Novel Methods for Error Modeling and Parameter Identification of a Redundant Serial-Parallel Hybrid Robot

To obtain the desirable accuracy of a robot, there are two techniques available. The first option would be to make the robot match the nominal mathematic model. In other words, the manufacturing and assembling tolerances of every part would be extremely tight so that all of the various parameters would match the “design” or “nominal” values as closely as possible. This method can satisfy most of the accuracy requirements， but the cost would increase dramatically as the accuracy requirement increases. Alternatively, a more cost-effective solution is to build a manipulator with relaxed manufacturing and assembling tolerances. By modifying the mathematical model in the controller, the actual errors of the robot can be compensated. This is the essence of robot calibration. Simply put, robot calibration is the process of defining an appropriate error model and then identifying the various parameter errors that make the error model match the robot as closely as possible. This work focuses on kinematic calibration of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant serial-parallel hybrid robot. The robot consists of a 4-DOF serial mechanism and a 6-DOF hexapod parallel manipulator. The redundant 4-DOF serial structure is used to enlarge workspace and the 6-DOF hexapod manipulator is used to provide high load capabilities and stiffness for the whole structure. The main objective of the study is to develop a suitable calibration method to improve the accuracy of the redundant serial-parallel hybrid robot. To this end, a Denavit–Hartenberg (DH) hybrid error model and a Product-of-Exponential (POE) error model are developed for error modeling of the proposed robot. Furthermore, two kinds of global optimization methods, i.e. the differential-evolution (DE) algorithm and the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm, are employed to identify the parameter errors of the derived error model. A measurement method based on a 3-2-1 wire-based pose estimation system is proposed and implemented in a Solidworks environment to simulate the real experimental validations. Numerical simulations and Solidworks prototype-model validations are carried out on the hybrid robot to verify the effectiveness, accuracy and robustness of the calibration algorithms.

A Method for reducing throughput-time in industrial electronics

Lyhyet toimitusajat tuovat yrityksille kilpailuetua nopeasti muuttuvassa teollisuusympäristössä. Tämän diplomityön ensisijaisena tavoitteena on löytää kirjallisuuden avulla yrityksen käyttöön soveltuva menetelmä, joka soveltuu systemaattiseen läpimenoaikojen lyhentämiseen. Tärkeää on myös varmistaa valitun menetelmän soveltuvuus kohdeyrityksen ympäristöön. Työn toisena tavoitteena on ymmärtää, että minkälaisella panostuksella yhden päivän läpimenoaika voidaan saavuttaa. Kirjallisuustutkimuksen avulla on valittu tarkoitukseen sopiva toimintamalli. Menetelmä on testattu yhdellä tuotantolinjalla ja saadut tulokset sekä palaute osoittavat, että se näyttäisi soveltuvan kohdeyrityksen käyttöön. Tuotantolinjalle on tehty toimintasuunnitelma yhden päivän toimitusajan saavuttamiseksi vuoden 2013 aikana. Haasteen laajuutta koko kohdeyrityksessä on tutkittu erillisessä ideointisessiossa. Session tulosten perusteella on tehty prioriteettilista, joka antaa käsityksen toimitusajan merkittävän lyhentämisen vaatimuksista. Yleisesti ottaen kysynnän vaihtelun hallinta on suurin haaste, mutta useita ratkaisuvaihtoehtoja tämän hallitsemiseksi on tunnistettu.

Design of RFID-system for industrial after-sale service

RFID-tekniikka on radiotaajuudella toimivaa etätunnistusta, jossa hyödynnetään RFID-tunnisteiksi kutsuttuja tageja, sekä RFID-lukijoita. RFID-tekniikan käyttökohteet ovat erittäin laajat. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan RFID-tekniikan hyödyntämismahdollisuuksia teollisuuden huoltopalvelusuhteessa. Työ keskittyy huollettavien laitteiden etätunnistamiseen mobiileja RFID-lukijoita hyödyntäen. Laitteiden tiedot noudetaan olemassa olevasta tietokannasta web-käyttöliittymän kautta. Koska laitteet koostuvat pääosin metallista, joudutaan tunnistetyyppien valintaa pohtimaan tarkasti. Metallipinnat sekä nesteet vaikuttavat erittäin negatiivisesti useiden tunnisteiden lukuetäisyyteen. Työssä keskitytään vaadittavan järjestelmän suunnittelemiseen aikaisempia tutkimuksia hyödyntäen, mutta itse järjestelmän toteutus ei kuulu tähän kandidaatintyöhön. Lopussa järjestelmän alustava suunnitelma esitellään.

