Haptic brake pedal feedback simulator : design and development

Haptic interfaces are becoming more and more present within simulation environments due to their ability to enhance the experience and the virtual reality perceived by the user. Devices such as direct drive steering wheels and active seat belts are widespread among high-end simulators, while throttle, brake and clutch feedback is still generally provided by passive elements like springs and dampers. This thesis is centred on the design and implementation of a haptic brake pedal simulator aimed at reproducing the response of a physical driver interface through the control of an electric motor. This device allows the simulation of any kind of pedal, based on the characteristics that the user aims at achieving. In particular, this work will address the design and sizing of the device from a mechanical point of view. After that, a transfer function-based approach will be presented as a means of designing a proper response of the system under external inputs. Such response would then be fed into the system with an admittance control logic acting on the electric motor. To do so, a multibody model of the system was created, as to have a virtual testing ground for the logic scheme and the feedback response used. Finally, a prototype was built and tested in order to check the correctness of the model used during the design phase and to verify the real physical system response.

Le interfacce aptiche stanno acquisendo un’importanza sempre maggiore nell’ambito dei simulatori di guida grazie alla loro capacità di migliorare l’esperienza del pilota attraverso la realtà aumentata. Dispositivi come volanti direct drive e cinture attive sono ormai ampiamente diffusi tra simulatori di fascia alta, mentre il feedback di acceleratore, freno e frizione è ancora generalmente fornito da elementi passivi quali molle e smorzatori. Il seguente lavoro di tesi è incentrato sulla progettazione e dimensionamento di un pedale del freno aptico finalizzato a riprodurre la risposta di un pedale fisico attraverso il controllo di un motore elettrico. Questo dispositivo consente la riproduzione virtuale di qualsiasi tipologia di pedale l’utente voglia simulare. In particolare, questa tesi si focalizza sulla progettazione e dimensionamento del dispositivo da un punto di vista meccanico. In seguito, viene presentato un approccio basato su una funzione di trasferimento come mezzo per sviluppare una risposta del sistema adeguata alle sollecitazioni esterne. Tale risposta è poi fornita al sistema tramite un controllo in ammettenza che agisce sul motore elettrico. Per ottenere ciò, un modello multicorpo del sistema è stato sviluppato per avere un banco di prova virtuale per lo schema logico e la risposta del sistema scelta. Infine, un prototipo è stato realizzato e testato per controllare la correttezza dei modelli usati durante la progettazione e per verificare la risposta del sistema fisico reale.