Design and implementation of robot skill programming and control

Abstract. Skill-based approach has been represented as a solution to the raising complicity of robot programming and control. The skills rely heavily on the use of sensors integrating sensor perceptions and robot actions, which enable the robot to adapt to changes and uncertainties in the real world and operate autonomously. The aim of this thesis was to design and implement a programming concept for skill-based control of industrial robots. At the theoretical part of this thesis, the industrial robot system is introduced as well as some basic concepts of robotics. This is followed by the introduction of different robot programming and 3D machine vision methods. At the last section of the theoretical part, the structure of skill-based programs is presented. In the experimental part, structure of the skills required for the “grinding with localization” -task are presented. The task includes skills such as global localization with 3D-depth sensor, scanning the object with 2D-profile scanner, precise localization of the object as well as two grinding skills: level surface grinding and straight seam grinding. Skills are programmed with an off-line programming tool and implemented in a robot cell, composed of a standard industrial robot with grinding tools, 3D-depth sensors and 2D-profile scanners. The results show that global localization can be carried out with consumer class 3D-depth sensors and more accurate local localization with an industrial high-accuracy 2D-profile scanner attached to the robot’s flange. The grinding experiments and tests were focused on finding suitable structures of the skill programs as well as to understand how the different parameters influence on the quality of the grinding.Robotin taitopohjaisten ohjelmien ohjelmointi ja testaus. Tiivistelmä. Robotin taitopohjaisia ohjelmia on esitetty ratkaisuksi robottien jatkuvasti monimutkaistuvaan ohjelmointiin. Taidot pohjautuvat erilaisten antureiden ja robotin toimintojen integroimiseen, joiden avulla robotti pystyy havainnoimaan muutokset reaalimaailmassa ja toimimaan autonomisesti. Tämän työn tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa taitopohjaisia ohjelmia teollisuusrobotille. Aluksi työn teoriaosuudessa esitellään teollisuusrobottijärjestelmään kuuluvia osia ja muutamia robotiikan olennaisimpia käsitteitä. Sen jälkeen käydään läpi eri robotin ohjelmointitapoja ja eri 3D-konenäön toimintaperiaatteita. Teoriaosuuden lopussa esitellään taitopohjaisten ohjelmien rakennetta. Käytännön osuudessa esitellään ”hionta paikoituksella” -tehtävän suoritukseen tarvittavien taitojen rakenne. Tehtävän vaatimia taitoja ovat muun muassa kappaleen globaalipaikoitus 3D-syvyyskameralla, kappaleen skannaus 2D-profiiliskannerilla, kappaleen tarkkapaikoitus ja kaksi eri hiontataitoa: tasomaisen pinnan ja suoran sauman hionta. Taidot ohjelmoidaan off-line ohjelmointityökalulla ja implementoidaan robottisoluun, joka muodostuu hiontatyökaluilla varustetusta teollisuusrobotista, 3D-kameroista ja 2D-profiiliskannereista. Työn tuloksista selviää, että kappaleen globaalipaikoitus voidaan suorittaa kuluttajille suunnatuilla 3D-syvyyskameroilla ja kappaleen tarkempi lokaalipaikoitus robotin ranteeseen kiinnitetyllä teollisuuden käyttämillä 2D-profiiliskannereilla. Hiontojen kokeellisessa osuudessa etsitään ohjelmien oikeanlaista rakennetta sekä muodostetaan käsitys eri parametrien vaikutuksesta hionnan laatuun

