This report presents a thesis done at the programme Master of Science in Engineering and Education at KTH and SU. This project aims to create a laboratory work trying to inspire students for the technical subjects (mathematics, physics, technology and computer science) and is conducted at the department IfU at RWTH University in Aachen, Germany. It is a part of the project RoboScope, developed in Germany to inspire young people to study more engineering. This laboratory work uses Lego Mindstorms and the students should work with robotics. The laboratory work is based on a theme; the students will build a robot that can complete a specific task, a rescue task in a nuclear power plant. The new parts in the laboratory work “Rescue Work” involve more interactivity, higher degree of freedom, older students and the programming is made in Java. The laboratory work uses the model of Brall. Evaluation of the laboratory work has been done together with colleagues at IfU and a group of school students. / Denna rapport redovisar ett examensarbete gjort på programmet Civilingenjör och Lärare på KTH och SU. Examensarbetets syfte är att skapa en laboration för att försöka inspirera studenter till de tekniska ämnena (matematik, fysik, teknik och datavetenskap) och är genomfört vid institutionen IfU på universitetet RWTH i Aachen, Tyskland. Den är en del av ett projekt RoboScope, drivet i Tyskland för att inspirera fler elever till att studera till ingenjörer. Denna laboration använder sig av Lego Mindstorms och studenterna arbetar med robotik. Laborationen utgår från ett tema och studenterna ska bygga en robot som kan genomföra den specifika uppgiften de blir tilldelade. Uppgiften är en räddningsaktion i ett kärnkraftverk. De nya delarna i denna laboration involverar mer interaktivitet, högre frihetsgrader, äldre elever och programmeringen genomförs i Java. Laboration använder sig av modellen av Brall. En utvärdering är gjord tillsammans med kollegor på IfU och en grupp av studenter.

The purpose of this thesis was to design, construct and control a robotic arm with six degrees of freedom. The arm should be able to do simple tasks such as pick and place with good accuracy and without using external sensors. This thesis investigates the precision and the strength of the constructed robot arm. The arm was constructed using 3D printed parts and commonly available hardware such as threaded rods, bearings, screws and nuts. Each axis uses a combination of pulleys and belts in order to achieve desired torque. A differential transmission was implemented in four of the axes in order to combine the power of the motors and reduce weight in the upper parts of the arm. The robot is driven by six stepper motors that are controlled by a combination of RAMPS 1.4 shield and Arduino Mega 2560 microcontroller. The user can manipulate each axis by sending commands to the Arduino through an USB cable. The commands are generated with the help of a simple user interface written in Python. Experiments have shown that the arm has an average error increase of 0.0289-0.1356 mm for each movement, depending on the chosen speed. The maximum amount ofweight that the arm can hold in the worst case scenario is 0.84 kg. / Syftet med denna avhandling var att designa, konstruera och kontrollera en robotarm med sex frihetsgrader. Armen ska kunna utföra enkla uppgifter som pick-and-place med god noggrannhet och utan användning av externa sensorer. Denna avhandling underosöker precisionen och styrkan hos den konstruerade robotarmen. Armen konstruerades med 3D-printade delar och läattillgänglig hårdvara som gängstänger, lager, skruvar och muttrar. Varje axel använder en kombination av kuggremskivor och kuggremmar för att uppnå önskat moment. En differentialväxel användes i fyra av axlarna för att kombinera motorernas moment och minska vikten i armens övre delar. Roboten drivs av sex stegmotorer som styrs av en kombinationav RAMPS 1.4-shield och Arduino Mega 2560 mikrokontroller. Användaren kan styra varje axel genom att skicka kommandon till Arduinon via en USB-kabel. Kommandona genereras med hjälp av ett enkelt användargränssnitt skrivet i Python. Experiment har visat att armen har en genomsnittlig felökning på 0,0289-0,1356 mm för varje rörelse, beroende på vald hastighet. Den högsta vikt som armen i värsta fallkan håalla är 0,84 kg.

