Error Modeling and Accuracy Analysis of a Novel Mobile Hybrid Parallel Robot

Over the last decades, calibration techniques have been widely used to improve the accuracy of robots and machine tools since they only involve software modification instead of changing the design and manufacture of the hardware. Traditionally, there are four steps are required for a calibration, i.e. error modeling, measurement, parameter identification and compensation. The objective of this thesis is to propose a method for the kinematics analysis and error modeling of a newly developed hybrid redundant robot IWR (Intersector Welding Robot), which possesses ten degrees of freedom (DOF) where 6-DOF in parallel and additional 4-DOF in serial. In this article, the problem of kinematics modeling and error modeling of the proposed IWR robot are discussed. Based on the vector arithmetic method, the kinematics model and the sensitivity model of the end-effector subject to the structure parameters is derived and analyzed. The relations between the pose (position and orientation) accuracy and manufacturing tolerances, actuation errors, and connection errors are formulated. Computer simulation is performed to examine the validity and effectiveness of the proposed method.

Piensarjatuotannon hitsauksen robotisointi

Diplomityön tarkoituksena on selvittää hitsauksen robotisointimahdollisuudet vakiintuneelle piensarjatuotteelle. Tarkastelun kohteeksi valittiin maanpäällisen porausyksikön runkopari, joka rakentuu ylä- ja alarungosta. Hitsaus on nykytilanteessa käsinhitsausta ja tuotetta tehdään noin 300 kpl / vuosi. Hitsauksen robotisoinnilla halutaan aikaansaada kustannussäästöä hitsauksen osalta ja tuotantokapasiteetin nousua. Työn teoriaosa voidaan jakaa neljään osaan: hitsaustekniikka, robottihitsattava tuote, robotisoituhitsaus ja investointilaskelmat. Hitsaustekniikassa lähdetään liikkeelle hitsauksen kannalta oleellisimmista perusasioista, jolloin lukijalle syntyy laajempi kokonaiskuva asiasta. Hitsauksen robotisointia suunniteltaessa korostuu tuotteen hitsattavuus. Hyvin suunniteltu tuote mahdollistaa robotisoidun hitsauksen ja luo edellytykset laadukkaalle, taloudelliselle ja tuottavalle hitsaukselle. Robotisoidun hitsauksen osassa rakennetaan kokonaisuus, jolloin lopputuloksena on tehokas robottijärjestelmä. Samalla käsitellään sekä varsinaista hitsausteknistä toteutusta että robottijärjestelmän komponentteja. Investointilaskelmien avulla varmistetaan robottijärjestelmän ja koko tuotantoketjun kannattavuus. Käytännön osuudessa selvitetään robotisoidun hitsauksen mahdollisuudet valitulle tuotteelle ja robotisoinnin aikaansaamat kustannussäästöt. Tuotteen ylärungosta valitaan etuosa tarkempaa CASE tyylistä tarkastelua varten. CASE:ssa käydään läpi etuosan valmistettavuus ja selvitetään robotisoinnista aikaansaamat säästöt. Investointilaskelmien avulla selvitetään käytännön osuudessa robotisoidun hitsauksen kannattavuus tietyille robottijärjestelmille.

Hitsatun kerrossihtilevyrakenteen soveltuvuus sellutehtaan laitteiden suodatinpinnaksi

