A close collaboration between humans and robots is one approach to achieve flexible production flows and a high degree of automation at the same time. In human-robot collaboration, both entities work alongside each other in a fenceless, shared environment. These workstations combine human flexibility, tactile sense and intelligence with robotic speed, endurance, and accuracy. This leads to improved ergonomic working conditions for the operator, better quality and higher efficiency. However, the widespread adoption of human-robot collaboration is limited by the current safety legislation. Robots are powerful machines and without spatial separation to the operator the risks drastically increase. The technical specification ISO/TS 15066 serves as a guideline for collaborative operations and supplements the international standard ISO 10218 for industrial robots. Because ISO/TS 15066 represents the first draft for a coming standard, companies have to gain knowledge in applying ISO/TS 15066. Currently, the guideline prohibits a collision with the head in transient contact. In this thesis work, a safety system is designed which is in compliance with ISO/TS 15066 and where certified safety technologies are used. Four theoretical safety system designs with a laser scanner as a presence sensing device and a collaborative robot, the KUKA lbr iiwa, are proposed. The system either stops the robot motion, reduces the robot’s speed and then triggers a stop or only activates a stop after a collision between the robot and the human occurred. In system 3 the size of the stop zone is decreased by combining the speed and separation monitoring principle with the power- and force-limiting safeguarding mode. The safety zones are static and are calculated according to the protective separation distance in ISO/TS 15066. A risk assessment is performed to reduce all risks to an acceptable level and lead to the final safety system design after three iterations. As a proof of concept the final safety system design is implemented for a demonstrator in a laboratory environment at Scania. With a feasibility study, the implementation differences between theory and praxis for the four proposed designs are identified and a feasible safety system behavior is developed. The robot reaction is realized through the safety configuration of the robot. There three ESM states are defined to use the internal safety functions of the robot and to integrate the laser scanner signal. The laser scanner is connected as a digital input to the discrete safety interface of the robot controller. To sum up, this thesis work describes the safety system design with all implementation details. / Ett nära samarbete mellan människor och robotar är ett sätt att uppnå flexibla produktionsflöden och en hög grad av automatisering samtidigt. I människa-robotsamarbeten arbetar båda enheterna tillsammans med varandra i en gemensam miljö utan skyddsstaket. Dessa arbetsstationer kombinerar mänsklig flexibilitet, taktil känsla och intelligens med robothastighet, uthållighet och noggrannhet. Detta leder till förbättrade ergonomiska arbetsförhållanden för operatören, bättre kvalitet och högre effektivitet. Det breda antagandet av människarobotsamarbeten är emellertid begränsat av den nuvarande säkerhetslagstiftningen. Robotar är kraftfulla maskiner och utan rymdseparation till operatören riskerna drastiskt ökar. Den tekniska specifikationen ISO / TS 15066 fungerar som riktlinje för samverkan och kompletterar den internationella standarden ISO 10218 för industrirobotar. Eftersom ISO / TS 15066 representerar det första utkastet för en kommande standard, måste företagen få kunskap om att tillämpa ISO / TS 15066. För närvarande förbjuder riktlinjen en kollision med huvudet i övergående kontakt. I detta avhandlingar är ett säkerhetssystem utformat som överensstämmer med ISO / TS 15066 och där certifierad säkerhetsteknik används. Fyra teoretiska säkerhetssystemdesigner med en laserskanner som närvarosensor och en samarbetsrobot, KUKA lbr iiwa, föreslås. Systemet stoppar antingen robotrörelsen, reducerar robotens hastighet och triggar sedan ett stopp eller aktiverar bara ett stopp efter en kollision mellan roboten och människan inträffade. I system 3 minskas storleken på stoppzonen genom att kombinera hastighets- och separationsövervakningsprincipen med det kraft- och kraftbegränsande skyddsläget. Säkerhetszoner är statiska och beräknas enligt skyddsavståndet i ISO / TS 15066. En riskbedömning görs för att minska alla risker till en acceptabel nivå och leda till den slutliga säkerhetssystemdesignen efter tre iterationer. Som ett bevis på konceptet är den slutliga säkerhetssystemdesignen implementerad för en demonstrant i en laboratoriemiljö hos Scania. Genom en genomförbarhetsstudie identifieras implementeringsskillnaderna mellan teori och praxis för de fyra föreslagna mönster och ett genomförbart säkerhetssystem beteende utvecklas. Robotreaktionen realiseras genom robotens säkerhetskonfiguration. Där definieras tre ESM-tillstånd för att använda robotens interna säkerhetsfunktioner och för att integrera laserscannersignalen. Laserskannern är ansluten som en digital ingång till robotkontrollens diskreta säkerhetsgränssnitt. Sammanfattningsvis beskriver detta avhandlingar säkerhetssystemdesignen med alla implementeringsdetaljer.