Studiens syfte är att prova olika laborativa arbetssätt, för att förstå de kvalitativa skillnaderna i hur instruktionerna inverkar på dels vad läraren gör, dels på vad eleverna gör vid undervisningstillfället. och. Målet med studien är att lyfta fram de möjligheter och begränsningar olika arbetssätt medför, och vad det innebär för användningen av laborationer i undervisningen. Studien har en kvalitativ ansats och omfattar en intervention, med en lärare (deltagande observatör), samt elever från årskurs 4 och årskurs 6 i grundskolan. Genom en metodkombination, med filmupptagning under laborationerna, samt semistrukturerade intervjuer före och efter laborationen, samlades empirin in.  Resultatet visar att begränsad frihetsgrad möjliggör att eleverna kan arbeta mer självständigt, medan ökad frihetsgrad öppnar upp för kritiskt resonerande om ämnesinnehållet. Lärarens roll i de olika arbetssätten tar olika form, där läraren är mer involverad vid frånvaron av en stegvis instruktion, vilket ställer högre krav på lärarens tillgänglighet. I den strukturerade laborationen var rollen av stöttande och korrigerande karaktär, som sågs begränsa lärarens fokus till ett följande av den stegvisa instruktionen. Lärare behöver fundera hur det vetenskapliga innehållet i laborationen synliggörs för eleverna. Slutsatser från studien är att arbetssättet i en laboration behöver anpassas efter dess syfte och elevernas kunskaper, där kritiska vetenskapliga samtal bör utgöra en del. / The purpose of the study is to try different ways of working with inquiry, to try and understand the qualitative differences how instructions affects what the teacher and the students do during the time of teaching. The goal of the study is to bring out the opportunities and limitations that the ways of working bring, and what it means for the use of inquiry in teaching. The study has a qualitative approach and embodies an intervention, with a teacher (participating observer), and students from grade 4 and grade 6 in Swedish primary school. Through a combination of methods, by means of film recording during inquiry, and semi structured interviews before and after inquiry, the data was gathered. The results show that a limited degree of freedom facilitate that the students can work more independently, while an increased degree of freedom open up for critical reasoning about the contents of the subject. The teacher’s role during the different ways of working takes varied shape, with the teacher being more involved when there’s no step-by-step instruction, and therefore demand more of the teacher’s accessibility. In the structured inquiry the role take on a supportive and corrective nature, which was seen limiting the teacher’s focus to a following of the step-by-step instruction. Teachers need to reflect how the scientific content of inquiry is made visible to the students. Conclusions from the study is that the ways of working in inquiry needs to be adapted after its purpose and the student’s knowledge, where critical scientific conversations need to be a part.

In this study, the aim has been to investigate how different educational materials in the nature science subjects are designed with the intention of how many and what types of laboratory activities the pupils will encounter to contextualize the abstract nature of science to develop their understanding of the content and working methods of science. In order for the pupils to have the opportunity to develop a scientific understanding, it is necessary that they have the opportunity to use their senses to interpret the text that is presented to them. Through various sensual, experimental, and practical activities, pupils can gain an understanding of the abstract phenomena, concepts, and explanatory models of natural science. In today's schools, there are many teachers who use educational materials as their point of departure when teaching science. Educational materials have an important role in science teaching, but depending on how the educational materials are designed, they provide different conditions for learning. In this study, the number of laboratory activities, that appear in different educational materials for science teaching, is investigated, as well as whether these laboratory activities are designed in terms of their degree of freedom and openness. The following questions have been addressed in order to achieve the purpose of the study: - How many laboratory activities can be found in the various educational materials?-  Are there more laboratory activities in any of the three nature-oriented subjects, biology, physics, or chemistry? - What types of laboratory activities do the pupils encounter in the educational materials and what degree of openness and freedom do they include? The investigation has been carried out through a qualitative and quantitative text and content analysis where various educational materials have been analyzed based on the context-based learning (CBL) theory and the theory of laboratory classification. The results of the qualitative and quantitative text and content analysis showed that certain educational materials give the pupils more opportunities to connect the scientific content to real experiences. The results also showed that some educational materials have a greater variety of different laboratory forms where the pupils have the opportunity to develop an understanding of the different working methods and content of the natural sciences. The conclusion that can be drawn after this study is therefore that it is important that teachers carefully review the various2educational materials to gain insight into their design. Through insight into the design of the educational materials, the teacher can then supplement the educational materials with, for example, laboratories of varying degrees of openness and freedom to give the pupils the opportunity to fulfill the goals in the curriculum.

