8. Realizzazione di prototipi di endoscopi

8.
Realizzazione di prototipi di endoscopi
8.1 Introduzione
In parallelo al lavoro di analisi e sintesi riportato nel capitolo 6, sono
stati realizzati vari prototipi per verificare la fattibilità pratica di una
locomozione indotta da azioni dinamiche di tipo armonico.
Nella pratica industriale sono frequenti dispositivi in cui si ottiene lo
spostamento di prodotti inerti in granuli mediante azioni dinamiche
impresse al materiale da movimenti ciclici, di piccola ampiezza, della
struttura di supporto. A questa classe di sistemi appartengono i
trasportatori a scosse ed i vagli, di largo impiego nell’industrie
chimiche e petrolchimiche. La vibrazione del vaglio o del nastro di
trasporto viene realizzata mediante un opportuno meccanismo o
attraverso l’impiego di sistemi capaci di generare forze d’inerzia
alternate in una direzione predefinita.
Capitolo 8 - Realizzazione di prototipi di endoscopi
8.2 Generatori di vibrazioni
Per arrivare allo scopo si sono investigate le possibili strade per
generare vibrazioni. I modi per indurre vibrazioni sono molti e di
origini molto varie. E’ vero però che, nella pratica della progettazione
meccanica, le vibrazioni sono viste come un effetto collaterale non
desiderato, quindi è dalle cause che generano le vibrazioni stesse che
si deve partire.
La fonte principale di vibrazioni sono le masse in moto. Infatti ad un
qualsiasi moto ciclico di un organo meccanico dotato di massa è
associata una forza d’inerzia variabile nel tempo. Normalmente
vengono presi tutti gli accorgimenti per ridurre questi effetti: uso di
masse bilancianti, inserimento di masse controrotanti, uso di
smorzatori e così via. Nel caso in cui le frequenze delle azioni d’inerzia
siano in sintonia con qualcuna delle frequenze proprie strutturali del
sistema si ha un’esaltazione dell’ampiezza di vibrazione e dei disturbi
conseguenti, con effetti che talvolta possono portare alla rottura di un
componente o al collasso dell’intero sistema. Questo effetto può
comunque essere anche buono, in quanto in risonanza è possibile
ottenere effetti elevati con forze molto ridotte, nei casi in cui gli
smorzamenti siano trascurabili. L’idea di utilizzare azioni armoniche
per generare movimenti in un dispositivo endoscopico sarebbe
estremamente attraente se non urtasse contro il principio che un
sistema isolato non può generare delle azioni auto propulsive se non
interagisce con il mondo esterno. Nel caso di un piccolo dispositivo le
azioni d’inerzia generate all’interno non possono produrre movimento
se non si riesce a differenziare le resistenze nel moto di avanzamento
e nel moto di arretramento. Si rimanda per questo a quanto esposto
nel capitolo 6.
Nella sperimentazione compiuta si è inizialmente allentato il vincolo
dimensionale. In altre parole, volendo dimostrare la fattibilità di un
dispositivo semovente, si è scelto di lasciare le soluzione dei problemi
relativi alla miniaturizzazione ed integrazione dei vari componenti ad
uno studio successivo e puntare preliminarmente sulla realizzazione
dei prototipi in scala leggermente maggiore del dispositivo da
sperimentare clinicamente.
8.2
Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi
I sistemi realizzati sono simili in forma e struttura. Possiedono un
generatore di forze armoniche costituito da una massa eccentrica
rotante, un pattino la cui conformazione produce resistenza
all’avanzamento molto dissimile nei due sensi di marcia ed una fonte
energetica costituita da batterie. Come si è detto l’obbiettivo di questa
fase preliminare della ricerca era dimostrare la possibilità di ottenere
la locomozione attraverso un’eccitazione armonica prodotta all’interno
del sistema.
Sin dalla fase iniziale, si è scelto realizzare prototipi più piccoli
possibile dato l’obbiettivo finale di poter camminare dentro il tubo
digerente. Inoltre la necessità di realizzare un numero molto limitato
di prototipi, non essendo previsto il passaggio alla produzione in serie,
ha imposto l’uso di dispositivi di commercio.
In questa direzione sono stati trovati alcuni interessanti prodotti. In
particolare, per le esigenze di miniaturizzazione e massa ridotta, sono
stati utilizzati componenti usati nei telefoni cellulari per generare
vibrazioni. Si tratta di micromotori in corrente continua.
L’alimentazione di progetto è di 3,6 volt e la potenza assorbita varia
dai 40 agli 80 mAh a seconda dei modelli.
Le vibrazioni sono dovute alla presenza di una massa eccentrica,
posta in rotazione dal motore stesso.
In figura 8.1 è mostrato il tipo con massa eccentrica esterna
calettata sull’alberino. In figura 8.2 invece è mostrato il motore con
rotore eccentrico.