Diversification benefits for a Finnish non-industrial private forest investor: Real Estate Investment Trusts in the USA

This thesis examined both domestic and international forest investment options for a Finnish non-industrial private forest investor. The focus was on forest-based investment instruments. The influence of movements of currency exchange rates on foreign returns were also taken into account. Annual data from 1995 to 2011 was used. The main portfolio optimization model in this study was the Mean-Variance model but the results were also validated by using the Value at Risk and Expected Shortfall models. In addition, the exchange rate risk hedging was established by using one-week-maturity forward contracts. The results suggested that 75 % of the total wealth should be invested in Finnish private forests and the rest, 25 %, to a US REIT, in this case Rayonier. With hedging, the total return on the portfolio was 7.21 % (NIPF 5.3%) with the volatility of 6.63 % (NIPF 7.9%). Taxation supported US investments in this case. As a conclusion, a Finnish private forest investor may, as evidenced, benefit in diversifying a portfolio using REITs in the US.

Customer Segmentation in Industrial Markets - CASE: Labelstock Company

The aim of this thesis is to study segmentation in industrial markets and develop a segmenting method proposal and criteria case study for a labelstock manufacturing company. An industrial company is facing many different customers with varying needs. Market segmentation is a process for dividing a market into smaller groups in which customers have the same or similar needs. Segmentation gives tools to the marketer to better match the product or service more closely to the needs of the target market. In this thesis a segmentation tool proposal and segmenting criteria is case studied for labelstock company’s Europe, Middle East and Africa business area customers and market. In the developed matrix tool different customers are planned to be evaluated based on customer characteristic variables. The criteria for the evaluating matrix are based on the customer’s buying organizations characteristics and buying behaviour. There are altogether 13 variables in the evaluating matrix. As an example of variables there are loyalty, size of the customer, estimated growth of the customer purchases and customer’s decision-making and buying behaviour. These characteristic variables will help to identify market segments to target and the customers belonging to those segments.

