Persona
BUSSOLA Roberto
Meccanica applicata alle macchine, modellistica e simulazione di sistemi meccanici, meccanica dei robot
Curriculum Vitae
CURRICULUM VITAE
Roberto Bussola, nato a Verona il 11 Gennaio 1970, conseguito il diploma di perito capotecnico informatico all’istituto statale ITIS “G. Marconi” di Verona, si laurea in Ingegneria Meccanica, indirizzo Automazione Industriale il 24 Ottobre 1996, presso l'Università degli Studi di Brescia con la votazione di 105/110, discutendo una tesi dal titolo “Ottimizzazione del comportamento dinamico di meccanismi a camme mediante algoritmi genetici”.
Dal Novembre 1996 al Giugno 1997 tiene alcune supplenze in Discipline Meccaniche e Tecnologiche presso l’Istituto Professionale IPSIA Moretto di Brescia e l’Istituto Tecnico Industriale Statale ‘L. Cerebotani’ di Lonato (BS).
Dal Novembre 1997 al Novembre 2000 frequenta il corso di Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata alle Macchine presso l'Università degli Studi di Brescia, durante il quale prosegue l’attività di ricerca sui meccanismi a camme, con particolare riferimento allo studio di modelli per la simulazione del comportamento di sistemi a moto intermittente. In questo periodo segue alcuni lavori di tesi indirizzando la sua ricerca allo studio di metodi non convenzionali per l’identificazione dei parametri di modelli per la simulazione di sistemi meccanici e per la risoluzione di problematiche legate alla cinematica di robot seriali. L’attività di dottorato si è conclusa con la presentazione della dissertazione finale dal titolo “Algoritmi specializzati per lo studio e la simulazione dinamica di intermittori industriali”, in data 23 Febbraio 2001.
Grazie al conseguimento di alcune borse di studio dell'EULO (Consorzio Ente Universitario Lombardia Orientale) per attività didattiche integrative, ha collaborato alle esercitazioni di laboratorio del corso Fondamenti di Informatica negli A. A. 1998/1999 e A. A. 1999/2000, nell’ambito del Diploma Universitario in Ingegneria Meccanica e del corso di Meccanica Applicata alle Macchine presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Brescia.
In occasione del Progetto quadro FSE (fondo sociale europeo) anno 2001 cofinanziato dalla regione Lombardia e dal Ministero del Lavoro, contribuisce a svolgere attività di coordinamento e progettazione nell’ambito dei corsi: “Corso di formazione specifica di Tecnico progetto per inserimento in stage aziendale”, “Corso di formazione teorico-pratica su casi di studio applicativi inerenti la Gestione degli impianti industriali”, “Corso di formazione specifica di Energy Manager/tecnico dei Materiali per inserimento in stage aziendale”, “Corso di formazione teorico-pratica su casi di studio applicativi nell’ambito di tematiche professionalizzanti di moduli del II anno del diploma universitario in Ingegneria meccanica”.
Dal giugno ’01, grazie al conseguimento di un assegno di ricerca presso l’Università degli Studi di Brescia svolge attività di ricerca nell’ambito dell’ottimizzazione di sistemi meccanici tramite procedure software non convenzionali (soft-computing) quali algoritmi genetici, reti neurali e tecniche fuzzy. Parte della ricerca è anche dedicata alla diagnostica e al riconoscimento di malfunzionamenti in sistemi meccanici. Altri software sono stati sviluppati per l’aiuto al progettista nella scelta di valvole pneumatiche e, in altro ambito, nella simulazione di processi di pressofusione.
Nel 2003 svolge attività di codocenza in merito al “Corso di Progettazione funzionale assistita da calcolatore nell’ambito dei corsi di laurea in Ingegneria Meccanica, Gestionale, Diploma Universitario (Vecchio e Nuovo Ordinamento)” cofinanziato dall Regione Lombardia, dal Fondo Sociale Europeo e dal Ministero del Lavoro. Dal 2005 è ricercatore presso il dip. di Ingegneria Meccanica dell'Università degli Studi di Brescia, ove è titolare del corso "Laboratorio di Robotica Industriale e Macchine Automatiche".
ATTIVITÀ SCIENTIFICA.
