Licentiatavhandling Linköping : Linköpings universitet, 2008.

Lic.-avh. Linköping : Univ., 2005.

Cyberfysiska system, robotik och simulering är områden i stort fokus eftersom det har en stor del i industri 4.0. Syftet med projektet är att utveckla robotlaboratoriet på Högskolan i Gävle till att vara mer anpassat för införandet av CPS genom att skapa en virtuell robotcell och utveckla griparen hos robotarna. Den virtuella robotcellen kommer att öka säkerheten i laboratoriet och gör så fler personer kan arbeta med robotarna samtidigt. Robotarna och programvarorna som användes i projektet är utvecklade av företaget KUKA. Det användes tre programvaror till den virtuella robotcellen i projektet. De två som användes mest utförde simulering och programmering. Den sista programvaran hade möjligheten att sammankoppla och styra de andra programvarorna. Den virtuella robotcellen utvecklades i simuleringsprogramvaran och där skapades även program som utfördes av de fysiska robotarna i laboratoriet. De fysiska robotarna rörde sig inte på samma sätt som i den virtuella modellen. En felsökning utfördes och problemet fanns hos de fysiska robotarna. KUKA kommer därför utföra ett underhållsarbete på robotarna. Valideringen av den virtuella robotcellen utfördes därför i simuleringsprogrammet. När den fysiska robotcellen fungerar korrekt så kommer den också att kunna användas för att validera den virtuella robotcellen. En programvara som gav griparen fler funktionaliteter installerades på robotarna. Programvaran som användes var utvecklad av KUKA och fanns i laboratoriet. Funktionerna gör griparen lättare att använda vid manuell körning och programmering. Programvaran som utför sammankopplingen av simulering- och programmeringprogramvaran behöver undersökas vidare för att den virtuella robotcellen ska kunna utföra fler funktioner. Den virtuella robotcellen finns tillgänglig för alla på högskolan och kan användas för att få en förståelse för hur robotarna fungerar. Program kan optimeras i den virtuella miljön och utföras av de fysiska robotarna. / Cyber physical systems, robotics and simulation are areas of major focus as they play a big part in industry 4.0. The aim of the project is to develop the robotic laboratory at the University of Gävle to be more adapted to the introduction of CPS by creating a virtual robotic cell and developing the gripper of the robots. The virtual robotic cell are going to increase the safety in the laboratory and make it possible for more people to work with the robots at the same time. The robots and software used in the project were developed by the company KUKA. Three different software’s were used for the virtual robotic cell in the project. The two most commonly used were simulation and programming. The third software had the possibility to interconnect and control the other two software’s. The virtual robotic cell was developed in the simulation software and also programs were created that the physical robots in the laboratory performed. The physical robots did not move in the same way as the virtual model. Troubleshooting was performed and it showed that the problem was with the physical robots. Therefore KUKA will accomplish maintenance work on the robots. The validation of the virtual robotic cell were for that reason performed in the simulation program. When the physical robotic cell is operating correctly it will also be able to validate that the virtual robotic cell is working. A software that gave the gripper more functionality was installed on the robots. The software that was used was developed by KUKA and were available in the laboratory. The functions make the gripper easier to manage in manual driving and programming. The software that performs the interconnection of simulation and programming software is in need of further analyzation in order for the virtual robotic cell to be able to execute more functions. The virtual robotic cell is available for everyone at the university and can be used to understand how the robots work. Programs can be optimized in the virtual environment and performed by the physical robots.

