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Identificazione di un modello comportamentale dei fluidi elettroreologici e progettazione di uno strumento di misura per una caratterizzazione finalizzata ad applicazioni in robotica avanzata

Informazioni tesi

  Autore: Alessandro Ratti
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2003-04
  Università: Università degli Studi di Messina
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Elettronica
  Relatore: Sandro Scattareggia Marchese
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 183

Il tentativo di implementare un dispositivo robotico che impieghi i fluidi ER ha reso evidente la mancanza in letteratura di una caratterizzazione tale da permettere al progettista di identificarne il comportamento in specifiche condizioni di funzionamento.
Nella presente tesi si è identificato un modello comportamentale partendo da un’analisi fisico-meccanica a livello microscopico. La novità risiede nel fatto che secondo tale modello la componente solida e quella liquida costituenti il fluido devono essere considerate entità a se stanti.
L’applicazione del campo elettrico permette infatti, di agire sulla componente solida, realizzare una microstruttura particellare interna e, di conseguenza, di controllare il comportamento meccanico complessivo.
In base a tale considerazione lo studio di tali fluidi dovrà seguire una strada differente infatti, bisognerà definire il comportamento, non solo del composto ER nel complesso, ma anche delle due componenti separatamente. In questo modo si riuscirà a distinguere il ruolo dell’una e dell’altra nella determinazione delle proprietà elettroreologiche.
Un altro aspetto interessante riguardo il modello proposto è in relazione alla dinamica di formazione della struttura particellare. Questa è messa in relazione con la conduzione elettrica delle particelle sospese e, per la prima volta, con l’evoluzione temporale del campo elettrico locale in fase di formazione delle catene. Questo ha permesso di dare una interpretazione ad altri elementi caratteristici del fenomeno ER come la velocità con cui si formano le catene e l’entità della variazione delle proprietà reologiche.
Sulla base del modello infine, si è identificata una procedura per la caratterizzazione che fornisca i parametri di interesse ai fini dell’applicazione in robotica e si è progettato lo strumento di misura necessario per implementarla.
Tale strumento presenta delle prerogative innovative rispetto ai reometri normalmente utilizzati, permette infatti di determinare in modo diretto relazioni tra i parametri di interesse come forza, deformazione, temperatura, tensione, velocità, ecc. Si è realizzato un sistema di misura di geometria tipo Couette con una configurazione tale da rendere il sistema elettrico ad alta tensione completamente isolato, senza contatti elettrici a contatto diretto con l’aria. L’utilizzo di tale sistema per il collegamento dell’elettrodo mobile permette di garantire la continuità del contatto ed una ridotta usura degli elementi striscianti.
Per la misura delle forze agenti sul fluido si è realizzato un particolare sensore di coppia dotato di struttura di supporto e protezione da overload.
Per permettere di eseguire i test a temperature di esercizio prestabilite si è implementato un sistema per la regolazione della temperatura. L’attuatore termico è costituito da una cella di Peltier ed un bicchiere di allumino per una distribuzione uniforme del calore.
Al fine di permettere un analisi attenta dei dati sperimentali si è progettata una scheda di acquisizione che comunica col PC in tempo reale. Per il conseguimento di buone prestazioni e per conferire versatilità di impiego allo strumento si è utilizzata una interfaccia USB. Tutte le grandezze misurate, coppia, tensione, corrente, deformazione e temperatura, sono inviate al computer e possono quindi essere utilizzate sia per la realizzazione di tracciati grafici di interesse che per il miglioramento della dinamica del test in corso.
E’ stato implementato un algoritmo di acquisizione dei dati e controllo dei sottoblocchi di attuazione articolato in modo da ottimizzare i tempi di gestione, impiegando un microcontrollore dotato di blocco decisionale.
Tutti i sottosistemi sono stati definiti in modo da interfacciarsi con il processore senza appesantire l’algoritmo di gestione e rispettando le rispettive specifiche identificate come requisiti di interesse. Per questo fine alcuni sottosistemi, come quello relativo alla misura della posizione, attuazione termica ecc., sono stati realizzati con soluzioni progettuali concepite ad hoc.

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1. Introduzione I fluidi elettroreologici sono materiali compositi le cui proprietà reologiche possono essere variate drasticamente tramite l’applicazione di un campo elettrico. Destano interesse perché il loro impiego permette di modificare le caratteristiche meccaniche di un sistema, agendo elettricamente, in modo non convenzionale. Rappresentano un nuova forma di trasduttore elettromeccanico. Le applicazioni possibili sono innumerevoli, ma ad oggi risultano ancora sporadiche e poco diffuse. I motivi del ritardo del loro sviluppo sono in gran parte riconducibili alla non facile reperibilità, al costo relativamente elevato e alla mancanza di una fruibile letteratura che li riguardi. Gli studi fatti su tali fluidi sono in gran parte rivolti al carattere chimico fisico degli stessi, si è cercato di capire la natura del loro comportamento, le fenomenologie in gioco e di identificare un modello meccanico che ne rappresenti il comportamento. Non si trovano però in letteratura, modelli di riferimento tali da permettere a chi li volesse utilizzare in ambito elettromeccanico di prevederne il comportamento in applicazioni specifiche. Per un progettista, infatti, è necessario avere dei parametri di riferimento ben definiti che possano essere inseriti nella modellazione dei sistemi in fase di progetto e simulazione. Sulla comprensione dei fenomeni alla base del funzionamento di tali fluidi e sulla loro caratterizzazione, si riscontra in letteratura una certa contraddittorietà, spesso si hanno informazioni contrastanti. Le prospettive di utilizzo in ambito elettromeccanico richiedono uno studio differente per questi fluidi, rispetto a quanto normalmente necessario per la caratterizzazione di un fluido. Alle informazioni normalmente di interesse si aggiungono quelle che riguardano il comportamento trasduttivo. Lo studio reologico, cioè quella analisi comportamentale che normalmente si fa per esprimere in cifre le proprietà meccaniche del materiale, dovrebbe essere rivisto ed adattato all’applicazione in oggetto, le usuali metodologie di misura non sono adeguate poiché non sembrano adeguati i sistemi di misura utilizzati. 10

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