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)

La composición química e isotópica del agua desvela el origen y la evolución del agua de la mina subterránea de Kittilä, Kiistala, Finlandia

International audienceDie Bewertung der Umweltauswirkungen von Untertagebergbau erfordert Kenntnisse zum Ursprung des Grubenwassers und zu den geochemischen Prozessen, die dessen chemische Zusammensetzung verändern. Im Untertagebergwerk Kittilä in der Nähe des Dorfs Kiistala in Finnisch-Lappland wurden die chemische und Wasserisotopen-Zusammensetzung herangezogen, um den Beitrag des Oberflächen- und Tiefenwassers zum Bergwerkskomplex und die Quelle des Chloridgehalts im Grubenwasser zu untersuchen. Insgesamt wurden 39 Wasserproben aus Oberflächenanlagen, Flüssen, Grundwasserquellen, Sickerwässern und Bohrlöchern entnommen. Basierend auf der chemischen Zusammensetzung wurden vier Wassertypen identifiziert: (1.) ein Ca-Mg-HCO3-Typ Oberflächenwasser mit niedrigem Gehalt an gelösten Feststoffen (TDS) mit Bezug zu Fluss- und Grundwasser, (2.) ein Ca-SO4-Typ (flaches) Grundwasser mit Bezug zu Sickerwässern, das auch als "Grubenwasser" bezeichnet wird, (3.) ein Na-Cl±SO4-Typ (tiefes) Grundwasser aus Bohrlöchern und (4.) eine chloridreiche (tiefe) Sole mit Anreicherung von Deuterium, ebenfalls aus Bohrlöchern. Wasserproben aus Teichen und untertägigen Pumpstationen zeigen drei verschiedene Vermischungsprozesse zwischen (1) dem Ca-Mg-HCO3-Typ Oberflächenwasser und dem Grubenwasser, (2) dem Grubenwasser und dem (tiefen) Na-Cl±SO4-Typ Grundwasser, und in geringerem Maße (3) Ca-Mg-HCO3-Typ Oberflächenwasser und dem (tiefen) Na-Cl±SO4-Typ Grundwasser. Demgegenüber wurden keine Hinweise auf eine Vermischung mit den tiefen, chloridhaltigen Solen festgestellt, was auf eine Isolierung von den anderen Wassertypen hinweist. Die Wasserstoff- und Sauerstoffisotopenzusammensetzung des Oberflächenwassers und des (tiefen) Na-Cl±SO4-Typ Grundwassers sowie chemische Hinweise legen eine Vermischung der beiden Endglieder nahe. Dies stimmt mit der bekannten Kiistala-Scherzone überein, welche ein Eindringen von Regenwasser in die darunterliegenden Gesteine und die mineralisierte Zone ermöglicht. Der negative Deuteriumüberschuss des Grubenwassers bei gleichzeitiger Sulfatanreicherung deutet darauf hin, dass dieses aus der Vermischung von Oberflächenwasser und (tiefem) Na-Cl±SO4-Typ Grundwasser entsteht, welches wiederum aus der Verdunstung und Sulfidoxidation entsteht. Die Chloridkonzentration des Grubenwassers lässt sich am besten durch ein Mischungsverhältnis von 80% Oberflächenwasser und 20% Tiefengrundwasser erklären. Die lineare Beziehung zwischen den Sulfatgehalten der Grubenwässer und deren isotopische Abweichung von der globalen Meteoric Water Line weist auf eine Korrelation zwischen Verdunstung und Sulfidoxidation in der Kittilä Mine hin, was als neues Instrument zur Bewertung von Wasser-Gesteins-Reaktionen genutzt werden könnte.Assessing the environmental impacts of underground mines requires that the mine water sources and the geochemical processes that alter their chemical composition be determined. At the Kittilä underground mine, located near the village of Kiistala in Finnish Lapland, we used chemical and water isotope composition to investigate the contribution of surface and deep water to the mine complex and the source of mine water chlorinity. 39 water samples were collected from surface facilities, rivers, groundwater sources, seeps and drill holes. Four types of water were identified based on chemical composition: a surficial Ca–Mg–HCO3-type water with low total dissolved solid (TDS) concentrations represented by river and ground waters; a shallow Ca–SO4-type groundwater represented by seeps, also called ‘mine water’; a deep Na–Cl ± SO4-type groundwater sampled from drill holes; and a deep high-Cl brine with a high deuterium enrichment, also collected from drill holes. Water samples from ponds and underground pumping stations highlight three different mixing processes between the: surficial meteoric low-TDS Ca-Mg-HCO3-type water and the mine water; mine water and the deep Na–Cl ± SO4-type groundwater and, to a lesser extent; surficial Ca–Mg–HCO3-type water and the deep Na–Cl ± SO4-type groundwater. In contrast, no evidence of mixing involving the deep high-Cl brines was identified, suggesting