Robots and robotic systems for the electronics and telecommunication industry

Tämä diplomityö tutkii elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuutta sekä siihen läheisesti liittyviä robotteja ja robottijärjestelmiä. Tavoitteena on määrittää E&T-teollisuuden prosesseihin soveltuvien robottien testausmenetelmä. Tavoitteena on myös selvittää kahden ABB:n robotin soveltuvuutta E&T-teollisuuden tarpeisiin. Muutamia systemaattisia valmistusjärjestelmien suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä on myös käsitelty. Alussa työ keskittyy elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuuden nykytilan tutkimiseen sekä siellä vallitsevien ja ennustettujen trendien kartoitukseen. Kohdat “Collaborative manufacturing” ja E&T-teollisuuden valmistusjärjestelmille asettamat vaatimukset käydään yksityiskohtaisesti läpi. Tutkimuksen pääkohteina ovat robotit, erityisesti ABB:n IRB 140 ja IRB 340 sekä robottien testausmenetelmän määrittäminen. Työssä käydään läpi IRB 340:llä suoritetut testit, jotka tehtiin sekä konenäköjärjestelmää apuna käyttäen että ilman. Myös TTKK:lla suoritetut robottitestit on käyty läpi. Robottien testituloksia on analysoitu ja vertailtu muihin robotteihin. Testausmenetelmät perustuvat ISO 9283 standardiin. Viimeinen osa työstä esittelee robottijärjestelmien systemaattiseen suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä. Esillä ovat mm. Modular function deployment (MFD) ja The system design method (SDM).

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.

Liikesimulaattorialustan kehittäminen virtuaaliprototyypin avulla

Työn tarkoituksena oli kehittää kuuden vapausasteen liikesimulaattorialusta virtuaaliprototyypin avulla siten, että alustan dynamiikka mallinnetaan Adams-ohjelmistolla ja ohjaus- ja säätöpiiri Matlab Simulink:llä. Tarkoituksena oli tutkia dynaamisen mallin ja säätöteknisen mallin yhdistämistä ja niiden yhteen toimimista. Tarkoituksena oli myös selvittää tulevaisuudessa rakennettavan Stewart:n alustan mekaniikan mitat ja hydraulikomponenttien koot. Työssä tutkittiin alustan käyttäytymistä halutulla liikealueella, nopeuksia joita saavutetaan ja mekaanisia rajoitteita. Työn tuloksesta on tarkoitus rakentaa fyysinen prototyyppi liittyen KONSI-projektiin, jossa kehitetään satamanosturisimulaattori nosturiohjaajan koulutuksen tueksi. Malli tullaan kytkemään Teppo Lehtisen diplomityönä tehtyyn satamanosturi kontin simulointimalliin ja koko järjestelmän on tarkoitus toimia reaaliaikaisena.

In-Vessel Penetrator -käärmerobotin mallinnus ADAMS-ohjelmistolla

Työn tavoitteena oli muodostaa virtuaaliprototyyppi fuusioreaktorin huollossa käytettävästä IVP-robotista. Työssä mallinnettiin robotin mekaniikka joustavana sekä toimilaitteiden ja käyttöjen dynaamiset ominaisuudet valmistajien esitietojen ja mitoitustietojen perusteella. Käyttöjen ja mekaniikan mallit yhdistettiin ADAMS-ohjelmistossa. Mekaanisten joustojen mallinnuksessa sekä verifioinnissa käytettiin apuna ANSYS –ohjelmistoa. Virtuaaliprototyypin toimivuudesta varmistuttiin vertaamalla sitä robotin suunnittelutietoihin ja fyysiseen prototyyppiin. Robotin ohjauksessa käytettävän P-säätäjän vaikutusta tutkittiin eri vahvistuksen arvoilla sekä verrattiin mekaanisia vasteita fyysisen prototyypin dynaamisiin testeihin. Esimerkkinä robotin käyttäytymisestä todellisessa tilanteessa simuloitiin sen ajoa reaktoriin. Toteutetun simulointimallin todettiin vastaavan rakenteeltaan sekä siinä esiintyvien voimien osalta suunnitelmien mukaista konstruktiota. Käytetyillä parametreilla se toteutti hyvin robotille asetetut nopeusvaatimukset.

