Flexible multibody dynamics and intelligent control of a hydraulically driven hybrid redundant robot machine

The assembly and maintenance of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) vacuum vessel (VV) is highly challenging since the tasks performed by the robot involve welding, material handling, and machine cutting from inside the VV. The VV is made of stainless steel, which has poor machinability and tends to work harden very rapidly, and all the machining operations need to be carried out from inside of the ITER VV. A general industrial robot cannot be used due to its poor stiffness in the heavy duty machining process, and this will cause many problems, such as poor surface quality, tool damage, low accuracy. Therefore, one of the most suitable options should be a light weight mobile robot which is able to move around inside of the VV and perform different machining tasks by replacing different cutting tools. Reducing the mass of the robot manipulators offers many advantages: reduced material costs, reduced power consumption, the possibility of using smaller actuators, and a higher payload-to-robot weight ratio. Offsetting these advantages, the lighter weight robot is more flexible, which makes it more difficult to control. To achieve good machining surface quality, the tracking of the end effector must be accurate, and an accurate model for a more flexible robot must be constructed. This thesis studies the dynamics and control of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant hybrid robot (4-DOF serial mechanism and 6-DOF 6-UPS hexapod parallel mechanisms) hydraulically driven with flexible rods under the influence of machining forces. Firstly, the flexibility of the bodies is described using the floating frame of reference method (FFRF). A finite element model (FEM) provided the Craig-Bampton (CB) modes needed for the FFRF. A dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using the constrained Lagrange equations and the Lagrange multiplier method. Subsequently, the reaction forces between the parallel and serial parts were used to study the dynamics of the serial robot. A PID control based on position predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders of the robot. Secondly, in machining, to achieve greater end effector trajectory tracking accuracy for surface quality, a robust control of the actuators for the flexible link has to be deduced. This thesis investigates the intelligent control of a hydraulically driven parallel robot part based on the dynamic model and two schemes of intelligent control for a hydraulically driven parallel mechanism based on the dynamic model: (1) a fuzzy-PID self-tuning controller composed of the conventional PID control and with fuzzy logic, and (2) adaptive neuro-fuzzy inference system-PID (ANFIS-PID) self-tuning of the gains of the PID controller, which are implemented independently to control each hydraulic cylinder of the parallel mechanism based on rod length predictions. The serial component of the hybrid robot can be analyzed using the equilibrium of reaction forces at the universal joint connections of the hexa-element. To achieve precise positional control of the end effector for maximum precision machining, the hydraulic cylinder should be controlled to hold the hexa-element. Thirdly, a finite element approach of multibody systems using the Special Euclidean group SE(3) framework is presented for a parallel mechanism with flexible piston rods under the influence of machining forces. The flexibility of the bodies is described using the nonlinear interpolation method with an exponential map. The equations of motion take the form of a differential algebraic equation on a Lie group, which is solved using a Lie group time integration scheme. The method relies on the local description of motions, so that it provides a singularity-free formulation, and no parameterization of the nodal variables needs to be introduced. The flexible slider constraint is formulated using a Lie group and used for modeling a flexible rod sliding inside a cylinder. The dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using Hamilton’s principle and the Lagrange multiplier method. A linearized hydraulic control system based on rod length predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders. Consequently, the results of the simulations demonstrating the behavior of the robot machine are presented for each case study. In conclusion, this thesis studies the dynamic analysis of a special hybrid (serialparallel) robot for the above-mentioned special task involving the ITER and investigates different control algorithms that can significantly improve machining performance. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel robot with flexible rods.

Fluorescence in situ hybridization of potato somatohaploids and their somatic hybrid donors using two Solanum brevidens specific sequences

Selostus: Perunan somaattisten hybridien ja niiden somatohaploidien fluoresenssi in situ -hybridisaatio Solanum brevidens -lajin spesifisten sekvenssien avulla

Clonal variation in nutrient content in woody biomass of hybrid aspen (Populus tremula L. x P. tremuloides Michx.)

Abstract

Nutrient allocation, accumulation and above-ground biomass in grey alder and hybrid alder plantations

Abstract

Field performance of hybrid aspen clones planted in summer

[Abstract]

Software Process Modeling with Eclipse Process Framework

The software development industry is constantly evolving. The rise of the agile methodologies in the late 1990s, and new development tools and technologies require growing attention for everybody working within this industry. The organizations have, however, had a mixture of various processes and different process languages since a standard software development process language has not been available. A promising process meta-model called Software & Systems Process Engineering Meta- Model (SPEM) 2.0 has been released recently. This is applied by tools such as Eclipse Process Framework Composer, which is designed for implementing and maintaining processes and method content. Its aim is to support a broad variety of project types and development styles. This thesis presents the concepts of software processes, models, traditional and agile approaches, method engineering, and software process improvement. Some of the most well-known methodologies (RUP, OpenUP, OpenMethod, XP and Scrum) are also introduced with a comparison provided between them. The main focus is on the Eclipse Process Framework and SPEM 2.0, their capabilities, usage and modeling. As a proof of concept, I present a case study of modeling OpenMethod with EPF Composer and SPEM 2.0. The results show that the new meta-model and tool have made it possible to easily manage method content, publish versions with customized content, and connect project tools (such as MS Project) with the process content. The software process modeling also acts as a process improvement activity.