<p>This thesis work resulted in a template for how the thermal spray process can be controlled through robot programs. The robots today and their programs need to be replaced, therefore a new structure which can be matched with the new robot systems is needed. The work is limited to only concern structured programming on the new robots on Thermal Spray Centre (TC) with the programming language Rapid. The basic data for the program was retrieved from interviews with concerned personnel at TC, from studies on process parameters for thermal spray and from existing specifications at Volvo Aero Corporation (VAC). The thesis work briefly describes the process thermal spray and the four methods used at VAC. A literature survey on Jackson Structured Programming, Human Machine Interface and structured programming was made and used to compare, evaluate and suggest improvements for the thermal spray work cell. A functional suggestion for a menu system in a robot program for the thermal spray robot was presented. This will be in the robot permanently for uploading of detail programs from a network connected computer. An example of such a detail program was made but without robot movement and communication with the process computer. Testing of the programs has therefore only been made on a robot not suited for thermal spraying. The new detail program shows its parameters directly on the screen so they can be controlled against the operation papers. A programmer\2019s guide to the detail program has been made which is presented in the report.</p>

This thesis work resulted in a template for how the thermal spray process can be controlled through robot programs. The robots today and their programs need to be replaced, therefore a new structure which can be matched with the new robot systems is needed. The work is limited to only concern structured programming on the new robots on Thermal Spray Centre (TC) with the programming language Rapid. The basic data for the program was retrieved from interviews with concerned personnel at TC, from studies on process parameters for thermal spray and from existing specifications at Volvo Aero Corporation (VAC). The thesis work briefly describes the process thermal spray and the four methods used at VAC. A literature survey on Jackson Structured Programming, Human Machine Interface and structured programming was made and used to compare, evaluate and suggest improvements for the thermal spray work cell. A functional suggestion for a menu system in a robot program for the thermal spray robot was presented. This will be in the robot permanently for uploading of detail programs from a network connected computer. An example of such a detail program was made but without robot movement and communication with the process computer. Testing of the programs has therefore only been made on a robot not suited for thermal spraying. The new detail program shows its parameters directly on the screen so they can be controlled against the operation papers. A programmer\2019s guide to the detail program has been made which is presented in the report.

Världens industrier genomgår en stor förändring. Fler delar av industrins processer automatiserar. Detta påverkar bland annat industrins ekonomi samt dess personal. Syftet med denna rapport är att identifiera hur industrirobotar påverkar företagets ekonomi samt hur företagets personal påverkas. För att genomföra detta har dels information inhämtas från äldre akademiska handlingar. Även fältstudier har genomförts. Litteraturstudien genomfördes först för att införskaffa den kunskap som krävs för att kunna jämföras med den empiriska-/fältstudien. Den empiriska studien bestod av två delar. Del ett består av ett frågeformulär, detta frågeformulär skickades ut till både robottillverkare och industrier som använder industrirobotar. Denna del gjordes för att inhämta mycket data till rapporten. Del två består av tre intervjuer med anställda på företag som arbetar med industrirobotar samt en intervju med en doktorand som forskar om industrirobotar. Denna del genomfördes för att få en mer detaljerad beskrivning av frågeställningarna. Del ett och två har sedan diskuteras för att sedan komma fram till slutsatsen att jobben i industrin påverkas mer positivt än man tidigare befarat. Industrirobotarna räddar dels jobb som annars hade försvunnit, dels gör det möjligt att ta hem produktionen till Sverige och därav generera fler jobb. Ytterligare en slutsats som kunnat konstateras är att den primärt avgörande faktorn för investeringar i industrirobotar är att företaget gynnas ekonomiskt samt att den till största del enbart ses som en bonus att de anställdas arbetsmiljö förbättras. / The world's industries are undergoing a major change. More parts of the industry's processes are automated. This affects, among other things, the industry's finances, and its staff. The purpose of this report is to identify how industrial robots affect the company's finances and how the company's personnel are affected. To implement this, information has been obtained from older academic documents and field studies have been carried out. The literature study was first conducted to acquire the knowledge required to be able to be compared with the empirical / field study. The empirical study consisted of two parts. Part one consists of a questionnaire, this questionnaire was sent out to both robot manufacturers and industries that use industrial robots. This part was done to gather a lot of data for the report. Part two consists of three interviews with employees of companies that work with industrial robots and one interview with a researcher at KTH that focus on industrial robots. This part was carried out to get a more detailed description of the issues. Part one and two have then been discussed to then conclude that jobs in the industry are affected more positively than previously feared. The industrial robots save jobs that would otherwise have disappeared and make it possible to bring production home to Sweden and thereby generate more jobs. Another conclusion that has been established is that the primarily decisive factor for investments in industrial robots is that the company benefits financially and that it is for the most part only seen as a bonus that the employees' working environment is improved.

