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.

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.

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.

Toimintajärjestelmän rakentaminen laatu-, ympäristö- sekä työterveys- ja työturvallisuusstandardien vaatimusten mukaisesti

Diplomityön kohdeyritys on Lassila & Tikanoja Oyj:n (L&T) Vantaan jätehuolto -yksikkö.Yrityksen yhtenäiset toimintatavat ovat edellytyksenä toiminnan tehostamiselle,jatkuvalle kehittämiselle ja hallitulle laajentumiselle. Yrityksen toimintajärjestelmä (johtamisjärjestelmä) muodostuu laadun (ISO 9001), ympäristön (ISO 14001) sekä työterveyden ja työturvallisuuden (OHSAS 18001) hallintajärjestelmistä. Integroitu toimintajärjestelmä muodostaa yritykselle tehokkaan ja kokonaisvaltaisen kehittämisen työvälineen.Diplomityön tavoitteena on luoda teoreettinen perusta L&T:n Vantaan jätehuolto -yksikön sertifiointi -projektille. Diplomityön teoriasisältö muodostuu seuraavien asiakokonaisuuksien käsittelystä: kohdeyrityksen liiketoiminta-alan tunnuspiirteet, standardien sisältövaatimukset, toimintajärjestelmä yrityksen johtamisvälineenä sekä suorituskyvyn mittaaminen ja analysointi. Diplomityö kokoaa selkeät esitiedolliset lähtökohdat yksikön sertifiointi -projektille.Diplomityön muodostama teoreettinen perusta saavuttaa varsin onnistuneesti sille asetetut tavoitteet. Diplomityön määrittelemien lähtökohtien pohjalta rakentui yksikön varsinainen toimintajärjestelmä. Diplomityö tulee toimimaanhyvänä tukimateriaalina työn kohdeyritykselle jatkossakin; työstä on helppo tarkastaa ja kerrata toimintajärjestelmään liittyviä asiakokonaisuuksia.

Joustava hitsausautomaatio piensarjatuotannossa

Kustannuspaineet, tuotteiden laatuvaatimukset ja lisääntyvässä määrin myös ammattitaitoisen työvoiman pula lisäävät robotisoinnin käyttötarvetta hitsauksessa. Tämä työ on tehty edellä mainituista lähtökohdista ja käsittelee robottihitsausjärjestelmän suunnitteluprojektia, joustavaa hitsausautomaatiota ja robotiikan soveltamista. Näkökohtana on Savonia-ammattikorkeakoulun sekä Pohjois-Savon alueen yritysten tutkimus-, kehitys- ja koulutustoiminnan tarpeet. Joustavuus on hitsausjärjestelmän päätavoite, jolla pyritään vastaamaan asiakasohjautuvan yksittäis- ja piensarjatuotannon haasteisiin. Ratkaisua yksittäis- ja piensarjatuotteiden kokonaistaloudelliseen hitsaukseen on haettu hitsausrobotin rinnalle lisätyllä apurobotilla, jonka päätehtävä on kappaleenkäsittely, mutta sitä voidaan käyttää myös mm. robotisoituun leikkauksen ja särmäykseen. Tavallisuudesta poikkeavaa järjestelmäratkaisua on perusteltu sillä, että ohjaus- ja ohjelmointitekniikan sekä kehittyneen anturoinnin myötä on robottien käytettävyys parantunut ja aiempaa haasteellisempien robottijärjestelmien toteuttaminen on tullut näin mahdolliseksi. Lisäksi virtuaalimallinnus, simulointi ja etäohjelmointi ovat työkaluja, joita voidaan käyttää mm. tuotannon laadun ja tehokkuuden parantamiseen. Työssä esitetty robottiaseman suunnittelu alkaa järjestelmän määrittelystä, vaatimuslistan laadinnasta sekä visioinnista ja päättyy kolmen järjestelmävaihtoehdon vertailuun. Esitetyillä järjestelmävaihtoehdoilla on haettu mahdollisuutta yhdistää yleensä erillisinä toteutettuja työvaiheita yhteiseen soluun. Tuotannon joustavuus on ollut tuotantokapasiteettia tärkeämpi laitteistokokoonpanon valintaperuste.

