Energy and Dynamics of the solar agricultural robot "SolarSprayer"

The main objective of the present study was to design an agricultural robot, which work is based on the generation of the electricity by the solar panel. To achieve the proper operation of the robot according to the assumed working cycle the detailed design of the main equipment was made. By analysing the possible areas of implementation together with developments, the economic forecast was held. As a result a decision about possibility of such device working in agricultural sector was made and the probable topics of the further study were found out.

Dual light barrier method for six degrees of freedom tool center point calibration of an industrial robot

Tool center point calibration is a known problem in industrial robotics. The major focus of academic research is to enhance the accuracy and repeatability of next generation robots. However, operators of currently available robots are working within the limits of the robot´s repeatability and require calibration methods suitable for these basic applications. This study was conducted in association with Stresstech Oy, which provides solutions for manufacturing quality control. Their sensor, based on the Barkhausen noise effect, requires accurate positioning. The accuracy requirement admits a tool center point calibration problem if measurements are executed with an industrial robot. Multiple possibilities are available in the market for automatic tool center point calibration. Manufacturers provide customized calibrators to most robot types and tools. With the handmade sensors and multiple robot types that Stresstech uses, this would require great deal of labor. This thesis introduces a calibration method that is suitable for all robots which have two digital input ports free. It functions with the traditional method of using a light barrier to detect the tool in the robot coordinate system. However, this method utilizes two parallel light barriers to simultaneously measure and detect the center axis of the tool. Rotations about two axes are defined with the center axis. The last rotation about the Z-axis is calculated for tools that have different width of X- and Y-axes. The results indicate that this method is suitable for calibrating the geometric tool center point of a Barkhausen noise sensor. In the repeatability tests, a standard deviation inside robot repeatability was acquired. The Barkhausen noise signal was also evaluated after recalibration and the results indicate correct calibration. However, future studies should be conducted using a more accurate manipulator, since the method employs the robot itself as a measuring device.

Stiffness based trajectory planning and feedforward based vibration suppression control of parallel robot machines

The dissertation proposes two control strategies, which include the trajectory planning and vibration suppression, for a kinematic redundant serial-parallel robot machine, with the aim of attaining the satisfactory machining performance. For a given prescribed trajectory of the robot's end-effector in the Cartesian space, a set of trajectories in the robot's joint space are generated based on the best stiffness performance of the robot along the prescribed trajectory. To construct the required system-wide analytical stiffness model for the serial-parallel robot machine, a variant of the virtual joint method (VJM) is proposed in the dissertation. The modified method is an evolution of Gosselin's lumped model that can account for the deformations of a flexible link in more directions. The effectiveness of this VJM variant is validated by comparing the computed stiffness results of a flexible link with the those of a matrix structural analysis (MSA) method. The comparison shows that the numerical results from both methods on an individual flexible beam are almost identical, which, in some sense, provides mutual validation. The most prominent advantage of the presented VJM variant compared with the MSA method is that it can be applied in a flexible structure system with complicated kinematics formed in terms of flexible serial links and joints. Moreover, by combining the VJM variant and the virtual work principle, a systemwide analytical stiffness model can be easily obtained for mechanisms with both serial kinematics and parallel kinematics. In the dissertation, a system-wide stiffness model of a kinematic redundant serial-parallel robot machine is constructed based on integration of the VJM variant and the virtual work principle. Numerical results of its stiffness performance are reported. For a kinematic redundant robot, to generate a set of feasible joints' trajectories for a prescribed trajectory of its end-effector, its system-wide stiffness performance is taken as the constraint in the joints trajectory planning in the dissertation. For a prescribed location of the end-effector, the robot permits an infinite number of inverse solutions, which consequently yields infinite kinds of stiffness performance. Therefore, a differential evolution (DE) algorithm in which the positions of redundant joints in the kinematics are taken as input variables was employed to search for the best stiffness performance of the robot. Numerical results of the generated joint trajectories are given for a kinematic redundant serial-parallel robot machine, IWR (Intersector Welding/Cutting Robot), when a particular trajectory of its end-effector has been prescribed. The numerical results show that the joint trajectories generated based on the stiffness optimization are feasible for realization in the control system since they are acceptably smooth. The results imply that the stiffness performance of the robot machine deviates smoothly with respect to the kinematic configuration in the adjacent domain of its best stiffness performance. To suppress the vibration of the robot machine due to varying cutting force during the machining process, this dissertation proposed a feedforward control strategy, which is constructed based on the derived inverse dynamics model of target system. The effectiveness of applying such a feedforward control in the vibration suppression has been validated in a parallel manipulator in the software environment. The experimental study of such a feedforward control has also been included in the dissertation. The difficulties of modelling the actual system due to the unknown components in its dynamics is noticed. As a solution, a back propagation (BP) neural network is proposed for identification of the unknown components of the dynamics model of the target system. To train such a BP neural network, a modified Levenberg-Marquardt algorithm that can utilize an experimental input-output data set of the entire dynamic system is introduced in the dissertation. Validation of the BP neural network and the modified Levenberg- Marquardt algorithm is done, respectively, by a sinusoidal output approximation, a second order system parameters estimation, and a friction model estimation of a parallel manipulator, which represent three different application aspects of this method.

