Closed loop electrical muscle stimulation in spinal cord injured rehabilitation

The effect of motor training using closed loop controlled Functional Electrical Stimulation (FES) on motor performance was studied in 5 spinal cord injured (SCI) volunteers. The subjects trained 2 to 3 times a week during 2 months on a newly developed rehabilitation robot (MotionMaker?). The FES induced muscle force could be adequately adjusted throughout the programmed exercises by the way of a closed loop control of the stimulation currents. The software of the MotionMaker? allowed spasms to be detected accurately and managed in a way to prevent any harm to the SCI persons. Subjects with incomplete SCI reported an increased proprioceptive awareness for motion and were able to achieve a better voluntary activation of their leg muscles during controlled FES. At the end of the training, the voluntary force of the 4 incomplete SCI patients was found increased by 388% on their most affected leg and by 193% on the other leg. Active mobilisation with controlled FES seems to be effective in improving motor function in SCI persons by increasing the sensory input to neuronal circuits involved in motor control as well as by increasing muscle strength.

Description of a robotics-oriented relational positioning methodology

This paper presents a relational positioning methodology for flexibly and intuitively specifying offline programmed robot tasks, as well as for assisting the execution of teleoperated tasks demanding precise movements.In relational positioning, the movements of an object can be restricted totally or partially by specifying its allowed positions in terms of a set of geometric constraints. These allowed positions are found by means of a 3D sequential geometric constraint solver called PMF – Positioning Mobile with respect to Fixed. PMF exploits the fact that in a set of geometric constraints, the rotational component can often be separated from the translational one and solved independently.

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.

Scene representation for object monitoring

In robotics, having a 3D representation of the environment where a robot is working can be very useful. In real-life scenarios, this environment is constantly changing for example by human interaction, external agents or by the robot itself. Thus, the representation needs to be constantly updated and extended to account for these dynamic scene changes. In this work we face the problem of representing the scene where a robot is acting. Moreover, we ought to improve this representation by reusing the information obtained in previous scenes. Our goal is to build a method to represent a scene and to update it while changes are produced. In order to achieve that, different aspects of computer vision such as space representation or feature tracking are discussed

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.

A programming environment having three levels of complexity for mobile robotics = Entorno de programación con tres niveles de complejidad para robótica móvil

This paper presents a programming environment for supporting learning in STEM, particularly mobile robotic learning. It was designed to maintain progressive learning for people with and without previous knowledge of programming and/or robotics. The environment was multi platform and built with open source tools. Perception, mobility, communication, navigation and collaborative behaviour functionalities can be programmed for different mobile robots. A learner is able to programme robots using different programming languages and editor interfaces: graphic programming interface (basic level), XML-based meta language (intermediate level) or ANSI C language (advanced level). The environment supports programme translation transparently into different languages for learners or explicitly on learners’ demand. Learners can access proposed challenges and learning interfaces by examples. The environment was designed to allow characteristics such as extensibility, adaptive interfaces, persistence and low software/hardware coupling. Functionality tests were performed to prove programming environment specifications. UV BOT mobile robots were used in these tests

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.

Ohutlevy-yrityksen mekaanisen valmistuksen tehostaminen

Diplomityön tavoitteena on tehostaa ohutlevytuotteita valmistavan yrityksen toimintaa ja parantaa tuotannon ohjattavuutta. Tuotannon tehostamisessa keskitytään minimoimaan asetusajat, pienentämään eräkokoja ja investoimaan valmistusta helpottaviin työkoneisiin tai -laitteisiin. Tuotannon ohjattavuutta kehitetään helpottamalla visuaalista seurantaa, layout-muutoksilla ja FiFo-ohjauksen käyttöönotolla. Kaikilla kehitystoimenpiteillä pyritään lyhentämään tuotannon läpimenoaikaa ja vähentämään keskeneräisen tuotannon määrää. Tavoitteena on luoda pohja Lean-valmistukselle. Kehitystoimenpiteet keskitetään useimmiten pullonkauloiksi muodostuville osastoille. Kapeikkojen avaamisessa hyödynnetään CIM-projektin mukaisesti tehtäviä investointeja. Uudella robottisärmäysyksiköllä mahdollistetaan litistäminen ja särmääminen yhdellä asetuksella. Kokoonpano-osaston sijaintia muutettiin ja osaston layoutista tehtiin linjamainen. Tuotannonohjauksen kehittämiseksi luotiin yksinkertainen kolmen askeleen kehitysmalli.