Many industries have been transformed to better perform in today’s digital age. In this project a solution for digitalizing printed sheet music as well as automating piano playing is researched, developed and built. The project was divided into three sub-systems, the first focusing on the digitalizing of sheet music, the second on identifying and classifying the notes and the third on playing the piano. These were later combined to form a demonstrator called Mozart2000, or M2k. The result was a robot which could determine the note pitch of an arbitrary note, or note combination, written in common music notation, and furthermore play these on the piano. The algorithm is based of off finding coordinates for stafflines and notes using image processing. Programming was done in Python with some functions extracted from the library OpenCV (Open Source Computer Vision). The piano playing mechanism uses solenoids and lever arms, controlled by electrical signals from a Raspberry Pi. Due to scope in budget and time some restrictions were made. The note range for the robot was limited to one octave, meaning 8 piano keys. Moreover, other musical information such as rhythmical and coloring were overlooked and set to a predetermined value. For the digitalizing part, a camera was used, taking a snapshot of one musical bar. The final solution however can be expanded to include additional keys and music segments by replicating the existing mechanism. / I detta projekt söks en lösning för digitalisering av tryckt notskrift, mot bakgrund av en ökande efterfrågan på digitala lösningar. Parallellt undersöks möjligheterna till att automatisera pianospel. För att underlätta arbetet delades projektet in i tre delsystem; det första fokuserade på digitalisering av notpapper, det andra på att hitta och identifiera noter, och det tredje på pianospelet. Delsystemen kunde därefter integreras och resulterade då i Mozart2000, M2k. Den slutgiltiga lösningen är en robot som kan bestämma tonhöjden från ett notpapper och spela dessa på ett piano. Den framtagna algoritmen bygger på att hitta koordinater för notlinjer och noter, jämföra dessa sinsemellan och tilldela dessa utgångar på en Raspberry Pi. Från dessa skickas elektriska signaler till en krets bestående av bland annat transistorer och frihjulsdioder, som i sin tur är kopplade till solenoider. Dessa solenoider kopplade till egentillverkade fingrar kommer sedan att slå an tangenterna på pianot. Eftersom projektet var begränsat i tid och budget gjordes ett antal förenklingar. Till exempel skulle Mozart2000 hålla sig till en oktav, det vill säga åtta toner. Vidare skulle rytmen vara en konstant och endast en takt skulle analyseras och spelas åt gången. Det bedöms dock möjligt att duplicera systemet för att täcka ett större notomfång och/eller fler takter.

Badminton is hard to practice alone and contemporary practice machines are either expensive or too simple to be useful. This bachelor thesis revolves around the mechanical, electrical, and software design of a badminton practice machine with an automated feeding mechanism and a firing mechanism capable of shooting to different locations on the badminton court. The resulting product was an aesthetically pleasing robust machine with a 91% reliability and an accuracy of less than one meter. / Badminton är svårt att träna ensam och träningsmaskiner på marknaden idag är antingen dyra eller för simpla för att vara praktiskt användbara. Detta kandidatexamensarbete kretsar kring mekanisk-, elektrisk- och programvarudesign av en badminton träningsrobot med en automatisk matningsmekanism och en skjutmekanism kapabel att skjuta till olika platser på badmintonplanen. Den resulterande produkten var en estetiskt tilltalande robust maskin med 91% tillförlitlighet och en precision på under en meter.

The advent of robotics and automation leaves few industries untouched. Today, robots assist in everything between production lines at automotive manufacturing plants to home cleaning. One area that remains relatively untouched by robotics however, is the restaurant industry. The purpose of this bachelor’s thesis was to develop a prototype designed to assist with one of the tasks a restaurant waiter faces - food delivery. In order to accomplish this the robot must be able to drive and navigate in a restaurant environment and deliver food, all the while communicating with both restaurant staff and guests. The project resulted in a differentially steered robot that navigates using infrared, radio-frequency identification and ultrasonic modules. An elevator mechanism was devised to present the food to the guests. The user interface consists of a screen and a keypad. The prototype was tested successfully on an oval track measuring 3 by 1 meters. The tests showed that such a robot could likely be implemented in most restaurant settings. / Tillkomsten av robotik och automatisering lämnar få industrier orörda. Idag assisterar robotar i allt från produktionslinjer på bilfabriker till hemstädning. Ett område som fortfarande är relativt orört av robotik är dock restaurangbranschen. Således var syftet med detta kandidatexamenarbete att utveckla en prototyp avsedd för att hjälpa till med en av de uppgifter som en restaurangservitör har - leverans av mat. För att uppnå detta måste roboten kunna köra och navigera i en restaurangmiljö och leverera mat, samtidigt som den kommunicerar med både restaurangpersonal och gäster. Projektet resulterade i en differentialstyrd robot som navigerar med hjälp av infraröd-, radiofrekvensidentifierings och ultraljudsmoduler. En hissmekanism konstruerades för att presentera maten för gästerna. Användargränssnittet bestod av en skärm och en knappsats. Prototypen testades framgångsrikt på en oval bana som mäter 3 gånger 1 meter. Testerna visade att en sådan robot troligtvis skulle kunna implementeras i de flesta restaurangmiljöerna.