Toimintojärjestelmän rakentaminen. Laatu- ja ympäristöjärjestelmän rakentaminen kuljetusyritykselle ja sen tytäryhtiöille

Tämän työn tavoitteena oli helpottaa kuljetusyrityksiä toimintajärjestelmän rakentamisessa. Yrityksen toiminnan jatkuva parantaminen ja kehitystyö tehtiin huomioiden sekä talous- että ympäristötekijät. Työssä perehdyttiin laatu- ja ympäristökäsitteiden kirjallisuuteen ja niitä koskeviin lakeihin. Malli pohjautuu ISO 9001 ja ISO 14001 standardeihin. Malli toimintajärjestelmän rakentamiseksi on suunniteltu yleisohjeeksi erilaisille ja erikokoisille kuljetusyrityksille. Ei ole olemassa vain yhtä oikeaa tapaa rakentaa toimintajärjestelmä, vaan jokainen yritys rakentaa oman järjestelmän yrityksen toimintaympäristöstä ja kulttuurista riippuen. Yrityksen johdon täydellinen sitoutuminen järjestelmän rakentamiseen on ehdoton edellytys työyhteisön jäsenten sitoutumiselle uuteen toimintamalliin. Järjestelmään sisältyvät yrityksen taustatiedot ja toiminta-ajatus sekä laatu- ja ympäristöpolitiikka. Oleelliset prosessit on myös kuvattava sekä ympäristöasiat suunniteltava. Lisäksi yritysten organisaatiot on kuvattava sekä johdon katselmukset, resurssit, auditoinnit, mittaaminen, poikkeamien hallinta että jatkuva parantaminen on selvitettävä. Järjestelmän rakentamisen jälkeen suurimman haasteen muodostaa henkilöstön asenteiden ja toimintatavan muuttaminen kouluttamisen avulla. Koulutuksessa täytyy huomioida kaikki yrityksen henkilöstöryhmät. Sekä sisäisillä että ulkoisilla auditoinneilla valvotaan jatkuvaa toiminnan oikeellisuutta. Kilpailukykyyn vaikuttava järjestelmän sertifioinnin määräaikaisuus asettaa henkilöstölle motivaation jatkuvaan parantamiseen ja toiminnan kehittämiseen.

ROBOTTIHITSAUKSEN KÄYTTÖÖNOTON EDELLYTYKSET ASIAKASOHJAUTUVASSA YKSITTÄIS- JA PIENSARJATUOTANNOSSA

Diplomityö koostuu teoria- ja tutkimusosasta. Teoriaosassa on käsitelty robottihitsaus-järjestelmän hankinnan edellytyksiä asiakasohjautuvan yksittäis- ja piensarjatuotannon lähtökohdista. Tarkastelun osa-alueita ovat asiakasohjautuva tuotanto, robottihitsaus yksittäis- ja piensarjatuotannossa, robottien ohjelmointimenetelmät, robottihitsauksen laatu ja laadunvarmistus, tehokkuus, tuottavuus, kannattavuus, robottihitsattavan tuotteen ja robottihitsausjärjestelmän suunnittelu, robottihitsausaseman turvallisuus sekä robotti-järjestelmän toteutus ja käyttöönotto. Teoriaosa on koottu siten, että sitä voidaan käyttää myös oppimateriaalina. Siinä esitetään myös sovellusesimerkki Imatran ammattikoululla toteutetusta robottihitsausaseman turvallisuusrakenneratkaisusta, jonka on suunnitellut ja toteuttanut diplomityön laatija. Diplomityön tutkimusosassa selvitetään kyselytutkimuksen avulla robottihitsauksen käyt-töönoton edellytyksiä asiakasohjautuvassa yksittäis- ja piensarjatuotannossa eteläkarjalai-sissa konepaja- ja metallialan yrityksissä. Tutkimukseen mukaan valituille 25 yritykselle ja yrityksistä valituille vastuuhenkilöille lähetettiin kirjallinen kyselytutkimus, johon vastaus saatiin 17 yritykseltä. Diplomityön tavoitteena oli selvittää robottihitsauksen käyttöönoton edellytyksiä. Tutkimuksella haettiin tietoja myös muusta yritysten suunnittelemasta hitsaus-tuotannon kehittämisestä kuten mekanisoinnista ja sen nykytilasta sekä muista mahdollisista hitsaukseen liittyvistä hankkeista. Tutkimustulosten perusteella on todettavissa, että Etelä-Karjalassa toimivista asiakas-ohjautuvista yksittäis- ja piensarjatuotantoa harjoittavista konepaja- ja metallialan yri-tyksistä löytyy yrityksiä, jotka ovat kiinnostuneita robottihitsausjärjestelmän hankinnasta, mutta saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että edellytyksiä siihen ei vielä näyttäisi olevan. Syiksi robottihitsausjärjestelmän hankinnan edellytysten puuttumiseen voidaan mainita muun muassa sopimaton tuoterakenne, liian yksilölliset tuotteet ja pienet sarjat, joilla ei ole toistuvuutta. Lisäksi yritykset toimivat pelkästään alihankintayrityksinä eikä niillä ole omaa tuotetta. Robottihitsausjärjestelmän hankinta voisi olla mahdollista niissä yrityksissä, jotka ovat verkottuneet, toimivat vakaavaraisesti ja joiden viennistä osa suuntautuu välillisesti tai välittömästi ulkomaille. Yhteistyöverkkojen voidaan olettaa parantavan robottihitsaus-järjestelmän hankinnan mahdollisuuksia. Tällöin kustannuksia voidaan jakaa usealle eri yritykselle ja siten voidaan tehostaa myös järjestelmän käyttöastetta sekä hankkia uusia asiakkaita. Kaksi yrityksistä on harkinnut joko oman tai leasing-robottihitsausjärjestelmän hankintaa. Ongelmina robottihitsausjärjestelmän yhteishankinnalle pidettiin esim. kenen tiloihin järjestelmä hankitaan, kuka huolehtii kunnossapidosta, miten palkat maksetaan työntekijöille ja miten käytössä oleva työaika jaetaan eri yrityksille. Diplomityön johtopäätökset ja suositukset osassa esitetään muutamia jatkotoimenpide-ehdotuksia siitä, kuinka tiettyjen yritysten osalta voitaisiin robottihitsauksen käyttöönottoa edistää. Tutkimuksen tuloksena saatua tietoa hyödynnetään muun muassa Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimus- ja koulutushankkeissa sekä toisen asteen kone- ja metallitekniikan koulutuksen suunnittelussa ja toteutuksessa.