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.

PK-yrityksen investointimalli:robotin hankinnan kannattavuus

Työn tavoitteena oli tutkia robotti-investointia ja muodostaa siitä investointimalli, jossa selvitetään sen aiheuttamat kustannukset ja tuotot investointilaskelmien avulla. Investointimalli tehtiin siten, että sillä pystytään tutkimaan myös tulevia investointihankkeita. Robotti-investointi on luonteeltaan korvausinvestointi, joten sen toteuttamisessa on huomioitu tarkoin sille asetetut vaatimukset. Näiden perusteilla lähdettiin etsimään sopivaa laitetoimittajaa, joka pystyisi täyttämään annetut vaatimukset. Robottiaseman suunnittelu ja kehittäminen tehtiin vahvassa yhteistyössä laitetoimittajien kanssa, joilta saatiin myös tarvittavaa aineistoa teknisistä ominaisuuksista ja käytöstä aiheutuvista kustannuksista. Investoinnin kannattavuutta arvioitiin laskentamallin avulla, jonka tärkeimpinä kannattavuuden mittareina pidettiin takaisinmaksuaikaa ja nykyarvoa. Laskelmien tuloksiin liittyvää epävarmuutta arvioitiin herkkyysanalyysillä, jossa tutkittiin nykyarvon kehitystä eri tapauksissa. Investointia tutkittiin myös muista, kuin taloudellisista näkökulmista, joka vaikutti lopulliseen päätöksentekoon. Investointi muodostui erittäin kannattavaksi.

Runkoverstaan tuotannon läpimenoajan sekä valmistusystävällisyyden kehittäminen

Diplomityö tehtiin kansainväliseen maanalaisia kaivoskoneita toimittavaan yritykseen. Diplomityön tavoitteena oli kartoittaa runkojen läpimenoaikaa robottihitsauksen ja koneistuksen osalta Normet Oy:n hitsaamon tuotannossa. Diplomityön teoriaosassa on esitelty tuotantojärjestelmiä, tuotantotekniikan kehittämisen osa-alueita, valmistusystävällisyyttä, tuotannonohjausta sekä tuotannon mittareita tuottavuuden kehittämisen näkökulmasta. Diplomityön kokeellisessa osassa tehtiin nykyisten tuotantoprosessien tarkat aikaseurannat. Ensisijaisesti koneistuksen kehittämisellä tavoiteltiin asetus- ja sivuaikojen minimointia sekä tuottavampaa lastuamista. Näin ollen uusien työkalujen sekä koneistusinnovaatioiden löytäminen oli avainasemassa kehitystyössä. Robotisoinnin kehittämisessä tärkeintä on tehokkaampien hitsausprosessien hyödyntäminen, laatutekijöiden analysointi sekä robottiystävällisten konstruktioiden käyttöönotto. Case-esimerkissä näitä menetelmiä pyritään esittämään Normetin volyymituote NT100-rungossa.

Serious games for rehabilitation using head-mounted display and haptic devices

In the health domain, the field of rehabilitation suffers from a lack specialized staff while hospital costs only increase. Worse, almost no tools are dedicated to motivate patients or help the personnel to carry out monitoring of therapeutic exercises. This paper demonstrates the high potential that can bring the virtual reality with a platform of serious games for the rehabilitation of the legs involving a head-mounted display and haptic robot devices. We first introduce SG principles and the current context regarding rehabilitation interventions followed by the description of an original haptic device called Lambda Health System. The architecture of the model is then detailed, including communication specifications showing that lag is imperceptible for user (60Hz). Finally, four serious games for rehabilitation using haptic robots and/or HMD were tested by 33 health specialists.

Accuracy of cognitive MRI-targeted biopsy in hitting prostate cancer-positive regions of interest.

