Ruedi Haller
| Name | Ruedi Haller |
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Position Tracking of a Wireless Robotic Gripper with integrated IMU
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- Titel
- Position Tracking of a Wireless Robotic Gripper with integrated IMU
- Autor/in
- Datierung
- 10.07.2020
- Beschreibung
- Die Automatisierungsindustrie ist eine der sich am schnellsten entwickelnden Branchen des Maschinenbaus,
die technologisch innovative Lösungen anbietet. In der Praxis besteht ein wachsender Bedarf an Implantaten,
um schneller und zuverlässiger zu arbeiten und die Zeit für die Programmierung von Maschinen, wie z.B.
Roboterarmen, zu reduzieren.
Für die Programmierung von Industrierobotern werden im Wesentlichen zwei Methoden angewandt:
Die erste ist die Online-Programmierung, auch als "Teaching" bekannt. Die Online-Programmierung besteht
darin, dass ein Bediener den Roboter mit Hilfe einer Fernbedienung in die gewünschte Position bewegt und
speichert, wobei eine Roboterbahn erzeugt wird. Diese Methode nimmt viel Zeit in Anspruch, und es ist ein
geschulter Bediener erforderlich, der den Roboter sowohl bewegen kann als auch die Programmiersprache
des Roboters kennen muss.
Die zweite Methode wird Offline-Programmierung genannt. In diesem Fall wird das Bewegungsprogramm
erstellt, ohne dass der Roboter manipuliert werden muss. Tatsächlich wird das Programm auf einem PC
geschrieben und getestet, der die Zellenbedingungen simuliert, bevor es an die eigentliche Roboterzelle
geschickt wird. Diese Methode kann zeitsparend sein, erfordert jedoch ein hohes Maß an
Programmierkenntnissen sowie tiefgehende Kenntnisse der speziellen Roboter-Software. Darüber hinaus
könnte das Arbeiten ohne die physische Zelle zu einer höheren Schwierigkeit bei der Programmierung
führen, da das Abstraktionsniveau sicherlich höher ist.
Beide Methoden haben Vor- und Nachteile, aber was wäre, wenn es eine noch schnellere Methode gäbe, die
keine Programmierkenntnisse erfordert und es dem Bediener erlaubt, mit direktem Kontakt am Roboter zu
arbeiten?
Dieses Projekt entspringt einer Vision: ein vom Roboter losgelöster Greifer, der durch die Bewegung einer
Bedienerhand gehandhabt werden könnte. Der Operator wird den Greifer bewegen, um einen
Bewegungsvorgang (wie das Aufnehmen und Ablegen eines Objekts) durchzuführen, und die Positionskoordinaten direkt an den Roboter senden, so dass dieser in der Lage ist, die von der Hand des Operators ausgeführte Bewegung zu wiederholen. Mit dieser Methode wird die Schwierigkeit der
Programmierung des Roboters verringert, da nur noch Kenntnisse über so etwas Natürliches wie eine
Handbewegung erforderlich sind, während die Programmierzeit drastisch reduziert wird.
Dieses Projekt besteht aus einer Machbarkeitsanalyse eines solchen Systems durch den Einsatz einer auf dem
Greifer montierten inertiale Messeinheit (IMU). Die durchgeführte Evaluierung trug dazu bei, nicht nur die
Präzision der Positionsverfolgung mit einem eigenständigen IMU-System zu unterstreichen, sondern auch
dessen Grenzen aufzudecken.
Die IMU wurde unter drei verschiedenen Bedingungen getestet:
- Bewegung auf der Messmaschine für die taktilen Koordinaten
- Bewegungen auf dem Roboter
- Handbewegungen
Die Ergebnisse haben gezeigt, dass ein eigenständiges IMU-System zur Positionsverfolgung aufgrund des
Drifts, die durch die Doppelintegration der Beschleunigungsdaten entsteht, nicht für eine ausreichend genaue
Verfolgung von Handbewegungen verwendet werden kann. Daher wurde das System um eine Kamera und
ein Apriltags-Erkennungssystem als externes Referenzierungssystem erweitert. Eine Demonstrator-
Roboterzelle wurde gebaut, um das Potential der kombinierten IMU / AprilTags-Positionsverfolgung zu
zeigen, deren erreichte Positionierungsgenauigkeit im Millimeterbereich liegt.