Operatiivisten järjestelmien integrointi toimintojen ohjaukseen vaneritehtaassa

Työn tavoite oli löytää malli, joka mahdollistaisi kaikkien tilaus- toimitusprosessin operatiivisten järjestelmien integroimisen keskenään siten, että niitä voidaan hyödyntää valmistuksen ohjaukseen. Vaneritehtaissa ei ole keskitettyä tietojärjestelmää, joten tavoiteasetanta edellytti vaneritehtaan tietoverkon rakentamiseen liittyvän ongelmakentän periaatteellista ratkaisua.Koska tilaus- toimitusprosessi, tuotantoa lukuunottamatta, oli kohdeyrityksessä katettu tietojärjestelmillä, loivat nämä jo olemassa olevat järjestelmät reunaehdot ratkaisulle myös tuotannon tietoverkon kehittämisessä. Työssä etsittiin ja kiinnitettiin avaimet, joilla tuote- sekä henkilötieto saadaan identifioitua keskenään integroiduissa järjestelmissä niin, että informaatioketju ei katkea siirryttäessä järjestelmästä toiseen.Työssä ratkaistiin tietoverkon liityntä tuotantolaitteisiin valvomotuotteen avulla. Liittymisratkaisuja esiteltiin neljä. Nämä mallit kattavat suurimman osan vaneritehtaassa eteen tulevista tapauksista. Näiden lisäksi päädyttiin suosittamaan erään mekaanisen metsäteollisuuden laitetoimittajan luomaa tiedonkeruu- ja tuotannonsuunnitteluohjelmistoa, joka valmiina ratkaisuna edesauttaa tietoverkon nopeaa implementointia.