Implementing Microsoft .NET Framework for Bitumen-Extranet

Ohjelmistoprojektit pohjautuvat nykyään useasti osittain itsenäisesti suunniteltujen ja; toteutettujen ohjelmakomponenttien yhdistelemiseen. Tällä keinolla voidaan vähentää kehitystyön; viemää aikaa ja kustannuksia, jotta saadaan tuotettua kilpailukykyisempiä ohjelmistoja.; Tässädokumentissa käsitellään komponenttipohjaisen ohjelmistotuotannon näkökulmia ja; Microsoft .NET Framework ympäristöä, joka on kehitysympäristö komponenttipohjaisille; ohjelmistoille. Lisäksi esitellään tapauskohtainen ohjelmistoprojekti extranet-verkon; toteutukseen.

Reporting Framework: Implementation and Performance Analysis

Fenix on suuri metsäteollisuuden tuotannonohjausjärjestelmä. Fenix-järjestelmän raportointi- ja tulostuspalvelut elävätvaihdekautta. Aikaisemmin käytetyt raportointityökalut ovat vanhentumassa ja neon korvattava uusilla. Uusi raportointialusta, Global Printing System (GPS), onrakennettu StreamServe Business Communication Platformin ympärille. Uuden alustan on tarkoitus hoitaa Fenixin tulostus sekä raportointitehtävät. Työ kuvaa raportointialustan toteutuksen sekä sen tärkeimmät ominaisuudet. Uuden alustan suorituskyvyssä on ollut toivomisen varaa. Etenkin suurien raporttien generoiminen on kestänyt joskus toivottoman pitkään. Työssä analysoidaan raportointialustan suorituskykyä ja etsitään mahdolliset pullonkaulat. Suorituskyvyn heikkouksiin pyritään löytämään ratkaisut ja annetaan ehdotuksia suorituskyvyn parantamiseksi. XML pohjaisena järjestelmänä GPS:n suorituskyvyssä suurta osaaesittää XML:n tehokkuus. GPS sisääntuleva data tulee XML-muodossa ja sisääntulon parsimisen tehokkuus on avaintekijöitä koko GPS:n tehokkuuden kannalta. Suorituskyvyn parantamisessa keskitytäänki vahvasti XML:n tehokkaampaan käyttöön ja esitetään ehdotuksia sen parantamiseksi.

Managing Technologies in Research Organization: Framework for Research Surplus Portfolio

Avoimesta innovaatiosta ja innovaatioiden tehokkaasta hyödyntämisestä on tulossa tärkeitä osia yritysten T&K-prosesseihin. Diplomityön tarkoituksena on luoda viitekehys teknologioiden, jotka eivät kuulu yrityksen ydinliiketoimintaan, tehokkaampaan hallinnointiin tutkimusorganisaatiossa. Konstruktiivinen viitekehys on rakennettu pohjautuen aineettomien pääomien johtamisen ja portfolion hallinnoinnin teorioihin. Lisäksi työssä määritellään työkaluja jatekniikoita ylijäämäteknologioiden arviointiin. Uutta ylijäämäteknologioiden portfoliota voidaan hyödyntää hakukoneena, ideapankkina, kommunikaatiotyökaluna tai teknologioiden markkinapaikkana. Sen johtaminen koostuu tietojen dokumentoinnista järjestelmään, teknologioiden arvioinnista ja portfolion päivityksestä ja ylläpidosta.

Visual measurement of laser-arc hybrid welding

Tässä työssä raportoidaan hybridihitsauksesta otettujen suurnopeuskuvasarjojen automaattisen analyysijärjestelmän kehittäminen.Järjestelmän tarkoitus oli tuottaa tietoa, joka avustaisi analysoijaa arvioimaan kuvatun hitsausprosessin laatua. Tutkimus keskittyi valokaaren taajuuden säännöllisyyden ja lisäainepisaroiden lentosuuntien mittaamiseen. Valokaaria havaittiin kuvasarjoista sumean c-means-klusterointimenetelmän avullaja perättäisten valokaarien välistä aikaväliä käytettiin valokaaren taajuuden säännöllisyyden mittarina. Pisaroita paikannettiin menetelmällä, jossa yhdistyi pääkomponenttianalyysi ja tukivektoriluokitin. Kalman-suodinta käytettiin tuottamaan arvioita pisaroiden lentosuunnista ja nopeuksista. Lentosuunnanmääritysmenetelmä luokitteli pisarat niiden arvioitujen lentosuuntien perusteella. Järjestelmän kehittämiseen käytettävissä olleet kuvasarjat poikkesivat merkittävästi toisistaan kuvanlaadun ja pisaroiden ulkomuodon osalta, johtuen eroista kuvaus- ja hitsausprosesseissa. Analyysijärjestelmä kehitettiin toimimaan pienellä osajoukolla kuvasarjoja, joissa oli tietynlainen kuvaus- ja hitsausprosessi ja joiden kuvanlaatu ja pisaroiden ulkomuoto olivat samankaltaisia, mutta järjestelmää testattiin myös osajoukon ulkopuolisilla kuvasarjoilla. Testitulokset osoittivat, että lentosuunnanmääritystarkkuus oli kohtuullisen suuri osajoukonsisällä ja pieni muissa kuvasarjoissa. Valokaaren taajuuden säännöllisyyden määritys oli tarkka useammassa kuvasarjassa.