IOT:n kehittymisen aiheuttamat vaatimukset koneille ja antureille

Tämän työn tavoitteena on kertoa lukijalle esineiden internetin kehittymisestä sekä sen aiheuttamista vaatimuksista koneille ja antureille. Työssä tutustutaan yleisesti esineiden internetiin kertomalla lyhyesti sen historiasta, toiminnasta sekä kehityksestä. Lukijalle kerrotaan yleisimmistä antureista, niiden toimintaperiaatteista, kehityksen suunnista sekä merkityksestä esineiden internetille. Työssä pyritään esimerkkien avulla selvittämään lukijalle, mitä internetin lisääminen koneisiin ja antureihin tarkoittaa sekä millaisia visioita se mahdollistaa. Työn lähteinä käytetään pääasiassa alan tuoreimpia tutkimuksia sekä eri palveluiden tarjoajien tarjoamaa tietoa. Tutkimuksen tuloksena voidaan todeta, että esineiden internetin hyödyntämisen keinoja on lähes rajattomasti. Parhaimman hyödyn esineiden internetistä saa kuitenkin huomioimalla sen tuomat mahdollisuudet jo aikaisessa suunnitteluvaiheessa. Tällä tavoin voidaan välttää turhia kustannuksia sekä parantaa esineiden internetin tuomia hyötyjä merkittävästi.This thesis aims to tell to its reader about the requirements for the machines and sensors set up by the development of the Internet of Things. It shortly explains the basic principles, the history and the advancements of the Internet of Things. The reader will be told about the basic functions of the sensors, the development sensors have taken and what meaning it has had on the Internet of Things. Examples are used to show what kind of affect does the Internet of Things have on machines and sensors and what kind of visions it enables. Mainly used references are the newest industry research available and information offered by various service providers. As conclusion of this thesis it can be determined that there is nearly an endless amount of possibilities to utilize the Internet of Things. The best outcome is accomplished by paying attention to those possibilities early in the designing process. This way the benefits of the Internet of Things can be improved substantially

Theoretical study of the hydrolysis of aluminum complexes

Abstract This thesis focuses on the molecular-level chemistry of the solvation of aluminum salts. Fundamental aspects such as, structural characteristics of the aluminum molecules, hydrolysis, acidity, solvation structure, effect of counter ions, and chemical stability are discussed herein. Static computations augmented with the conductor-like screening model (COSMO) were used to investigate hundreds of planar and cyclic configurations of dimeric, trimeric, tetrameric, and pentameric aluminum complexes. Car–Parrinello molecular dynamics (CPMD) calculations were used to expand investigations to aqueous environments. This thesis consists of four articles and one additional article. The first paper focuses on the structural analysis of the hydrolysis products of AlCl3 · 6H2O. Dimeric, trimeric, and tetrameric aluminum (chloro)hydroxides were investigated in both gas and liquid phase. The liquid environment was modeled by using COSMO. The second and the additional paper concentrate on the chemistry of aluminum sulfate complexes. The second article focuses on identifying hydrolysis products of AlCl3 · 6H2O in the presence of sulfate (H2SO4). The additional paper focuses on the structural characteristics of the hydrolysis products of Al2 (SO4)3 · 18H2O. Structural information was deduced from the ESI MS results with the aid of computational methods. Detected cationic structures closely resembled the aluminum chlorohydrate analogues introduced in the first paper. The third and fourth articles are devoted to the hydrolysis, stability, and dynamics of dimeric and pentameric aluminum (chloro)hydroxides in aquatic environments. During the CPMD simulations, several spontaneous associative hydration reactions were detected in the primary hydration shell of the complexes. Dimeric aluminum chlorohydrates were detected to be stable in liquid conditions, whereas the pentameric aluminum complexes experienced significant topological changes during the simulations. Constrained simulations were used to reveal the role of chloride ions in the hydrolysis processes of dimeric complexes. The effect of the empirical van der Waals corrections to the dynamics of the simulations was also tested for the pentameric system. The results of this thesis showed unequivocally that computational chemistry provides effective tools for structural analysis of inorganic complexes such as, aluminum chlorohydrates and sulfates in both gas and liquid phase. In addition, calculations provided answers to the anomalies detected in the experiments. Hence, theoretical methods are highly recommended to be used alongside with conventional experimental methods in the interpretation of the aluminum species in aqueous solutions and to widen the overall chemical perspective of the hydrolysis of aluminum salts

Metsäkoneiden hydrauliikkaöljyjen biohajoavuus maaperässä sekä niiden eräitä raskasmetallipitoisuuksia ja fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia

TutkimusartikkeliTutkimuksessa selvitettiin erilaisten metsäkoneissa käytettävien hydrauliikkaöljyjen biohajoavuutta suomalaisessa maaperässä, koneista öljyihin mahdollisesti kertyneitä raskasmetalleja sekä eräitä käytännön kannalta kiinnostavia öljyjen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia kuten energiasisältöä, happolukua, vesipitoisuutta ja viskositeettia. Hydrauliikkajärjestelmässä mukana olevalla liuenneella, emulgoituneella tai liukenemattomalla vedellä sekä öljyn kohonneella happoluvulla voidaan niiden ilmetessä katsoa olevan yhteyttä metsäkoneiden tiivistevuotoihin. §§ Biohydrauliikkaöljyjen todettiin biohajoavan maassa vuoden mittausjakson aikana nopeammin kuin perinteisten mineraaliöljypohjaisten hydrauliikkaöljyjen. Kaikki käytetyt öljyt biohajosivat hieman hitaammin kuin käyttämättömät, mikä saattaa johtua öljyjen jonkinasteisesta hajoamisesta (esim. metallien katalysoima hapettuminen) metsäkoneiden hydrauliikkajärjestelmissä tai kevyiden, nopeammin biohajoavien öljyjakeiden haihtumisesta. Tutkittujen öljyjen lämpöarvot olivat kapealla välillä 39–46 MJ/kg, eikä öljyjen käytöllä havaittu olevan tähän merkittävää vaikutusta. Kaikissa tutkitut metallipitoisuudet olivat erittäin pieniä (Fe < 2 mg/l, muut < 1 mg/l), tosin käytetyissä bioöljyissä esiintyi raskasmetalleja hieman enemmän kuin käyttämättömissä. Bioöljyjen vesipitoisuudet ja happoluvut kohosivat käytön myötä, mutta nyt mitatuilla happopitoisuuksilla (happoluku < 2 mg/g) ei ole käytännön merkitystä. Tutkittujen käytettyjen öljyjen viskositeettikäyttäytyminen muistutti vastaavien puhtaiden öljyjen käyttäytymistä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella bioöljyjen epätäydellisissä hajoamisreaktioissa voi muodostua erilaisia luonnolle haitallisia yhdisteitä (karboksyylihappoja, alkoholeja, formaldehydiä ja metaania)

Metsäkoneiden hydrauliikkaöljyjen biohajoavuus maaperässä sekä niiden eräitä raskasmetallipitoisuuksia ja fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia

TutkimusartikkeliTutkimuksessa selvitettiin erilaisten metsäkoneissa käytettävien hydrauliikkaöljyjen biohajoavuutta suomalaisessa maaperässä, koneista öljyihin mahdollisesti kertyneitä raskasmetalleja sekä eräitä käytännön kannalta kiinnostavia öljyjen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia kuten energiasisältöä, happolukua, vesipitoisuutta ja viskositeettia. Hydrauliikkajärjestelmässä mukana olevalla liuenneella, emulgoituneella tai liukenemattomalla vedellä sekä öljyn kohonneella happoluvulla voidaan niiden ilmetessä katsoa olevan yhteyttä metsäkoneiden tiivistevuotoihin. §§ Biohydrauliikkaöljyjen todettiin biohajoavan maassa vuoden mittausjakson aikana nopeammin kuin perinteisten mineraaliöljypohjaisten hydrauliikkaöljyjen. Kaikki käytetyt öljyt biohajosivat hieman hitaammin kuin käyttämättömät, mikä saattaa johtua öljyjen jonkinasteisesta hajoamisesta (esim. metallien katalysoima hapettuminen) metsäkoneiden hydrauliikkajärjestelmissä tai kevyiden, nopeammin biohajoavien öljyjakeiden haihtumisesta. Tutkittujen öljyjen lämpöarvot olivat kapealla välillä 39–46 MJ/kg, eikä öljyjen käytöllä havaittu olevan tähän merkittävää vaikutusta. Kaikissa tutkitut metallipitoisuudet olivat erittäin pieniä (Fe < 2 mg/l, muut < 1 mg/l), tosin käytetyissä bioöljyissä esiintyi raskasmetalleja hieman enemmän kuin käyttämättömissä. Bioöljyjen vesipitoisuudet ja happoluvut kohosivat käytön myötä, mutta nyt mitatuilla happopitoisuuksilla (happoluku < 2 mg/g) ei ole käytännön merkitystä. Tutkittujen käytettyjen öljyjen viskositeettikäyttäytyminen muistutti vastaavien puhtaiden öljyjen käyttäytymistä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella bioöljyjen epätäydellisissä hajoamisreaktioissa voi muodostua erilaisia luonnolle haitallisia yhdisteitä (karboksyylihappoja, alkoholeja, formaldehydiä ja metaania)