Laser-TIG–hybridihitsauksen soveltuvuustutkimus

Tässä tutkimuksessa selvitetään ilman hitsauslisäainetta tapahtuvan laser–TIG–hybridihitsausprosessin soveltuvuus 6 mm ja 8 mm paksujen päittäisliitettyjen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsaukseen. Hitsien tarkastelussa huomio kiinnitetään hitsausnopeuteen, hitsien tunkeumaan, liittämistehokkuuteen, hitsien kovuuteen ja hitsausliitoksen ulkonäköön. Muita tutkittavia asioita ovat laser-TIG-hybridihitsattujen levyjen muodonmuutokset ja suuresta hitsausnopeudesta sekä pienestä t8/5 jäähtymisajasta johtuvat mahdolliset kylmähalkeamat. Laser-TIG-hybridihitsejä verrataan robotti-MAG- ja käsin MAG-hitseihin sekä kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 hitsiluokkien mukaisiin raja-arvoihin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessissa TIG-valokaari mahdollistaa tasaisen ja lähes roiskeettoman hitsin ja lasersäde aikaansaa syvän tunkeuman sekä tasalaatuisen juurihitsin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla 6 mm paksut S355 K2 rakenneteräslevyt on mahdollista hitsata levyn yhdeltä puolelta kerralla valmiiksi. Paksummat 8 mm levyt voidaan hitsata levyn yhdeltä tai molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla hitsatut hitsit ovat hyvin siistejä ja lähes roiskeettomia. Verrattaessa laser-TIG-hybridihitsausprosessia muihin hitsausprosesseihin sen voidaan todeta olevan erittäin kilpailukykyinen 6 mm paksujen päittäisliitettyjen rakenneterästen hitsaamisessa, mutta se soveltuu myös 8 mm paksujen rakenneterästen hitsaamiseen. Tutkitut hitsit täyttävät kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 B- ja D-hitsiluokkien mukaiset raja-arvot. Vertailukokeet 6 mm paksulla S355 rakenneteräksellä osoittavat, että yhdeltä puolelta suoritettavan laser-TIG-hybridihitsauksen hitsausnopeus on robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna yli nelinkertainen ja MAG-käsinhitsaukseen verrattuna yli viisinkertainen. Laser-TIG-hybridihitsauksessa liittämistehokkuus on noin viisinkertainen robotti-MAGhitsaukseen verrattuna. Molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella voidaan 8 mm paksulla S355 rakenneteräksellä saavuttaa noin kolminkertainen hitsausnopeus ja liittämistehokkuus robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna. Laser-TIG-hybridihitsauksessa TIG-kaaren tuoman lisälämmön ansiosta suurillakin hitsausnopeuksilla (1 m/min) voidaan saavuttaa edulliset kovuusarvot. Kovuusmittausten tulosten perusteella 6 mm ja 8 mm paksujen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsit eivät ylittäneet kaarihitsausstandardin määrittelemää 350 HV kovuuden enimmäisrajaa. Laser-TIG-hybridihitsauksen edullisesta lämmöntuonnista johtuen levyjen pituus- ja poikittaissuuntaiset muodonmuutokset ovat noin 80 prosenttia pienemmät kuin käsin suoritettavassa MAG-hitsauksessa. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla käytetään I-railoa, mutta robotti-MAG- ja käsin MAG-hitsausprosesseilla joudutaan käyttämään V-railoa, jolloin lämmöntuonti ja siitä johtuvat muodonmuutokset ovat suuremmat. Korkea liittämistehokkuus ja edullinen lämmöntuonti merkitsevät vähäisempiä muodonmuutoksia ja siten merkittäviä säästöjä työ-, materiaali- ja energiakustannuksissa. 8 mm ja sitä paksummilla S355 rakenneteräksillä levyn yhdeltä puolelta suoritettava päittäisliitoksen hitsaaminen on laser-TIG hybridihitsauksella haastavaa, koska yli 200 A:n TIG-kaarivirralla suuri metallisula aiheuttaa avaimenreiän sulkeutumisen ja avaimenreiän alaosaan muodostuu kaasukuplia. Tästä voidaan tehdä sellainen johtopäätös, että päittäisliitettävien levyjen ilmarakoa pitäisi kasvattaa niin suureksi, että avaimenreiän sulavirtaus ei pääse estymään. Yli 0,25 mm:n ilmarako edellyttää lasersäteen vaaputusta tai säteen halkaisijan kasvattamista. Ilmaraon kasvattaminen edellyttää myös lisäaineen käyttöä. Tutkimustulosten perusteella laser-TIG-hybridihitsausprosessilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja ja kustannussäästöjä, joten sen hyödyntämistä kannattaa harkita 8 mm ja sitä ohuempien päittäisliitettävien tuotteiden konepaja- ja tehdastuotannossa. Laser-TIGhybridihitsausprosessi soveltuu esimerkiksi seuraavien tuotteiden hitsaamiseen: päittäisliitettävät levyt, palkit, koneenosat, putket, säiliöt ja erilaiset pyörähdyskappaleet.