Hydrofoiling in general has the potential to revolutionize watercraft in the future since it allows smoother and faster transport on water with less energy consumption than traditional planning hulls. Even if the concept of hydrofoiling has been around since the last century, development in control theory and material science together with increased computing power has led to a growing interest for the technology. Especially in water sports such as speed sailing and surfing due to its superiority in speed and comfort. Researchers and students at the Engineering Mechanics Department at KTH, Royal Institute of Technology, Stockholm are working on a new type of watercraft, utilizing only one single hydrofoil with the intention to minimize drag for faster and smoother rides in various wave and weather conditions. The difficulties lie in understanding the relationship between actuators and the mechanics. This thesis is a continuation work from a previous thesis which designed a control strategy based on a model with 4 degrees of freedom (DOF). Due to simplifications and linearizations, the 4 DOF model was not rich enough to meet the performance requirements. This thesis presents a 6 DOF model by deriving the mechanical equations for the spherical inverted pendulum and actuation from the hydrofoiling module. The inverted pendulum model is a well-known control problem that can be solved with different strategies. By showing that the hydrofoiling concept can be modelled as an inverted pendulum, it is also shown that it can be controlled as an inverted pendulum. The derived model is used together with an Extended Kalman Filter to create an observer. The observer is validated with a spherical inverted pendulum model in Matlab and the block diagram environment, Simulink. Simulation results show that the 6 DOF model is able to produce accurate state estimation of the watercraft even in the presence of stochastic measurement noise. It is also concluded that viscous forces, that arise from the watercraft being partly surrounded by water and partly by air, need further investigation. / Principen för bärplan är att generera lyftkraft från vattnet på samma sätt som flygplansvingar genererar lyftkraft från luften för att lyfta farkostens skrov ur vattnet. Detta minskar motståndet från friktionen mellan skrov och vatten vilket möjliggör snabbare och jämnare transport på vatten med en lägre energiförbrukning än traditionella planande skrov. På senare år har tekniken fått ett uppsving i och med framsteg inom strömningsmekanik, reglerteknik och materiallära. Detta i takt med datorers ökande beräkningskraft har lett till att bärplanskonstruktioner har kunnat uppvisa en överlägsenhet i vattensporter som kappsegling och surfing när det kommer till fart och komfort. Forskare och studenter på avdelningen för farkostteknik och solidmekanik vid Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm arbetar med att ta fram en ny typ av farkost med en minimal bärplansdesign, FoilCart. Dess utformning gör att det mekaniska beteendet kan liknas vid en inverterad pendel, vilket är ett välkänt, olinjärt reglerproblem som kan lösas på flera sätt. Denna avhandling är ett vidarearbete som bygger på en modell med fyra frihetsgrader från en tidigare avhandling kring FoilCart-projektet. Modellen med fyra frihetsgrader var, på grund av förenklingar och linjärisering av systemdynamiken, bristfällig och kunde inte garantera en robust balansering av farkosten förutom i linjäriseringspunkten. Modellen som presenteras i denna avhandling har sex frihetsgrader. Mekaniken och systemdynamiken härleds från den sfäriska inverterade pendeln tillsammans med styrningen från bärplansmodulen, utan förenklingar och linjärisering. Modellen används i ett Kalmanfilter för att konstruera en observatör för tillståndsrekonstruktion. Den framtagna modellen valideras med en FoilCart-modell i Simulink. Resultaten visar att observatören kan ge en noggrann tillståndsrekonstruktion även vid simulerat mätbrus i mätsignalen. Avhandlingen syftar till att visa hur den inverterade pendelmodellen kan användas vid framtida implementation av rekonstruerad tillståndsåterkoppling. I och med avgränsningar i avhandlingen finns det också en del strömningsmekaniska aspekter som inte tagits med vid framtagningen av denna modell. Eftersom farkosten delvis är omgiven av vatten och delvis av luft skulle det vara intressant att undersöka om noggrannheten i tillståndsrekonstruktionen kan förbättras genom att använda avancerad strömningsmekanik.

