Novel control, haptic and calibration methods for teleoperated electrohydraulic servo systems

The aim of this thesis is to propose a novel control method for teleoperated electrohydraulic servo systems that implements a reliable haptic sense between the human and manipulator interaction, and an ideal position control between the manipulator and the task environment interaction. The proposed method has the characteristics of a universal technique independent of the actual control algorithm and it can be applied with other suitable control methods as a real-time control strategy. The motivation to develop this control method is the necessity for a reliable real-time controller for teleoperated electrohydraulic servo systems that provides highly accurate position control based on joystick inputs with haptic capabilities. The contribution of the research is that the proposed control method combines a directed random search method and a real-time simulation to develop an intelligent controller in which each generation of parameters is tested on-line by the real-time simulator before being applied to the real process. The controller was evaluated on a hydraulic position servo system. The simulator of the hydraulic system was built based on Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. A Particle Swarm Optimization algorithm combined with the foraging behavior of E. coli bacteria was utilized as the directed random search engine. The control strategy allows the operator to be plugged into the work environment dynamically and kinetically. This helps to ensure the system has haptic sense with high stability, without abstracting away the dynamics of the hydraulic system. The new control algorithm provides asymptotically exact tracking of both, the position and the contact force. In addition, this research proposes a novel method for re-calibration of multi-axis force/torque sensors. The method makes several improvements to traditional methods. It can be used without dismantling the sensor from its application and it requires smaller number of standard loads for calibration. It is also more cost efficient and faster in comparison to traditional calibration methods. The proposed method was developed in response to re-calibration issues with the force sensors utilized in teleoperated systems. The new approach aimed to avoid dismantling of the sensors from their applications for applying calibration. A major complication with many manipulators is the difficulty accessing them when they operate inside a non-accessible environment; especially if those environments are harsh; such as in radioactive areas. The proposed technique is based on design of experiment methodology. It has been successfully applied to different force/torque sensors and this research presents experimental validation of use of the calibration method with one of the force sensors which method has been applied to.

Virtuaalinen käyttöönottoympäristö automaatiojärjestelmälle

Valmistavan teollisuuden kiristyvät vaatimukset suunnittelusta markkinoille -ajassa (engl. time-to-market), laadussa, kustannustehokkuudessa ja turvallisuudessa luovat paineita uusien toimintatapojen etsimisessä. Usein laitteiston ohjausalgoritmeja ei ole mahdollista testata todellisen laitteiston kanssa, vaan ainoaksi ennakoivaksi vaihtoehdoksi jää todellisen laitteiston virtuaalinen mallintaminen. Eräs uusista toimintavoista on virtuaalinen käyttöönotto, jossa tuotantolinja tai laitteisto mallinnetaan ja sen käyttäytymistä simuloidaan ohjausalgoritmien parantamista ja todentamista varten. Tämän diplomityön tavoitteena oli toteuttaa virtuaalinen käyttöönottoympäristö, jolla laitteiston 3D-mallinnettua virtuaalista mallia voidaan ohjata reaaliajassa todellisen laitteiston ohjauslaitteistolla. Käyttöönottoympäristön toteuttamisen lopullisena tavoitteena on tutkia, millaisia hyötyjä sillä voidaan saavuttaa Outotec (Finland) Oy:n automaatiojärjestelmien suunnittelussa ja käyttöönotossa kiristyvien vaatimusten täyttämiseksi. Työssä toteutetulla käyttöönottoympäristöllä pystytään simuloimaan 3D-mallinnetun laitteiston osan toimintaa reaaliajassa. Todellisen laitteiston ominaisuuksista määritettyjä vaatimuksia ei kustannussyistä täytetty, sillä ennen sitä haluttiin varmistua valitun alustan ominaisuuksista, toimivuudesta ja soveltuvuudesta. Toteutuksen katsotaan kuitenkin täyttävän pehmeän reaaliaikaisuuden kriteerin noin 40 ms aikatasolla ja 80 ms reaktioajalla. Toteutettu virtuaalinen käyttöönottoympäristö osoittautui toimivaksi ja soveltuvaksi, sekä sen todettiin tuovan potentiaalisia hyötyjä Outotec (Finland) Oy:lle, esimerkiksi kosketusnäyttöjen visualisoinnin parannus, hybridikäyttöönottomahdollisuus sekä automaatio-ohjauksien kehittäminen. Työn perusteella arvioidaan onko Outotec:lla tarvetta jatkaa valitulla alustalla todellisen laitteiston aikavaatimukset täyttävään reaaliaika-toteutukseen, jota työssä esitellään.