Silloitushitsauksen robotisointi

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia ja selvittää kuormakoneen takarunkorakenteen silloitushitsauksen robotisointia. Työ päätettiin rajata koskemaan vain tiettyä moduulia takarungosta. Työssä kartoitettiin tarvittava laitteisto, selvitettiin runkomoduulin silloitusajat sekä arvioitiin investoinnin kannattavuutta. Silloituksen suorittavan järjestelmän vaatimuksena oli, että sen tulee asettaa osat paikoilleen hitsauskiinnittimeen ja tehdä tarvittavat silloitushitsaukset automaattisesti. Sopivaksi laitteistoksi osoittautui taloudellisuuden ja toiminnallisuuden näkökulmasta yhdestä kappaleenkäsittely- sekä hitsausrobotista muodostuva järjestelmä. Kappaleenkäsittelijän ohjauksessa käytetään konenäköä sekä osien paikannuksessa että laadunvarmistuksessa. Robotit liikkuvat yhteisellä lineaariradalla, jonka rinnalla on kappaleenkäsittelylaitteistoja hitsauskiinnittimineen. Robotisoinnin käyttöönotolla yhden takarungon moduulien kokoonpanoon ja silloitukseen käytettävä aika pienenee alle puoleen manuaaliseen työhön verrattuna. Näin saavutetaan merkittäviä kustannussäästöjä. Lisäksi hitsauskiinnittimet voivat olla verrattain yksinkertaisia manuaalityöhön verrattuna, jolloin myös säästetään työkaluinvestoinneissa. Robotisointiprojektin jatkotoimenpiteitä ovat laajamittaiset tuotantosimulaatiot layoutin, laitteiston sekä työkiertojen tarkaksi määrittämiseksi. Lisäksi itse tuotetta on muokattava paremmin robottisilloitukseen sopivaksi.

Profiling the Value of Industrial Maintenance Services

Industrial maintenance can be executed internally, acquired from the original equipment manufacturer or outsourced to a service provider, and this concludes in many different kind of business relationships. To maximize the total value in a maintenance business relationship it is important to know what the partner values. The value of maintenance services can be considered to consist of value elements and the perceived total value for the customer and the service provider is the sum of these value elements. The specific objectives of this thesis are to identify the most important value elements for the maintenance service customer and provider and also to recognize where the value elements differ. The study was executed as a statistical analysis using the survey method. The data has been collected by an online survey sent to 345 maintenance service professionals in Finland. In the survey, four different types of value elements were considered: the customer’s high critical and low critical items and the service provider’s core and support service. The most valued elements by the respondents were reliability, safety at work, environmental safety, and operator knowledge. The least valued elements were asset management factors and access to markets. Statistically significant differences in value elements between service types were also found. As a managerial implication a value gap profile is presented. This Master’s Thesis is part of the MaiSeMa (Industrial Maintenance Services in a Renewing Business Network: Identify, Model and Manage Value) research project where network decision models are created to identify, model and manage the value of maintenance services.

Dynamic optimization for the trajectory planning of robot manipulators in the presence of obstacles

This paper presents an approach to the solution of moving a robot manipulator with minimum cost along a specified geometric path in the presence of obstacles. The main idea is to express obstacle avoidance in terms of the distances between potentially colliding parts. The optimal traveling time and the minimum mechanical energy of the actuators are considered together to build a multiobjective function. A simple numerical example involving a Cartesian manipulator arm with two-degree-of-freedom is described.

Modeling, optimizing and simulating robot calibration with accuracy improvement

This work describes techniques for modeling, optimizing and simulating calibration processes of robots using off-line programming. The identification of geometric parameters of the nominal kinematic model is optimized using techniques of numerical optimization of the mathematical model. The simulation of the actual robot and the measurement system is achieved by introducing random errors representing their physical behavior and its statistical repeatability. An evaluation of the corrected nominal kinematic model brings about a clear perception of the influence of distinct variables involved in the process for a suitable planning, and indicates a considerable accuracy improvement when the optimized model is compared to the non-optimized one.

