Studio e progetto di un attuatore a rigidezza variabile rotativo

The use of service robot to assist human being has known a rapid technological and applicative development since the middle of last century. The possibility of interaction between robot and human opens new scenarios, which led the scientific community to revisit the concept of stiff actuation. In this regard, variable stiffness actuators (VSAs) can represent a promising technology, thanks to their inherent adjustment of the mechanical stiffness, force estimation and robustness to external perturbations in physical human-robot interacting scenarios. This work aims at presenting a VSA, employed to actuate an upper limb exoskeleton. VSA’s compliance is thought to allow residual movement to the patient. The actuator, which exploits a cam-based series elastic actuator that introduces the necessary non-linear stiffness, was analyzed under its geometrical and analytic aspects. in order to guarantee a correct working principle, it was necessary to optimize the structure, imposing constraints on the actuator geometry and sizing the prototype according to the specifications required by the application. Subsequently, with the aim of testing the actuator kinematics, this has been modeled in a Simulink environment, allowing to validate operating principles of the actuator in the time domain.

L’utilizzo dei robot a servizio dell’uomo ha conosciuto, a partire da metà del secolo scorso, un rapido sviluppo tecnologico e applicativo. Il fatto che il robot possa interagire con l’uomo apre nuovi scenari, che hanno spinto la comunità scientifica a rivisitare del concetto di attuazione rigida. A questo proposito, gli attuatori a rigidezza variabile possono rappresentare una tecnologia promettente, grazie alle loro caratteristiche intrinseche di regolazione della rigidezza meccanica, di misura della forza applicata e di robustezza alle perturbazioni esterne in situazioni di interazione fisica uomo-robot. Questo lavoro ha lo scopo di presentare un attuatore a rigidezza variabile, concepito per attuare un esoscheletro per arto superiore. Le caratteristiche di cedevolezza proprie del sistema di attuazione permettono di sfruttare la mobilità residua dell’arto, secondo una modalità assistiva. Il dispositivo, costituito da due attuatori antagonisti basati su un funzionamento a camma che introduce una rigidezza non lineare, è stato studiato a partire dalla geometria e dai suoi aspetti analitici di base. Per garantire un corretto funzionamento, si è reso necessario ottimizzare la struttura, imponendo dei vincoli alla geometria dell’attuatore, e dimensionando il prototipo secondo le specifiche richieste dall’applicazione. In seguito, con lo scopo di testare la cinematica dell’attuatore, questo è stato modellato in ambiente Simulink, permettendo di validare il funzionamento dell’attuatore nel dominio del tempo.