Innovative mechatronic solutions to improve performance and reliability in security devices

The complex process of designing and analysis of modern miniature mechatronics mechanisms is influenced by evolving performance standards, encompassing different fields of application and strongly coupled physical phenomena. Within this context, the mechatronic field met an even increased widespread adoption, such as in automotive, robotics, prosthetics, and security filed. This growing demand along with the fact that most of these applications concern solutions embedded in miniature systems, in the order of mm and sub-mm size, highlighted that the design process cannot longer be achieved only through a pure experimental approach, thus the introduction of a much more computational-based design work flow is considered a must. Among the others, a very important scenario in which this type of miniature mechatronics represents a disruptive technology is certainly the field of security and access control. In the last decades, traditional and purely mechanical access control systems have evolved into mechatronic and IoT embedded systems. This transformation involved seamless integration of electro-mechanical components and devices with external and networked electronics, such as passive transponder, electronic keys, encrypted communications, and smartphones, leading to reliable and elevated safety standards. The present thesis, carried out through a collaboration between the Politecnico di Milano, ISEO Serrature Spa and Microhard Srl, aims to investigate and solve problematics issued by this peculiar industrial sector, as well as to design innovative solutions to improve the reliability and security level of mechatronic-based access control devices. These targeted topics, introduced the necessity to solve further scientific and numeric unresolved issues, pushing towards the implementation of innovative simulation platform and algorithms for the analysis of coupled electro-magneto-mechanical applications, and thus paving the way for novel results in the state of the art of multi-physics co-simulation. The thesis consists of a collection of four articles and five patents that contribute to the final scope of the research. Within this papers collection, a series of peculiar components and physical phenomena specific to this field of application are presented, highlighting the accuracy and advantages of a numerical methodological approach, and highlighting some intrinsic limitations of the purely experimental path considered obsolete and not reliable. In detail, two dedicated co-simulation architecture are presented, for the integration of magneto dynamics and analog electronics phenomena under a new multi-domain multi-scale simulation platform. The two architecture exploit an innovative bidirectional communication routine developed in Matlab/Python environments, allowing through the interchange of the so-called “effort and flows” variables, the integration of the mechanical domain, developed via Multi-body Dynamics (MBD), with the Magneto-static/electromagnetic domain, developed via 3D Finite Volume Analysis (3D FVM), and the analog electronics, developed via SPICE Equivalent Circuitry Approach (ECA). The results obtained and the related experimental campaigns, achieved through indirect measurements of the phenomena, highlight the potentiality and reliability of this co-simulation architecture, validating this tool as a possible standard for the analysis of miniaturized mechatronic applications within security systems and beyond. Furthermore these new co-simulation platform have collaborated to the development and design of innovative mechatronic-based access control solutions, presented and filed as patents.

Il complesso processo di progettazione dei moderni sistemi meccatronici miniaturizzati è influenzato da un' evoluzione degli standard di prestazione sempre più stringenti, che coinvolgono nuovi campi applicativi ed interazioni tra vari fenomeni fisici. In questo contesto, le soluzioni meccatroniche stanno percependo un utilizzo sempre più ampio in settori sempre più disparati, come il settore automobilistico, della robotica, della prostetica attuata ed il settore della sicurezza e del controllo accessi. Questa crescente domanda, insieme alla necessità di integrare queste soluzioni applicative in sistemi miniaturizzati nell'ordine del mm o sub-mm, ha evidenziato come un processo di progettazione puramente sperimentale, restituisca risultati poco affidabili e scarsamente riproducibili, pertanto l'introduzione ad un approccio basato su un "work flow" sempre più simulativo e analitico è considerato imprescindibile. Tra i vari scenari, il settore della sicurezza rappresenta sicuramente uno dei campi applicativi di maggiore utilizzo di soluzioni meccatroniche miniaturizzate. Negli ultimi decenni, i sistemi di controllo accessi tradizionali basati su tecnologie puramente meccaniche si sono evoluti in sistemi meccatronici ed IoT integrati. Questa trasformazione ha coinvolto l'integrazione di componenti e dispositivi elettro-meccanici con elettronica esterna e di rete, come transponder passivi, chiavi elettroniche, comunicazioni criptate e smartphone, permettendo di raggiungere standard di sicurezza sempre più affidabili ed elevati. Il presente lavoro di tesi, realizzato tramite una collaborazione tra il Politecnico di Milano, ISEO Serrature Spa e Microhard Srl, si propone di indagare e risolvere le problematiche emerse da questo settore industriale, nonché a progettare soluzioni innovative per migliorare l'affidabilità ed il livello di sicurezza dei nuovi dispositivi di controllo accessi. L'approfondimento di questi macro-temi ha inoltre permesso di sviluppare nuove tecniche di simulazione multi-dominio e contribuire così all'avanzamento dello stato dell'arte dell'analisi numerica multi-fisica. Nel dettaglio, l'attività di ricerca ha contribuito allo sviluppo di una nuova piattaforma di simulazione e di algoritmi dedicati all'analisi di applicazioni elettro-magneto-meccaniche fortemente accoppiate. La tesi è composta da una raccolta di quattro articoli e cinque brevetti che contribuiscono allo scopo finale della ricerca. All'interno di questa raccolta di articoli, vengono presentati una serie di componenti e fenomeni fisici specifici di questo campo di applicazione, evidenziando l'accuratezza e i vantaggi di un approccio metodologico numerico e sottolineando alcune limitazioni intrinseche del percorso puramente sperimentale considerato obsoleto e non affidabile. Nel dettaglio, vengono presentate due architetture di co-simulazione, per l'integrazione dei fenomeni di dinamica magnetica ed elettronica analogica. Tali architetture sono incorporate in una nuova piattaforma di simulazione multi-dominio e multi-scala, e sfruttano una routine di comunicazione bidirezionale innovativa sviluppata in ambiente Matlab/Python, consentendo, attraverso lo scambio delle variabili chiamate di "effort and flows", l'integrazione del dominio meccanico, sviluppato attraverso la Dinamica Multibody (MBD), con il dominio magnetostatico/elettromagnetico, sviluppato attraverso l'Analisi a Volumi Finiti 3D (3D FVM), ed il dominio dell'elettronica analogica, sviluppata attraverso l'Approccio Circuitale Equivalente SPICE (ECA). I risultati ottenuti e le relative campagne sperimentali, hanno evidenziato le potenzialità e l'affidabilità di questa architettura di co-simulazione, convalidando questo strumento come possibile standard per l'analisi di applicazioni meccatroniche miniaturizzate all'interno dei sistemi di sicurezza e non solo. Inoltre, tali piattaforme hanno contribuito allo sviluppo e alla progettazione di soluzioni innovative e nuovi dispositivi meccatronici per il controllo accessi, che sono stati presentati e depositati tramite brevetti.