PURPOSE: Prostate cancer (PCa) diagnosis relies on clinical suspicion leading to systematic transrectal ultrasound-guided biopsy (TRUSGB). Multiparametric magnetic resonance imaging (mpMRI) allows for targeted biopsy of suspicious areas of the prostate instead of random 12-core biopsy. This method has been shown to be more accurate in detecting significant PCa. However, the precise spatial accuracy of cognitive targeting is unknown. METHODS: Consecutive patients undergoing mpMRI-targeted TRUSGB with cognitive registration (MRTB-COG) followed by robot-assisted radical prostatectomy were included in the present analysis. The regions of interest (ROIs) involved by the index lesion reported on mpMRI were subsequently targeted by two experienced urologists using the cognitive approach. The 27 ROIs were used as spatial reference. Mapping on radical prostatectomy specimen was used as reference to determine true-positive mpMRI findings. Per core correlation analysis was performed. RESULTS: Forty patients were included. Overall, 40 index lesions involving 137 ROIs (mean ROIs per index lesion 3.43) were identified on MRI. After correlating these findings with final pathology, 117 ROIs (85 %) were considered as true-positive lesions. A total of 102 biopsy cores directed toward such true-positive ROIs were available for final analysis. Cognitive targeted biopsy hit the target in 82 % of the cases (84/102). The only identified risk factor for missing the target was an anterior situated ROI (p = 0.01). CONCLUSION: In experienced hands, cognitive MRTB-COG allows for an accuracy of 82 % in hitting the correct target, given that it is a true-positive lesion. Anterior tumors are less likely to be successfully targeted.

Modificacions estructurals i arquitectóniques d’un Origami/mòbil

El cas de intervenció que presentem, tracta d’una escultura monumental d’Origami/Movil, construïda amb cartolina de fibres de lli. L’obra està suspesa del sostre per fins cordills de cotó fins a l’alçada de l’abast de la gent, i instal·lada en el vestíbul de una sala d’actes.L’ humitat ambiental absorbida per el paper de l’origami, i el propi pes de la peça,es la causa de que els plecs del paper en lloc de mantenir-se rìgits i rectes, es dobleguessin i estiguessin flàccids, perdent la seva funcionalitat estructural característics de aquesta mena d’obres.La intervenció que efectuada es centrà en retornar la rigidesa dels plecs del paper, a la vagada que modifiquen l’alçada de la seva instal·lació, escorçant la llargada total de la peça, per evitar ser tocada pel públic.

Pose-based SLAM with probabilistic scan matching algorithm using a mechanical scanned imaging sonar

This paper proposes a pose-based algorithm to solve the full SLAM problem for an autonomous underwater vehicle (AUV), navigating in an unknown and possibly unstructured environment. The technique incorporate probabilistic scan matching with range scans gathered from a mechanical scanning imaging sonar (MSIS) and the robot dead-reckoning displacements estimated from a Doppler velocity log (DVL) and a motion reference unit (MRU). The proposed method utilizes two extended Kalman filters (EKF). The first, estimates the local path travelled by the robot while grabbing the scan as well as its uncertainty and provides position estimates for correcting the distortions that the vehicle motion produces in the acoustic images. The second is an augment state EKF that estimates and keeps the registered scans poses. The raw data from the sensors are processed and fused in-line. No priory structural information or initial pose are considered. The algorithm has been tested on an AUV guided along a 600 m path within a marina environment, showing the viability of the proposed approach

Visual SLAM for 3D large-scale seabed acquisition employing underwater vehicles

This paper presents a novel technique to align partial 3D reconstructions of the seabed acquired by a stereo camera mounted on an autonomous underwater vehicle. Vehicle localization and seabed mapping is performed simultaneously by means of an Extended Kalman Filter. Passive landmarks are detected on the images and characterized considering 2D and 3D features. Landmarks are re-observed while the robot is navigating and data association becomes easier but robust. Once the survey is completed, vehicle trajectory is smoothed by a Rauch-Tung-Striebel filter obtaining an even better alignment of the 3D views and yet a large-scale acquisition of the seabed

Multi-sensor Simultaneous Localization and Mapping

Simultaneous localization and mapping(SLAM) is a very important problem in mobile robotics. Many solutions have been proposed by different scientists during the last two decades, nevertheless few studies have considered the use of multiple sensors simultane¬ously. The solution is on combining several data sources with the aid of an Extended Kalman Filter (EKF). Two approaches are proposed. The first one is to use the ordinary EKF SLAM algorithm for each data source separately in parallel and then at the end of each step, fuse the results into one solution. Another proposed approach is the use of multiple data sources simultaneously in a single filter. The comparison of the computational com¬plexity of the two methods is also presented. The first method is almost four times faster than the second one.