The automation industry is one of the quickest developing branches of engineering that propose
technological innovative solutions. In practice there is a growing need for implants to work
faster,more reliable and to reduce the time for programming machines, such as robot arms.
Two main methods are adopted for programming industrial robots:
The first one is online programming, also known as “Teaching”. The online programming
constitutes of an operator that moves the robot using a remote to the desired position and saves
it, creating a trajectory. This method takes a lot of time and trained operator is required to both
move and know the programming language of the robot.
The second method is called offline programming. In this case the movement program is
created without the need to manipulate the robot. In fact the program will be written and tested
on a PC that simulates the cell conditions before being sent to the actual robot cell. This method
can be time saving, but it requires a high level of programming knowledge, as well as deep
knowledge of the dedicated robotic suite. Moreover working without the physical cell could
lead to a higher difficulty into programming, because the level of abstraction is certainly higher.
Both methods presents advantages and disadvantages, but what if there could be a method even
quicker, that doesn't require programming knowledge and that allows the operator to work with
direct contact on the robot? This project comes from a vision: a gripper detached from the robot, that could be handled by
the movement of an operator hand. The operator will move the gripper to perform a motion operation (as picking and placing an object) and send directly the position coordinates to the
robot, so that it will be able to repeat the movement performed by the operator's hand. This
method tears down the programming's difficulty of the robot, because the only knowledge
required is something as natural as a hand movement, while drastically reducing the
programming time.
This project consists of a feasibility analysis of such system trough the use of an Inertial
Measurement Unit (IMU) mounted on the gripper. The evaluation made helped to underline not
only the precision of the position tracking with a standalone IMU system, but to expose also its
limitations.
The IMU was tested in three different conditions:
Movement on the Tactile Coordinates Measurement Machine
Movements on the robot
Hand movements
The results have shown that a standalone IMU system for position tracking cannot be used for
an enough-precise tracking of hand movements due to the drift coming from the double
integration of the acceleration data. Therefore the system was enhanced by adding a camera and
an Apriltags detection system as an external referencing system. A demonstrator robotic cell
was built to show the potential of the combined IMU / AprilTags position tracking, which
positioning precision reached lies in the millimeter range.
- Die Automatisierungsindustrie ist eine der sich am schnellsten entwickelnden Branchen des Maschinenbaus,
- Urheberrechtshinweis
- Bozzini Pascal, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 04.05.2021
- Übergeordnete Sets
- 1
Konzept eines Systems zum Antreiben und Kontrollieren eines Sprüharmes in einer Reinigungsanlage
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- Titel
- Konzept eines Systems zum Antreiben und Kontrollieren eines Sprüharmes in einer Reinigungsanlage
- Autor/in
- Datierung
- 11.06.2021
- Beschreibung
- Die vorliegende Bachelorarbeit zeigt die Entstehung einer möglichen Lösung für die Sprüharmkontrolle
in einer Reinigungsanlage. Das Projekt wird zusammen mit der Firma Belimed Life Science als Industriepartner
erarbeitet. Ziel dieser Arbeit ist es ein System zu entwickeln, das die Drehgeschwindigkeit
und Drehrichtung von Sprüharmen in einer Reinigungsanlage steuer- und regelbar macht. Die Anlagen,
für die das System entwickelt wird, kommen hauptsächlich für die Reinigung von pharmazeutischen
Gerätschaften zum Einsatz.
Mit Hilfe eines Brainstormings und Recherchearbeiten werden mögliche Lösungen übersichtlich in verschiedenen
morphologischen Kästen dargestellt. Durch Diskussionen mit Fachleuten der Firma Belimed
Life Science und einer Nutzwertanalyse werden die weniger geeigneten Lösungen Schritt für
Schritt aussortiert. Die Schlussentscheidung des zu entwickelnden Konzeptes wird schliesslich durch
Vorversuche gestützt um die Praxistauglichkeit von Anfang an mitbeurteilen zu können.