Tässä diplomityössä tutkittiin hitsaamalla valmistettavan kerrossihtilevyn soveltuvuutta eri sellutehtaan laitteisiin mekaanisen kuormituskokeen, korroosiokokeen ja syrjäytyskokeiden avulla. Tutkimusympäristönä käytettiin puukuitupesuria, sillä kerrossihtilevyrakenteen todennäköisimpiä käyttökohteita ovat erilaiset massan pesuun tarkoitetut laitteet. Mekaanisen kuormituksen kokeessa tarkasteltiin kerrossihtilevyn staattista ja dynaamista kuormituksen kestoa painevaihteluiden avulla pesurin koelokerossa ja verrattiin sitä porattuun reikälevyyn. Kokeessa käytetyn kerrossihtilevyversion todettiin olevan huomattavasti porattua saman paksuista reikälevyä heikompi dynaamisen kuormituksen alaisena. Syrjäytyskokeilla määritettiin syrjäytysnopeus erilaisilla reiänhalkaisijoilla ja –jaoilla sekä tutkittiin väriaineen avulla sokeiden tukikannasten vaikutusta syrjäytyspesun homogeenisuuteen levyn pinnassa. Syrjäytysnopeuden todettiin heikentyvän vapaan reikäpinta-alan pienentyessä. Väriaineellisissa kokeissa ei havaittu tukikannasten merkittävästi alentavan syrjäytysnopeutta. Korroosiokokeilla tutkittiin ja vertailtiin laser- ja vastuspistehitsien korroosionkestokykyä kloridipitoisissa olosuhteissa lämpötilan säätelyn mahdollistavan olosuhdekaapin avulla. Laserhitsauksessa parametrien ei havaittu vaikuttavan merkittävästi hitsin herkistymislämpötilaan. Vastuspistehitsaamalla on mahdollista saavuttaa laserhitsien korroosionkesto.

Efficient image mosaicing for multi-robot visual underwater mapping

Robotic platforms have advanced greatly in terms of their remote sensing capabilities, including obtaining optical information using cameras. Alongside these advances, visual mapping has become a very active research area, which facilitates the mapping of areas inaccessible to humans. This requires the efficient processing of data to increase the final mosaic quality and computational efficiency. In this paper, we propose an efficient image mosaicing algorithm for large area visual mapping in underwater environments using multiple underwater robots. Our method identifies overlapping image pairs in the trajectories carried out by the different robots during the topology estimation process, being this a cornerstone for efficiently mapping large areas of the seafloor. We present comparative results based on challenging real underwater datasets, which simulated multi-robot mapping

Leimuhitsauksen kokonaisvaltainen laadunhallinta päättymättömässä valssauksessa

Leimuhitsauksen laadunhallinnassa tärkeää on prosessimainen toiminta ja toimintojen kokonaisvaltaisuuden hahmottaminen. Leimuhitsauksen ollessa osana päättymätöntä valssausta hitsauksen laadunhallinta voidaan jakaa kolmeen päävaiheeseen: ennen hitsausta, hitsauksen aikana ja hitsauksen jälkeen vaikuttaviin laaduntuottotekijöihin. Leimuhitsauksen laaduntuottotekijöiden määritys ja jaottelu kaavioiksi on toteutettu tässä työssä. Leimuhitsin tekniseen laatuun vaikuttavat monet ilmiöt ja parametrit hitsauksen aikana. Tärkeimpiä hitsausparametreista ovat hitsausjännite, alustan liikenopeus, tyssäysmatka sekä leimutusaika. Väärät hitsausolosuhteet tai hitsausparametrit aiheuttavat erilaisia mekaanisia ja metallurgisia vikoja leimuhitsiin. Eräs metallurginen vikatyyppi ovat oksidisulkeumat hitsialueella. Nämä hapettuneet alueet voivat johtaa juurensa erilaisista syistä ja esimerkiksi leimutusajan ja epätasaisen liitospinnan yhteyttä sulkeumien syntyyn on epäilty. Pidennetyillä leimutusajoilla tehtyjen hitsauskokeiden ja hitsien rikkovien aineenkoetuskokeiden tuloksena todettiin tässä tutkittujen koehitsien oksidisulkeumien syntyvän hapettumalla leimutuksen aikana tai juuri hetkellä ennen tyssäystä, minkä lisäksi kosteat olosuhteet hitsausatmosfäärin ympärillä heikentävät lopputuloksen laatua. Leimutusajalla on tärkein osa leimutettavia pintoja tasaavana tekijänä ja mitä epätasaisempi liitettävä pinta on, sitä pidemmän leimutusajan se tarvitsee.

Blender- ja Bullet-ohjelmiston soveltuvuus robotiikan simulointiin.