Manipulador robótico con visión artificial

En los tiempos que corren la robótica forma uno de los pilares más importantes en la industria y una gran noticia para los ingenieros es la referente a las ventas de estos, ya que en 2013, unos 179.000 robots industriales se vendieron en todo el mundo, de nuevo un máximo histórico y un 12% más que en 2012 según datos de la IFR (International Federation of Robotics). Junto a esta noticia, la robótica colaborativa entra en juego en el momento que los robots y los seres humanos deben compartir el lugar de trabajo sin que nos veamos excluidos por las maquinas, por lo tanto lo que se intenta es que los robots mejoren la calidad del trabajo al hacerse cargo de los trabajos peligrosos, tediosos y sucios que no son posibles o seguros para los seres humanos. Otro concepto muy importante y directamente relacionado con lo anterior que está muy en boga y se escucha desde hace relativamente poco tiempo es el de la fabrica del futuro o “Factory Of The Future” la cual intenta que los operarios y los robots encuentren la sintonía en el entorno laboral y que los robots se consideren como maquinaria colaborativa y no como sustitutiva, considerándose como uno de los grandes nichos productivos en plena expansión. Dejando a un lado estos conceptos técnicos que nunca debemos olvidar si nuestra carrera profesional va enfocada en este ámbito industrial, el tema central de este proyecto está basado, como no podía ser de otro modo, en la robótica, que junto con la visión artificial, el resultado de esta fusión, ha dado un manipulador robótico al que se le ha dotado de cierta “inteligencia”. Se ha planteado un sencillo pero posible proceso de producción el cual es capaz de almacenar piezas de diferente forma y color de una forma autónoma solamente guiado por la imagen capturada con una webcam integrada en el equipo. El sistema consiste en una estructura soporte delimitada por una zona de trabajo en la cual se superponen unas piezas diseñadas al efecto las cuales deben ser almacenadas en su lugar correspondiente por el manipulador robótico. Dicho manipulador de cinemática paralela está basado en la tecnología de cables, comandado por cuatro motores que le dan tres grados de libertad (±X, ±Y, ±Z) donde el efector se encuentra suspendido sobre la zona de trabajo moviéndose de forma que es capaz de identificar las características de las piezas en situación, color y forma para ser almacenadas de una forma ordenada según unas premisas iníciales.

Hitsaustuotannon tehostaminen robotisoinnin avulla

Tuotannon tehostaminen ja tätä kautta saavutettava lisäkapasiteetti ja yksikkökustannusten aleneminen ovat seikkoja, joita täytyy jatkuvasti miettiä, jotta yrityksen kilpailukyky markkinoilla pysyy hyvänä ja liiketoiminta kannattavana. Keinoja tuotannon tehostamiseen on useita, mutta tässä työssä on keskitytty hitsaavan yrityksen hitsaustuotannon kehittämiseen ja keinoina on käytetty lähinnä hitsauksen ja leikkauksen robotisointia. Myös tehokkaampien hitsausprosessien hyödyntämistä on käsitelty teoreettisella tasolla. Työn teoriaosuudessa on pyritty käsittelemään robotisointia kokonaisvaltaisesti hankintapäätökseen vaikuttavista tekijöistä aina robotin käyttöönottoon ja robotin toiminnan tehostamiseen asti. Robotisoinnilla saavutettavia hyötyjä ja robotisoinnin aiheuttamia vaatimuksia on käyty läpi, ja myös robotisoinnin taloudellisen kannattavuuden arviointikeinoja on esitelty. Työn käytännön osuudessa on käsitelty robotisointia GaV Group Oy:n tuotannon kannalta. Tuotteiden robotisoitua hitsattavuutta on arvioitu, ja robotisoituun hitsaukseen sekä tekniseltä että vuosivolyymiltään sopivia tuotteita on esitelty ja robotille kertyviä vuosittaisia käyttötunteja arvioitu. Näiden seikkojen pohjalta on arvioitu myös robotti-investoinnin kannattavuutta. Työn viimeisenä vaiheena on määritetty yrityksen tarpeisiin parhaiten sopivan robottisolun sisältö ja konkreettinen sijainti tehtaassa.