Underwater Remote Welding Technology for Offshore Structures

The construction of offshore structures, equipment and devices requires a high level of mechanical reliability in terms of strength, toughness and ductility. One major site for mechanical failure, the weld joint region, needs particularly careful examination, and weld joint quality has become a major focus of research in recent times. Underwater welding carried out offshore faces specific challenges affecting the mechanical reliability of constructions completed underwater. The focus of this thesis is on improvement of weld quality of underwater welding using control theory. This research work identifies ways of optimizing the welding process parameters of flux cored arc welding (FCAW) during underwater welding so as to achieve desired weld bead geometry when welding in a water environment. The weld bead geometry has no known linear relationship with the welding process parameters, which makes it difficult to determine a satisfactory weld quality. However, good weld bead geometry is achievable by controlling the welding process parameters. The doctoral dissertation comprises two sections. The first part introduces the topic of the research, discusses the mechanisms of underwater welding and examines the effect of the water environment on the weld quality of wet welding. The second part comprises four research papers examining different aspects of underwater wet welding and its control and optimization. Issues considered include the effects of welding process parameters on weld bead geometry, optimization of FCAW process parameters, and design of a control system for the purpose of achieving a desired bead geometry that can ensure a high level of mechanical reliability in welded joints of offshore structures. Artificial neural network systems and a fuzzy logic controller, which are incorporated in the control system design, and a hybrid of fuzzy and PID controllers are the major control dynamics used. This study contributes to knowledge of possible solutions for achieving similar high weld quality in underwater wet welding as found with welding in air. The study shows that carefully selected steels with very low carbon equivalent and proper control of the welding process parameters are essential in achieving good weld quality. The study provides a platform for further research in underwater welding. It promotes increased awareness of the need to improve the quality of underwater welding for offshore industries and thus minimize the risk of structural defects resulting from poor weld quality.

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.

Tasavirtamoottoreilla toteutetun kameranvakautusjärjestelmän identifiointi

Identifiointia voidaan käyttää erilaisten järjestelmien parametrointiin, ja tässä työssä kyseisellä operaatiolla mallinnettiin järjestelmäkameran vakauttamiseksi rakennettua kolmiakselista järjestelmää. Työn tavoitteena oli saada järjestelmästä matemaattinen malli niin, että sen avulla voitaisiin simuloida järjestelmän toimintaa säätävän PID-säätimen arvoja, minkä pohjalta koko järjestelmä pystyttäisiin virittämään paremmin. Tutkielmassa saatu malli muodostettiin matlab-ohjelmalla järjestelmän mittausdatan perusteella. Mittauksissa mitattiin manuaalisesti viritetyn järjestelmän tuloja sekä lähtöä, ja niiden perusteella muodostettiin ARX-mallit jokaiselle järjestelmän kolmelle akselille. Kirjainyhdistelmä ARX, viittaa nyt MISO-järjestelmään, sekä regressioon mallin tulon ja lähdön välillä. MISO- järjestelmällä on yksi lähtö ja useita tuloja, joita työssä tehdyssä mallissa oli kolme kappaletta. Mallien tarkkuudeksi saatiin 60-75%. Identifioinnista saadulle mallille muodostettiin simulointimalli, jonka avulla järjestelmä simuloitiin nopeammaksi. Simuloidut PID-arvot viritettiin järjestelmälle myös käytännössä, jonka jälkeen identifiointi toistettiin kahden identifioidun siirtofunktion vertailua varten. Järjestelmille tehtyjen askelvastekokeiden vertailun mukaan, eri identifioidusta saadut järjestelmät, jotka sisälsivät kuitenkin saman säätimen, erosivat toisistaan huomattavasti, vaikka teoriassa niiden pitäisi olla samat. Erot selittyivät mallin identifioinnin riittämättömällä tarkkuudella. Lopuksi virityksen onnistumista testattiin järjestelmällä käytännössä, tekemällä sille askelvastekokeet vanhoilla sekä simuloinnista saaduilla uusilla säätimen arvoilla. Testien mukaan järjestelmän kahden akselin asettumisaikaa saatiin muutettua 5,0 ja 0,8 sekuntia nopeammaksi, mutta kolmannesta akselista tuli epästabiili. Epästabiilius ei ole toivottua, mutta sen havaitseminen osoittaa, että stabiiliksi simuloitu järjestelmä voi todellisuudessa saada epästabiilin lopputuloksen, mikäli simulointimalli sisältää virhettä.