This bachelor thesis will demonstrate and explain the building of a jumping robot. This work took place during the Spring semester of 2019 and was finished in May. The scope was to build a foot sized robot that can regulate jumping force and angle, while maintaining the ability to land safely and with its right side up. This thesis required that the robot made use of sensors and microcontrollers. The electronics used for this robot was an Arduino UNO, an IMU and several servos. The code behind the jump was based on the switch case statement model. Jack was built with three subsystems in mind: Energy storage to use for jumping, Decoupling for releasing a variable amount stored energy quickly and Suspension for reducing impact on landing and to prevent tipping. The work resulted in a robot who could jump 6.5% of its body length, regulate jump power and land on its feet. In conclusion, even though some of the subsystems were successful, our model of an jumping robot is insufficient due to its low jump height. / Detta kandidatexamensarbete redovisar planeringen och byggandet av en robot som kan hoppa. Arbetet varade under vårterminen 2019 och slutfördes i maj. Arbetet krävde att roboten skulle använda sig av sensorer och mikroprocesser. Elektroniken som användes i arbetet var en Arduino UNO, en IMU och ett flertal servo motorer. Koden bakom hoppet baserades på switch case statementmodellen. Jack är byggd med tre delsystem åtanke: Energilagring för hoppet, Avkoppling för att avlösa en varierande mängd lagrad energi snabbt och Dämpning för att reducera stötar vid landning och för att förhindra att roboten välter. Arbetet resulterade i en robot som kan hoppa 6.5% av sin längd, regulera hoppkraften och landa utan att välta. Vi kom fram till, även om vissa delsystem var lyckade, att vår modell av en hoppande robot inte är tillräcklig på grund av sin låga hopphöjd.

Haptical technology is a field that is under constant development and that exists in many of today’s products, for example in VR-games and in the controls for vehicles. This kind of technology could in the same way simplify for disabled people by their being able to control a wheelchair using hand gestures. The purpose of this project is to research if a wheelchair can be controlled with hand gestures, and in that case, in which way that would be the most optimal. To answer the research questions in the project, a small scale prototype wheelchair was developed. This prototype is based on a microcontroller, Arduino, that is controlled by a sensor, IMU, that reads the angle of the user’s hand. Together, the components control two motors and steer the wheelchair. The result shows how hand gestures can steer the wheelchair forward, backward, left and right under constant speed, as well as making it stop. The prototype is able to follow the movements of the user’s hand, but reacts more slowly than would be desirable in a real situation. In spite of the fact that there are many different aspects to haptical steering of a wheelchair, this project shows that there is a large potential in implementing this kind of technology in an actual wheelchair. / Haptiskt styrning är en teknologi som utvecklas snabbt och inkorporeras i många av dagens produkter, till exempel i allt från VR-spel till styrning av fordon. På samma sätt skulle denna teknologi kunna underlätta för rörelsehindrade genom att erbjuda styrning av rullstol med hjälp av handrörelser. Syftet med detta projekt var därför att undersöka om en rullstol kan styras med handrörelser och i så fall vilket sätt som är optimalt. För att besvara rapportens frågeställning har framtagningen av en prototyp av en rullstol i liten skala gjorts. Denna är baserad på en mikrodator, Arduino, som styrs av en sensor, IMU, som mäter vinkeln på användarens hand. Med hjälp av dessa kan motorerna styras och rullstolen manövreras. Resultatet av rapporten har lett till ett förslag på hur handrörelser kan styra rullstolen framåt, bakåt, till vänster och till höger under konstant fart samt få den att stanna. Protypen följer gesterna som användarens hand visar, men reagerar långsammare än vad som vore önskvärt i verkligheten. Trots att många utvecklingsmöjligheter kvarstår för haptisk styrning av en rullstol, visar detta arbete att det finns stor potential i att implementera denna teknik med handrörelsestyrning i en verklig rullstol.

