Sensitivity Analysis of the Transmission Chain of a Horizontal Machining Tool Axis to Design and Control Parameters

This paper reports how a numerical controlled machine axis was studied through a lumped parameter model. Firstly, a linear model was derived in order to apply a modal analysis, which estimated the first mechanical frequency of the system as well as its damping coefficients. Subsequently, a nonlinear system was developed by adding friction through experimentation. Results were validated through the comparison with a commercial servoaxis equipped with a Siemens controller. The model was then used to evaluate the effect of the stiffness of the structural parts of the axis on its first natural frequency. It was further used to analyse precision, energy consumption, and axis promptness. Finally a cost function was generated in order to find an optimal value for the main proportional gain of the position loop

Wearable Inertial Sensors to Assess Standing Balance: A Systematic Review

Wearable sensors are de facto revolutionizing the assessment of standing balance. The aim of this work is to review the state-of-the-art literature that adopts this new posturographic paradigm, i.e., to analyse human postural sway through inertial sensors directly worn on the subject body. After a systematic search on PubMed and Scopus databases, two raters evaluated the quality of 73 full-text articles, selecting 47 high-quality contributions. A good inter-rater reliability was obtained (Cohen’s kappa = 0.79). This selection of papers was used to summarize the available knowledge on the types of sensors used and their positioning, the data acquisition protocols and the main applications in this field (e.g., “active aging”, biofeedback-based rehabilitation for fall prevention, and the management of Parkinson’s disease and other balance-related pathologies), as well as the most adopted outcome measures. A critical discussion on the validation of wearable systems against gold standards is also presented

Servoattuatore lineare combinato elettro-pneumatico

SOMMARIO Nei campi dell'automazione dei processi industriali e dei sistemi robotizzati flessibili assumono primaria importanza i dispositivi di attuazione, per la produzione e la regolazione di desiderate leggi di moto o per la generazione di determinate azioni. Le problematiche connesse con lo sviluppo di servoattuatori, in grado di mantenere la grandezza controllata il più possibile prossima alla legge di variazione della grandezza di riferimento, sono molteplici. Esse possono suddividersi in due filoni principali, fra loro interconnessi: 1. problemi di definizione del progetto e di realizzazione del servosistema; 2. problemi relativi alla logica di azionamento e controllo dell'attuatore. Entrambi questi aspetti sono stati affrontati nel corso della ricerca presentata nel seguente elaborato. L'argomento svolto riguarda la definizione di servosistemi di attuazione lineare con controllo di velocità del carico movimentato o dell'azione di forza sviluppata. La trattazione è suddivisa in tre Parti. Ciascuna prevede una Introduzione di presentazione dell'argomento sviluppato nei Capitoli successivi ed una sezione di Conclusioni. Nella Parte prima viene affrontato lo studio di un sistema di attuazione ibrido elettro-pneumatico, ottenuto mediante l'accoppiamento per interposizione di un dispositivo a vite e madrevite, di un motore elettrico brushless con un cilindro pneumatico. Il primo svolge la funzione di controllo della legge di velocità dello stelo del servoattuatore, mentre il secondo sviluppa la necessaria potenza per la movimentazione del carico. L'azionamento del cilindro pneumatico è ottenuto mediante valvole digitali e la logica di controllo è del tipo master-slave, essendo il motore elettrico l'elemento master, e quello pneumatico l'elemento slave. Il segnale di riferimento