Työssä tutkittiin Blender- ja Bullet-ohjelmiston soveltuvuutta robotin dynamiikan analysointiin. Ohjelmistot ovat avoimia ohjelmistoja joten niiden käyttö oli maksutonta. Robotin osat mallinnettiin Blender-ohjelmistolla ja koottiin kokoonpanoksi asettamalla nivelet kappaleiden väleille. Kokoonpanon tiedot siirrettiin Bullet-ohjelmistoon COLLADA-tiedoston välityksellä. Bullet-ohjelmistossa robotin dynaaminen käyttäytyminen laskettiin matemaattisesti tietokoneen avulla.

Reconeixement de veu mitjançant xarxes neuronals

La interacció home-màquina per mitjà de la veu cobreix moltes àrees d’investigació. Es destaquen entre altres, el reconeixement de la parla, la síntesis i identificació de discurs, la verificació i identificació de locutor i l’activació per veu (ordres) de sistemes robòtics. Reconèixer la parla és natural i simple per a les persones, però és un treball complex per a les màquines, pel qual existeixen diverses metodologies i tècniques, entre elles les Xarxes Neuronals. L’objectiu d’aquest treball és desenvolupar una eina en Matlab per al reconeixement i identificació de paraules pronunciades per un locutor, entre un conjunt de paraules possibles, i amb una bona fiabilitat dins d’uns marges preestablerts. El sistema és independent del locutor que pronuncia la paraula, és a dir, aquest locutor no haurà intervingut en el procés d’entrenament del sistema. S’ha dissenyat una interfície que permet l’adquisició del senyal de veu i el seu processament mitjançant xarxes neuronals i altres tècniques. Adaptant una part de control al sistema, es podria utilitzar per donar ordres a un robot com l’Alfa6Uvic o qualsevol altre dispositiu.

Moottoripyörän rungon muuntelun valvontakriteerit muutoskatsastuksessa

Muutoskatsastusta koskeva lainsäädäntö aiheuttaa tulkintavaikeuksia ja rajoitteita moottoripyöräharrastajille ja alan toimijoille. Nykyinen asetus edellyttää tarvittaessa asiantuntijaselvitystä rakennemuutoksen lujuudesta ja hitsaustyöstä. Moottoripyörän geometria on laissa rajattu akselivälin ja emäputken kulman osalta. Moottoripyörien runkoja valmistetaan hitsaamalla seostamattomista teräksistä ja lämpökäsiteltävistä alumiini- ja terässeoksista. Runkojen muuntelu suoritetaan myös yleisesti hitsaamalla. Turvallisuuden kannalta tärkeiltä hitsausliitoksilta vaaditaan hyvää laatua, joka saavutetaan oikeilla hitsausparametreilla ja -suorituksella. Vaatimukset seostamattomalle teräkselle voidaan täyttää pätevöityneen hitsaajan toimesta. Lämpökäsiteltävät seokset vaativat lisäksi jälkilämpökäsittelyn, mikä edelleen vaikeuttaa runkojen hitsausta. Hitsien laadun merkitystä moottoripyörän rungossa tutkittiin soveltamalla rajoitetun vahingon periaatetta. Vauriotapauksena mallinnettiin satunnaisen rungon hitsausliitoksen murtuminen. Eri kuormitustilanteissa elementtimenetelmää hyödyntäen todettiin chopper-tyyppisten moottoripyörien runkojen olevan osittain vauriosietoisia ja havaittiin kriittiset hitsausliitokset emä- ja vaakaputken alueilla. Moottoripyörien runkojen kriittisiä hitsausliitoksia tarkasteltiin väsymisen kannalta. Soveltamalla tehollista lovijännitystä, vertailtiin emäputken hitsausliitosten väsymiskestävyyttä oletetulla kuormituksella. Tulosten perusteella muunneltu moottoripyörän runko voi olla alkuperäisrunkoa kestävämpi tai heikompi. Moottoripyörän akseliväli tai emäputken kulma eivät määrää kestävyyttä, vaan rakenteen yksityiskohtainen suunnittelu. Kriittisten liitosten väsymiskestävyyksissä havaittiin merkittäviä eroja eri mallien välillä.