When humans and remote robots work together on a team, the robots always interact with a human supervisor, even if the interaction is limited to occasional reports. Distracting a human with robotic interactions doesn't pose a problem so long as the inclusion of robots increases the team's overall effectiveness. Unfortunately, increasing the supervisor's cognitive load may decrease the team's sustainable performance to the point where robotic agents are more a liability than an asset. Present approaches resolve this problem with adaptive autonomy, where a robot changes its level of autonomy based on the supervisor's cognitive load. This thesis proposes to augment adaptive autonomy by modeling temporal latency and using this model to optimally select the temporal interval between when a supervisor is informed of a pending change and when the robot makes the change. This enables robotic team members to time their actions in response to the supervisor's cognitive load. The hypothesis is confirmed in a user-study where 26 participants interacted with a simulated search-and-rescue scenario.

I denna uppsats presenteras resultatet av ett examensarbete i maskinkonstruktion på KTH. Arbetet har utförts på uppdrag av Poki Robotics via konsultbolaget Omecon.Poki Robotics vill automatisera uppsamlingen av golfbollar på så kallade driving ranges, genom att nyttja en hjuldriven autonom robot med ett tillhörande uppsamlingssläp. Enligt Poki Robotics samlas 5000 golfbollar upp under en intensiv dag, vilket innebär att en total massa av ca 230 kg måste uppsamlas och förflyttas. Detta ställer höga krav på dragkraften som drivlinan måste förse roboten med.Rapporten beskriver konceptframtagningen av drivlinan till den hjuldrivna autonoma roboten. Konceptet genererades genom att först utvärdera framdrivning inom robotik i en förstudie. Olika styrsystem utvärderades utifrån ställda krav på mjukvarubaserad styrning, mekanisk komplexitet, effektivitet och mobilitet. Styrsystemen utvärderades i en Pugh-matris som mynnade ut i två styrningar som visades mest lovande. Styrningarna utvärderades med en terrängmekanisk beräkningsmodell för att utvärdera framdrivande egenskaper, och därmed bedöma vilken som var mest lämpad för syftet utifrån ställda krav.För den lämpade styrningen genererades och utvärderades koncept för drivlinan med avseende på underhåll, montage, tillverkning, robusthet och förmåga att uppta laster. Det slutgiltiga konceptet bestod av en borstlös likströmsmotor, försedd med ett planetväxelhuvud och en parallell hjulaxel med en kuggremsutväxling.Konceptframtagningen resulterade i en CAD-modell som visade att drivlinan uppfyllde dimensionella krav.Den terrängmekaniska beräkningsmodellen nyttjades enbart som ett verktyg för att ge en indikation på prestanda och som indata för konstruktionen. Beräkningsmodellen har begränsningar i form av att den inte är lämpad för små hjuldiametrar, att den inte tar hänsyn till rotförstärkt mark samt att den utesluter de pneumatiska däckens elastiska egenskaper. / This thesis presents the result of a master thesis in machine design at KTH. The task was performed for Poki Robotics via the consulting firm Omecon.Poki Robotics wants to generate an autonomous solution for the collecting of golf balls on driving ranges, by utilizing a wheeled autonomous mobile robot coupled with a towed collecting unit. According to Poki Robotics, 5000 golf balls are collected on a busy day, yielding a total mass of approximately 230 kg that must be collected and towed. This sets high demands on the towing force that needs to be provided by the powertrain.The report describes the concept generation of the powertrain for a wheeled autonomous robot. A prestudy was done to evaluate wheeled locomotion in mobile robotics. Different steering systems were evaluated by different metrics including mechanical complexity, efficiency, mobility and demand for software-based control. The steering systems were evaluated using Pugh matrices, yielding two steering systems that showed to be promising. A terramechanical analytical model was used to further evaluate tractive performance of the two steering systems, to conclude which steering system was most suitable for the purpose with respect to the set requirements.Concepts were generated and evaluated for the powertrain of the chosen steering system, with respect to maintenance, assembly, manufacturing, robustness and load carrying capacity. The final concept yielded an EC-motor with a planetary gearhead, with a parallel wheel shaft and a timing belt gearing.The concept generation resulted in a CAD-model showing that the powertrain met the targeted dimensional constraints.The terramechanical analytical modelling was used solely as a tool for indication of performance and as input data for design. The model has limitations due to it not being suitable for small wheel diameters, not taking root reinforcement of the soil into account and excluding the pneumatic tire’s elastic properties.