Nel suo insieme l’attività scientifica è stata volta allo sviluppo e simulazione di modelli di sistemi meccanici e all’applicazione di metodi non convenzionali alla risoluzione di problemi di meccanica applicata, di progettazione meccanica funzionale e di meccanica dei robot. E’ di seguito riportata un’analisi più dettagliata dell’attività distribuita nei tre filoni di ricerca.
MECCANICA APPLICATA ALLE MACCHINE
Ottimizzazione di meccanismi a camma
Nella prima fase della sua attività di ricerca il candidato ha proseguito il lavoro iniziato durante lo svolgimento della Tesi di Laurea inerente lo studio di meccanismi a camma. In particolare è stata realizzata un’applicazione software capace di ottimizzare la geometria di tali tipologie di meccanismi al fine di minimizzare i carichi inerziali e gli ingombri del sistema nel suo insieme.
Il programma adotta un metodo non convenzionale, gli algoritmi genetici, utilizzati come procedura di ottimizzazione della geometria del meccanismo e/o del profilo della camma. Il metodo ha come particolare pregio quello di offrire un insieme di soluzioni progettuali ottimizzate diverse fra le quali il progettista può realizzare ulteriori scelte.
In seguito sono state sviluppate altre procedure basate su algoritmi di tipo evolutivo, che possono intervenire come guida al progettista nella scelta di leggi di moto e come strumenti di ottimizzazione delle stesse.
MODELLISTICA E SIMULAZIONE DEI SISTEMI MECCANICI
Studio e simulazione del comportamento cinematico e dinamico di sistemi intermittori
L’attività scientifica è stata in buona parte finalizzata allo studio approfondito di intermittori ed oscillatori industriali, utilizzati per movimentare tavole girevoli ad elevato carico inerziale con cadenze elevate. Questa tipologia di sistemi meccanici riveste un ruolo centrale nel progetto e nella realizzazione di macchine automatiche, ove trovano un’importante collocazione accanto alle altre possibili scelte progettuali, basate su differenti tipi di attuatori (pneumatici, idraulici ed elettrici).
Nelle usuali applicazioni, i sistemi a moto intermittente in esame, utilizzati per realizzare il transfer nelle macchine automatiche, operano quasi sempre in condizioni dinamiche impegnative; è, pertanto, di estremo interesse mettere a punto dispositivi che consentano di raggiungere elevate cadenze di funzionamento.
Le tecniche di progettazione tradizionali trovano difficoltà nel tener conto di numerosi aspetti di complessa schematizzazione quali l’effetto di cedevolezze (elasticità, giochi), tolleranze dimensionali, regime di lubrificazione, transitori, irregolarità e gioco delle trasmissioni, non-linearità delle caratteristiche dei componenti, diversità di comportamento dinamico in moto diretto ed in moto retrogrado. Questi fattori possono essere trascurati solamente nei meccanismi a bassa velocità e/o con bassi carichi, mentre rivestono un ruolo determinante nel comportamento dinamico del sistema quando le cadenze e le inerzie diventano più elevate.
Attualmente le procedure non si spingono fino a tener conto in modo quantitativo degli scostamenti indicati, ma si limitano a considerare l’andamento teorico, facilmente calcolabile o ad introdurre margini di sicurezza determinati empiricamente in base all’esperienza ed a valutazioni quantitative.
Questo modo di operare non permette di giungere a soluzioni ottimizzate per le quali, invece, sono necessarie indagini esaustive o procedure speciali, opportunamente identificate.
In seguito alle osservazioni sopra riportate sono stati approntati alcuni modelli matematici in grado di rappresentare: morfologia dei dispositivi, tipi di motorizzazione, tipo di comando del motore, trasmissioni, giochi ed elasticità.
In base a tali modelli, è stata sviluppata un’applicazione software capace di simulare la dinamica di un sistema intermittore, senza trascurare gli aspetti sopracitati; più precisamente, note le caratteristiche del comando motore e del moto da esso imposto, il programma permette di ottenere le caratteristiche cinematiche e dinamiche dei principali organi meccanici della catena cinematica, ed in particolare, quelle della tavola rotante e dell’albero motore. E’ stata poi, implementata una procedura di identificazione e ottimizzazione dei parametri basata sull’adozione di metodi non convenzionali quali gli algoritmi genetici. Queste tecniche permettono, nel primo caso la stima dei parametri del modello che meglio approssima i dati sperimentali (ottenuti da una serie di prove di laboratorio), nel secondo, la determinazione del miglior set di parametri di progetto in relazione ad un particolare obiettivo prefissato (es. minimizzazione delle accelerazioni sulla tavola).