Design and manufacture of a microdistillation column

Aim of this thesis was to design and manufacture a microdistillation column. The literature review part of this thesis covers stainless steels, material processing and basics about engineering design and distillation. The main focus, however, is on the experimental part. Experimental part is divided into five distinct sections: First part is where the device is introduced and separated into three parts. Secondly the device is designed part by part. It consists mostly of detail problem solving, since the first drawings had already been drawn and the critical dimensions decided. Third part is the manufacture, which was not fully completed since the final assembly was left out of this thesis. Fourth part is the test welding for the device, and its analysis. Finally some ideas for further studies are presented. The main goal of this thesis was accomplished. The device only lacks some final assembly but otherwise it is complete. One thing that became clear during the process was how difficult it is to produce small and precise steel parts with conventional manufacturing methods. Internal stresses within steel plates and thermal distortions can easily ruin small steel structures. Designing appropriate welding jigs is an important task for even simple devices. Laser material processing is a promising tool for this kind of steel processing because of the flexibility, good cutting quality and also precise and low heat input when welding. Next step in this project is the final assembly and the actual distillation tests. The tests will be carried out at Helsinki University of Technology.

Laserhitsausparametrien vaikutus ruostumattomien terästen hitsin mikrorakenteeseen

Työn teoriaosassa käsitellään ruostumattomia teräksiä ja terästen metallurgiaan vaikuttavia tekijöitä yleisesti, sekä terästen hitsattavuutta. Hitsauksesta teoriassa käydään läpi laser- ja kaasukaarihitsausta ja hitsin metallurgiaan vaikuttavia tekijöitä. Kokeellisessa osassa paneudutaan kahdeksan eri ruostumattoman teräksen hitsien metallurgiaan ja metallurgiassa tapahtuviin muutoksiin hitsausparametrien mukaan. Koemateriaaleina on neljä austeniittista ruostumatonta terästä, 201, 301LN, 316L ja 254 SMO, kaksi austeniittis-ferriittistä ruostumatonta terästä, 2101 LDX ja 2205, sekä kaksi ferriittistä ruostumatonta terästä, 430 ja 1.4003. Hitsien mikrorakenteen tutkimisessa käytettiin sekä valomikroskooppia sekä joissain tapauksissa pyyhkäisyelektronimikroskooppia. Lisäksi työn kokeellisessa osassa paneuduttiin hitsien metallografisiin syövytystekniikoihin. Kokeiden perusteella voidaan sanoa, että hitsin metallurgia riippuu hitsauksen aikaisesta lämpösyklistä ja hitsausparametreilla voidaan vaikuttaa tämän lämpösyklin muotoon. Austeniittis-ferriittisillä teräksillä hitsauksen aikaisesta lämpösyklistä riippuu pitkälti hitsin austeniitti-ferriitti-suhde. Ferriittisillä teräksillä lämpösyklin muoto vaikuttaa hitsiin muodostuvan martensiitin kovuuteen ja määrään sekä rakenteen hienojakoisuuteen. Austeniittisilla teräksillä lämpösyklinmuodon vaikutus riippuu pitkälti teräksen seostusasteesta ja seosaineista. Austeniittisilla teräksillä kokeissa havaittuja muutoksia, parametrien muutosten mukaan oli muun muassa suotautumisen voimakkuuden