Der Lösungsvorschlag für die vorhandene Problemstellung besteht aus dem Antrieb des Sprüharmes
mit Hilfe eines Wasserrades. Dieses wird durch dasselbe Wasser angetrieben, das auch für die Reinigung
verwendet wird. Dadurch sind keine zusätzlichen Betriebsmittel nötig und die Anforderungen
bezüglich Temperatur- und Wasserbeständigkeit können erfüllt werden. Die Drehzahl des Wasserrades
und somit des Sprüharmes kann über proportionale Stromventile stufenlos eingestellt werden.
Durch die unterschiedliche Anordnung der Wasserdüsen für das Antriebswasser kann die Drehzahl
während des Betriebes umgekehrt werden.
Das entwickelte Konzept wird mit Hilfe eines Funktionsmodells auf ihre Funktionen und Tauglichkeit
geprüft. Der dazu gehörende Testbericht liegt in dieser Arbeit aus Zeitgründen nicht vor. Er wird jedoch
nachgereicht und als separates Dokument angefügt.
This bachelor thesis shows the development of a possible solution for spray arm control in a cleaning
plant. The project is being developed together with the company Belimed Life Science as an industrial
partner. The aim of this work is to develop a system that makes the rotational speed and direction of
spray arms in a cleaning plant controllable and adjustable. The plants for which the system is being
developed are mainly used for cleaning pharmaceutical equipment.
With the help of brainstorming and research work, possible solutions are clearly presented in various
morphological boxes. Through discussions with representatives of Belimed Life Science and a utility
analysis, the less suitable solutions are sorted out step by step. The final decision of the concept to be
developed is finally supported by preliminary tests in order to be able to assess the practicability from
the beginning.
The proposed solution for the existing problem consists of driving the spray arm with the help of a
water wheel. This is driven by the same water that is used for cleaning. This means that no additional
operating materials are required and the requirements regarding temperature and water resistance
can be met. The speed of the water wheel and thus of the spray arm can be infinitely adjusted via
proportional flow control valves. By arranging the water nozzles for the drive water in different ways,
the speed can be reversed during operation.
The developed concept is tested for its functions and suitability with the help of a functional model.
Due to time constraints, the corresponding test report is not available in this paper. However, it will
be submitted later and attached as a separate document.
- Die vorliegende Bachelorarbeit zeigt die Entstehung einer möglichen Lösung für die Sprüharmkontrolle
- Urheberrechtshinweis
- Geisseler Samuel, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 15.12.2021
- Übergeordnete Sets
- 1
Validierung der Echtzeitfähigkeit von ROS 2 in der mobilen Robotik
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- Titel
- Validierung der Echtzeitfähigkeit von ROS 2 in der mobilen Robotik
- Autor/in
- Datierung
- 17.06.2022
- Beschreibung
- In den letzten Jahren ist die Bedeutung von mobilen Robotern schnell gewachsen. Mit dieser neuen
Art von Roboter entstehen neue Anforderungen bei der Entwicklung. Ein Tool, das sich in diesem
Bereich für die Softwareentwicklung durchgesetzt hat, ist das Robot Operating System (ROS).
Anfänglich von und für Hochschulen entwickelt, kommt ROS nach und nach auch mehr in
industriellen Anwendungen zum Einsatz. Diese bringen jedoch auch neue Herausforderungen mit
sich. Um die damit einhergehenden Ansprüche zu erfüllen ist die erste Version von ROS, ROS 1,
komplett überarbeitet worden. Daraus entstanden ist ROS 2. Ziel dieser neuen Version ist es,
zuverlässige und deterministische Applikationen entwickeln zu können, die beispielsweise auch in
sicherheitskritischen Anwendungen zum Einsatz kommen können.
Ziel dieser Master-Thesis ist es, sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Limitationen von ROS 2
für Echtzeitanwendungen mittels Versuche an zwei verschiedenen Versuchsaufbauten aufzuzeigen
und einzuordnen. Hierzu wird auch eine Speicher Programmierbare Steuerung (SPS), ein industriell
weit verbreitetes System, beigezogen.
Basierend auf den Resultaten der Experimente kann aufgezeigt werden, dass das Verhalten bezüglich
zeitlicher Vorgaben stark durch den/die Entwickler:in beeinflusst wird. Dies beginnt mit dem
Aufsetzen des Betriebssystems und geht weiter über diverse Einstellmöglichkeiten im Quellcode der
zu entwickelnden Anwendung. Ebenfalls muss der Einbindung von externer Hardware (z.B. Sensoren)
grosse Beachtung beigemessen werden.