that it remains mostly isolated from the other water types. The hydrogen and oxygen isotope composition of the surficial Ca–Mg–HCO3-type water and the deep Na–Cl ± SO4-type groundwater, together with chemical evidence of mixing, suggests a possible genetic link between the two endmembers. This is consistent with the presence of the Kiistala shear zone facilitating infiltration by shallow meteoric water into the underlying rock mass and mineralized zone. The negative deuterium excess of the mine water concurrent to sulfate enrichment indicates that it forms from the mixing of surficial Ca–Mg–HCO3-type water and deep Na–Cl ± SO4-type groundwater that evolved through evaporation and sulfide oxidation. A mixing ratio of 80% of the surficial Ca–Mg–HCO3-type water and 20% of the deep Na–Cl ± SO4-type groundwater best explains the Cl concentration of the mine water. The linear relationship between the sulfate concentrations of the mine waters and its isotopic deviation from the Global Meteoric Water Line suggests a correlation between evaporation and sulfide oxidation at Kittilä, which could represent a new tool for the assessment of water–rock reactions.La evaluación del impacto ambiental de las minas subterráneas exige determinar las fuentes de agua de mina y los procesos geoquímicos que alteran su composición química. En la mina subterránea de Kittilä, situada cerca del pueblo de Kiistala, en la Laponia finlandesa, utilizamos la composición química e isotópica del agua para investigar la contribución del agua superficial y profunda al complejo minero y el origen de la clorinidad del agua de mina. Se recogieron 39 muestras de agua de instalaciones de superficie, ríos, fuentes de aguas subterráneas, filtraciones y perforaciones. Se identificaron cuatro tipos de agua en función de su composición química: (1) un agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 con bajas concentraciones totales de sólidos disueltos (TDS) representada por aguas fluviales y subterráneas, (2) un agua subterránea poco profunda de tipo Ca-SO4 representada por rezumaderos, también denominada "agua de mina", (3) un agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4 muestreada en barrenos y (4) una salmuera profunda de alto contenido en Cl con un elevado enriquecimiento en deuterio, también recogida en barrenos. Las muestras de agua procedentes de balsas y estaciones de bombeo subterráneas ponen de manifiesto tres procesos de mezcla diferentes entre (1) el agua superficial meteórica de tipo Ca-Mg-HCO3 con bajo contenido en SDT y el agua de mina, (2) el agua de mina y el agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4 y, en menor medida, (3) el agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 y el agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4. Por el contrario, no se identificaron indicios de mezcla en las salmueras profundas con alto contenido en Cl, lo que sugiere que permanecen en su mayor parte aisladas de los otros tipos de agua. La composición isotópica de hidrógeno y oxígeno del agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 y del agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4, junto con la evidencia química de mezcla, sugiere un posible vínculo genético entre los dos miembros finales. Esto es coherente con la presencia de la zona de cizalla de Kiistala que facilita la infiltración de agua meteórica somera en la masa rocosa subyacente y la zona mineralizada. El exceso negativo de deuterio del agua de mina concurrente con el enriquecimiento en sulfatos indica que se forma a partir de la mezcla de agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 y agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4 que evolucionó por evaporación y oxidación de sulfuros. Una proporción de mezcla del 80% de agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 y del 20% de agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4 explica mejor la concentración de Cl del agua de la mina. La relación lineal entre las concentraciones de sulfato de las aguas de mina y su desviación isotópica de la Línea Global de Agua Meteórica sugiere una correlación entre la evaporación y la oxidación de sulfuros en Kittilä, lo que podría representar una nueva herramienta para la evaluación de las reacciones agua-roca

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)