Control of a one-legged robot with energy savings

This paper presents a new strategy to control an one-legged robot aiming to reduce the energy expended by the system. To validate this algorithm, a classic method as benchmark was used. This method has been extensively validated by simulations and experimental prototypes in the literature. For simplicity reasons, the work is restricted to the two dimensional case due to simplicity reasons. This new method is compared to the classic one with respect to performance and energy expended by the system. The model consists on a springy leg, a simple body, and an actuated hinge-type hip. The new control strategy is composed of three parts, considering the hopping height, the forward speed, and the body orientation separately. The method exploits the system passive dynamics, defined as non-forced response of the system. In this case, the model is modified adding a spring to the hip. The method defines a desired leg trajectory close to the passive hip swing movement. Simulation results for both methods are analyzed and compared.

Speed Control of an Autonomous Mobile Robot: Comparison between a PID Control and a Control Using Fuzzy Logic

An Autonomous Mobile Robot battery driven, with two traction wheels and a steering wheel is being developed. This Robot central control is regulated by an IPC, which controls every function of security, steering, positioning localization and driving. Each traction wheel is operated by a DC motor with independent control system. This system is made up of a chopper, an encoder and a microcomputer. The IPC transmits the velocity values and acceleration ramp references to the PIC microcontrollers. As each traction wheel control is independent, it's possible to obtain different speed values for each wheel. This process facilities the direction and drive changes. Two different strategies for speed velocity control were implemented; one works with PID, and the other with fuzzy logic. There were no changes in circuits and feedback control, except for the PIC microcontroller software. Comparing the two different speed control strategies the results were equivalent. However, in relation to the development and implementation of these strategies, the difficulties were bigger to implement the PID control.

A Test Bed Applied Mobile Robot Navigation

It is presented a test bed applied to studies on dynamics, control, and navigation of mobile robots. A cargo ship scale model was chosen, which can be radio-controlled or operated autonomously through an embedded control system. A control program, which manages on board mission execution, is implemented on a microcontroller. Navigation is based on an electronic compass, which includes automatic compensation for pitch and roll motions. Heading control loop is based on this sensor, and on a rudder positioning system. A propulsion control system is also implemented. Typical manoeuvres as the turning test and "zig-zag", were implemented and tested. They are included on a manoeuvre library, and can be accessed independently or in combined modes. The embedded system is also in charge of signal acquisition and storing during the missions. It is possible to analyse experiments on identification of ship dynamics, control, and navigation, through the data transferred to a PC by serial communication. Navigation is going to be improved by including inertial sensors on board, and a DGPS. Preliminary tests are aimed to ship identification, and manoeuvrability, using free model tests. Future steps include extending this system for developing other mobile robots as, ROVs, AUVs, and aerial vehicles.

Variable structure position control of an industrial robotic manipulator

The use of a robust position controller for a robotic manipulator moving in free space is presented. The aim is to implement in practice a controller that is robust to uncertainties in the model of the system, as well as being inexpensive from a computational point of view. Variable structure theory provides the technique for the design of such controller. The design steps are presented, first from a theoretical perspective and then applied to the control of a two degree-of-freedom manipulator. Simulation results that backed the implementation are presented, followed by the experiments conducted and the results that were obtained. The conclusion is that variable structure control is readily applicable to industrial robots for the robust control of positions.

Experimental validation of a 3-D vision-based measurement system applied to robot calibration

One of the problems that slows the development of off-line programming is the low static and dynamic positioning accuracy of robots. Robot calibration improves the positioning accuracy and can also be used as a diagnostic tool in robot production and maintenance. A large number of robot measurement systems are now available commercially. Yet, there is a dearth of systems that are portable, accurate and low cost. In this work a measurement system that can fill this gap in local calibration is presented. The measurement system consists of a single CCD camera mounted on the robot tool flange with a wide angle lens, and uses space resection models to measure the end-effector pose relative to a world coordinate system, considering radial distortions. Scale factors and image center are obtained with innovative techniques, making use of a multiview approach. The target plate consists of a grid of white dots impressed on a black photographic paper, and mounted on the sides of a 90-degree angle plate. Results show that the achieved average accuracy varies from 0.2mm to 0.4mm, at distances from the target from 600mm to 1000mm respectively, with different camera orientations.