Zum jetzigen Entwicklungsstand von ROS 2 eignet sich das Tool für Anwendungen mit weichen
Echtzeitanforderungen. Dies sind Anwendungen, bei der eine gestellte zeitliche Anforderung an das
System bis zu einem gewissen Grad resp. zu einer gewissen Anzahl überschritten werden darf. Für
Anwendungen mit harten Echtzeitanforderungen, bei denen die zeitlich gestellten Anforderungen
jeder Zeit eingehalten werden müssen, sind andere Systeme wie beispielsweise eine SPS zu
bevorzugen. Dies kann sich jedoch mit der laufenden Weiterentwicklung von ROS 2 in der Zukunft
ändern.
In recent years, the importance of mobile robots has grown rapidly. With this new type of robot, new
development requirements arise. One tool that has gained acceptance in software development is the
Robot Operating System (ROS). Initially developed by and for universities, ROS is gradually being
used increasingly in industrial applications. However, this also brings new challenges. The first
version of ROS, ROS 1, was completely revised in order to meet the demands. The goal of this new
version is to be able to develop reliable and deterministic applications that can also be used in
safety-critical applications, for example.
This master thesis aims to demonstrate and classify the performance and the limitations of ROS 2 for
real-time applications through tests on two different test setups. For this purpose, a programmable
logic controller (PLC), a widely used industrial system, is used for comparison.
Based on the results of the experiments, it can be shown that the developer strongly influences the
behaviour concerning time specifications. This starts with setting up the operating system and
continues with various setting options in the application's source code to be developed. Likewise,
integrating external hardware (e.g. sensors) must be given great attention.
At the current stage of the development of ROS 2, the tool is suitable for applications with soft realtime
constraints. These are applications where a set time constraint on the system may be exceeded
up to a certain degree or a certain number of times. For applications with hard real-time constraints,
where the time requirements must always be met, other systems such as PLCs are preferable.
However, this may change in the future with the ongoing development of ROS 2.
- In den letzten Jahren ist die Bedeutung von mobilen Robotern schnell gewachsen. Mit dieser neuen
- Urheberrechtshinweis
- Grossmann Marco, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 21.09.2022
- Übergeordnete Sets
- 1
Systemverhalten und Regelstrategie für einen Prüfstand für Kompaktlüftungsgeräte
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- Titel
- Systemverhalten und Regelstrategie für einen Prüfstand für Kompaktlüftungsgeräte
- Autor/in
- Datierung
- 10.06.2022
- Beschreibung
- Der Prüfstand für Kompaktlüftungsgeräte des Instituts für Gebäudetechnik und Energie hat eine Regelung, die nicht zufriedenstellend funktioniert. Um diese zu verbessern wird in dieser Arbeit in einem ersten Schritt die Regelung des Vorkühlers der Aussenluft neu angeschaut. Es wird ein Modell des Wärmetauschers erstellt und anhand dieses Modells werden die Regelparameter für einen PI-Regler mit Gain-Scheduling bestimmt. Parallel wird dasselbe für das System Umweltsimulations-kammer gemacht, an welchem dann schliesslich auch ein Teil des Reglers getestet wird.
The control system for the test bench for compact ventilation units at the Institute of Building Technology and Energy is currently not working as intended. The goal of this thesis is to take the first step by looking at the control system of the first stage of the outdoor air cooler. A model of the heat exchanger is created with the help of which the control parameters for a PI-controller with gain scheduling are determined. At the same time a model of the system “Umweltsimulationskammer” is made, which is then finally used to test the determined control system.
- Der Prüfstand für Kompaktlüftungsgeräte des Instituts für Gebäudetechnik und Energie hat eine Regelung, die nicht zufriedenstellend funktioniert. Um diese zu verbessern wird in dieser Arbeit in einem ersten Schritt die Regelung des Vorkühlers der Aussenluft neu angeschaut. Es wird ein Modell des Wärmetauschers erstellt und anhand dieses Modells werden die Regelparameter für einen PI-Regler mit Gain-Scheduling bestimmt. Parallel wird dasselbe für das System Umweltsimulations-kammer gemacht, an welchem dann schliesslich auch ein Teil des Reglers getestet wird.