Fig. 8.1
8.3
Capitolo 8 - Realizzazione di prototipi di endoscopi
Fig. 8.2
8.3 Il primo prototipo
Data la mancanza di riferimenti bibliografici, si è pensato di iniziare
provando la fattibilità di un moto su un piano.
Il primo prototipo realizzato è estremamente semplice e volto
esclusivamente a provare il principio di funzionamento. Si tratta di un
pattino asimmetrico su cui sono montati le batterie e i due motori
controrotanti, sui cui alberini sono montate delle masse eccentriche.
Per quanto riguarda il pattino la geometria scelta risponde
all’esigenza di produrre un impuntamento nel moto retrogrado del
dispositivo. Nel prototipo finale la geometria grossolana qui adottata
dovrà lasciare il posto ad una microlavorazione. Il pattino inferiore è
stato realizzato con materiale gommoso e la struttura in acciaio.
L’ingombro di questo prototipo è 70x25x30 mm ed il peso complessivo
batterie incluse di 70 grammi. Si sono usate batterie nichel cadmio da
90 mAh. L’autonomia del dispositivo in moto continuativo è pari a 70
8.4
Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi
minuti circa. Il passo della dentatura del pattino è stato posto pari a
11 mm e la profondità delle gole pari a 4 mm. I risultati ottenuti sono
stati apprezzabili: questo prototipo si è dimostrato in grado di
avanzare su una superficie piana con una velocità di circa 11 mm/sec.
imωe2
Im
Motori
iω
Batterie
Ie
Fig. 8.3
Poiché il pattino asimmetrico è stato realizzato per incisione
manuale della gomma e durante disposizione dei componenti sul
supporto non si proceduto ad una accurato bilanciamento delle masse
in modo da far coincidere il baricentro geometrico con quello di massa,
il prototipo nel suo avanzamento mostrava un’andatura non
perfettamente rettilinea. Ma questo era ampiamente previsto. Inoltre
un ruolo importante per ottenere il massimo avanzamento possibile è
dato dalla opportuna regolazione della fase tra le forze generate dalle
8.5
Capitolo 8 - Realizzazione di prototipi di endoscopi
due masse eccentriche. Nei prototipi realizzati non si è implementato
nessun sistema per il controllo di quest’ultima.
8.4 Secondo prototipo
Dopo aver verificato la fattibilità del moto su un piano si è proceduto
in modo analogo alla realizzazione di un prototipo in grado di avanzare
in un tubo rettilineo.
Anche in questo caso si è cercato di verificare semplicemente la
fattibilità di massima. Quindi sono stati usati componenti commerciali.
Tenendo conto comunque della necessità di realizzare un prototipo con
diametro minore possibile, si è scelto di utilizzare i micro-motori
mostrati in figura 8.2. Si tratta motori in corrente continua con rotore
eccentrico e magnete permanente toroidale. Le dimensioni esterne
sono: diametro 14 mm e spessore 4 mm. Il peso di ciascuno motore è
di circa 3 grammi.
Fig. 8.4
I motori usati per la realizzazione del prototipo precedente, anche di
volume e massa molto ridotti, sono stati scartati per il loro ingombro
8.6
Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi
assiale (lunghezza 20 mm), poiché, in un eventuale prototipo tubolare,
si sarebbero dovuti montare in direzione perpendicolare all’asse di
avanzamento per ottenere l’eccitazione nella direzione voluta, ciò
avrebbe portato il diametro interno minimo a 24,4 mm.
Invece con i motori scelti è stato possibile realizzare un corpo cavo
di diametro pari a 18,6 mm. In figura 8.4, sulla sinistra è mostrata la
sezione trasversale minima considerando l’uso dei motori con rotore
eccentrico, invece a destra è riportata la versione con motori e masse
eccentriche applicate.
Come mostra la figura con l’uso di questo tipo di motori si possono
risparmiare circa 6 mm di diametro.
Fig. 8.5
Nella figura 8.5 è riportata una sezione trasversale del primo
prototipo tubolare. Il corpo cilindrico, realizzato in PVC, è stato
scanalato al tornio con passo dei denti di 8 mm e profondità pari a
2 mm. Anche questo prototipo una volta realizzato è stato in grado di
8.7
Capitolo 8 - Realizzazione di prototipi di endoscopi
avanzare in un tubo di 40 mm di diametro. Per raggiungere questo
risultato è stato necessario bilanciare assialmente le masse. Infatti il
dispositivo realizzato non era dotato di elettronica e di sistemi di
visione e quindi la grande parte della massa risultava concentrata nella
parte posteriore. In questa zona si sono alloggiate le batterie, in
questo caso tre elementi da 1,2 volt di tipo Nichel-Metalidrato,
collegati in serie, da 120 mAh di potenza. La massa complessiva del
gruppo batterie è circa 35 grammi. I motori posti nella zona anteriore,
supportati su una sottile lamina di policarbonato, arrivano
complessivamente a circa 11 grammi. L’evidente sbilancio di masse
non consentiva al prototipo di avanzare. Questo è stato ovviato
applicando una massa aggiuntiva di circa 20 grammi, nella zona
anteriore, come mostrato in figura 8.6. La velocità di avanzamento
misurata è stata circa 6 mm/sec. Il tubo usato per le prove di
avanzamento è fatto di polietilene e la superficie interna è stata
mantenuta asciutta.
