Università degli Studi di Brescia Facoltà di Ingegneria
Corso di Dottorato in Meccanica Applicata XVII Ciclo
Presentazione finale di
Diego Tosi
Progetto e Realizzazione di un Robot a Cinematica
Parallela per Applicazioni Mediche
Specifiche di progetto
Robot medici
analisi dello stato dell’arte*
Progetti
“METAFORE” e “RIME”
prototipo di robot per il fissaggio
di viti peduncolari
spazio di lavoro: 400x400x300 mm
inclinazione punta: +\- 40°
velocità
accelerazione
*Tesi di laurea di D. Martini “Catalogazione Comparata di Robot per Applicazioni medicali”, A.A. 2001/2002
Struttura cinematica ibrida
parte seriale
3 gradi di libertà
2 rot. + 1 trasl.
giunti sferici
parte parallela
base moveable points
modulare
4 assi lineari
riconfigurabile
3 o 4 gradi di libertà
ridondante
giunto prismatico
Riconfigurabilità
3
g.d.l.
Riconfigurabilità
3 g.d.l. rid.
6 bielle su 3 motori 7 bielle su 4 motori
3 gdl
3 gdl iperstatica
solo traslazioni
4° motore
controllato in forza
recupero dei giochi
4
g.d.l.
6 bielle su 4 motori
4 gdl
3 traslaz.+1 rotaz.
asse rotaz. fisso
Analisi struttura parallela
STUDIO CINEMATICO: POSIZIONI
Inversa
posizione piattaforma
posizioni motori
3 gdl e 4 gdl: risolta in forma chiusa
Chiusura vettoriale
Diretta
posizioni motori
3 gdl: risolta in forma chiusa
Geometria solida
Algebra matriciale
posizione piattaforma
4 gdl: risolta numericamente
Equazione trascendente (8° grado)
Soluzione approssimata
Newton-Raphson su 2 equazioni
Analisi struttura parallela
MAPPATURA INDICI DI PRESTAZIONE
dQ JdS
dS  KFS
che2-s.min-Z=1.3[m]
0.5
dQ
J
dS
FS
K
0.4
cond ( J )
det( J )
 min ( J )
spostamento e rotaz. piattaforma 
max ( J )
spostamento motori
matrice jacobiana
forze e coppie sulla piattaforma
matrice di rigidezza
che2-det-Z=0.85[m]
che2-s.min-Z=1[m]
0.5
0.5
+1.4e0
0.4
+1.0e0
0.4
indici di cedevolezza separati*
+1.2e0
 J FF J FC 
K 

J
J
 CF CC 
+0.7e0
0.3
Y
[m] 0.2
+0.6e0
0.1
+0.5e0
0
0.3
0.3
+0.8e0
Y
[m] 0.2
+1.0e0
CFF  J FF
0.1
-0.2
-0.1
0
X [m]
0.1
0.2
0.3
CCC  J CC
+0.6e0
+0.8e0
-0.1
CFC  J FC
0.1
0
0
+0.4e0
-0.1
Y
[m] 0.2
-0.2
indici di isotropia globali*
-0.1
 max J FF  Fmax  max J FC  Cmax
cf 
 min J FF  Fmax  min J FC  Cmax
0
X [m]
0.1
0.2
0.3
-0.1
-0.2
-0.1
0
X [m]
0.1
0.2
0.3
 max J CC  Cmax  max J CF  Fmax
cc 
 min J CC  Cmax  min J CF  Fmax
*I. Fassi, G Legnani., Tosi D., Kineto-Static Indexes for the Isotopic Design of Parallel Mechanisms, 33rd ISR October 7-11,2002
Analisi struttura parallela
CONFIGURAZIONI SINGOLARI
3&4
gdl
STUDIO DINAMICO
3 e 4 gdl
corpi rigidi
massa delle bielle
scelta degli attuatori lineari
modello dell’attrito
4 gdl
Fm  (Mm  J TM p J)q  J TM p J q  (Pn  J TFe )  0
SPAZIO DI LAVORO
43 gdl
RECUPERO
DEI GIOCHI
-l-
7° biella
4.003.00
0.3
Y [m]
0.2
Z=0.75[m]
2.80
2.00
0.1
1.80
600x600x250
inclinazione
-0.1
piattaforma
oppure
-0.2
-0.3
500x500x400
max e min
-0.4
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3
0
X [m]
Frid
~ 2÷3F esterna applicata
Calibrazione struttura parallela
modello parametrico M.C.P.C.
48 parametri di cui 36 interni
sensori interni ed esterni
inclinometri, ecoder sui giunti
cardanici, 4° asse trascinato
simulazione di calibrazione
ELIMINAZIONE DEI PARAMETRI TRAMITE SVD*
CALIBRAZIONE CON
valori singolari
 S1   J s1 
S SENSORI A FILO*
Si 
L  J Si L
S 2   J s 2 
SVD
L i


L
     
posa della
soglia

  
piattaforma
parametri geometrici
S n   J sn 
*D.*G.
Tosi,
G. Legnani,
Calibration
a Parallel-Serial
Hybridwire
Redundant
Manipulator,
Legnani,
D. Tosi,
G. Gritti, of
Optimization
of a low-cost
sensor based
Proc.
of
ISR
2003,
Chicago,
2-5
June
2003
calibration procedure for industrial robots, Proc. of ISR 2004, Paris 23-26/3/04
Progettazione
Studi
Progetto
preliminari
finale
Assi lineari
Telaio
Piattaforma
Polso seriale
H. Giberti, P. Righettini, D. Tosi, G. Legnani, R. Adamini, Progerro di “CHEOPE”: un manipolatore
ridondante ibrido palallelo-seriale, Proc. of AIMETA 2003, Ferrara 9-12 Sept. 2003
Progettazione
ASSE LINEARE
Progettazione
ASSE LINEARE
MAGNETI PERMANENTI
(SECONDARIO)
Progettazione
ASSE LINEARE
PRIMARIO
Progettazione
ASSE LINEARE
GUIDE LINEARI
CARRELLI A
RICIRCOLO DI SFERE
Progettazione
ASSE LINEARE
Progettazione
ASSE LINEARE
FRENO
Progettazione
ASSE LINEARE
RIGA OTTICA
a
• max : 50 m/s2
• Vmax : 2 m/s
• Accuratezza : 5 mm
Progettazione
ASSE LINEARE
ASSORBITORI DINAMICI
Progettazione
ASSE LINEARE
ASSE LINEARE COMPLETO
SOFFIETTO
CATENA
PORTA CAVI
Progettazione
TELAIO
PIASTRA DI
RIFERIMENTO
Progettazione
MONTAGGIO ASSI LINEARI
LASER
SENSORE
Progettazione
MONTAGGIO POLSO
ampie rotazioni
gdl ridondanti
movimenti coordinati
Realizzazione
IMPIANTO ELETTRICO
Impianto di potenza
Controllore
Convertitori motori polso
I/O PLC gestione emergenze
Convertitori motori lineari
Interfaccia operatore
CHEOPE
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