Hitsaustuotannon kehittäminen ja valmistusystävällinen suunnittelu

Työssä tarkastellaan hitsauksen tuotekehityksen suunnittelun toteuttamista ja hitsauksen kehittämistä konepajalla. Yritykset tietävät omat valmistustekniset ongelmansa, mutta kehittämisen aloittaminen on monesti hankalaa tai sitä ei edes aloiteta. Pienimmillä yrityksillä ei usein ole mahdollisuuksia eikä osaamista uusien tuotantomenetelmien ja tuotteiden kehittämiseen. Työssä annetaan neuvoja miten alentaa kehittämistyön aloituskynnystä ja auttaa suunnittelutehtävän jäsentelyssä. Tuotteen suunnittelu on vaativa tehtävä, koska siinä lyödään lukkoon tuotteen toimivuus ja suurin osa kustannuksista. Suunnittelijoiden on tiedettävä eri valmistusmenetelmistä ja valmistusystävällisestä suunnittelusta, jotta he voisivat huomioida valmistettavuus- ja kokoonpanonäkökohdat. Hyvässä hitsatussa tuotteessa on mahdollisimman vähän hitsiä, käytetty modulointia ja standardointia sekä käytetty hitsausta korvaavia menetelmiä. Työssä on esitelty valmistusystävälliseen suunnitteluun kehitelty "Design For Welding" -malli, jossa käydään läpi hitsatun rakenteen erityispiirteet suunnittelun kannalta. Valmistusystävällisen suunnittelun tarkoituksena on vähentää tilauskohtaista suunnittelua, hitsausta, hitsauksen jälkeistä käsittelyä ja koneistusta.

Kehittyneiden hitsausprosessien soveltuvuus alumiinin ja hiiliterästen hitsaukseen

Diplomityössä tutkitaan hitsausprosessien kehitystä. Työn kirjallisen osan alku kuvaa hitsauksen nykypäivää ja tulevaisuutta sekä millainen on hitsaava Suomi. Kehittyneiden hitsausprosessien tarkastelu on jaettu hiiliterästen ja alumiinien hitsausprosesseihin. Hiiliteräksien hitsauksen osalta työssä esitellään kitkahitsaus pyörivällä työkalulla, muunnettu lyhytkaarihitsaus, laserhitsaus, laser-hybridihitsaus ja kapearailohitsaus. Alumiinien hitsauksen osalta työssä esitellään laserhitsaus, muunnettu lyhytkaarihitsaus, kitkahitsaus pyörivällä työkalulla ja vaihtovirta MIG hitsaus. Diplomityön käytännönosuudessa todennettiin hitsausprosessien kehitys. Ensimmäisissä hitsauskokeissa hitsattiin merialumiinia eri kaarityypeillä. Vertailua tehdään pulssihitsauksen, lankapulssihitsauksen sekä CMT-kaarihitsauksen välillä. Koehitsaukset osoittavat CMT-hitsauksen tuottavan MIG-pulssihitsausta pienemmät hitsausmuodonmuutokset. CMT-hitsauksessa alumiinin oksidikerros aiheuttaa MIGpulssihitsausta vähemmän ongelmia, sillä kaari syttyy varmemmin suurillakin hitsausnopeuksilla, eikä hitsiin synny huokosia. Hitsausnopeudella 40 cm/min lankapulssihitsauksella ja MIG-pulssihitsauksella päittäisliitoksena hitsattujen vesileikattujen alumiinikappaleiden hitseihin ei syntynyt huokosia. Kokeen perusteella voidaan todeta, ettei oksidikerroksella ollut vaikutusta hitsin onnistumiseen. Hitsauskokeiden toinen osio tutkii hiilimangaaniteräksisen T-palkin kuitulaserhitsausta. Viiden kilowatin laserteholla hitsattiin onnistuneesti viisi metriä pitkiä T-palkkeja hitsausnopeudella 2 m/min. Takymetrimittauksella ja Tritop 3D-koordinaattimittauksella todennettiin laserhitsatun T-palkin hitsausmuodonmuutosten olevan huomattavasti Twin-jauhekaarihitsauksella hitsattua T-palkkia pienemmät.

