ETD

• Attuatore
• Magnetic Gear
• robotica

The growing use of collaborative robots, wearable devices, and exoskeletons has increased the demand for actuation systems capable of combining high dynamic performance, safety, and transparency during interaction with the user. In these applications, the actuator must transmit torque in a controlled manner while limiting friction, reflected inertia, and the resistance perceived at the load side. Conventional mechanical transmissions can provide high torque density, but they introduce phenomena such as friction, backlash, wear, and the need for lubrication, which may reduce the quality of physical interaction. To address these limitations, different actuation architectures have been developed, including Series Elastic Actuators, Quasi-Direct Drive actuators, and, more recently, actuators based on magnetic transmissions.
Magnetic transmissions, also known as Magnetic Gears, transfer torque without direct mechanical contact by exploiting the interaction between the magnetic fields generated by permanent magnets. This feature reduces wear and maintenance requirements, eliminates the need for lubrication, and provides intrinsic overload protection. When the applied torque exceeds the maximum transmissible value, the transmission temporarily loses synchronism between its rotors, producing magnetic slipping without mechanically damaging its components. Once the overload is removed, the system can resume normal operation.
Among the different configurations proposed in the literature, coaxial magnetic gears based on flux modulation are of particular interest. These devices generally consist of an inner rotor, referred to as the Sun, an outer rotor, referred to as the Ring, and an intermediate ferromagnetic modulator, referred to as the Carrier. The ferromagnetic elements of the modulator alter the spatial distribution of the magnetic fields generated by the two rotors, producing harmonics that interact with one another and enable torque transmission according to a specific gear ratio. Therefore, the numbers of pole pairs on the two rotors and the number of ferromagnetic elements are fundamental parameters governing the operation of the device.
The geometry and arrangement of the permanent magnets influence not only the gear ratio, but also the maximum transmissible torque, torsional stiffness, and torque oscillations. The design of a magnetic gear therefore requires a compromise between torque transmission capability, torque smoothness, and dynamic performance. Unlike an ideally rigid mechanical transmission, magnetic coupling also introduces intrinsic torsional compliance. For small relative displacements between the rotors, the relationship between transmitted torque and torsional angle can be approximated as linear elastic behaviour. This property makes it possible to estimate the transmitted torque from the difference between the angular positions measured on the two sides of the transmission, provided that its torsional stiffness is known.
The presence of this compliance makes magnetic transmissions partly comparable to Series Elastic Actuators. In a SEA, however, the elastic element is intentionally introduced and designed to improve torque control and interaction safety, whereas in a Magnetic Gear compliance results directly from the magnetic coupling responsible for torque transmission. Magnetic actuators also share with Quasi-Direct Drive actuators the objective of achieving good backdrivability and low mechanical impedance at the load side, although they rely on a different transmission principle. Furthermore, the compliance of the magnetic transmission may introduce resonances, anti-resonances, and differences between the dynamics observed on the motor side and those measured on the load side. Experimental characterisation is therefore essential to assess the suitability of this technology for robotic systems intended for physical human–robot interaction.
This thesis focuses on the static and dynamic characterisation of a Magnetic Drive MD1 actuator, in which a permanent-magnet brushless motor is integrated with a coaxial magnetic transmission. The actuator is equipped with two incremental encoders that measure the angular positions on the two sides of the transmission. The difference between these measurements, properly adjusted according to the gear ratio, represents the equivalent torsional deflection of the Magnetic Gear. By assuming a locally linear torque–displacement relationship, the transmitted torque can be estimated using a virtual torque sensor. The estimated torque is calculated as the product of the experimentally identified torsional stiffness and the relative angular displacement between the two rotors. This estimated torque is used directly by the actuator control system.
The Magnetic Drive is controlled through a Synapticon SOMANET Circulo drive based on the EtherCAT communication protocol and the CiA 402 device profile. The drive implements a PD controller and allows tests to be performed under both open-loop and closed-loop torque control. Operating references and data-acquisition procedures are managed through applications developed in JavaScript/TypeScript and, in some configurations, through ROS 2. The data collected from the drive and the external instrumentation are subsequently synchronised and processed in MATLAB.
The experimental setup consists of the Magnetic Drive actuator, a Maxon EC 45 motor used as the loading machine, mechanical couplings, and a Magtrol torque transducer used as the external reference measurement. The Maxon motor is controlled through a CompactRIO system, while the Magtrol sensor measures the transmitted torque and angular position. The availability of an independent measurement makes it possible to compare the torque internally estimated by the actuator with the torque measured along the mechanical transmission chain.