The industry is moving towards a higher degree of automation and connectivity, where previously manual operations are being adapted for interconnected industrial robots. This thesis focuses specifically on the automation of tightening applications with pre-tightened bolts and collaborative robots. The use of 3D computer vision is investigated for direct localization of bolts, to allow for flexible assembly solutions. A localization algorithm based on 3D data is developed with the intention to create a lightweight software to be run on edge devices. A restrictive use of deep learning classification is therefore included, to enable product flexibility while minimizing the computational load. The cloud-to-edge and cluster-to-edge trade-offs for the chosen application are investigated to identify smart offloading possibilities to cloud or cluster resources. To reduce operational delay, image partitioning to sub-image processing is also evaluated, to more quickly start the operation with a first coordinate and to enable processing in parallel with robot movement. Four different hardware architectures are tested, consisting of two different Single Board Computers (SBC), a cluster of SBCs and a high-end computer as an emulated local cloud solution. All systems but the cluster is seen to perform without operational delay for the application. The optimal hardware architecture is therefore found to be a consumer grade SBC, being optimized on energy efficiency, cost and size. If only the variance in communication time can be minimized, the cluster shows potential to reduce the total calculation time without causing an operational delay. Smart offloading to deep learning optimized cloud resources or a cluster of interconnected robot stations is found to enable increasing complexity and robustness of the algorithm. The SBC is also found to be able to switch between an edge and a cluster setup, to either optimize on the time to start the operation or the total calculation time. This offers a high flexibility in industrial settings, where product changes can be handled without the need for a change in visual processing hardware, further enabling its integration in factory devices. / Industrin rör sig mot en högre grad av automatisering och uppkoppling, där tidigare manuella operationer anpassas för sammankopplade industriella robotar. Denna masteruppsats fokuserar specifikt på automatiseringen av åtdragningsapplikationer med förmonterade bultar och kollaborativa robotar. Användningen av 3D-datorseende undersöks för direkt lokalisering av bultar, för att möjliggöra flexibla monteringslösningar. En lokaliseringsalgoritm baserad på 3Ddata utvecklas med intentionen att skapa en lätt mjukvara för att köras på Edge-enheter. En restriktiv användning av djupinlärningsklassificering är därmed inkluderad, för att möjliggöra produktflexibilitet tillsammans med en minimering av den behövda beräkningskraften. Avvägningarna mellan edge- och moln- eller klusterberäkning för den valda applikationen undersöks för att identifiera smarta avlastningsmöjligheter till moln- eller klusterresurser. För att minska operationell fördröjning utvärderas även bildpartitionering, för att snabbare kunna starta operationen med en första koordinat och möjliggöra beräkningar parallellt med robotrörelser. Fyra olika hårdvaruarkitekturer testas, bestående av två olika enkortsdatorer, ett kluster av enkortsdatorer och en marknadsledande dator som en efterliknad lokal molnlösning. Alla system utom klustret visar sig prestera utan operationell fördröjning för applikationen. Den optimala hårdvaruarkitekturen visar sig därmed vara en konsumentklassad enkortsdator, optimerad på energieffektivitet, kostnad och storlek. Om endast variansen i kommunikationstid kan minskas visar klustret potential för att kunna reducera den totala beräkningstiden utan att skapa operationell fördröjning. Smart avlastning till djupinlärningsoptimerade molnresurser eller kluster av sammankopplade robotstationer visar sig möjliggöra ökad komplexitet och tillförlitlighet av algoritmen. Enkortsdatorn visar sig även kunna växla mellan en edge- och en klusterkonfiguration, för att antingen optimera för tiden att starta operationen eller för den totala beräkningstiden. Detta medför en hög flexibilitet i industriella sammanhang, där produktändringar kan hanteras utan behovet av hårdvaruförändringar för visuella beräkningar, vilket ytterligare möjliggör dess integrering i fabriksenheter.