Il programma applicativo permette pertanto, una volta selezionato il tipo di modello matematico che si intende adottare, di ottenere la simulazione del comportamento dinamico del sistema, fornendo la possibilità di visualizzare l’andamento delle varie grandezze cinematiche e dinamiche nei punti del sistema di particolare interesse. Potendo inoltre cambiare le caratteristiche di alcune componenti del sistema (quali ad esempio la curva di coppia del motore o il gioco introdotto dal riduttore) diviene possibile prevedere il comportamento dell’intermittore a fronte di nuove soluzioni progettuali.
E’ altresì possibile attuare la validazione dei vari modelli in relazione ai dati ottenuti sperimentalmente.
L’applicazione software è stata poi corredata di alcuni moduli per l’ottimizzazione del profilo della camma dell’intermittore con l’obiettivo di minimizzare la massima accelerazione presente sul carico del sistema e/o di ridurre per quanto possibile gli effetti vibratori dovuti alla presenza di cedevolezze quali giochi ed elasticità. Le procedure implementate si basano ancora una volta sull’utilizzo di tecniche di ottimizzazione non convenzionali quali gli algoritmi genetici e hanno dato buoni risultati nella soluzione delle problematiche proposte.
Studio e simulazione del comportamento di sistemi meccanici cedevoli
Rimanendo nell’ambito della progettazione meccanica funzionale, il candidato ha poi realizzato un’applicazione software finalizzata alla simulazione e all’ottimizzazione del comportamento di sistemi meccanici cedevoli ad uno e a due gradi di libertà, ove si tiene conto anche della presenza di giochi, elasticità ed irregolarità in genere trascurate nello studio di tali sistemi. In particolare il software è in grado di evidenziare l’entità dei fenomeni vibratori generati dalla presenze di cedevolezze a fronte di particolari movimentazioni impostate in fase di progetto. Un modulo di ottimizzazione permette anche in questo caso di modificare le leggi di moto di progetto al fine di migliorare gli obiettivi funzionali considerando la presenza di irregolarità di movimento.
Studio e simulazione di sistemi ad elevate prestazioni.
Parte dell’attività dedicata alla modellistica si è poi manifestata nello sviluppo di procedure software atte alla simulazione di sistemi meccanici ad elevate prestazioni, nel settore della prototipazione di servo sistemi visti come componenti per l’automazione. Il miglioramento delle prestazioni di tali sistemi è stato sostanzialmente conseguito grazie all’accortezza di adottare un numero ridotto di masse inerziali, ad esempio portando a terra gli azionamenti e/o utilizzando materiali che se pur con caratteristiche di elevata resistenza fossero particolarmente leggeri, di potenziare la rigidità dei sistemi e in altri casi di sfruttare la presenza di un azionamento aggiuntivo (rispetto alle caratteristiche funzionali del sistema) per ottenere un’elevata accuratezza di posizionamento. In particolare ci si è occupati dello studio e della simulazione di un sistema monoasse, un sistema cartesiano, un manipolatore di tipo SCARA basato su un sistema epicicloidale, un robot tripode parallelo, un manipolatore a due gradi di libertà basato su un pentalatero articolato.
MECCANICA DEI ROBOT
Cooperazione fra Algoritmi Genetici e Reti Neurali nella risoluzione del problema cinematico inverso per alcune tipologie di robot seriali.
Gli studi condotti sulla cinematica e dinamica dei robot sono scaturiti dall’evoluzione e dall’approfondimento dei temi relativi ad algoritmi non convenzionali trattati nel lavoro di tesi e che sono tuttora sviluppati dal candidato. In dettaglio, è stato sviluppato un metodo iterativo per l’inversione delle equazioni cinematiche di robot industriali basato su reti neurali ottimizzate da algoritmi genetici. La procedura che per ora risponde bene su robot di geometria semplice (SCARA, polari, sferici) subirà in futuro alcune modifiche per essere resa applicabile nella risoluzione della cinematica inversa di strutture più complesse.
Il metodo sviluppato potrebbe assumere particolare rilevanza in quanto, basandosi su uno schema di tipo retroattivo, è potenzialmente utilizzabile nella fase di calibrazione del robot industriale.
