Modellazione e controllo del moto di un robot a cavi planare sottoattuato

Il presente elaborato affronta lo studio e il controllo di un sistema robotico a cavi planare e sottoattuato (U-CDPR), costituito da una piattaforma bidimensionale sospesa tramite due cavi vincolati a punti fissi. La piattaforma, dotata di tre gradi di libertà (due traslazioni e una rotazione), è controllata mediante sole due coppie motrici agenti sulle pulegge, configurandosi dunque come un sistema sottoattuato. Questa caratteristica richiede tecniche avanzate di modellazione e controllo per assicurare un inseguimento accurato delle traiettorie desiderate con oscillazioni residue trascurabili. Dopo un’introduzione al sistema e alla sua formulazione dinamica, viene presentata un’analisi dettagliata delle frequenze naturali di oscillazione, svolta sia mediante simulazioni della risposta all’ impulso sia attraverso la linearizzazione del modello. Successivamente si passa allo sviluppo e all’applicazione di tecniche di input shaping (ZV, ZVD, EI) per ridurre le vibrazioni residue, con particolare attenzione all’applicazione sui profili di coppia. Tali metodi sono assunti come benchmark. La parte centrale del lavoro si concentra sull’implementazione di un approccio di inversione dinamica, che permette di calcolare le coppie motrici necessarie per seguire traiettorie predefinite del baricentro, o in alternatiiva le traiettorie ottimali dei motori, in caso di controllori puramente co-locati. La variabile libera φ(t) (oscillazione del carico), non direttamente controllabile, è stata gestita provando ad attenuarne le oscillazioni residue mediante l’approccio ibrido che integra input shaping e dinamica inversa. A complemento delle strategie in catena aperta, è stato sviluppato un controllore predittivo basato su Model Predictive Control (MPC), utilizzando una formulazione in spazio di stato arricchita da un osservatore Extended Kalman Filter (EKF), per simulare il sistema reale e le misure disponibili per la retroazione. Sono stati esplorati due approcci di riferimento: uno basato sulle sole variabili attuate (x, y), lasciando libera la dinamica di φ, e uno basato su un riferimento completo comprensivo anche di φ. Infine, la validazione sperimentale su banco prova ha riguardato esclusivamente il metodo per il controllo in catena aperta, ossia l’inversione dinamica, rimandando come sviluppo futuro l’applicazione del controllo predittivo MPC. I risultati confermano la possibilità di ottenere traiettorie fluide e compatibili con i vincoli dinamici, riducendo sensibilmente le vibrazioni e dimostrando la validità dell’approccio proposto per sistemi robotici sottoattuati.