This work addresses the deep-learning-based 6 Degree-of-Freedom (DoF) pose estimation utilizing 3D cameras on an iPhone 13 Pro. The task of pose estimation is to estimate the spatial rotation and translation of an object given its 2D or 3D images. During the pose estimation network training process, a common way to expand the training dataset is to generate synthetic images, which requires the 3D mesh of the target object. Although several famous datasets provide the 3D object files, it is still a problem when one wants to generate a customized real-world object. The typical 3D scanners are mainly designed for industrial usage and are usually expensive. We investigated in this project whether the 3D cameras on Apple devices can replace the industrial 3D scanners in the pose estimation pipeline and what might influence the results during scanning. During the data synthesis, we introduced a pose sampling method to equally sample on a sphere. Random transformation and background images from the SUN2012 dataset are applied, and the synthetic image is rendered through Blender. We picked five testing objects with different sizes and surfaces. Each object is scanned both by front TrueDepth camera and rear Light Detection and Ranging (LiDAR) camera with the ‘3d Scanner App’ on iOS. The network we used is based on PVNet, which uses a pixel-wise voting scheme to find 2D keypoints on RGB images and utilizes uncertainty-driven Perspective-n-Point (PnP) to compute the pose. We achieved both quantitative and qualitative results for each instance. i) TrueDepth camera outperforms Light Detection and Ranging (LiDAR) camera in most scenarios, ii) when an object has less reflective surface and high-contrast texture, the advantage of TrueDepth is more obvious. We also picked three baseline objects from Linemod dataset. Although the average accuracy is lower than the original paper, the performance of our baseline instances shows a similar trend to the original paper’s results. In conclusion, we proved that the 3D cameras on iPhone are capable of the pose estimation pipeline. / Detta arbete tar upp den djupinlärningsbaserade 6 Degree-of-Freedom (DoF) poseringsuppskattning med 3D-kameror på en iPhone 13 Pro. Uppgiften med poseuppskattning är att uppskatta den rumsliga rotationen och translationen av ett objekt givet dess 2D- eller 3D-bilder. Ett vanligt sätt att utöka träningsdataup- psättningen under träningsprocessen för positionsuppskattning är att generera syntetiska bilder, vilket kräver 3D-nätet för målobjektet. Även om flera kända datamängder tillhandahåller 3D-objektfilerna, är det fortfarande ett problem när man vill generera ett anpassat verkligt objekt. De typiska 3D-skannrarna är främst designade för industriell användning och är vanligtvis dyra. Vi undersökte i detta projekt om 3D-kamerorna på Apple-enheter kan ersätta de industriella 3D-skannrarna i poseskattningspipelinen och vad som kan påverka resultaten under skanning. Under datasyntesen introducerade vi en posesamplingsmetod för att sampla lika mycket på en sfär. Slumpmässig transformation och bakgrundsbilder från SUN2012-datauppsättningen tillämpas, och den syntetiska bilden renderas genom Blender. Vi valde ut fem testobjekt med olika storlekar och ytor. Varje objekt skannas både av den främre TrueDepth-kameran och den bakre ljusdetektions- och avståndskameran (LiDAR) med "3d-skannerappenpå iOS. Nätverket vi använde är baserat på PVNet, som använder ett pixelvis röstningsschema för att hitta 2D-nyckelpunkter på RGB-bilder och använder osäkerhetsdrivet Perspective-n-Point (PnP) för att beräkna poseringen. Vi uppnådde både kvantitativa och kvalitativa resultat för varje instans. i) TrueDepth-kameran överträffar Light Detection and Ranging-kameran (LiDAR) i de flesta scenarier, ii) när ett objekt har mindre reflekterande yta och högkontraststruktur är fördelen med TrueDepth högre. Vi valde också tre baslinjeobjekt från Linemod dataset. Även om den genomsnittliga noggrannheten är lägre än originalpapperet, visar prestandan för våra baslinjeinstanser en liknande trend som originalpapperets resultat. Sammanfattningsvis bevisade vi att 3D-kamerorna på iPhone är kapabla att göra positionsuppskattning.