Toimintajärjestelmän hallintaohjelmiston suunnittelu ja toteutus yritysverkostojen käyttöön

Tässä diplomityössä kuvataan sähköisen toimintajärjestelmän hallintaohjelmiston toteuttaminen yritysverkostojen käyttöön. Jokainen toimintajärjestelmän osa on kuvattu erikseen ja sitä vastaamaan on toteutettu oma osio, joka vastaa nykyisten standardien ja spesifikaatioiden vaatimuksiin. Tämän työn standardit ja spesifikaatiot ovat ISO 9001:2000 (laatustandardi), ISO 14001 (ympäristöstandardi) ja OHSAS 18001 (turvallisuusjärjestelmäspesifikaatio). Hallintaohjelmistolla pystytään ylläpitämään toimintajärjestelmän perusosat, joita ovat prosessikuvaukset, asiakirjat, raportit ja mittarit. Ohjelma toteutetaan servlet-tekniikalla web-ympäristöön. Tietokantaratkaisuna käytetään SQL:ää, joka sopii hyvin yhteen Javan kanssa. Käyttöliittymänä on selain, mikä osaltaan helpottaa käyttöönottoa yrityksissä, koska erillisiä asennuksia käyttäjien koneisiin ei tarvita. Ohjelma on tarkoitettu asennettavaksi yrityksen sisäverkkoon.

Sähkötaseyhtiön liiketoimintasuunnitelman laatiminen

Diplomityössä esitetään toimintamalleja avoimen sähköntoimituksen ja markkinasähkön (spot-sähkö) välitykselle. Työn alkuosassa selvitetään sähkömarkkinoiden kehitystä ja sähkön pörssikaupan rakennetta pohjoismaisella markkina-alueella sekä tarkastellaan tasehallintaan, taseselvitykseen ja tietojen raportointiin liittyviä periaatteita Suomessa, erityisesti tasevastaavan kannalta katsottuna. Työssä kuvataan tiivistetysti yhteisomisteisten voimalaitosten yhteisajojärjestelyä, sähköntuotannon ja -hankinnan optimointia sekä tasehallintaa. Työn lopussa luodaan katsaus muiden Pohjoismaiden sekä Saksan sähkömarkkinoiden toimintaperiaatteisiin, taseselvitykseen, tasehallintaan ja tietojen raportointiin. Katsauksessa pyritään luomaan kuva toimintaperiaatteista, joiden perusteella suomalainen yhtiö voisi tulevaisuudessa laajentaa toimintaansa ulkomaille joko pelkkänä palvelujen tarjoajana tai myös tasevastaavana markkinaosapuolena.

EFQM-mallin implementointi osaksi johtamisjärjestelmää

Diplomityön tavoitteena oli tutkia kohdeyrityksen EFQM-mallin ja toimintajärjestelmän yhdistämistä niin, että niistä voitaisiin rakentaa yksi yhtenäinen johtamisjärjestelmä. Tarkoituksena oli rakentaa ratkaisumalli, jonka avulla mainitut mallit saataisiin liitettyä osaksi käytännön johtamis- ja kehittämistyövälineitä. Työ on toimintatutkimus, joka rakentuu erillisistä teoria- ja empiriaosioista. Teoriaosassa käsitellään yritystoiminnan perustekijöitä, johtamista tukevia menetelmiä sekä EFQM-mallia. Soveltavassa osuudessa näiden teoreettisten viitekehysten pohjalta rakennetaan ratkaisu alkuperäisen tavoitteen mukaisesti. Onnistuneen järjestelmien yhdistämisen lähtökohtana on, että yrityksen perustekijät ovat kunnossa. Johdon vahva sitoutuminen projektiin on keskeisessä asemassa, jotta syntyvä järjestelmä saadaan palvelemaan yrityksen tavoitteita. Oikein rakennettuna järjestelmä helpottaa päätöksentekoa sekä toimii vahvana tukena strategiselle ja operatiiviselle johtamiselle.

Uuden robottisolun ohjelmointitavan mahdollisuudet pienille ja keskisuurille yrityksille