Sensor Fusion of Proprioception, Force and Vision in Estimation and Robot

Sensor-based robot control allows manipulation in dynamic environments with uncertainties. Vision is a versatile low-cost sensory modality, but low sample rate, high sensor delay and uncertain measurements limit its usability, especially in strongly dynamic environments. Force is a complementary sensory modality allowing accurate measurements of local object shape when a tooltip is in contact with the object. In multimodal sensor fusion, several sensors measuring different modalities are combined to give a more accurate estimate of the environment. As force and vision are fundamentally different sensory modalities not sharing a common representation, combining the information from these sensors is not straightforward. In this thesis, methods for fusing proprioception, force and vision together are proposed. Making assumptions of object shape and modeling the uncertainties of the sensors, the measurements can be fused together in an extended Kalman filter. The fusion of force and visual measurements makes it possible to estimate the pose of a moving target with an end-effector mounted moving camera at high rate and accuracy. The proposed approach takes the latency of the vision system into account explicitly, to provide high sample rate estimates. The estimates also allow a smooth transition from vision-based motion control to force control. The velocity of the end-effector can be controlled by estimating the distance to the target by vision and determining the velocity profile giving rapid approach and minimal force overshoot. Experiments with a 5-degree-of-freedom parallel hydraulic manipulator and a 6-degree-of-freedom serial manipulator show that integration of several sensor modalities can increase the accuracy of the measurements significantly.

Ruuvipurkaimen DFMA

Tämän työn tarkoituksena oli soveltaa valmistusystävällisen ja kokoonpanon huomioivan suunnittelun(DFMA) periaatteita ajavalle ruuvipurkaimelle valmistuskustannusten alentamiseksi. Työn teoriaosassa esitellään valmistusystävällisen suunnittelun periaatteita. Yhtä tarkemmin noudatettua DFMA-menetelmää esitellään hieman enemmän. Teoriassa käsitellään myös valmistuskustannusten laskentaa, lähinnä hitsauksen ja koneistuksen osalta. Ruuvipurkaimen rakenteeseen perehdyttiin tekemällä siitä 3D-malli. Purkaimen valmistuskustannukset selvitettiin ja kustannusten painopisteet määritettiin. Niiden pohjalta valittiin kohteet joihin paneuduttiin ja joihin sovellettiin DFMA:n periaatteita. Ruuvipurkaimen valmistettavuuden parantamisessa saavutettiin tavoite, 10 % kustannussäästö valmistuskustannuksissa. Valmistettavuutta saatiin paremmaksi DFMA-menetelmiä soveltaen ja sitä kautta tuli kustannussäästöjä. Ostokomponenttien toimittajakartoituksella saatiin myös kustannuksia karsittua. Käytetty DFMA-menetelmä hieman sovellettuna oli tälle tuotteelle toimiva vaihtoehto. Jatkamalla valmistusystävällistä suunnittelua kalleimmille osille, saataisiin enemmän kustannussäästöjä mihin tässä työssä päästiin.

Tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistuksen ja valmistuskustannusten arviointi

Diplomityössä on käsitelty tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistusta ja magneettien kiinnitystä. Työ on osa projektia, jonka tarkoituksena on ollut tuottaa kohdeyritykselle vaihtoehtoinen tuulivoimalan generaattorin roottorirakenne. Työhön on koottu projektissa käsitellyt asiat roottorin valmistustekniikan osalta. Työssä on selvitetty kustannuksien kannalta paras vaihtoehto roottorin valmistamiseksi sisältäen kuljetukset ja magneettien kokoonpanon. Valmistusmenetelminä on vertailtu hitsausta ja valamista. Magneettien osalta tarkasteltiin uuden vaihtoehtoisen kiinnitysmenetelmän tuomia säästöjä nykyiseen ratkaisuun verrattuna. Uusien roottorien kustannuksia on verrattu nykyiseen rakenteeseen. Tutkimusmenetelminä on käytetty projektiryhmän palavereja, haastatteluja ja kirjallisuusselvityksiä. Lopputuloksena kohdeyritykselle luotiin uusi roottorikonsepti, jossa yhdistyvät edullisempi roottorin valmistus ja magneettien kiinnitys. Roottorin valmistaminen valamalla osoittautui selvästi edullisemmaksi kuin hitsaaminen levyistä. Magneettien kiinnitystä yksinkertaistettiin käyttämällä seostettuja magneetteja ja magneettikehyksiä. Roottorin konstruktiomuutoksien avulla mahdollistettiin suurempi magneettien määrä, joka mahdollistaa suuremman tehontuoton.