The work has two main objectives. The first is to characterise the mechanical and dynamic properties of the magnetic transmission through slip-torque, torsional-stiffness, frequency-response, and transparency tests. The second is to validate the internal measurement method of the Magnetic Drive by comparing the commanded torque, the torque estimated through the virtual sensor, and the torque measured by the Magtrol transducer, which is considered the experimental reference.
The slip-torque tests are intended to determine the torque limit beyond which the transmission loses magnetic synchronism and to assess the repeatability of this phenomenon in both rotational directions. The stiffness tests are used to reconstruct the torque–displacement characteristic and identify the coefficient required for the internal torque estimation. The dynamic response is investigated using torque and velocity chirp signals, from which frequency-response functions and the corresponding Bode diagrams are obtained. Finally, transparency tests are performed by setting the torque reference to zero and imposing a motion from the load side. These tests are intended to assess the parasitic torque and apparent impedance generated by the actuator during interaction with the external environment.
Together, these activities define an experimental methodology for analysing the actuator both from the perspective of the magnetic transmission and as a complete electromechanical system. The proposed characterisation therefore provides a basis for examining the properties that make this technology attractive for collaborative and wearable robotics, with particular attention to intrinsic safety, torque transmission capability, backdrivability, transparency, and the reliability of the integrated torque-estimation method.

La crescente diffusione di robot collaborativi, dispositivi indossabili ed esoscheletri ha determinato una maggiore richiesta di sistemi di attuazione capaci di combinare elevate prestazioni dinamiche, sicurezza e trasparenza durante l’interazione con l’utente. In queste applicazioni, l’attuatore deve trasmettere la coppia in maniera controllata, limitando al tempo stesso l’attrito, l’inerzia riflessa e la resistenza percepita dal lato del carico. Le trasmissioni meccaniche convenzionali possono garantire un’elevata densità di coppia, ma introducono fenomeni quali attrito, gioco meccanico, usura e necessità di lubrificazione, che possono ridurre la qualità dell’interazione fisica. Per superare tali limitazioni sono state sviluppate diverse architetture di attuazione, tra cui i Series Elastic Actuators, gli attuatori Quasi-Direct Drive e, più recentemente, gli attuatori basati su trasmissioni magnetiche.
Le trasmissioni magnetiche, note anche come Magnetic Gears, trasferiscono la coppia senza contatto meccanico diretto, sfruttando l’interazione tra i campi magnetici generati da magneti permanenti. Questa caratteristica permette di ridurre l’usura e le esigenze di manutenzione, elimina la necessità di lubrificazione e garantisce una protezione intrinseca dai sovraccarichi. Quando la coppia applicata supera il massimo valore trasmissibile, infatti, la trasmissione perde temporaneamente il sincronismo tra i propri rotori, producendo uno scivolamento magnetico senza danneggiare meccanicamente i componenti. Una volta rimosso il sovraccarico, il sistema può riprendere il normale funzionamento.
Tra le diverse configurazioni proposte in letteratura, risultano di particolare interesse le trasmissioni magnetiche coassiali basate sulla modulazione del flusso. Questi dispositivi sono generalmente costituiti da un rotore interno, denominato Sun, un rotore esterno, indicato come Ring, e un modulatore ferromagnetico intermedio, chiamato Carrier. Gli elementi ferromagnetici del modulatore modificano la distribuzione spaziale dei campi magnetici generati dai due rotori, producendo armoniche che interagiscono tra loro e consentono la trasmissione della coppia secondo uno specifico rapporto di trasmissione. Il numero di coppie polari dei due rotori e il numero degli elementi ferromagnetici rappresentano quindi parametri fondamentali per il funzionamento del dispositivo.
La geometria e la disposizione dei magneti permanenti influenzano non soltanto il rapporto di trasmissione, ma anche la coppia massima trasmissibile, la rigidezza torsionale e le oscillazioni di coppia. La progettazione di una trasmissione magnetica richiede pertanto un compromesso tra capacità di trasmissione della coppia, regolarità della coppia e prestazioni dinamiche. A differenza di una trasmissione meccanica idealmente rigida, inoltre, l’accoppiamento magnetico introduce una cedevolezza torsionale intrinseca. Per piccoli spostamenti relativi tra i rotori, la relazione tra la coppia trasmessa e l’angolo di torsione può essere approssimata mediante un comportamento elastico lineare. Questa proprietà consente di stimare la coppia trasmessa a partire dalla differenza tra le posizioni angolari misurate sui due lati della trasmissione, purché sia nota la sua rigidezza torsionale.
