placed several centimetres away as well as at 1,1 km, which represents the field of action of the chosen module. The results obtained from this prototype have been optimal and the applications can be spread in many fields, first of all the biomedical and prosthesis fields, but certainly any metallurgical field, combined with self-learning systems with artificial intelligence, cannot be excluded.
SOMMARIO
Il polso umano contribuisce notevolmente alla mobilità del sistema braccio-mano, permettendo di orientare l’effettore finale senza impartire un movimento traslatorio significativo, in modo da rendere il cinematismo più fluido e ottimizzato. Questo lavoro di tesi mira alla progettazione meccanica ed elettronica, oltre all'effettiva realizzazione del prototipo, di un polso umanoide capace di orientare il sistema di afferràggio terminale. Il sistema è stato interamente progettato basandosi sui movimenti fisiologici di un polso umano, considerando in particolar modo i range di movimento, che saranno controllati da una serie di sensori ad effetto Hall, che non permetteranno il superamento di tali limiti. Si è partiti dalla progettazione tramite un software CAD (Computer-Aided Design) capace di realizzare le componenti tridimensionali, le quali sono poi state stampate tramite l'ausilio di stampanti 3D con tecnologia FDM e SLA-LCD, utilizzando dei particolari materiali che risultino al contempo elastici e resistenti. Per la parte elettronica è stata progettata una scheda in grado di contenere il microcontrollore Arduino, tre stepper Motors con i relativi driver di controllo, che garantiscono fluidità nei movimenti con una precisione di 0,225°, rendendo il sistema adatto sia ad operazioni molto minuziose, sia a lavori grossolani, esattamente come il polso umano replicato. All'interno della scheda è stato inoltre inserito un modulo NRF24L01 il quale garantisce una connessione radio stabile permettendoci, negli sviluppi futuri, di interfacciare il sistema di controllo del polso, con il sistema centrale, il quale potrà essere posizionato a diversi centimetri di distanza come anche ad 1,1 km, che rappresenta proprio il campo d’azione del modulo scelto. I risultati ottenuti da tale prototipo sono stati ottimali e le applicazioni possono essere diffuse in moltissimi campi, primo tra tutti quello Biomedicale e delle protesi, ma sicuramente non è da escludere un qualsiasi campo metallurgico, unito a sistemi di autoapprendimento con intelligenza artificiale.
Introduzione
L'orientamento spaziale di un effettore finale come una mano, una pinza o qualsiasi altro oggetto che debba essere direzionato, è strettamente legato alla capacità di eseguire un'attività desiderata ed in questo contesto, come ben citato in nell’articolo di M. Bajaj1 , quasi tutti i bracci robotici e protesici incorporano un qualche tipo di polso per asserire a tale scopo. Nonostante ciò, però, sia la comunità accademica che quella industriale hanno avuto la tendenza a porre maggiore attenzione allo sviluppo degli stessi effettori finali, piuttosto che concentrarsi sui sistemi di orientamento come i polsi. Recenti studi, però, hanno dimostrato che una maggior destrezza della parte terminale del braccio può contribuire maggiormente alla capacità di manipolazione rispetto a un dispositivo polso limitante. L'obiettivo di questo lavoro di tesi sarà appunto quello di andare a ricoprire determinate lacune in modo da poter creare un prototipo funzionale e con dimensioni paragonabili a quelle di un polso umano in modo da essere sufficientemente preciso e veloce da poter concorrere con il suo originale rivale, per poter essere utilizzato in qualsiasi ambito, ma principalmente in quello robotico e protesico. Per la realizzazione di tale componenti si è innanzitutto venuti a conoscenza dei più comuni software di disegno 3D, i quali hanno gettato le fondamenta per la successiva realizzazione tramite delle macchine CNC delle varie componenti perfettamente dimensionate, utilizzando opportuni materiali, che fossero al contempo precisi, resistenti e leggermente elastici. Una volta realizzate le componenti l'obiettivo è stato quello di gestire i vari DOF2 , compito asserito da una serie di motori passo-passo, i quali saranno di seguito studiati. Per quanto riguarda il controllo delle posizioni e quindi dei non superamenti dei limiti imposti sia dalla meccanica che dalla anatomia, si sono utilizzati dei sensori ad effetto Hall, i quali saranno anch'essi studiati nei capitoli successivi. La parte di controllo è avvenuta successivamente tramite un microcontrollore posizionato su uno scheda elettronica realizzata ad hoc per contenere le varie componenti necessarie e immergersi alla perfezione negli spazi disponibili, il tutto è stato poi alimentato tramite una batteria Li-Po. Al momento della stesura di tale elaborato ancora non è stato previsto un sistema di controllo, ma il tutto potrà poi successivamente essere ampliato con un'ulteriore studio utilizzando dei sensori per l'analisi dei parametri fisiologici come l’elettromiografia (EMG) e l’elettroencefalografia (EEG), e l’osservazione dei parametri cinetici, come forza e pressione.