Studio e simulazione di un robot tripode parallelo.
Il contributo ad una più ampia attività di ricerca svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università degli Studi di Brescia, si è concentrato nella realizzazione di un programma di calcolo capace di simulare e controllare il comportamento un robot tripode parallelo realmente costruito presso l’Università. In dettaglio, il sistema costituito da tre azionamenti ad assi paralleli agenti su una piattaforma attraverso dei vincoli costituiti da un accoppiamento sferico e uno lineare, è stato simulato nel suo comportamento diretto ed inverso, consentendo così, nella stessa procedura software, di realizzare anche il controllo degli azionamenti. Il sistema a tre gradi di libertà (posizionamento verticale del baricentro della piattaforma, angoli di rollio e di beccheggio) viene così comandato dal software che consente di definire con un interfaccia particolarmente friendly la legge di movimento dei tre attuatori, nel caso diretto o della posa della piattaforma nel caso inverso, in modo da poter vedere in una rappresentazione 3D l’effettivo comportamento cinematico del sistema. Una volta definita la movimentazione, il software permette di comandare una scheda di azionamento che grazie a diversi algoritmi di controllo fa muovere effettivamente il robot come specificato. Il software ha quindi consentito di andare a verificare e testare le prestazioni del sistema sulla base di diverse tipologie di movimentazione adottate che come previsto vedono il tripode caratterizzato da spiccate proprietà di rigidezza e accuratezza di posizionamento, specialmente per quanto riguarda le coordinate angolari della piattaforma.
Algoritmi Genetici come supporto alla definizione della movimentazione di robot ridondanti.
La necessità di introdurre gradi di libertà aggiuntivi per consentire ad un sistema meccanico di assolvere compiti particolari, offre anche l’opportunità di operare le scelte di movimentazione più adeguate al fine di ottimizzare le prestazioni e in particolare il comportamento dinamico del sistema. In questa ottica, l’applicazione di un algoritmo genetico per la definizione delle traiettorie di movimentazione ottimali di un robot seriale ridondante ha dato buoni risultati, da un lato in quanto capace di guidare il robot nei propri movimenti evitando l’impatto con degli ostacoli presenti nell’area di lavoro, e in secondo luogo per aver offerto l’opportunità di operare ulteriori ottimizzazioni nella distribuzione del movimento sui vari giunti meccanici al fine, ad esempio, di minimizzare la potenza necessaria al movimento stesso. Il metodo, che opera sostanzialmente la scelta di particolari soluzioni, fra le infinite ammesse, per il conseguimento delle pose successive nei movimenti in traiettoria, ha trovato particolare apprezzamento grazie anche alla sua flessibilità applicativa che lo vede in grado di adattarsi alle varie esigenze operative quali, ad esempio, la minimizzazione dei comportamenti vibratori piuttosto che la riduzione degli effetti delle azioni inerziali. La definizione di funzioni obiettivo sulla base di tecniche ereditate dalla teoria della logica fuzzy ha inoltre permesso di sviluppare un’applicazione software tale anche da premiare l’interfaccia utente, consentendo così anche ad un operatore inesperto di operare le scelte più adeguate nei confronti delle esigenze preposte.
Partecipazioni a congressi/convegni.
- GIMC98, “XI Convegno Italiano di Meccanica Computazionale”, Università degli Studi Trento, Trento, 13-15 Luglio 1998;
- I MECH E, “Multi-Body Dynamics: New Techniques & Applications”, Institution of Mechanical Engineers, London, UK, 10-11 December 1998;
- EUROGEN99, “Short Course: Short Course on Evolutionary Algorithms in Enginering and Computer Science”, Jyväskylä, Finlandia, 30 Maggio-3 Giugno1999;
- AIMETA99, XIV Convegno Nazionale AIMETA (Associazione Italiana di Meccanica Teorica e Applicata), Como, 6-9 Ottobre 1999.
- GIMC2002, “Third Joint Conference of Italian Group of Computational Mechanics and Ibero-Latin American Association of Computational Methods in Engineering”, Giulianova, Teramo, 24-26 June 2002.
