Design and development of a continuous rotation VSA

In the past decade robots have increased their presence in industrial environments until becoming almost essential/indispensable. They have evolved fast and widely and, nowadays, can perform every kind of task. The main characteristics of industrial robots have been precision and repeatability, features which can be achieved thanks to a rigid actuator and which are essential for industrial use where human presence is not contemplated. In order to join human everyday life and to be able to work side by side with people, robot focus has been shifted from precision to safety and from repeatability to adaptability. This led to the birth of Collaborative Robots (Cobots), which are able to assist humans and to collaborate with them. Nowadays Cobots are an expanding reality and their core is represented by a modified version of a robot rigid actuator called Variable Impedance Actuator. VIAs are devices characterized by a routine or a physical mechanism which allows Cobots to interact with humans without exposing them to risk/ without putting them at risk. Among all VIAs models, the one in which the impedance is represented by a mechanical spring is called Variable Stiffness Actuator. The aim of this thesis is the design, both mechanical and software, and the realization of a low cost VSA able to adapt to as many circumstances as possible. Starting from a mathematical dissection of the ideal situation, the prototype is analysed divided into modules in order to allow easy replacements and further re-designs. The mechanical design starts from the motor group and continues through the actuator, the springs system and, finally, the belt group. The hardware devices are chosen and deeply analysed in order to implement the control action. Finally, the prototype is realized through 3D printing and its behaviour is compared with the initial results of the mathematical analysis.

Negli ultimi decenni la presenza di robot in ambito industriale è aumentata fino a diventare quasi indispensabile. Si sono evoluti rapidamente in ogni ambito fino a diventare in grado di svolgere ogni genere di compito. Le caratteristiche principali dei robot industriali sono la precisione e la ripetibilità, qualità che possono essere raggiunte grazie all’utilizzo di un attuatore rigido e che sono essenziali in uso industriale dove la presenza umana non è contemplata. Per poter entrare a far parte della quotidianità umana ed essere in grado di lavorare fianco a fianco con le persone, il focus dei robot si è spostato dalla precisione alla sicurezza e dalla ripetibilità alla adattabilità. Ciò ha portato alla nascita dei Robot Collaborativi (Cobot), i quali sono in grado di assistere l’uomo e di collaborare con lui. Al giorno d’oggi i cobot sono una realtà in espansione e le loro caratteristiche essenziali sono garantite da una versione modificata dell’attuatore rigido tipico dei robot, chiamato Attuatore ad Impedenza Variabile (VIA). I VIA sono dispositivi caratterizzati da una routine o un meccanismo fisico che permette ai cobot di interagire con l’uomo, senza essere un rischio per la sua sicurezza. Tra i vari modelli di VIA, quello in cui l’impedenza è rappresentata da una molla meccanica è chiamato Attuatore a Rigidezza Variabile (VSA). L’obiettivo della tesi è lo sviluppo, sia meccanico che a livello di software, e la realizzazione di un VSA a basso costo capace di adattarsi a più situazioni possibili. Partendo da uno studio matematico della situazione ideale, il prototipo è analizzato diviso in moduli per permettere di assemblare facilmente le parti di ricambio o future implementazioni. La progettazione meccanica inizia con il gruppo del motore e continua attraverso l’attuatore, il sistema di molle e il gruppo cinghia. I dispositivi che compongono l’hardware sono scelti e analizzati nel dettaglio per sviluppare l’azione di controllo. Infine, il prototipo è stato realizzato attraverso la stampa 3D e il suo comportamento è stato confrontato con i risultati dell’analisi matematica.