Today’s digital society is changing the way we learn andeducate drastically. Education is being digitalized with theuse of online courses and digital lectures. This bachelorthesis solves the problem of how to be able to record alecture without a camera operator, an Automated CameraMan (ACM), for easier production of high quality educationmaterial. It was achieved with a modularized designprocess, practical testing and a scientific approach. TheAutomated Camera Man can be placed in the rear of thelecture hall to record or stream the content while it activelyadjusts itself and its direction towards the lecturerusing image processing and analysis. / I dagens digitala samhälle är sättet som undervisning skerpå under ständig förändring. Undervisningen håller på attdigitaliseras genom användningen av nätbaserade kurseroch digitala föreläsningar. Detta kandidatexamensarbetesöker en lösning på frågan om hur man kan filma en föreläsningutan en kameraoperatör, med en automatiserad kameraman,för lättare produktion av högkvalitativt videomaterial.Genom en modulariserad designprocess, praktiska testeroch vetenskapliga studier, designades ett sådant system.Det automatiska kamerastativet kan placeras längst bak ien föreläsningssal, på vilket en kamera kan placeras för attspela in eller strömma filmmaterial medan stativet riktar insig mot föreläsarens position, med hjälp av bildbehandling.

Testing of eye tracking devices is done by humans looking at well defined stimuli. This way of testing eye trackers is not accurate enough because of human errors. The goal of this thesis is to design and construct reliable robotic eyes that can mimic the behaviour of human eyes. After a pre-study where human eyes, eye tracking and previous robotic eyes were studied, system requirements and specifications were formulated. Based on the re-quirements important design decisions were taken such as the use of RC servo motors, push rods, microcontrollers and a Raspberry Pi. Later the inverse kinematics of the movements and a saccade’s path planing were modelled. Additional mechanical de-sign features are rotation of the head and adjustment of the interpupillary distance. The robot is controlled using two types of application programming interfaces (APIs.) The first API is used to control the motors and the second API builds on top of the first API but is used to design paths of different eye movements between fixation points. All eye movement calculations are computed on the Raspberry Pi before the movements are communicated in real time to the microcontroller which directly performs the control signal. The robot was tested using the integrated lasers in the eyes and a video cam-era with slow motion capabilities to capture the projected laser dot on a wall. The properties tested are saccade, smooth pursuit, head rotation and eye tracking device compatibility. The results show high precision but not enough accuracy. The robot needs a few mechanical improvements such as removing the backlash in the rotat-ing joints on the eyes, decreasing the flexibility of some of the 3D printed parts and assuring symmetry in the design. The robot is a powerful testing platform capa-ble of performing all eye movement types with high-resolution control of both eyes independently through an API. / Eyetracking utrustning testas av människor som tittar på väldefinierade stimuli. Att testa eyetracking på det här sättet är inte tillräckligt noggrant på grund av mänskligt fel. Malet med detta examensarbete är att designa och bygga en pålitlig ögonrobot som kan härma beteendet hos mänskliga ögon. Efter en förstudie om mänskliga ögon, eyetracking och existerade robotögon formulerades system-krav och -specikationer. Baserat på dessa krav togs en del betydande designbeslut som att använda RC servomotorer, tryckstånger, mikrokontrollers och en Raspberry Pi. Senare modellerades den inverterade kinematiken av rörelserna och saccaders banor. Ytterligare mekaniska funktioner är rotation av huvudet och justering av avståndet mellan pupillerna. Roboten styrs med hjälp av två applikationsprogrammeringsgränssnitt (API). Det första API:et används för att styra motorerna och det andra API:et bygger på det första men används för att bygga rörelsevanor av olika ögonrörelser mellan fixationspunkter. Alla ögonrörelseberåkningar görs på Raspberry Pin innan rörelsen kommuniceras i realtid till mikrokontrollen som på direkten exekverar styrsignalen. Roboten testades med integrerade lasrar i ögonen och en kamera med slow motion funktionalitet för att fånga laser prickens projektion på en vägg. Funktioner som testades är saccader, smooth pursuit, huvudrotation och eyetracking kompatibilitet. Resultat visade en hög precision men inte tillräckligt hög noggrannhet. Roboten behöver några få mekaniska förbättringar som att få bort glappet i de roterande lederna på ögat, minska flexibiliteten i några av de 3D-utskrivna delarna och garantera symmetri i designen. Roboten är en kraftfull testplatform kapabel till att utföra alla typer av ögonrörelser med högupplöst kontroll av båda ögonen var för sig genom ett API.