Control of Robot by Means of Human Thought

Brain computer interface (BCI) is a kind of human machine interface, which provides a new interaction method between human and computer or other equipment. The most significant characteristic of BCI system is that its control input is brain electrical activities acquired from the brain instead of traditional input such as hands or eyes. BCI technique has rapidly developed during last two decades and it has mainly worked as an auxiliary technique to help the disable people improve their life qualities. With the appearance of low cost novel electrical devices such as EMOTIV, BCI technique has been applied to the general public through many useful applications including video gaming, virtual reality and virtual keyboard. The purpose of this research is to be familiar with EMOTIV EPOC system and make use of it to build an EEG based BCI system for controlling an industrial manipulator by means of human thought. To build a BCI system, an acquisition program based on EMOTIV EPOC system is designed and a MFC based dialog that works as an operation panel is presented. Furthermore, the inverse kinematics of RV-3SB industrial robot was solved. In the last part of this research, the designed BCI system with human thought input is examined and the results indicate that the system is running smoothly and displays clearly the motion type and the incremental displacement of the motion.

Development of a Control System for a Tele Operated Mobile Robot

Mobile robots are capable of performing spatial displacement motions in different environments. This motions can be calculated based on sensorial data (autonomous robot) or given by an operator (tele operated robot). This thesis is focused on the latter providing the control architecture which bridges the tele operator and the robot’s locomotion system and end effectors. Such a task might prove overwhelming in cases where the robot comprises a wide variety of sensors and actuators hence a relatively new option was selected: Robot Operating System (ROS). The control system of a new robot will be sketched and tested in a simulation model using ROS together with Gazebo in order to determine the viability of such a system. The simulated model will be based on the projected shape and main features of the real machine. A stability analysis will be performed first theoretically and afterwards using the developed model. This thesis concluded that both the physical properties and the control architecture are feasible and stable settling up the ground for further work with the same robot.

Quadcopter assistant for a mobile assembly robot

Science has revolutionized the human life. The advance progress in science and research is making human life easier and more comfortable. The new and emerging technology of micro drone is penetrating and widening the scientific research. This thesis is a part of work in which a unique work is carried out, although related research paper and journal are available. Design and development of automatic charging station for a ready to fly quadcopter is rare and unusual work. The work is carried out as an standard engineering process that include requirements gathering, creating the required document (this thesis is a part of required document as well), selection of suitable hardware, configuring the hardware, generate the code for software, uploading code to the microcontroller, troubleshooting and rectification, finalized prototype and testing. Thesis describe how mechatronics engineering is useful in generating a customized and unique project. At the starting phase of this project (before purchasing a ready to fly quadcopter) every single aspect of this work was known. The only unknown alternatives was a battery and charger. Several task was achieved including design and development of automatic charging station, accurate landing and telecast a live video on additional screen. At starting it was decided that quadcopter should follow the mobile robot, during study it was concluded there is no such quadcopter available in market to auto follow a robot indoor. This works starts with a market survey and comparing the different brands of quadcopter that meets all the requirements and specifications of the mobile robot assembly. Selection of quadcopter is a result of discussion and meeting with the team members, supervisor, professor and project manage.

Design of traction transmission and suspension systems for an omni-directional mobile robot

This project aims to design and manufacture a mobile robot with two Universal Robot UR10 mainly used indoors. In order to obtain omni-directional maneuverability, the mobile robot is constructed with Mecanum wheels. The Mecanum wheel can move in any direction with a series of rollers attached to itself. These rollers are angled at 45º about the hub’s circumference. This type of wheels can be used in both driving and steering with their any-direction property. This paper is focused on the design of traction system and suspension system, and the velocity control of Mecanum wheels in the close-loop control system. The mechanical design includes selection of bearing housing, couplers which are act as connection between shafts, motor parts, and other needed components. The 3D design software SolidWorks is utilized to assemble all the components in order to get correct tolerance. The driving shaft is designed based on assembled structure via the software as well. The design of suspension system is to compensate the assembly error of Mecanum wheels to guarantee the stability of the robot. The control system of motor drivers is realized through the Robot Operating System (ROS) on Ubuntu Linux. The purpose of inverse kinematics is to obtain the relationship among the movements of all Mecanum wheels. Via programming and interacting with the computer, the robot could move with required speed and direction.

