On the Programming and System Integration of Robots in Flexible Manufacturing

Abstract

Advanced manufacturing technologies and programmable machines such as

industrial robots are used to increase productivity and quality for

competitiveness on a global market. Development of increasingly

flexible manufacturing systems has resulted in an increasing

importance of software aspects, both on a system level and for

efficient interaction with human operators. Trends toward providing

customized products increase the need for flexibility, which implies

a need to build modular systems that are flexible enough to handle

frequent changes in production operations and product designs.



The objective of the research presented in this thesis is to improve

the flexibility of industrial robot software when used as a component

in flexible and reconfigurable industrial automation

solutions. Contributions are made in four areas; First, high

performance industrial motion control is enhanced to utilize arbitrary

sensors in task definition and execution. Results include an

extensible task programming language, allowing for flexible

integration of sensor motion in established robot languages. Second,

flexibility of the robot structure itself is studied, with an emphasis

on software tool configuration support for a highly modular parallel

kinematic robot featuring stiff motions and large workspace. Third,

several operator interaction techniques are evaluted for fast and easy

robot setup. Novel interaction devices and use of sensors bring new

opportunities to improve robot setup procedures. Finally, and also

pointing out future research directions, semantic web techniques are

explored for use within automatic generation of user interfaces from

product and process data and for more efficient integration of

off-line engineering tools in the workflow for online task generation.



The findings are based on a variety of industrial prototypes and case

studies, with novel software solutions ranging from low-level device

interfaces to high-level semantic integration. The experienced

resulting enhancements of flexibility, usability and modularity are

encouraging.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Robotar är maskiner som rör sig efter hur man programmerar dem. I industriellt bruk monteras ofta ett verktyg på roboten så att den kan svetsa, gripa, slipa, borra eller göra andra saker. Det som gör roboten bra på detta är att den kan upprepa robot-programmet flera gånger när det har blivit skrivet. Detta gör att man kan programmera roboten en gång för en arbetsuppgift som sedan roboten utför många gånger.



Tyvärr är robotar besvärliga att programmera. Problemet är att robotar i industriellt bruk idag använder känsel, seende eller andra sinnen som rörelsehjälpmedel i mycket liten utsträckning. En människa använder ofta syn och känsel för att lösa rörelseuppgifter; tänk på hur man plockar upp en penna som ligger på ett bord. Avsaknaden av förståelse för omgivningen i just styrningen av rörelser gör att robotens arbetsuppgift måste vara mycket precist formulerad. Dessutom får inte omgivningen ändra på sig, för detta känner inte robotens program till och kan därför inte anpassa sina rörelser.



I första delen presenteras en metod för hur information som inhämtas via olika sensorer kan bli en del av ett robotprogram. Programmet får då förmågan att till viss del anpassa sig efter hur omgivningen ser ut och därmed blir det enklare att återanvända. I industrin är säkerhet mycket viktigt och här visas hur en robot kan använda sensorer för seende och känsel på ett säkert sätt. En poäng är också att det går att förbättra rörelser där verktyget är i kontakt med arbetsstycket. Slipning och borrning utförs bättre med känselsensorer än utan. Mitt eget bidrag har varit att utveckla ett programmeringsspråk som kan uttrycka sensor-baserade rörelser för just slipning och borrning.



För just arbetsuppgifter där roboten är i kontakt med arbetsstycket fungerar inte den vanliga robotstrukturen med en arm så bra. När man borrar och slipar är det viktigt att kunna stå emot alla vibrationer och slag som uppkommer, annars riskeras att det borrade hålet och den slipade ytan blir ojämna. I den andra delen presenteras en byggsats som kan användas till att bygga en ny typ av robot som har bra tålighet mot vibrationer. Att det är just en byggsats gör det lättare att anpassa robotens utseende mot vad som krävs av roboten för att den ska kunna fullgöra sin uppgift. Mitt bidrag har varit att utveckla en simuleringsmiljö som kan användas för att anpassa robotens utseende mot dess uppgift. I denna miljö har jag sett till att samma robotprogram kan köras oavsett hur roboten ser ut så att jag enkelt kan se om ett visst utseende klarar av en uppgift.



När en robot programmeras är hur man kommunicerar med den viktigt. I en dator använder man tangentbord och mus. För en robot är detta inte alltid den bästa metoden. Det vanliga sättet att programmera en robot består i att styra den med en styrpinne och markera vart den ska gå, detta görs på en liten dator som följer med roboten. Det andra sättet är att använda ett simuleringsprogram i en vanlig dator och utveckla programmet där som sedan laddas ner till roboten. I den tredje delen av avhandlingen utvärderas tre andra typer av enheter för att programmera robotar. Det är röststyrning, digitalt papper och småskalig 3D-grafik.



Sist i avhandlingen utvärderas nya sätt för robotprogramvara att automatiskt samarbeta. Styrning av roboten kan bli så komplicerad att det behövs mjukvara som planerar arbetet. Men mjukvaran kan vara besvärlig att sätta sig in i och kräva erfarenhet och utbildning. Kan datorn hjälpa till med att använda mjukvaran automatiskt skulle roboten bli enklare att använda för svåra uppgifter. I den sista delen av avhandling utvärderas semantiska webbtekniker för detta ändamål.

• author: Haage, Mathias
• supervisor: Klas Nilsson
• opponent: Professor Christensen, Henrik, Georgia Tech, Atlanta, USA
• organization: Department of Computer Science; ELLIIT: the Linköping-Lund initiative on IT and mobile communication; Robotics and Semantic Systems
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Engineering and Technology
• keywords: Industrial Robotics, Parallel-Kinematic Robot, Human-Robot Interfaces, Semantic Interfaces, Flexible Manufacturing, Sensor-Based Motion, Software Architecture, Modular Robotics
• pages: 162 pages
• defense location: Lectur hall E:1406, Building E, Ole Römers väg 3, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2010-12-16 09:30:00
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f8260536-2278-4c13-a2fb-067de37e6508 (old id 1728260)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:41:47
• date last changed: 2021-05-06 20:42:57