di velocità per il motore brushless è fornito dall'esterno, quello per l'attuatore pneumatico è funzione della corrente circolante nel motore elettrico. In Capitolo 1 è descritto il principio di funzionamento del dispositivo e ne vengono definiti gli elementi costituenti. Il progetto si è sviluppato nell'ottica di ottenere un dispositivo compatto di dimensioni e peso limitati. Particolare attenzione viene posta in Capitolo 2 ai componenti pneumatici e alla logica con la quale vengono pilotati. In Capitolo 3 si analizza il sistema di azionamento del motore elettrico e quello di acquisizione ed elaborazione dati utilizzato per la gestione del servoattuatore; viene inoltre definita la legge di controllo impiegata. Infine, in Capitolo 4, vengono presentati i risultati di una serie di prove effettuate su un prototipo del servoattuatore tali da permetterne una valutazione delle prestazioni. Nella Parte seconda si pone l'attenzione sullo sviluppo di un attuatore lineare pneumatico per il controllo di forza azionato mediante valvole digitali. Esso è derivato dal sistema pneumatico del servoattuatore della Parte prima. La ricerca trae infatti spunto dall'osservazione della riduzione di prestazioni fornite dall'attuatore pneumatico, in termini di controllo della forza sviluppata, in presenza di un disturbo di velocità di traslazione dello stelo. Tuttavia, anche se giustificato come approfondimento della Parte prima, lo studio presentato nella Parte seconda assume una valenza propria, ed i risultati conseguiti sono validi per analoghi servoattuatori di controllo forza pneumatici. In Capitolo 5 si affronta la scrittura di un modello matematico del sistema e della sua linearizzazione. In Capitolo 6 vengono presentati i risultati di prove sperimentali effettuate sull'attuatore con stelo bloccato: esse, oltre a permettere una valutazione del funzionamento del sistema, hanno condotto alla validazione dei modelli non lineare e linearizzato. Per ottimizzare il controllo forza con disturbo di velocità, in Capitolo 7, vengono svolte alcune considerazioni sulle condizioni di flusso attraverso le valvole, determinando i legami esistenti tra la specifica di forza, il disturbo di velocità, la conduttanza delle valvole e la taglia dell'attuatore. Infine, in Capitolo 8, viene studiata, simulata e sperimentata una diversa logica di controllo, che prevede, sovrapposta alla compensazione proporzionale all'errore di forza, anche l'azione di due algoritmi denominati compensatore di velocità e correttore di conduttanze. Nella Parte terza viene presentato lo sviluppo di un servoattuatore pneumatico lineare con diversa configurazione rispetto al precedente. Esso prevede un cilindro pneumatico a doppio effetto controllato con una valvola proporzionale in flusso a quattro vie. Caratteristica del controllo forza è la linea di by-pass con strozzatore tra le due connessioni alle camere del cilindro. In Capitolo 9 viene fornita una descrizione del sistema ed il modello matematico. Mediante le equazioni descrittive del dispositivo si esegue un'indagine dell'influenza dei parametri caratteristici, conduttanza della valvola proporzionale, diametro dello strozzatore, taglia del cilindro e disturbo di velocità, sui valori di portate nel circuito del servoattuatore e sulla forza sviluppata. In Capitolo 10 si affronta la linearizzazione delle equazioni di portata e la scrittura delle funzioni di trasferimento in anello aperto ed anello chiuso con retroazione di forza del servoattuatore. Una metodologia di progetto del controllo, basata sulle specifiche di stabilità della risposta del sistema, con analisi dei valori da assegnare ai guadagni dei compensatori, viene presentata in Capitolo 11. In conclusione, in Capitolo 12, sono riportati i risultati di una verifica sperimentale del progetto realizzato, con l'analisi della risposta di forza fornita dal servoattuatore