Control of a line robot system with Embedded Linux

Many, if not all, aspects of our everyday lives are related to computers and control. Microprocessors and wireless communications are involved in our lives. Embedded systems are an attracting field because they combine three key factors, small size, low power consumption and high computing capabilities. The aim of this thesis is to study how Linux communicates with the hardware, to answer the question if it is possible to use an operating system like Debian for embedded systems and finally, to build a Mechatronic real time application. In the thesis a presentation of Linux and the Xenomai real time patch is given, the bootloader and communication with the hardware is analyzed. BeagleBone the evaluation board is presented along with the application project consisted of a robot cart with a driver circuit, a line sensor reading a black line and two Xbee antennas. It makes use of Xenomai threads, the real time kernel. According to the obtained results, Linux is able to operate as a real time operating system. The issue of future research is the area of embedded Linux is also discussed.

Design and implementation of machine vision system for the mobile assembly robot

The review of intelligent machines shows that the demand for new ways of helping people in perception of the real world is becoming higher and higher every year. This thesis provides information about design and implementation of machine vision for mobile assembly robot. The work has been done as a part of LUT project in Laboratory of Intelligent Machines. The aim of this work is to create a working vision system. The qualitative and quantitative research were done to complete this task. In the first part, the author presents the theoretical background of such things as digital camera work principles, wireless transmission basics, creation of live stream, methods used for pattern recognition. Formulas, dependencies and previous research related to the topic are shown. In the second part, the equipment used for the project is described. There is information about the brands, models, capabilities and also requirements needed for implementation. Although, the author gives a description of LabVIEW software, its add-ons and OpenCV which are used in the project. Furthermore, one can find results in further section of considered thesis. They mainly represented by screenshots from cameras, working station and photos of the system. The key result of this thesis is vision system created for the needs of mobile assembly robot. Therefore, it is possible to see graphically what was done on examples. Future research in this field includes optimization of the pattern recognition algorithm. This will give less response time for recognizing objects. Presented by author system can be used also for further activities which include artificial intelligence usage.

Kaukokäyttöliittymä liikkuvalle robotille

Lappeenrannan teknillinen yliopiston Tietotekniikan osaston Tietojenkäsittelytieteen laitoksen tutkimuskäytössä olevaan liikkuvaan robottiin toteutettiin tässä työssä graafinen kaukokäyttöliittymä. Työlle on motivaationa laajennettavuus, jota olemassaoleva suljetun lähdekoodin käyttöliittymä ei pysty tarjoamaan. Työssä olennaisin on olio-ohjelmointitekniikalla toteutettu robotin datamallin, ja sen graafisen esityksen arkkitehtuurillinen erottaminen. Lisäksi tarkastellaan lyhyesti liikkuvien robottien kaukokäyttöliittymien teoriaa, ja WLAN-tekniikan soveltuvuutta robotin ja käyttöliittymän välisen yhteyden toteuttamiseen.

Metsäkonetuotannon hitsauksen robotisointi

Diplomityön tavoitteena oli selvittää robottihitsauksen antamat mahdollisuudet metsäkoneen runkorakenteiden hitsauksessa. Työn teoriaosassa selvitettiin kaarihitsauksen automatisointia ja sen tuomia etuja manuaaliseen hitsaukseen verrattuna. Työssä käytiin läpi kaarihitsauksen automatisointiinsoveltuvat robottivaihtoehdot, nykyaikaisen robotin hitsausvarustus, sekä kappaleenkäsittelylaitteet ja robotisoidun käytön turvallisuus. Hitsauksen robotisointiin soveltuvat eri hitsausmenetelmät ja perinteisten menetelmien tehostamiskeinot käytiin lävitse teoriaosuudessa. Hitsaustuotannon laatuun vaikuttavia asioitaja robottihitsattavan kappaleen suunnittelun huomioonottamista tuotesuunnittelussa tarkasteltiin myös työn teoriaosuudessa. Käytännön osiossa tarkasteltiin robotilla hitsattavat tuotteet ja tehtiin niille luoksepäästävyystarkasteluja. Laadittiin vaatimusluettelo tarvittavalle hitsausrobottilaitteistolle ja mallinnettiin erilaisia vaihtoehtoisia ratkaisuja hitsausrobottiympäristöstä kaarihitsauksen graafista simulointiohjelmaa käyttäen. Vertailtiin eri laitetoimittajilta saatuja 'avaimet käteen'- periaatteella tarjottuja ratkaisuja janiiden vastaavuutta laadittuun vaatimusluetteloon sekä eri laiteratkaisujen keskinäistä paremmuutta kyseiseen tapaukseen. Päätuotteille määritettiin hitsausajat ja selvitettiin laitteiston hitsauskapasiteettia. Investoinnin taloudellista kannattavuutta tarkasteltiin eri laskentamenetelmien avulla. Lopuksi arvioitiin hitsaustuotannon jatkokehitystarpeita tulevaisuutta ajatellen.