La presenza di tale cedevolezza rende le trasmissioni magnetiche parzialmente confrontabili con i Series Elastic Actuators. Nei SEA, tuttavia, l’elemento elastico viene introdotto e progettato intenzionalmente per migliorare il controllo di coppia e la sicurezza dell’interazione, mentre nei Magnetic Gears la cedevolezza deriva direttamente dall’accoppiamento magnetico responsabile della trasmissione della coppia. Gli attuatori magnetici condividono inoltre con gli attuatori Quasi-Direct Drive l’obiettivo di ottenere una buona backdrivability e una ridotta impedenza meccanica dal lato del carico, pur basandosi su un differente principio di trasmissione. La cedevolezza della trasmissione magnetica può inoltre introdurre risonanze, antirisonanze e differenze tra la dinamica osservata dal lato del motore e quella misurata dal lato del carico. La caratterizzazione sperimentale risulta quindi essenziale per valutare l’idoneità di questa tecnologia nei sistemi robotici destinati all’interazione fisica uomo–robot.
La presente tesi è incentrata sulla caratterizzazione statica e dinamica di un attuatore Magnetic Drive MD1, nel quale un motore brushless a magneti permanenti è integrato con una trasmissione magnetica coassiale. L’attuatore è dotato di due encoder incrementali che misurano le posizioni angolari sui due lati della trasmissione. La differenza tra queste misure, opportunamente corretta in funzione del rapporto di trasmissione, rappresenta la deformazione torsionale equivalente del Magnetic Gear. Assumendo una relazione coppia–spostamento localmente lineare, è possibile stimare la coppia trasmessa mediante un sensore virtuale di coppia. La coppia stimata viene calcolata come prodotto tra la rigidezza torsionale identificata sperimentalmente e lo spostamento angolare relativo tra i due rotori. Tale stima viene utilizzata direttamente dal sistema di controllo dell’attuatore.
Il Magnetic Drive è controllato mediante un drive Synapticon SOMANET Circulo, basato sul protocollo di comunicazione EtherCAT e sul profilo dispositivo CiA 402. Il drive implementa un controllore PD e consente di eseguire prove sia con controllo di coppia ad anello aperto sia ad anello chiuso. I riferimenti operativi e le procedure di acquisizione dei dati vengono gestiti attraverso applicazioni sviluppate in JavaScript/TypeScript e, in alcune configurazioni, mediante ROS 2. I dati acquisiti dal drive e dalla strumentazione esterna vengono successivamente sincronizzati ed elaborati in MATLAB.
Il banco sperimentale è costituito dall’attuatore Magnetic Drive, da un motore Maxon EC 45 impiegato come macchina di carico, da giunti meccanici e da un torsiometro Magtrol utilizzato come misura esterna di riferimento. Il motore Maxon è controllato mediante un sistema CompactRIO, mentre il sensore Magtrol misura la coppia trasmessa e la posizione angolare. La disponibilità di una misura indipendente consente di confrontare la coppia stimata internamente dall’attuatore con quella misurata lungo la catena di trasmissione meccanica.
Il lavoro presenta due obiettivi principali. Il primo consiste nel caratterizzare le proprietà meccaniche e dinamiche della trasmissione magnetica attraverso prove di coppia di scivolamento, rigidezza torsionale, risposta in frequenza e trasparenza. Il secondo riguarda la validazione del metodo di misura interno del Magnetic Drive, mediante il confronto tra la coppia comandata, quella stimata attraverso il sensore virtuale e quella misurata dal torsiometro Magtrol, considerato il riferimento sperimentale.
Le prove di coppia di scivolamento sono finalizzate a determinare il limite di coppia oltre il quale la trasmissione perde il sincronismo magnetico e a valutare la ripetibilità del fenomeno in entrambe le direzioni di rotazione. Le prove di rigidezza vengono impiegate per ricostruire la caratteristica coppia–spostamento e identificare il coefficiente necessario alla stima interna della coppia. La risposta dinamica viene analizzata utilizzando segnali chirp di coppia e velocità, dai quali vengono ricavate le funzioni di risposta in frequenza e i corrispondenti diagrammi di Bode. Infine, le prove di trasparenza vengono eseguite impostando un riferimento di coppia nullo e imponendo un movimento dal lato del carico. Queste prove hanno lo scopo di valutare la coppia parassita e l’impedenza apparente generate dall’attuatore durante l’interazione con l’ambiente esterno.
Nel complesso, tali attività definiscono una metodologia sperimentale per analizzare l’attuatore sia dal punto di vista della trasmissione magnetica sia come sistema elettromeccanico completo. La caratterizzazione proposta fornisce quindi una base per esaminare le proprietà che rendono questa tecnologia interessante per la robotica collaborativa e indossabile, con particolare attenzione alla sicurezza intrinseca, alla capacità di trasmissione della coppia, alla backdrivability, alla trasparenza e all’affidabilità del metodo integrato di stima della coppia.