Design and development of a 6 DoFs parallel kinematic machine for a dynamic simulator

The dynamic simulator market experienced a considerable expansion recently, since the 1970's, both in industrial field and entertaining one. In both the fields high dynamic performances are required but while simulators designed for entertainment give priority to reduced bulkiness, the industrial ones are typically characterized by wide workspaces, in order to realize prolonged accelerations resulting in more realistic motion simulations. The possible use of industrial driving simulators can be very diversified: in automotive and aerospace fields with studies on human reactions, pilot training, or tests on autonomous vehicles control logics, but also in civil field with seismic and wave motion simulations. Complex robotic systems are necessary to perform similar tasks, but nowadays their development results often related to experience based and "trial and error" methods, which are difficult to be generalised and do not lead to optimal solutions. The aim of this thesis is to provide a possible design methodology for a parallel robot with 6 degrees of freedom, to be used for dynamic simulation. That methodology will be applied to design a highly performing driving simulator, because of the predominance of applications in automotive field and the necessity of a mission to pursue in order to develope an optimal solution. The work starts from the architecture choice based on technical specifications; successively the kinematic and dynamic model of the system is developed, together with an optimization process of the geometrical parameters intended to maximize the workspace, through a genetic algorithm. The analytical model of the system is then used to perform the actuators' sizing and to characterise the single degree of freedom robot performances. Finally, considering the actual use of the machine, namely exploiting more than one degree of freedom at time, the most critical working conditions are defined, and this allows to identify the forces necessary for mechanical components' sizing and to characterise the overall performances of the robot. In conclusion, is presented the realisation, through 3D printing, of a low cost robot scaled model that in future could be used to verify the effectiveness of the model and of the methodology developed, as well as, as a test bench for the control.

Il mercato dei simulatori dinamici ha subito un importante sviluppo nel periodo più recente, a partire dagli anni settanta, sia nell'ambito industriale sia in quello dell'intrattenimento. In entrambi gli ambiti sono richieste elevate prestazioni dinamiche, ma mentre i simulatori progettati per l'intrattenimento privilegiano ingombri ridotti, quelli industriali sono solitamente caratterizzati da ampi spazi di lavoro, in modo da realizzare accelerazioni prolungate, consentendo simulazioni più realistiche. I possibili utilizzi di simulatori industriali possono essere tra i più svariati: nel campo automobilistico o aeronautico, con studi sulle reazioni umane, la preparazione di piloti, o il test di logiche di controllo per la guida autonoma, ma anche nel campo civile con simulazioni sismiche e del moto ondoso. Per poter assolvere a compiti simili sono necessari complessi sistemi robotici, il cui sviluppo al giorno d'oggi risulta spesso legato all'esperienza e a metodi "prova e sbaglia", difficilmente generalizzabili e che non portano a una soluzione ottima. L'obiettivo di questa tesi è quello di proporre una possibile metodologia per la progettazione di un robot parallelo a 6 gradi di libertà, da utilizzarsi per la simulazione dinamica. Tale metodologia sarà utilizzata per la progettazione di un simulatore di guida altamente performante, vista la predominanza del campo automobilistico in questo campo e vista la necessità di una missione da perseguire per poter sviluppare una soluzione ottima. Il lavoro parte dalla scelta dell'architettura basata sulle specifiche tecniche; successivamente viene sviluppato il modello cinematico e dinamico del sistema, insieme con un processo di ottimizzazione dei parametri geometrici volto a massimizzare lo spazio di lavoro, tramite un algoritmo genetico. Il modello analitico del sistema viene poi utilizzato per dimensionare gli attuatori e caratterizzare le performance del robot relative a ciascun grado di libertà. Infine considerando l'effettiva modalità di utilizzo della macchina, ovvero l'azione contemporanea su più gradi di libertà, si definiscono attraverso un approccio statistico le condizioni di funzionamento più critiche, il che consente di identificare le forze necessarie al dimensionamento dei componenti meccanici e caratterizzare le effettive performance del robot. In conclusione si presenta la realizzazione, tramite stampa 3D, di un modello in scala del robot dal costo contenuto, che in futuro potrà essere utilizzato per verificare la bontà del modello e della metodologia sviluppata oltre che come banco prova per il controllo.