- Urheberrechtshinweis
- Baumann Marius, Hochschule Luzern Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 25.10.2022
- Übergeordnete Sets
- 1
Development & Design of a fully-integrated conveying and sorting stage for cleaning up rivers
Name that can easily go onto 2 lines
Author that can easily go onto 2 lines as well
- Titel
- Development & Design of a fully-integrated conveying and sorting stage for cleaning up rivers
- Autor/in
- Datierung
- 10.06.2022
- Beschreibung
- Das ARC-Project (Autonomous River Cleanup) ist eine von Studenten der ETH Zürich geleitete Initiative zur
Reinigung von Flüssen von Plastikmüll, im internationalen Umfeld.
In der vorliegenden Arbeit wurde das Design und die Integration in einen ISO-Container, einer autonomen,
zweistufigen Förder- und Sortieranlage untersucht, geplant und durchgeführt. Die Anlage wird zur Trennung
von im Wasser treibenden Abfällen von organischem Material eingesetzt.
Die Sortieranlage besteht aus einem Scheibensortierer als Vorsortierstufe und der Hauptsortierstufe, welche
mit zwei Knickarmrobotern mit Bilderkennung ausgestattet ist. Die Vorsortierstufe wird von einem
Abfallzuführ- Förderbandsystem beschickt, welches das Sortiergut entweder direkt aus einem Fluss extrahiert
oder aus einem Sammelcontainer (Bunker) beziehen kann. Die Vorsortierstufe ist als Scheibensortierer
aufgebaut und entfernt Material, welches durch ein Gitter mit 50 x 50 mm Kantenlänge passt. Alles was nicht
vorgängig aussortiert wurde, kommt auf das Sortiergut-Förderbandsystem, wird optisch erfasst und von den
Roboterarmen wird das anorganische Material aussortiert. Das aussortierte Material wird in 2 bis 4
verschiedenen, im Container integrierten oder externen Abfallsammelbehältern deponiert. Das organische
Material durchläuft den Container und kann am Ende gesammelt oder zurück in den Fluss geleitet werden.
Die Anlage kann auf in Flüssen verankerten Booten oder an Land eingesetzt werden und muss auf die dabei
entstehenden Belastungen, sowie die entstehenden Beschleunigungen beim Transport und Umschlag
ausgelegt sein.
Der im Rahmen des Projekts aufgebaute Prototyp kommt ab dem dritten Quartal 2022 am
Laufwasserkraftwerk Letten, an der Limmat in Zürich zum Einsatz.
The ARC-Project (Autonomous River Cleanup) is an initiative led by students of the ETH Zurich to clean
rivers from plastic waste, in an international environment.
In the present work, the design and integration in an ISO container, of an autonomous, two-stage conveying
and sorting system was investigated, planned and carried out. The system is used to separate waste floating in
water from organic material.
The sorting plant consists of a disc sorter as the pre-sorting stage and the main sorting stage, which is
equipped with two articulated robots with image recognition. The pre-sorting stage is fed by a waste feed
conveyor system, which can either extract the sorted material directly from a river or obtain it from a
collection container (bunker). The pre-sorting stage is designed as a disc sorter and removes material that fits
through a grid with 50 x 50 mm edge length. Everything that has not been sorted out beforehand is placed on
the sorting conveyor system, is optically detected and the inorganic material is sorted out by the robots. The
sorted material is deposited in 2 to 4 different waste collection bins integrated in the container or external.
The organic material passes through the container and can be collected at the end or returned to the river.
The system can be used on boats anchored in rivers or on land and must be designed to withstand the stresses
and accelerations generated during transport and handling.
The prototype built as part of the project will be used from the third quarter of 2022 at the Letten run-of-river
power plant, on the Limmat in Zurich.
- Das ARC-Project (Autonomous River Cleanup) ist eine von Studenten der ETH Zürich geleitete Initiative zur
- Urheberrechtshinweis
- Bachmann Marcel, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 16.11.2022
- Übergeordnete Sets
- 1