Feasibility study and design of a robot for wind tunnel measurements

Politecnico di Milano wind tunnel is an excellent structure for the study of the aerodynamics of bodies, one of the largest in Europe. Thanks to its innovative layout, it allows carrying out activities aimed both at academic research and at the development of industrial projects. Inside, scale models of civil works such as skyscrapers, bridges and wind farms are tested, as well as vehicles such as cars, helicopters and trains. Probes for measurements are moved manually. The purpose of the thesis is to carry out a feasibility analysis and to design an automatic mobile pressure measurement system, an innovative robot capable of simplifying and reducing test set-up times. The steps necessary to correctly size the various components of the robot are therefore addressed. First, the mechanical structure of the manipulator is determined based on the design requirements. By using an epicyclic mechanism and a double parallelogram system, a low weight manipulator has been created that can operate on a very large space. By means of a spring gravity compensation system, the power required by the motor is reduced, which is sized using a graphical but rigorous theoretical approach. Finally, the dynamics of the robot is studied by analyzing the natural frequencies in relation to the forcing exerted by the wind.

La Galleria del Vento del Politecnico di Milano è una struttura d’eccellenza per lo studio dell’aerodinamica dei corpi, una delle più grandi in Europa. Grazie al suo innovativo layout, permette di svolgere attività finalizzate sia alla ricerca accademica, sia al concreto sviluppo di progetti industriali. Al suo interno vengono testati modelli in scala di opere civili come grattacieli, ponti e parchi eolici, ma anche di veicoli come automobili, elicotteri e treni. Le sonde per le misurazioni vengono spostate manualmente. Lo scopo della tesi è quello di effettuare un’analisi di fattibilità e di progettare un sistema mobile automatico di misurazione della pressione, un robot innovativo in grado di semplificare e ridurre i tempi di set up dei test. Vengono quindi affrontati i passaggi necessari per dimensionare correttamente le varie componenti del robot. Per prima cosa, sulla base dei requisiti di progetto viene determinata la struttura meccanica del manipolatore. Mediante l’utilizzo di un meccanismo epicicloidale e di un sistema a doppio parallelogramma si è realizzato un manipolatore dal peso contenuto in grado di operare su uno spazio molto ampio. Tramite un sistema di compensazione della forza gravitazionale a molla, viene ridotta la potenza richiesta dal motore, che viene dimensionato utilizzando un approccio grafico ma rigoroso dal punto di vista teorico. Infine, viene studiata la dinamica del robot analizzando i modi di vibrare in relazione alla forzante esercitata dal vento.