Roberto Bussola, nato a Verona il 11 Gennaio 1970, conseguito il diploma di perito capotecnico informatico all’istituto statale ITIS “G. Marconi” di Verona, si laurea in Ingegneria Meccanica, indirizzo Automazione Industriale il 24 Ottobre 1996, presso l'Università degli Studi di Brescia con la votazione di 105/110, discutendo una tesi dal titolo “Ottimizzazione del comportamento dinamico di meccanismi a camme mediante algoritmi genetici”.
Dal Novembre 1996 al Giugno 1997 tiene alcune supplenze in Discipline Meccaniche e Tecnologiche presso l’Istituto Professionale IPSIA Moretto di Brescia e l’Istituto Tecnico Industriale Statale ‘L. Cerebotani’ di Lonato (BS).
Dal Novembre 1997 al Novembre 2000 frequenta il corso di Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata alle Macchine presso l'Università degli Studi di Brescia, durante il quale prosegue l’attività di ricerca sui meccanismi a camme, con particolare riferimento allo studio di modelli per la simulazione del comportamento di sistemi a moto intermittente. In questo periodo segue alcuni lavori di tesi indirizzando la sua ricerca allo studio di metodi non convenzionali per l’identificazione dei parametri di modelli per la simulazione di sistemi meccanici e per la risoluzione di problematiche legate alla cinematica di robot seriali. L’attività di dottorato si è conclusa con la presentazione della dissertazione finale dal titolo “Algoritmi specializzati per lo studio e la simulazione dinamica di intermittori industriali”, in data 23 Febbraio 2001.
Grazie al conseguimento di alcune borse di studio dell'EULO (Consorzio Ente Universitario Lombardia Orientale) per attività didattiche integrative, ha collaborato alle esercitazioni di laboratorio del corso Fondamenti di Informatica negli A. A. 1998/1999 e A. A. 1999/2000, nell’ambito del Diploma Universitario in Ingegneria Meccanica e del corso di Meccanica Applicata alle Macchine presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Brescia.
In occasione del Progetto quadro FSE (fondo sociale europeo) anno 2001 cofinanziato dalla regione Lombardia e dal Ministero del Lavoro, contribuisce a svolgere attività di coordinamento e progettazione nell’ambito dei corsi: “Corso di formazione specifica di Tecnico progetto per inserimento in stage aziendale”, “Corso di formazione teorico-pratica su casi di studio applicativi inerenti la Gestione degli impianti industriali”, “Corso di formazione specifica di Energy Manager/tecnico dei Materiali per inserimento in stage aziendale”, “Corso di formazione teorico-pratica su casi di studio applicativi nell’ambito di tematiche professionalizzanti di moduli del II anno del diploma universitario in Ingegneria meccanica”.
Dal giugno ’01, grazie al conseguimento di un assegno di ricerca presso l’Università degli Studi di Brescia svolge attività di ricerca nell’ambito dell’ottimizzazione di sistemi meccanici tramite procedure software non convenzionali (soft-computing) quali algoritmi genetici, reti neurali e tecniche fuzzy. Parte della ricerca è anche dedicata alla diagnostica e al riconoscimento di malfunzionamenti in sistemi meccanici. Altri software sono stati sviluppati per l’aiuto al progettista nella scelta di valvole pneumatiche e, in altro ambito, nella simulazione di processi di pressofusione.
Nel 2003 svolge attività di codocenza in merito al “Corso di Progettazione funzionale assistita da calcolatore nell’ambito dei corsi di laurea in Ingegneria Meccanica, Gestionale, Diploma Universitario (Vecchio e Nuovo Ordinamento)” cofinanziato dall Regione Lombardia, dal Fondo Sociale Europeo e dal Ministero del Lavoro. Dal 2005 è ricercatore presso il dip. di Ingegneria Meccanica dell'Università degli Studi di Brescia, ove è titolare del corso "Laboratorio di Robotica Industriale e Macchine Automatiche".
ATTIVITÀ SCIENTIFICA.
Nel suo insieme l’attività scientifica è stata volta allo sviluppo e simulazione di modelli di sistemi meccanici e all’applicazione di metodi non convenzionali alla risoluzione di problemi di meccanica applicata, di progettazione meccanica funzionale e di meccanica dei robot. E’ di seguito riportata un’analisi più dettagliata dell’attività distribuita nei tre filoni di ricerca.
