Design of a 6-DoFs parallel kinematic manipulator for hardware in the loop simulations: synthesis, calibration and control

The aim of this research is to present the methodology developed for designing a 6-DoF parallel manipulator. The robot is supposed to replicate the motion of the floater of an offshore wind turbine, under the combined effect of the wave motion and of the wind flow. This activity is part of an Horizon 2020 project called LIFES50+, whose aim is to derive some guidelines for the design of innovative floating structures for offshore wind turbines with a generated power of 10MW, located in water depths higher than 50m. As partner of the project, Politecnico di Milano is in charge of performing some experimental tests on an aero-elastic scale model of a wind turbine inside the wind tunnel. The tests follow a hardware-in-the-loop approach. As a matter of fact, the directives on how the robot is supposed to move are generated in real-time on the basis of an algorithm which integrates the model the hydrodynamics of the floater, and whose inputs are the forces and moments recorded by means of a 6-axes load cell located between the robot and the scale model. Given the peculiarity of the application, the overall design process is a challenging task, since the robot is required to have high performances both in terms of dynamic response and structural properties while keeping limited dimensions. This leads to the development of specific tools whose aim is to guide the designer in all the phases of the project, from the choice of the proper robotic topology up to its deployment. These tools are characterized by a general validity, which makes them suitable to be employed in the development of a generic robotic platform. In addition, the complex interaction mechanism between the turbine, the hydrodynamics model and the robot, require the development of appropriate control logics to guarantee the correct communication with the other components while preserving safety. The last part of this work is indeed devoted to present the software architectures that will be used for the experimental tests.

Lo scopo di questa ricerca è di presentare la metodologia sviluppata per la progettazione di un manipolatore a cinematica parallela a 6 gradi di libertà. Il robot deve replicare il movimento del galleggiante di una turbina eolica offshore, sotto l'effetto combinato del moto ondoso e del flusso del vento. Questa attività fa parte di un progetto Horizon 2020 denominato LIFES50+, il cui scopo è quello di ricavare alcune linee guida per la progettazione di strutture galleggianti innovative per turbine eoliche offshore con una potenza generata di 10 MW, da posizionare in siti con una profondità del fondale superiore a 50 m. Come partner del progetto, il Politecnico di Milano è incaricato di eseguire alcuni test sperimentali su un modello aerodinamico in scala di una turbina eolica all'interno della galleria del vento. I test seguono un approccio di tipo hardware-in-the-loop. Pertanto, le direttive su come si suppone che il robot debba muoversi sono generate in tempo reale sulla base di un algoritmo che integra il modello dell'idrodinamica del galleggiante e i cui input sono le forze e i momenti misurati per mezzo di una cella di carico a 6 assi situata tra il robot e il modello di turbina. Data la particolarità dell'applicazione, il processo di progettazione complessivo si configura come una sfida alquanto impegnativa, poiché il robot deve avere elevate prestazioni sia in termini di risposta dinamica che di proprietà strutturali, pur mantenendo dimensioni limitate. Questo porta allo sviluppo di strumenti specifici il cui scopo è guidare il progettista in tutte le fasi del progetto, dalla scelta della corretta topologia robotica fino alla sua implementazione. Questi strumenti sono caratterizzati da una validità generale, che li rende adatti per essere impiegati nello sviluppo di una piattaforma robotica generica. Inoltre, il complesso meccanismo di interazione tra la turbina, il modello idrodinamico e il robot, richiede lo sviluppo di appropriate logiche di controllo per garantire la corretta comunicazione con gli altri componenti garantendo in ogni caso il rispetto dei requisiti di sicurezza. L'ultima parte di questo lavoro è pertanto dedicata alla presentazione delle architetture software che verranno utilizzate per i test sperimentali.