Design of adjustable packaging line

Diplomityön tavoite oli tutkia, mitä toimintoja ja tekniikoita uusi, joustava kartonkipakkauslinja sisältää ja mitkä suuntaukset pakkausteollisuudessa tulevat olemaan tärkeitä tulevaisuudessa. Pakkauslinjan päätoimintoja tarkasteltiin nykyisten jatulevaisuuden tekniikoiden pohjalta. Erityisesti tarkasteltiin laser-sovellusten käytön mahdollisuutta pakkauslinjan eri osatoiminnoissa. Katsaus pakkausteollisuuden tulevaisuuden näkymiin luotiin kirjallisuuden ja aikaisempien tutkimusten pohjalta, minkä perusteella työssä oletetaan, että yksilölliset ja monitoimipakkaukset tulevat lisääntymään tulevaisuudessa. Eri tuotantoerien välillä olevat asetusajat tulee saada minimoitua, mutta millä keinoin joustavuus on saavutettavissa? Yksi ratkaisu pakkausten valmistamisessa on käyttää robottisolua, mikä on mahdollista luultavasti ainakin kuppimuotoisten pakkausten kohdalla. Muutenkin robotiikka on lisääntymässä pakkausteollisuudessa. Digitaalisten painotekniikoiden kehitys on mahdollistanut yksilölliset painatukset. Tulevaisuudessa painatus on mahdollista tehdä pakkauslinjan loppupäässä, jopa vasta täytön ja suljennan jälkeen. Laserleikkaus on jo nyt käytössä, mutta tulevaisuudessa myös saumaus ja perinteinen nuuttaus on mahdollista tehdä lasersovelluksia käyttäen. Kehittynyt, väyläpohjainen ohjausjärjestelmä on tulevaisuudessa välttämätön joustavassa pakkauslinjassa. Internetin välityksellä toimiva etäohjattu virheenkorjausdiagnostiikka tulee myös olemaan itsestäänselvyys tulevaisuudessa. Kustannussäästöjä voidaan saavuttaa käyttämälläpakkauslinjassa modulaarista rakennetta. Standardiosien ja standardiosajärjestelmien käyttäminen pienentää myös käyttö- ja huoltokustannuksia. Tärkeää on kuitenkin muistaa, ettei joustavuutta voida saavuttaa pelkästään yhtä ominaisuutta tai tekniikkaa hyödyntäen vaan monia menetelmiä yhdistäen. Suunniteltavan pakkauslinjan toiminta on myös hyvä varmistaa käyttäen apuna mallinnusta ja simulointia.

Hitsaussuojakaasujen tehokas ja taloudellinen käyttö

Suojakaasun päätehtävänä on suojata hitsaustapahtumaa ympäröivän ilman vaikutukselta. Päätehtävän lisäksi suojakaasullavoidaan vaikuttaa suoraan tai välillisesti lähes kaikkiin hitsauksen asioihin, joista laatu, tehokkuus ja taloudellisuus muodostuvat. Suojakaasuja tarvitsevat hitsausmenetelmät ovat: kaasukaarihitsausprosessit (MIG/MAG-, TIG- ja plasmahitsaus), laserhitsaus sekä näiden yhdistelmät eli hybridihitsausmenetelmät sekä MIG-juotto. Hitsaussuojakaasujen peruskaasu tänä päivänä on argon, johon hitsausprosessista tai materiaalistariippuen sekoitetaan hiilidioksidia, heliumia, vetyä tai happea. Pääsääntöisesti hitsaussuojakaasut ovat kahden komponentin kaasuja, mutta 3-komponenttikaasut ovat yleistymässä. Sopivalla suojakaasuseostuksella saadaan erittäin merkittävä hyöty tuottavuuden lisääntyessä ja laadun parantuessa. Suojakaasujen oikealla toimitusmuodolla on merkittävä vaikutus kokonaiskustannuksiin. Uudet, kehittyneet sekoitinlaitteet mahdollistavat tarkat osakomponenttien sekoittamiset hitsauspaikalla. Seokset ovat jatkuvasti analysoitavissa ja jäljitettävissä. Suojakaasujen kierrätys on erityisesti kalliiden kaasujen, kuten helium ja argon, kohdalta tulevaisuuden haaste ja mahdollisuus. Suojakaasulla on suuri merkitys hitsauksen tuottavuuteen, taloudellisuuteen ja myös hitsausympäristöön ja työturvallisuuteen. Robottihitsauksen lisääntyminen asettaa vaatimuksia, joihinoikein valitulla suojakaasulla voidaan myönteisesti vaikuttaa. Tehokashitsaus on valmistusprosessin tärkeä osa, jossa oikein valituilla suojakaasuilla saavutetaan merkittävä tuottavuuden lisäys vaikuttamalla kaariominaisuuksiin, tunkeumaan, roiskeisiin, nopeuteen, hitsimetallurgiaan, lämmöntuontiin ja hitsausympäristöön. Diplomityössä tutkittiin casena Peikko Finland Oy:n suojakaasujärjestelmät, niiden tehokkuus, toimivuus ja sopivuus konepajan tuotantoon ja erityisesti robottihitsaukseen.