Robotin ohjelmointi on aikaa vievää ja tarvitsee robotin ohjelmoinnin tuntevan operaattorin toimimaan robotin opettajana. Saadakseen robottisolun kustannustehokkaaksi operaattorilla olisi hyvä olla useampi solu hoidettavanaan samaan aikaan. Tämä ei ole suuri ongelma suurille yrityksille, joissa voi olla kymmeniä robottisoluja. Jos kyseessä on pieni tai keskisuuri yritys, automatisointi-investointi voi jäädä tekemättä ohjelmoinnin vaikeuden aiheuttaman ongelman vuoksi. Diplomityössä keskityttiin tutkimaan robotisointia pienten ja keskisuurten yritysten kannalta. Teoriaosassa on keskitytty robottisolun suunnittelun kannalta tarvittaviin perustietoihin robotin rakenteesta, ohjausjärjestelmästä, ohjelmoinnista sekä turvallisuudesta. Näiden perustietojen lisäksi on huomioitu hitsauksen automatisointia sekä taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun tekninen konsepti. Taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun konseptin käsittelyosassa on myös perehdytty taluttamalla ohjelmoinnin vaatimiin komponentteihin kuten voima/vääntö-anturi. Robottisolun suunnittelu on tehtävä koneasetuksen vaatimusten mukaan. Turvallisuus osiossa on käsitelty koneasetuksen vaatimuksia koneensuunnittelulle ja käytännön osassa on käsitelty Winnovan taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun suunnittelua koneasetuksen ohjeiden mukaan. Käytännön osassa on tutkittu taluttamalla ohjelmoinnin tuomia etuja muihin ohjelmointimenetelmiin nähden sekä suoritettu investointilaskelmat taluttamalla ohjelmoitavasta ja opettamalla ohjelmoitavasta robottisolusta. Koetuloksista nähdään taluttamalla ohjelmoinnin olevan nopeampi ja yksinkertaisempi tapa ohjelmoida robottia kuin opettamalla ohjelmointi. Investointilaskelmien vertailusta nähdään taluttamalla ohjelmoinnin tulevan opettamalla ohjelmointia edullisemmaksi vaihtoehdoksi käyttökustannusten edullisuuden ansiosta.

Twitch-palvelun katsomiseen tarkoitetun Windows Store -sovelluksen toteutus

Tämä työ kertoo Twitch.tv-palvelun videolähetyksien katsomiseen tarkoitetun sovelluksen kehittämisestä. Sovellus on tarkoitettu tablet-laitteille, jotka käyttävät Windows 8 -käyttöjärjestelmää. Tarkoituksena on mahdollistaa palvelun käyttäminen ilman selainta suoraan Windows App Store -sovelluksen kautta. Toteutuksessa keskitytään tutkimaan Microsoftin työkaluja ohjelmistonkehitykseen Windowsille, Twitch:n tarjoaman rajapinnan käyttöä ja käyttömahdollisuuksia. Työssä kerrotaan näiden työkalujen rajoittuneisuudesta ja tästä aiheutuvista ongelmista edellä kuvattua sovellusta kehittäessä. Ohjelmistossa panostetaan käytettävyyteen erityisesti tablet-laitteen näkökulmasta, käyttöliittymän suunnittelussa otetaan huomioon yhtenevä ulkonäkö ja Metro UI:n tyyli.

Coarse Global Visual Localization of a Mobile Robot

Localization, which is the ability of a mobile robot to estimate its position within its environment, is a key capability for autonomous operation of any mobile robot. This thesis presents a system for indoor coarse and global localization of a mobile robot based on visual information. The system is based on image matching and uses SIFT features as natural landmarks. Features extracted from training images arestored in a database for use in localization later. During localization an image of the scene is captured using the on-board camera of the robot, features are extracted from the image and the best match is searched from the database. Feature matching is done using the k-d tree algorithm. Experimental results showed that localization accuracy increases with the number of training features used in the training database, while, on the other hand, increasing number of features tended to have a negative impact on the computational time. For some parts of the environment the error rate was relatively high due to a strong correlation of features taken from those places across the environment.

Control hardware and Condition Monitoring System for Intersector Weld/Cut Robot

Työ sisältää ohjaislaitteiston vertailun ja valinnan rinnakkaisrakenteista robottia varten sekä kunnonvalvontajärjestelmän periaatteiden laadinnan kyseistä robottia varten. Ohjauslaitteisto sisältää teollisuustietokoneen sekä kenttäväylän. Sekä tietokoneesta että väylästä on teoriaosuus ja yksityiskohtaisempi valintaosuus. Teoriaosuudessa selitetään tarkemmin laitteiden toimintaperiaatteista. Valintaosuudessa kerrotaanmiksi jokin tietty laite on valittu käytettäväksi robotin ohjauksessa. Kunnonvalvontateoria ja rinnakkaisrakenteisen robotin kunnonvalvonnan keinot ovat työn toinen osa. Teoriaosa sisältää yleisluonteisen selvityksen vikaantumisesta ja valvonnasta. Erikoisrobotin kunnonvalvonnan keinot esitetään työssä tietyssä järjestyksessä. Ensin esitetään mahdolliset vikatilanteet. Toisessa kohdassa havainnollistetaan vikojen havaitseminen.