VIBRATION AVOIDANCE, a technique to proactively remove unwanted or excessive vibrations in multi-joint industrial robots, has shown to be desired in various applications. A trade-off between vibration avoidance performance and path deviation has been thekey criteria for assessing the effectiveness and quality of an approach. The purpose of this thesis is to compare two proposed state-of-the-art vibration avoiding approaches: input shaping and extended flexible joint model combined with specialized compensation control and explore the fusion of them. Both approaches are first investigated and evaluated in simulation. A comparison is then conducted in the four presented baseline movements on a real robot. Among the two approaches, input shaping is less comprehensive but enables rapid identification, making it suitable for simple repetitive tasks. It is also found that joint-wise path generation used in input shaping causes a loss of path fidelity, but this problem is alleviated when using an extended flexible joint model combined with specialized compensation control. The latter approach preserves synchronicity across all joints and assures multi-input multi-output (MIMO)-path fidelity. The extended flexible joint model, which is identified through a nonlinear gray-box model, is also less susceptible to modeling errors. The performance comparison with two rudimentary digital filters exhibits promising results for both proposed solutions. Finally, a fusion of the two approaches is proposed as a final solution of this work. As a result, the collaborative approach is the closest to ideal vibration avoidance but suffers from greater path deviation. The extended flexible joint model combined with compensation results in the least deviation from the baseline trajectory among all tested approaches. / VIBRATIONSDÄMPNING, en teknik för att proaktivt undvika oönskade vibrationer i fleraxlade industrirobotar, har visat sig vara önskvärd i många olika applikationer. En avvägning mellan vibrationsdämpningens prestanda och avvikelser från rörelsebanan har varit viktiga kriterier för att bedöma effektiviteten och kvalitén av ett tillvägagångssätt. Syftet med denna avhandling är att jämföra två toppmoderna tillvägagångssätt för att undvika vibrationer: ingångsformning och utökad flexibel axelmodell kombinerad med specialiserad kompensationskontroll samt utforska sammanslagning av de två. Bägge tillvägagångssätt är först undersökta och utvärderade i en simulation. En jämförelsemellan de fyra standard robotrörelserna som är presenterade är sedan genomförd på en riktig robot. Mellan de två tillvägagångssätten är ingångsformning mindre förståeligt men möjliggör en snabb identifikation vilket gör den lämplig för simpla repetitiva uppgifter. Det fastställs även att axelvis generering av rörelsebanor som används med ingångsformning orsakar lägre noggrannhet och pålitlighet vad gäller avvikelser från rörelsebanan. Detta problem är inte lika påtagligt vid användning av utökad flexibel axelmodell kombinerad med specialiserad kompensationskontroll eftersom detta tillvägagångssätt bevarar synkroniciteten över samtliga axlar och garanterar multi-input multi-output (MIMO) följdriktighet. Den utökade flexibla axelmodellen, som identifieras med hjälp av en icke-linjär gray-box modell, är även mindre mottaglig för modelleringsfel. Prestandajämförelsen med två rudimentära digitala filter uppvisar lovande resultat för bägge föreslagna lösningar. Till sist, en sammanslagning av de två tillvägagångssätt är föreslagen som en slutgiltig lösning. Det sammanslagna tillvägagångssättet är närmast perfekt vibrationsdämpning men medför större avvikelser från rörelsebanan. Den utökade flexibla axelmodellen kombinerad med kompensation resulterar i minst avvikelse från rörelsebanan bland alla testade tillvägagångssätt.