Servoattuatore lineare combinato elettro-pneumatico

SOMMARIO Nei campi dell'automazione dei processi industriali e dei sistemi robotizzati flessibili assumono primaria importanza i dispositivi di attuazione, per la produzione e la regolazione di desiderate leggi di moto o per la generazione di determinate azioni. Le problematiche connesse con lo sviluppo di servoattuatori, in grado di mantenere la grandezza controllata il più possibile prossima alla legge di variazione della grandezza di riferimento, sono molteplici. Esse possono suddividersi in due filoni principali, fra loro interconnessi: 1. problemi di definizione del progetto e di realizzazione del servosistema; 2. problemi relativi alla logica di azionamento e controllo dell'attuatore. Entrambi questi aspetti sono stati affrontati nel corso della ricerca presentata nel seguente elaborato. L'argomento svolto riguarda la definizione di servosistemi di attuazione lineare con controllo di velocità del carico movimentato o dell'azione di forza sviluppata. La trattazione è suddivisa in tre Parti. Ciascuna prevede una Introduzione di presentazione dell'argomento sviluppato nei Capitoli successivi ed una sezione di Conclusioni. Nella Parte prima viene affrontato lo studio di un sistema di attuazione ibrido elettro-pneumatico, ottenuto mediante l'accoppiamento per interposizione di un dispositivo a vite e madrevite, di un motore elettrico brushless con un cilindro pneumatico. Il primo svolge la funzione di controllo della legge di velocità dello stelo del servoattuatore, mentre il secondo sviluppa la necessaria potenza per la movimentazione del carico. L'azionamento del cilindro pneumatico è ottenuto mediante valvole digitali e la logica di controllo è del tipo master-slave, essendo il motore elettrico l'elemento master, e quello pneumatico l'elemento slave. Il segnale di riferimento di velocità per il motore brushless è fornito dall'esterno, quello per l'attuatore pneumatico è funzione della corrente circolante nel motore elettrico. In Capitolo 1 è descritto il principio di funzionamento del dispositivo e ne vengono definiti gli elementi costituenti. Il progetto si è sviluppato nell'ottica di ottenere un dispositivo compatto di dimensioni e peso limitati. Particolare attenzione viene posta in Capitolo 2 ai componenti pneumatici e alla logica con la quale vengono pilotati. In Capitolo 3 si analizza il sistema di azionamento del motore elettrico e quello di acquisizione ed elaborazione dati utilizzato per la gestione del servoattuatore; viene inoltre definita la legge di controllo impiegata. Infine, in Capitolo 4, vengono presentati i risultati di una serie di prove effettuate su un prototipo del servoattuatore tali da permetterne una valutazione delle prestazioni. Nella Parte seconda si pone l'attenzione sullo sviluppo di un attuatore lineare pneumatico per il controllo di forza azionato mediante valvole digitali. Esso è derivato dal sistema pneumatico del servoattuatore della Parte prima. La ricerca trae infatti spunto dall'osservazione della riduzione di prestazioni fornite dall'attuatore pneumatico, in termini di controllo della forza sviluppata, in presenza di un disturbo di velocità di traslazione dello stelo. Tuttavia, anche se giustificato come approfondimento della Parte prima, lo studio presentato nella Parte seconda assume una valenza propria, ed i risultati conseguiti sono validi per analoghi servoattuatori di controllo forza pneumatici. In Capitolo 5 si affronta la scrittura di un modello matematico del sistema e della sua linearizzazione. In Capitolo 6 vengono presentati i risultati di prove sperimentali effettuate sull'attuatore con stelo bloccato: esse, oltre a permettere una valutazione del funzionamento del sistema, hanno condotto alla validazione dei modelli non lineare e linearizzato. Per ottimizzare il controllo forza con disturbo di velocità, in Capitolo 7, vengono svolte alcune considerazioni sulle condizioni di flusso attraverso le valvole, determinando i legami esistenti tra la specifica di forza, il disturbo di velocità, la conduttanza delle valvole e la taglia dell'attuatore. Infine, in Capitolo 8, viene studiata, simulata e sperimentata una diversa logica di controllo, che prevede, sovrapposta alla compensazione proporzionale all'errore di forza, anche l'azione di due algoritmi denominati compensatore di velocità e correttore di conduttanze. Nella Parte terza viene presentato lo sviluppo di un servoattuatore pneumatico lineare con diversa configurazione rispetto al precedente. Esso prevede un cilindro pneumatico a doppio effetto controllato con una valvola proporzionale in flusso a quattro vie. Caratteristica del controllo forza è la linea di by-pass con strozzatore tra le due connessioni alle camere del cilindro. In Capitolo 9 viene fornita una descrizione del sistema ed il modello matematico. Mediante le equazioni descrittive del dispositivo si esegue un'indagine dell'influenza dei parametri caratteristici, conduttanza della valvola proporzionale, diametro dello strozzatore, taglia del cilindro e disturbo di velocità, sui valori di portate nel circuito del servoattuatore e sulla forza sviluppata. In Capitolo 10 si affronta la linearizzazione delle equazioni di portata e la scrittura delle funzioni di trasferimento in anello aperto ed anello chiuso con retroazione di forza del servoattuatore. Una metodologia di progetto del controllo, basata sulle specifiche di stabilità della risposta del sistema, con analisi dei valori da assegnare ai guadagni dei compensatori, viene presentata in Capitolo 11. In conclusione, in Capitolo 12, sono riportati i risultati di una verifica sperimentale del progetto realizzato, con l'analisi della risposta di forza fornita dal servoattuator

Differential-drag-based roto-translational control for propellant-less spacecraft

Abstract This paper proposes a novel technique to perform propellant-free chaser-target spacecraft relative maneuvers while simultaneously stabilizing the chaser's attitude with respect to the local vertical local horizontal coordinate system centered at its body center of mass. The control forces required for relative maneuvers at low Earth orbits can be generated by varying the relative aerodynamic drag via maneuverable sails placed in the back-end of the spacecraft. At the same time, aerodynamic torques resulting from the displacement of the centers of pressure of the sails can stabilize the orientation of the spacecraft. In this work, the target vehicle is assumed to maneuver an identical sail in a cooperative fashion and will be centered and attitude-stabilized in its local vertical local horizontal coordinate system. The proposed approach is based on the idea of virtual thrusters, emulating the sail's center of pressure offset in the controller. Several test cases are presented for various existing spacecraft, demonstrating successful propellant-less roto-translational control of the chaser spacecraft