MECCANICA APPLICATA ALLE MACCHINE
Ottimizzazione di meccanismi a camma
Nella prima fase della sua attività di ricerca il candidato ha proseguito il lavoro iniziato durante lo svolgimento della Tesi di Laurea inerente lo studio di meccanismi a camma. In particolare è stata realizzata un’applicazione software capace di ottimizzare la geometria di tali tipologie di meccanismi al fine di minimizzare i carichi inerziali e gli ingombri del sistema nel suo insieme.
Il programma adotta un metodo non convenzionale, gli algoritmi genetici, utilizzati come procedura di ottimizzazione della geometria del meccanismo e/o del profilo della camma. Il metodo ha come particolare pregio quello di offrire un insieme di soluzioni progettuali ottimizzate diverse fra le quali il progettista può realizzare ulteriori scelte.
In seguito sono state sviluppate altre procedure basate su algoritmi di tipo evolutivo, che possono intervenire come guida al progettista nella scelta di leggi di moto e come strumenti di ottimizzazione delle stesse.
MODELLISTICA E SIMULAZIONE DEI SISTEMI MECCANICI
Studio e simulazione del comportamento cinematico e dinamico di sistemi intermittori
L’attività scientifica è stata in buona parte finalizzata allo studio approfondito di intermittori ed oscillatori industriali, utilizzati per movimentare tavole girevoli ad elevato carico inerziale con cadenze elevate. Questa tipologia di sistemi meccanici riveste un ruolo centrale nel progetto e nella realizzazione di macchine automatiche, ove trovano un’importante collocazione accanto alle altre possibili scelte progettuali, basate su differenti tipi di attuatori (pneumatici, idraulici ed elettrici).
Nelle usuali applicazioni, i sistemi a moto intermittente in esame, utilizzati per realizzare il transfer nelle macchine automatiche, operano quasi sempre in condizioni dinamiche impegnative; è, pertanto, di estremo interesse mettere a punto dispositivi che consentano di raggiungere elevate cadenze di funzionamento.
Le tecniche di progettazione tradizionali trovano difficoltà nel tener conto di numerosi aspetti di complessa schematizzazione quali l’effetto di cedevolezze (elasticità, giochi), tolleranze dimensionali, regime di lubrificazione, transitori, irregolarità e gioco delle trasmissioni, non-linearità delle caratteristiche dei componenti, diversità di comportamento dinamico in moto diretto ed in moto retrogrado. Questi fattori possono essere trascurati solamente nei meccanismi a bassa velocità e/o con bassi carichi, mentre rivestono un ruolo determinante nel comportamento dinamico del sistema quando le cadenze e le inerzie diventano più elevate.
Attualmente le procedure non si spingono fino a tener conto in modo quantitativo degli scostamenti indicati, ma si limitano a considerare l’andamento teorico, facilmente calcolabile o ad introdurre margini di sicurezza determinati empiricamente in base all’esperienza ed a valutazioni quantitative.
Questo modo di operare non permette di giungere a soluzioni ottimizzate per le quali, invece, sono necessarie indagini esaustive o procedure speciali, opportunamente identificate.
In seguito alle osservazioni sopra riportate sono stati approntati alcuni modelli matematici in grado di rappresentare: morfologia dei dispositivi, tipi di motorizzazione, tipo di comando del motore, trasmissioni, giochi ed elasticità.
In base a tali modelli, è stata sviluppata un’applicazione software capace di simulare la dinamica di un sistema intermittore, senza trascurare gli aspetti sopracitati; più precisamente, note le caratteristiche del comando motore e del moto da esso imposto, il programma permette di ottenere le caratteristiche cinematiche e dinamiche dei principali organi meccanici della catena cinematica, ed in particolare, quelle della tavola rotante e dell’albero motore. E’ stata poi, implementata una procedura di identificazione e ottimizzazione dei parametri basata sull’adozione di metodi non convenzionali quali gli algoritmi genetici. Queste tecniche permettono, nel primo caso la stima dei parametri del modello che meglio approssima i dati sperimentali (ottenuti da una serie di prove di laboratorio), nel secondo, la determinazione del miglior set di parametri di progetto in relazione ad un particolare obiettivo prefissato (es. minimizzazione delle accelerazioni sulla tavola).