IP Multicast in Future Mobile Networks

Erilaisten IP-pohjaisten palvelujen käyttö lisääntyy jatkuvasti samalla, kun käyttäjistä tulee yhä liikkuvaisempia. Tästä syystä IP- protokolla tulee väistämättä myös mobiiliverkkoihin. Tässä diplomityössä tutkitaan mobiliteetin IP multcastingiin tuomia ongelmia ja simuloidaan niitä Network Simulatoria käyttäen. Pääpaino on ongelmalla, joka aiheutuu multicast- ryhmänmuodostusviiveestä. Tätä ongelmaa simuloidaan, jotta viiveen, mobiilikäyttäjien palveluunsaapumistaajuuden ja Scalable Reliable Multicast (SRM) protokollan ajastinarvojen asetusten vaikutus repair request- pakettien määrään ja sitä kautta suoritettavien uudelleenlähetysten määrään selviäisi. Eri parametrien vaikutuksen tutkimiseksi esitetään simulaatiotuloksia varioiduilla parametreillä käyttäen CDF- käyriä. Tulosten perusteella merkittävin tekijä uudelleenlähetyspyyntöjen kannalta on protokollan ajastimien arvot ja haluttu palvelun taso, viiveen merkityksen jäädessä vähäiseksi. Työn lopuksi tutkitaan SRM- protokollan soveltuvuutta mobiiliverkkoihin ja pohditaan vaihtoehtoja toiminnan parantamiseksi.

Subsystem Testing of Message Guided State Machines Using a Simulator Framework

Simulaattorit ovat yksinkertaistettuja malleja tietyistä järjestelmän osioista. Niitä käytetään mallintamaan testattavan osion ympärillä olevien muiden osioiden ulkoista toimintaa, jotta testattavalle osiolle saadaan oikeanlainen toimintaympäristö aikaiseksi. Tilakoneita käytetään mallintamaan ohjelmistojen tai niiden osien toimintaa. Sanomaohjatuissa tilakoneissa tilojen vaihdot perustuvat saapuviin sanomiin. Tässä työssä esitellään erään ohjelmiston alijärjestelmän testaamisessa käytettävä arkkitehtuuri, joka perustuu suurelta osin simulaattoreiden käyttöön muiden alijärjestelmien mallintamisessa. Testattava ohjelmisto koostuu enimmäkseen tilakoneista, jotka vaihtavat keskenään sanomia ja ohjaavat näin toistensa tilasiirtymiä. Työn testausympäristö on suunniteltu juuri tämänkaltaisen ohjelmiston testaamiseen. Työssä esiteltävää testausympäristöä myöskin käytettiin useamman kuukauden ajan ja se todettiin toimivaksi. Joitakin testausympäristön käyttöohjeita, käyttökokemuksia sekä siihen liittyviä parannusehdotuksia käydään läpi työn loppuosassa. Erityisesti havaittiin miten tärkeää on testata implementaatiota jo luokka tasolla ennen alijärjestelmä tason testaukseen siirtymistä sekä päädyttiin siihen, että suunnitteluvaiheen pitäisi olla lähemmin liitoksissa alijärjestelmätestaukseen.

Data Collection Agent Framework

Ohjelmistoteollisuudessa pitkiä ja vaikeita kehityssyklejä voidaan helpottaa käyttämällä hyväksi ohjelmistokehyksiä (frameworks). Ohjelmistokehykset edustavat kokoelmaa luokkia, jotka tarjoavat yleisiä ratkaisuja tietyn ongelmakentän tarpeisiin vapauttaen ohjelmistokehittäjät keskittymään sovelluskohtaisiin vaatimuksiin. Hyvin suunniteltujen ohjelmistokehyksien käyttö lisää suunnitteluratkaisujen sekä lähdekoodin uudelleenkäytettävyyttä enemmän kuin mikään muu suunnittelulähestymistapa. Tietyn kohdealueen tietämys voidaan tallentaa ohjelmistokehyksiin, joista puolestaan voidaan erikoistaa viimeisteltyjä ohjelmistotuotteita. Tässä diplomityössä kuvataan ohjelmistoagentteihin (software agents) perustuvaa ohjelmistokehyksen suunnittelua toteutusta. Pääpaino työssä on vaatimusmäärittelyä vastaavan suunnitelman sekä toteutuksen kuvaaminen ohjelmistokehykselle, josta voidaan erikoistaa erilaiseen tiedonkeruuseen kykeneviä ohjelmistoja Internet ympäristöön. Työn kokeellisessa osuudessa esitellään myös esimerkkisovellus, joka perustuu työssä kehitettyyn ohjelmistokehykseen.