http://en.wikipedia.org/wiki/Mechatronics

Mekatronik finns på de flesta högskolor Som program Halmstad, Chalmers Som specialisering på KTH, Stockholm LiTH, Linköping LTU, Luleå LTH, Lund Huvudsakligen på maskinteknikprogrammen

Kurser i mekatronikspecialiseringen Tillämpad mekatronik M+E+D=Mekatronik Industriell produktframtagning Industriell tillämpning Industriell mätning och styrning E+D för M Datorbaserad konstruktionsanalys M, ingår i spec PU Konstruktionsteknik Lätta material M Sevicerobotik Kraftelektronik Elektroteknik Realtidsprogrammering Datavetenskap Konstruktion av inbyggda system Realtidssystem Reglerteknik Olinjär reglering av servosystem Projekt i reglerteknik

Kurser mot elektrisk och digital styrning Kurser mot mekanisk konstruktion Tillämpad mekatronik Ind. mätning och styrning Konstruktionsteknik Kraftelektronik- komp. och motorstyrning Datorbaserad konstruktionsanalys Realtidsprogrammering Lätta material Inbyggda system Servicerobotik Olinjära system Ind. produktframtagning Realtidssystem

Lund November 2011 Mekatronik – robotexempel Klas. Nilsson@cs. lth Lund November 2011 Mekatronik – robotexempel Klas.Nilsson@cs.lth.se and Lund University, Sweden rss.cs.lth.se

Mekatronik Robotar - bilder Klas.Nilsson@cs.LTH.se 2011-10-26

Example industrial collaboration ULUND-ABB work (F/T control)

Mechatronics includes software & control Suggested definition: Combination of electro-mechanics and embedded systems (software & electronics) such that the physical properties or the functionality is enabled by the embedded information processing. [Def by Klas, after inspiration by mechatronics Prof. Auslander, Berkely] ;-) Implies embedded feedback! (Why?) Hint: Properties include dynamics as differential relations. Compare state-space formulation with the effect of feedback....

Technical resources: embedded systems Cost: Production Market opportunity Interface: Interoperability Openness Usability Client satisfaction Adaptation: Portability Modifiability Evolvability Expandability Flexibility Configurability Reusability Scalability Performance: Performance (Speed) Timeliness (Deadlines) Determinism Security Robustness Reliability Availability Safety Design: Feasibility Maintainability Understandability Correctness Simplicity Integrability Testability&Debugging Resources in embedded systems Timing (CPU, HW,..) Memory (#bytes,..) Communication Device/unit-physical (energy, ..) Engineering effort Bounded and interconnected, use optimally for best possible product properties and profit

Robot System Architectures Product line architectures: Reflecting: Product lines Application areas User interaction Technologies Resource tradeoffs Variation points Implicit knowledge Business cases Certification Engineering taste Taste/architecture is personal! Thus, standardize on techniques for architectures but not the architecture! From http://csse.usc.edu/~neno

The ”principle of superposition/compositionality” needed for modular development Important need: Property of compositionality for software components and computations! Super-position and compositionality Separation into sub-problems which solutions together comprise the solution to the overall problem. Used in physics, mathematics, solid-state mechanics, electro-technology, etc. Within mechanics and electronics there are composable components. However, missing compositionality for (robotic/control) software components...  Too extensive engineering needed for development of mechatronic systems.

Embedded information processing: Going from Analog to Digital (still hardware) Direct effect No quantization Truly parallel Cost Repeatability (drift, etc.) Cost Repeatability Truly parallel Quantization Latencies

Then programmable units (software), Multitasking RTOS (Real-Time Operating System) Cost reduction Programability Modularity (resources) Delays Timing variations (jitter) Modularity of execution Flexibility Predictability Resource management Modularity

Software components using safe language, first concurrency and then for real-time Modular reactivity Safety Modularity (IO, memory) Timing variations End of current practice; the rest is research Modular real-time Robustness Portable compilation Resource optimization Timing variations for IO

Control components, scheduled IO, then feedback scheduling of resources Virtual CPUs Composable IO Global memory Resource optimization Safety Performance tuning Control components Global memory Resource optimization Safety

Towards compositionality for embedded software Ongoing integration and further development: Object-oriented and portable safe real-time SW Control components as composable SW  Resource-aware components & control systrems! Merging Resource-aware components Control: Software:

Combining Safety, Stiffness and Low-Cost The safe and productive human-aware space-sharing robot

Complementary (stiff low-cost) technique: New parallel robot principle, named Tau Invented by Torgny Brogårdh, ABB High performance as for parallel robots Large work space and good flexibility as for traditional serial robots

