Modelling and Control of Complex Structures: From Ebatronics to Electromechanical Devices and Their Industrial Applications [Modellazione e controllo di strutture complesse: Dall'ebatronica ai dispositivi elettromeccanici e alle loro applicazioni industriali]

The research aims to study the modelling and control of complex systems to contribute to the growing advancements in robotics and engineering. This research has been conducted in a green robotics laboratory named Ebatronics, where sustainable and recycled components were used to construct physical models for research experiments. In the first phase, a system identification study of tensegrity structures has been performed. Tensegrity structures are unique combinations of solid compressive and tensile elements, where solid elements are held in place with the help of tensile elements. The shape adaptability and lightweight characteristics of these structures make them suitable for applications in robotics and engineering. The system modelling and control study of these complex structures paves the way for designing better control mechanisms to manipulate them for desired applications. A magnetic-spring-based solenoid-driven electromechanical actuator has been developed, which performs linear motion. Frequency sweep tests were performed to assess the performance of the actuator under different excitation inputs. The actuator shows nonlinear jump resonance phenomena, as the resonance peak shifts to the left, which is known as the spring-softening effect. An empirical approach to finding the mathematical relation for the magnetic force between the permanent magnets has been adopted. To characterize the dynamics of the actuator, a second-order dynamical equation has been derived. To further expand the system modelling of complex systems, an electromechanical vibrating platform has been created, imitating real-world scenarios of low-frequency vibration systems, with a focus on developing an active vibration suppression system. Quaternion-valued hyper-complex neural networks have been trained on accelerometer, gyroscope, and displacement data to predict the $n$-step prediction of the platform’s position. The obtained results show that an active vibration suppression system can be developed using the prediction data by designing a control action to counteract vibrations in real time. There is a need to scale up this approach to develop an industrial-level active vibration suppression system. The application of this study in the healthcare sector has also been explored. A novel idea of a smart bedside rail system for medical beds, aimed at preventing patient falls and enhancing the safety of delirium patients, has been presented. The applicability of a magnetic-spring-based electromechanical device for sensing patient movement on the bed has been explored, alongside the idea of developing an actuator for raising and lowering the bedside rails. This research contributes to the advancement of engineering and robotics by studying the modelling and control of complex electromechanical systems while conducting experiments in a sustainable way to reduce environmental impact. However, comparing these systems with other studies is crucial for further development. This research opens several avenues for future work to turn these innovative ideas into reality.

La ricerca mira a studiare la modellazione e il controllo di sistemi complessi per contribuire ai crescenti progressi della robotica e dell'ingegneria. Questa ricerca è stata condotta in un laboratorio di robotica verde chiamato Ebatronics, dove sono stati utilizzati componenti sostenibili e riciclati per costruire modelli fisici per gli esperimenti di ricerca. Nella prima fase, è stato effettuato uno studio di identificazione del sistema delle strutture tensegrity. Le strutture di tensegrità sono combinazioni uniche di elementi solidi di compressione e di trazione, in cui gli elementi solidi sono tenuti in posizione con l'aiuto di elementi di trazione. L'adattabilità alla forma e le caratteristiche di leggerezza di queste strutture le rendono adatte ad applicazioni in robotica e ingegneria. Lo studio della modellazione e del controllo di queste strutture complesse apre la strada alla progettazione di meccanismi di controllo migliori per manipolarle per le applicazioni desiderate. È stato sviluppato un attuatore elettromeccanico a molla magnetica azionato da un solenoide, che esegue un movimento lineare. Per valutare le prestazioni dell'attuatore in presenza di diversi input di eccitazione, sono stati eseguiti test di sweep di frequenza. L'attuatore mostra un fenomeno di risonanza a salto non lineare, in quanto il picco di risonanza si sposta verso sinistra, noto come effetto di ammorbidimento della molla. È stato adottato un approccio empirico per trovare la relazione matematica per la forza magnetica tra i magneti permanenti. Per caratterizzare la dinamica dell'attuatore, è stata derivata un'equazione dinamica del secondo ordine. Per ampliare ulteriormente la modellazione di sistemi complessi, è stata creata una piattaforma elettromeccanica vibrante che imita gli scenari reali dei sistemi di vibrazione a bassa frequenza, con l'obiettivo di sviluppare un sistema di soppressione attiva delle vibrazioni. Le reti neurali ipercomplesse a valore quaternione sono state addestrate sui dati dell'accelerometro, del giroscopio e dello spostamento per prevedere la posizione della piattaforma a $n$ passi. I risultati ottenuti mostrano che è possibile sviluppare un sistema di soppressione attiva delle vibrazioni utilizzando i dati di previsione, progettando un'azione di controllo per contrastare le vibrazioni in tempo reale. È necessario sviluppare questo approccio su scala più ampia per realizzare un sistema di soppressione attiva delle vibrazioni di livello industriale. È stata inoltre esplorata l'applicazione di questo studio nel settore sanitario. È stata presentata un'idea innovativa di un sistema di sponde intelligenti per letti medici, finalizzato a prevenire le cadute dei pazienti e a migliorare la sicurezza dei pazienti affetti da delirio. È stata esplorata l'applicabilità di un dispositivo elettromeccanico basato su molle magnetiche per il rilevamento dei movimenti del paziente sul letto, insieme all'idea di sviluppare un attuatore per sollevare e abbassare le sponde del letto. Questa ricerca contribuisce al progresso dell'ingegneria e della robotica studiando la modellazione e il controllo di sistemi elettromeccanici complessi e conducendo esperimenti in modo sostenibile per ridurre l'impatto ambientale. Tuttavia, il confronto di questi sistemi con altri studi è fondamentale per un ulteriore sviluppo. Questa ricerca apre diverse strade per il lavoro futuro per trasformare queste idee innovative in realtà.