Beaming into the rat world: enabling real-time intereaction between rat and human each at their own scale

Immersive virtual reality (IVR) typically generates the illusion in participants that they are in the displayed virtual scene where they can experience and interact in events as if they were really happening. Teleoperator (TO) systems place people at a remote physical destination embodied as a robotic device, and where typically participants have the sensation of being at the destination, with the ability to interact with entities there. In this paper, we show how to combine IVR and TO to allow a new class of application. The participant in the IVR is represented in the destination by a physical robot (TO) and simultaneously the remote place and entities within it are represented to the participant in the IVR. Hence, the IVR participant has a normal virtual reality experience, but where his or her actions and behaviour control the remote robot and can therefore have physical consequences. Here, we show how such a system can be deployed to allow a human and a rat to operate together, but the human interacting with the rat on a human scale, and the rat interacting with the human on the rat scale. The human is represented in a rat arena by a small robot that is slaved to the human"s movements, whereas the tracked rat is represented to the human in the virtual reality by a humanoid avatar. We describe the system and also a study that was designed to test whether humans can successfully play a game with the rat. The results show that the system functioned well and that the humans were able to interact with the rat to fulfil the tasks of the game. This system opens up the possibility of new applications in the life sciences involving participant observation of and interaction with animals but at human scale.

Beaming into the rat world: enabling real-time intereaction between rat and human each at their own scale

Immersive virtual reality (IVR) typically generates the illusion in participants that they are in the displayed virtual scene where they can experience and interact in events as if they were really happening. Teleoperator (TO) systems place people at a remote physical destination embodied as a robotic device, and where typically participants have the sensation of being at the destination, with the ability to interact with entities there. In this paper, we show how to combine IVR and TO to allow a new class of application. The participant in the IVR is represented in the destination by a physical robot (TO) and simultaneously the remote place and entities within it are represented to the participant in the IVR. Hence, the IVR participant has a normal virtual reality experience, but where his or her actions and behaviour control the remote robot and can therefore have physical consequences. Here, we show how such a system can be deployed to allow a human and a rat to operate together, but the human interacting with the rat on a human scale, and the rat interacting with the human on the rat scale. The human is represented in a rat arena by a small robot that is slaved to the human"s movements, whereas the tracked rat is represented to the human in the virtual reality by a humanoid avatar. We describe the system and also a study that was designed to test whether humans can successfully play a game with the rat. The results show that the system functioned well and that the humans were able to interact with the rat to fulfil the tasks of the game. This system opens up the possibility of new applications in the life sciences involving participant observation of and interaction with animals but at human scale.

Hitsaavan tuotannon kehittäminen pyöräkuormainkaivureita valmistavassa yrityksessä

Diplomityössä käsitellään pyöräkuormainkaivureita valmistavan yrityksen konepajatuotannon kehittämistä aihiovalmistuksen, hitsauksen ja koneistuksen osalta. Pääpaino kehittämistoimissa on hitsauksessa. Lähtökohtana tuotannonkehittämisen tarpeelle ovat tuotannon kasvu, kustannustehokkuuden lisääminen sekä pula ammattitaitoisesta työvoimasta. Diplomityössä selvitetään yrityksen vanhan konekannan päivittämismahdollisuuksia ja säästöjen hakemista tehokkaampia valmistusmenetelmiä käyttöönottamalla. Pohjatyönä tulevaisuuden tuotannon tehostamiselle selvitettiin nykyiset valmistuskustannukset. Työajankäytön historiatiedot löytyivät yrityksen tietojärjestelmästä, joita tarkennettiinkentältä kerätyin tiedoin. Myös koneiden käyttökustannukset tuntihinnat eri työvaiheille. selvitettiin ja näin saatiin määritettyä Lännen Tractors Oy:lle löytyi hitsaavassa tuotannossa kehitystoimenpiteitä, mitkä tekemällä voidaan tuotantoa tehostaa ilman investointeja. Tuotannon kehittäminen jaettiin kahteen vaiheeseen: 1. vaihe, missä ei investoida vaan keskitytään nykyisten menetelmien kehittämiseen ja vanhojen koneiden tehokkaampaan hyödyntämiseen ja 2.vaihe, missä tarkastellaan mahdollisten investointien kannattavuutta sekä selvitetään alihankinnan mandollisuutta. Tuotannon tehostamisen 1. vaiheen toimenpiteillä saadaan hitsauskustannuksia pienennettyä jopa 20 %. 2. vaiheen oman tuotannon tehostamiseksi koneistuksen eri tehtiin investointilaskelmat robottihitsaussolun ja vaihtoehtojen takaisinmaksuajasta sekä sisäisestä korkokannasta. Uuden robottihitsaussolun takaisinmaksuaika on n. 3 vuotta. Näiden laskelmien perusteella mahdollisuudet valmistaa komponentteja taloudellisesti. investoinneilla voidaan pyöräkuormainkaivureiden saavuttaa hitsattuja

Lasermittauksen soveltaminen vesihydraulisessa sylinterissä

Työn tavoitteena on tutkia mahdollisuutta käyttää laser interferometripohjaista aseman mittausjärjestelmää vesihydraulisessa sylinterissä. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa kehitetyn rinnakkaisrakenteisen robotin PENTA WH muuttamiseen öljyhydraulisesta vesihydrauliseksi. Öljyhydraulisen prototyypin käyttämä vanha kuularuuviin ja inkrementaaliseen enkooderiin perustuvamittausjärjestelmä ei sovellu vesihydrauliseen robottiin. Työn tavoitteena on esittää vaihtoehtoinen ratkaisu.