Plug-and-Produce modular equipment Workcell Robot Tooling Two-finger grip Platforms “IKEA-like” PKM robot W L Gripper example: Ceiling mounted Three-finger parallel-grip Robot The three-day-deployable integrated robot system Three-finger centric-grip. Virtual Cell/Unit Fewer but more flexible modules Real

Parallel Kinematics: Mechanical Design Main goal to maximize: Stiffness/weight Bandwidth/weight

Parallel Kinematics: Performance Calculations Arm System Stiffness Calculations: 0.5 m Lowest eigenfrequency: 47 Hz Translational stiffness at TCP: 1.2 – 50 N/micron Torsional stiffness at TCP: 230 – 920 Nm/mrad

Parallel Kinematics: Performance Comparison 10 20 30 N/mm,kg 40 50 60 70 Hz New SMErobot PKM Tau robots 5 times better, for same weight & approx price. PKM Serial Arm

New Lightweight Wrist PKM joints and links Wrist motor holder Wrist motor (new HDD motor)

Lightweight Wrist: Performance Tests

ABB-ULUND-Güdel prototype for foundry

Video: Slipning med Kraftreglerad PKM ABB-Güdel-LTH Tau/PKM prototyp: Video (med förra generationens handled) Video: Slipning med Kraftreglerad PKM Klas.Nilsson@cs.LTH.se 2011-10-26

Glappreduktion med programvara; Fullskalig dubbelmotorprototyp Klas.Nilsson@cs.LTH.se

Återkoppling; Inspiration

Mekatronik Vad behöver ni kunna? Datorer Programmering Sensorer C, Java Sensorer Motorer Reglerteknik Elektronik Mekanik ….. Mekatronik

Hårdvara & Mjukvara Sensorer och motorer Processorer och elektronik Hjul encoders Accelerometer & Gyro Två DC motorer Processorer och elektronik ATMEL AVR Mega16 microcontroller Inget RTOS – bara avbrott och timers, C Elektronik för signalanpassning, filtrering, strömförsörjning Reglerteknik Tillståndsåterkoppling Tidsdiskret design

Realtidssystem Design och implementering av datorbaserade reglersystem Fokus på inbyggda system Två delar: Realtidssystem/programmering Datorimplementering av reglersystem Java och C 10 hp Föreläsningar, övningar, laborationer, projekt HT Lp1-2

VT LP1 7.5 hp

Projektkurs i Reglerteknik 7,5 hp under VT LP2 Ca 15 studenter, vanligen F,E,D,M Projektgrupper om 4 personer Projekt, rapport, presentation Betyg: Godkänt / Ej godkänt Fokus: Inbyggda reglersystem Hela kedjan från Modellering till Implementering På senare år: inbyggda system, mobila robotar, sensornätverk, Lego Mindstorm, Segways

Tre praktiskt inriktade mekatronikkurser: Industriell mätning och styrning (IMS) 9 hp Tillämpad mekatronik 10 hp Mekatronik: Industriell produktframtagning 10 hp

Vad gör man i kurserna? (1) IMS: Enbart M och I Fortsätter där ETG slutar Ger komponentkunskap Konstruktionsprojekt (ca 100h) Tillämpad Mekatronik: Allsidigt sammansatta grupper (M,E,F.. - Laborationsprojekt - Industriprojekt (Koncept o konstr.)

Vad gör man i kurserna? (2) Industriell produktframtagning: (Forts. på Tillämpad Mekatroniks industriprojekt) Allsidigt sammansatta grupper Industriprojekt (Detaljkonstr. o prototypbygge)

Industriell mätning och styrning Detta får du lära dig Hur man elektriskt mäter temperatur, tryck, kraft mm Anpassning av yttre signaler för mätning och styrning Hur man gör små inbyggda självständiga datorsystem. Hur programvara och hårdvara fungerar tillsammans

Fler IMS-projekt… Konstruktionsprojekt: djupreglering av modellubåt mätning av utgångshastighet för luftgevär

Labprojekt i Tillämpad Mekatronik Kommunikation PC Inbyggt system Aktuatorer (motor mm) Moduler på prototypkort Debugging viktigt

Industriprojektet i. “Tillämpad Mekatronik” och Industriprojektet i “Tillämpad Mekatronik” och “Industriell Produktframtagning” Problem hämtat från företag Nära samverkan med företaget under hela processen Skall leda fram till fungerande prototyp som presenteras på utställning

Fråga: Men är det en fördjupning när man ‘bara’ lär sig lite grann om varje ämne? http://en.wikipedia.org/wiki/Mechatronics Svar: Som att tex Internet inte är något, eftersom det ‘bara kopplar ihop’ information? Motfråga: Kan en föränderlig verklighet vara uppdelad i skolämnen, eller är kanske förmågan att kombinera ämnesområdena den riktigt djupa kunskapen?