Il programma applicativo permette pertanto, una volta selezionato il tipo di modello matematico che si intende adottare, di ottenere la simulazione del comportamento dinamico del sistema, fornendo la possibilità di visualizzare l’andamento delle varie grandezze cinematiche e dinamiche nei punti del sistema di particolare interesse. Potendo inoltre cambiare le caratteristiche di alcune componenti del sistema (quali ad esempio la curva di coppia del motore o il gioco introdotto dal riduttore) diviene possibile prevedere il comportamento dell’intermittore a fronte di nuove soluzioni progettuali.
E’ altresì possibile attuare la validazione dei vari modelli in relazione ai dati ottenuti sperimentalmente.
L’applicazione software è stata poi corredata di alcuni moduli per l’ottimizzazione del profilo della camma dell’intermittore con l’obiettivo di minimizzare la massima accelerazione presente sul carico del sistema e/o di ridurre per quanto possibile gli effetti vibratori dovuti alla presenza di cedevolezze quali giochi ed elasticità. Le procedure implementate si basano ancora una volta sull’utilizzo di tecniche di ottimizzazione non convenzionali quali gli algoritmi genetici e hanno dato buoni risultati nella soluzione delle problematiche proposte.
Studio e simulazione del comportamento di sistemi meccanici cedevoli
Rimanendo nell’ambito della progettazione meccanica funzionale, il candidato ha poi realizzato un’applicazione software finalizzata alla simulazione e all’ottimizzazione del comportamento di sistemi meccanici cedevoli ad uno e a due gradi di libertà, ove si tiene conto anche della presenza di giochi, elasticità ed irregolarità in genere trascurate nello studio di tali sistemi. In particolare il software è in grado di evidenziare l’entità dei fenomeni vibratori generati dalla presenze di cedevolezze a fronte di particolari movimentazioni impostate in fase di progetto. Un modulo di ottimizzazione permette anche in questo caso di modificare le leggi di moto di progetto al fine di migliorare gli obiettivi funzionali considerando la presenza di irregolarità di movimento.
Studio e simulazione di sistemi ad elevate prestazioni.
Parte dell’attività dedicata alla modellistica si è poi manifestata nello sviluppo di procedure software atte alla simulazione di sistemi meccanici ad elevate prestazioni, nel settore della prototipazione di servo sistemi visti come componenti per l’automazione. Il miglioramento delle prestazioni di tali sistemi è stato sostanzialmente conseguito grazie all’accortezza di adottare un numero ridotto di masse inerziali, ad esempio portando a terra gli azionamenti e/o utilizzando materiali che se pur con caratteristiche di elevata resistenza fossero particolarmente leggeri, di potenziare la rigidità dei sistemi e in altri casi di sfruttare la presenza di un azionamento aggiuntivo (rispetto alle caratteristiche funzionali del sistema) per ottenere un’elevata accuratezza di posizionamento. In particolare ci si è occupati dello studio e della simulazione di un sistema monoasse, un sistema cartesiano, un manipolatore di tipo SCARA basato su un sistema epicicloidale, un robot tripode parallelo, un manipolatore a due gradi di libertà basato su un pentalatero articolato.
MECCANICA DEI ROBOT
Cooperazione fra Algoritmi Genetici e Reti Neurali nella risoluzione del problema cinematico inverso per alcune tipologie di robot seriali.
Gli studi condotti sulla cinematica e dinamica dei robot sono scaturiti dall’evoluzione e dall’approfondimento dei temi relativi ad algoritmi non convenzionali trattati nel lavoro di tesi e che sono tuttora sviluppati dal candidato. In dettaglio, è stato sviluppato un metodo iterativo per l’inversione delle equazioni cinematiche di robot industriali basato su reti neurali ottimizzate da algoritmi genetici. La procedura che per ora risponde bene su robot di geometria semplice (SCARA, polari, sferici) subirà in futuro alcune modifiche per essere resa applicabile nella risoluzione della cinematica inversa di strutture più complesse.
Il metodo sviluppato potrebbe assumere particolare rilevanza in quanto, basandosi su uno schema di tipo retroattivo, è potenzialmente utilizzabile nella fase di calibrazione del robot industriale.
Studio e simulazione di un robot tripode parallelo.