Tuotannon ohjattavuuden kehittäminen asiakasohjautuvassa tuotannossa

Työssä selvitettiin tuotannon ohjattavuuden parantamisen mahdollisuuksia keskisuuressa yrityksessä. Työn pyrkimyksenä on laatia pohja täysipainoisen tuotannonohjausjärjestelmän kehittämiselle. Työn teoriaosassa käsitellään tuotannon, tuottavuuden ja tuotannonohjauksen peruskäsitteitä. Lisäksi selvitetään hitsaavan tuotannon kehittämisen keinoja sekä yleisiä hitsaukseen liittyviä käsitteitä. Näiden ohella teoriaosuudessa kerrotaan hieman työn käytännön osaa sivuavista aiheista kuten investointilaskelmista. Käytännön osa jakautuu nykytilan selvittämiseen ja kehityskohteiden laatimiseen. Nykytilaa selvitettiin omilla havainnoilla, haastatteluilla sekä tilaus-toimitusketjun tarkasteluilla. Kehittämisen keinoja olivat pääasiassayrityksen laatutoimintaan liittyvät asiat kuten dokumentointi kaikillaosa-alueilla. Yksittäisiä tuotannon tehokkuutta parantavia toimenpiteitä ovat mm. robottihitsauksen kiinnittimien kehitystoimenpiteet, tuotteiden modulointi ja laserleikkauksen monipuolisempi hyväksikäyttö.

Robotisoidun hitsaussolun toiminnan kehittäminen ohutlevytuotteita valmistavassa yrityksessä

Robotisoitu hitsaus tarjoaa mahdollisuuden tasaiseen laatuun ja miehittämättömään tuotantoon. Se ei ole kuitenkaan yhtä joustava menetelmä kuin käsinhitsaus ja siihen liittyy yleensä paljon asetus- ja ohjelmointikustannuksia. Tässä diplomityössä selvitetään, mitkä ovat robotisoidun ohutlevyjen hitsauksen erityispiirteet ja mitä seikkoja tulee huomioida robotisoidun hitsaussolun kehittämisessä. Ohutlevytuotteiden tulee soveltua robotisoituun hitsaukseen. Ne ovat ohuita ja taipuisia kappaleita, joten liitosten tarkka kohdistaminen voi olla vaikeaa. Tämä edellyttää suunnittelulta menetelmän erityispiirteiden ymmärtämistä ja valmistukselta erinomaista laaduntuottokykyä. Materiaaleina ohutlevyt ovat pääosin hyvin hitsattavia kaikilla tavanomaisilla menetelmillä.Haitallisten muodonmuutosten välttämiseksi kannattaa suosia hitsausprosesseja, joilla on mahdollisimman pieni lämmöntuonti. Saavutettu hitsausnopeus riippuu prosessin lisäksi myös liitosten kokoonpanon tarkkuudesta. Työnkokeellisessa osassa selvitetään erään robottihitsaussolun kehitystyötä. Tavoitteena oli nostaa solun nopeus ja kapasiteetti vastaamaan yrityksen muun tuotannon tasoa. Solua varten kehitettiin erityinen automaattisesti toimiva hitsauskiinnitin, jonka toimintaperiaate esitellään. Kiinnitin kohdistaaohutlevystä valmistetun kotelon pohjan sivut riittävän tarkasti, jotta ne voidaan hitsata robotilla.