Fig. 8.6
8.5 Terzo prototipo
8.8
Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi
Dopo aver realizzato i due precedenti dispositivi, ci si è posti
l’obbiettivo di progettare un prototipo tubolare di diametro ancora
inferiore e di potenza superiore.
Per raggiungere questo scopo si sono cercate altre possibili fonti di
vibrazioni poiché i motori con massa eccentrica sin qui utilizzati sono
certamente estremamente sofisticati e miniaturizzati ma hanno due
limiti: primo, gran parte della massa è dedicata ad elementi che non
generano forza d’inerzia (per esempio: carcassa, rotore simmetrico,
alberino, magneti permanenti e così via); secondo, la forza d’inerzia
generata da una massa eccentrica rotante, ha una componente
orizzontale sinusoidale, ma ha anche una componente verticale ad
essa complementare che non produce alcun effetto propulsivo.
Fig. 8.7
Per poter superare entrambi i limiti sopra esposti si è pensato di
usare un elettromagnete del tipo mostrato in figura 8.7.
In particolare la parte in blu è formata dalla carcassa, su cui sono
montati la boccola di guida della parte mobile ed il magnete
permanente toroidale. La parte disegnata in rosso è costituita
dall’albero su cui è calettato il supporto della bobina alle estremità del
quale sono avvolte le spire. Con un dispositivo così fatto, eccitando
8.9
Capitolo 8 - Realizzazione di prototipi di endoscopi
con una tensione modulata in frequenza la bobina è possibile far
oscillare la parte mobile. Con questo tipo di soluzione è possibile
ovviare entrambi i limiti precedentemente riscontrati: primo, tutta la
forza d’inerzia generata è diretta assialmente; secondo, la massa della
parte mobile può essere anche notevolmente superiore rispetto a
quella dello statore.
In commercio sono disponibili molti tipi di solenoidi miniaturizzati,
quindi anche in questo caso si è scelto di utilizzare componentistica
industriale.
Nella figura seguente è riportato uno schema di massima del
prototipo realizzato con l’uso di un solenoide.
Fig. 8.8
8.10
Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi
Per poter usare un solenoide come generatore di vibrazioni è
necessario disporre di una tensione alternata intorno ai 20 volt. Poiché
si è sempre posto l’obbiettivo di realizzare un dispositivo autonomo, la
potenza elettrica è sempre fornita da batterie. Pensando di poter
inserire all’interno del dispositivo quattro batterie, si ha a disposizione
una tensione continua pari a 4,8 volt. Per quanto riguarda la
generazione di una tensione alternata, non vi sono problemi poiché
esistono in commercio vari integrati, di dimensioni estremamente
ridotte, in grado di compiere questo compito. Per portare la tensione
da 4,8 a 20 volt si è scelto l’integrato LA16-27, anche esso di ridotte
dimensioni, che amplifica di 4 volte una tensione continua, portando
così la tensione delle batterie a 19,2 volt.
Il dispositivo progettato, considerando l’uso di un elettromagnete di
commercio di 9 mm di diametro, ha un diametro esterno di 13 mm ed
una lunghezza complessiva di 20 mm. Ma è stato realizzato un
prototipo basato su un elettromagnete in scala maggiore con un
diametro esterno di 20 mm. Il dispositivo realizzato è allo stato
alimentato dall’esterno tramite cavi elettrici.
Nella figura seguente sono mostrati i dettagli del solenoide utilizzato
per la realizzazione del suddetto prototipo.
Fig. 8.9
8.6
Disegni costruttivi dei com ponenti dei prototipi
8.11
Capitolo 8 - Realizzazione di prototipi di endoscopi
In questo paragrafo sono riportate alcune tavole. In particolare, per
realizzare i prototipi è stato necessario progettare le strutture portanti.
Tavola 1: Prototipo per moto su piano, struttura portante
Realizzata da una piastra d’acciaio da 1 mm di spessore. La
superficie d’attrito è realizzata in gomma
Tavola 2: Prototipo per moto in un tubo, struttura portante
Realizzata in PVC.
Tavola 3: Prototipo per moto in un tubo, struttura portante
Realizzata in PVC.
Tavola 1
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Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi
Tavola 2
Tavola 3
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