Il contributo ad una più ampia attività di ricerca svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università degli Studi di Brescia, si è concentrato nella realizzazione di un programma di calcolo capace di simulare e controllare il comportamento un robot tripode parallelo realmente costruito presso l’Università. In dettaglio, il sistema costituito da tre azionamenti ad assi paralleli agenti su una piattaforma attraverso dei vincoli costituiti da un accoppiamento sferico e uno lineare, è stato simulato nel suo comportamento diretto ed inverso, consentendo così, nella stessa procedura software, di realizzare anche il controllo degli azionamenti. Il sistema a tre gradi di libertà (posizionamento verticale del baricentro della piattaforma, angoli di rollio e di beccheggio) viene così comandato dal software che consente di definire con un interfaccia particolarmente friendly la legge di movimento dei tre attuatori, nel caso diretto o della posa della piattaforma nel caso inverso, in modo da poter vedere in una rappresentazione 3D l’effettivo comportamento cinematico del sistema. Una volta definita la movimentazione, il software permette di comandare una scheda di azionamento che grazie a diversi algoritmi di controllo fa muovere effettivamente il robot come specificato. Il software ha quindi consentito di andare a verificare e testare le prestazioni del sistema sulla base di diverse tipologie di movimentazione adottate che come previsto vedono il tripode caratterizzato da spiccate proprietà di rigidezza e accuratezza di posizionamento, specialmente per quanto riguarda le coordinate angolari della piattaforma.
Algoritmi Genetici come supporto alla definizione della movimentazione di robot ridondanti.
La necessità di introdurre gradi di libertà aggiuntivi per consentire ad un sistema meccanico di assolvere compiti particolari, offre anche l’opportunità di operare le scelte di movimentazione più adeguate al fine di ottimizzare le prestazioni e in particolare il comportamento dinamico del sistema. In questa ottica, l’applicazione di un algoritmo genetico per la definizione delle traiettorie di movimentazione ottimali di un robot seriale ridondante ha dato buoni risultati, da un lato in quanto capace di guidare il robot nei propri movimenti evitando l’impatto con degli ostacoli presenti nell’area di lavoro, e in secondo luogo per aver offerto l’opportunità di operare ulteriori ottimizzazioni nella distribuzione del movimento sui vari giunti meccanici al fine, ad esempio, di minimizzare la potenza necessaria al movimento stesso. Il metodo, che opera sostanzialmente la scelta di particolari soluzioni, fra le infinite ammesse, per il conseguimento delle pose successive nei movimenti in traiettoria, ha trovato particolare apprezzamento grazie anche alla sua flessibilità applicativa che lo vede in grado di adattarsi alle varie esigenze operative quali, ad esempio, la minimizzazione dei comportamenti vibratori piuttosto che la riduzione degli effetti delle azioni inerziali. La definizione di funzioni obiettivo sulla base di tecniche ereditate dalla teoria della logica fuzzy ha inoltre permesso di sviluppare un’applicazione software tale anche da premiare l’interfaccia utente, consentendo così anche ad un operatore inesperto di operare le scelte più adeguate nei confronti delle esigenze preposte.
Partecipazioni a congressi/convegni.
- GIMC98, “XI Convegno Italiano di Meccanica Computazionale”, Università degli Studi Trento, Trento, 13-15 Luglio 1998;
- I MECH E, “Multi-Body Dynamics: New Techniques & Applications”, Institution of Mechanical Engineers, London, UK, 10-11 December 1998;
- EUROGEN99, “Short Course: Short Course on Evolutionary Algorithms in Enginering and Computer Science”, Jyväskylä, Finlandia, 30 Maggio-3 Giugno1999;
- AIMETA99, XIV Convegno Nazionale AIMETA (Associazione Italiana di Meccanica Teorica e Applicata), Como, 6-9 Ottobre 1999.
- GIMC2002, “Third Joint Conference of Italian Group of Computational Mechanics and Ibero-Latin American Association of Computational Methods in Engineering”, Giulianova, Teramo, 24-26 June 2002.
Settori (7)
Linee Di Ricerca (3)
MECCANICA APPLICATA ALLE MACCHINE
Studio e sviluppo di software per l'analisi e la sintesi di meccanismi a camme piane e spaziali.
MECCANICA DEI ROBOT
Sviluppo di software per la simulazione della movimentazione di robot industrali
MODELLISTICA E SIMULAZIONE DEI SISTEMI MECCANICI
Sviluppo di software per la simulazione e l'ottimizzazione di sistemi meccanici
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