MekatronikInfo för M, Nov

Transkript

1 MekatronikInfo för M, Nov

2 Mekatronik finns på de flesta högskolor Som program Halmstad, Chalmers Som specialisering på KTH, Stockholm LiTH, Linköping LTU, Luleå LTH, Lund Huvudsakligen på maskinteknikprogrammen MekatronikInfo för M, Nov 2011.

3 Kurser i mekatronikspecialiseringen Tillämpad mekatronik Industriell produktframtagning Industriell mätning och styrning Datorbaserad konstruktionsanalys Konstruktionsteknik Lätta material Sevicerobotik Kraftelektronik Realtidsprogrammering Konstruktion av inbyggda system Realtidssystem Olinjär reglering av servosystem Projekt i reglerteknik M+E+D=Mekatronik Industriell tillämpning E+D för M M, ingår i spec PU M, ingår i spec PU M M Elektroteknik Datavetenskap Datavetenskap Reglerteknik Reglerteknik Reglerteknik MekatronikInfo för M, Nov 2011.

4 Kurser mot elektrisk och digital styrning Tillämpad mekatronik Kurser mot mekanisk konstruktion Tillämpad mekatronik Ind. mätning och styrning Ind. mätning och styrning Konstruktionsteknik Kraftelektronik- komp. och motorstyrning Realtidsprogrammering Inbyggda system Konstruktionsteknik Datorbaserad konstruktionsanalys Lätta material Servicerobotik Olinjära system Realtidssystem Ind. produktframtagning MekatronikInfo för M, Nov 2011.

5 Lund November 2011 Mekatronik robotexempel and Lund University, Sweden rss.cs.lth.se

6 Mekatronik Robotar - bilder MekatronikInfo för M, Nov Klas.Nilsson@cs.LTH.se

7 Example industrial collaboration ULUND-ABB work (F/T control) MekatronikInfo för M, Nov

8 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... MekatronikInfo för M, Nov

9 Technical resources: embedded systems 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 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 MekatronikInfo för M, Nov

10 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. MekatronikInfo för M, Nov

11 Towards compositionality for embedded software Ongoing integration and further development: 1) Object-oriented and portable safe real-time SW 2) Control components as composable SW Resource-aware components & control systrems! Merging Control-components Resource-aware components Control: in clock feedback sched. mem cpu HW out Resource-aware SW Safe real-time OOP in out Software: in clock time HW sched. GC+pri. cpu mem out clock Resource manager time cpu mem MekatronikInfo för M, Nov

12 The safe and productive human-aware space-sharing robot Combining Safety, Stiffness and Low-Cost MekatronikInfo för M, Nov

13 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 MekatronikInfo för M, Nov

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

15 Parallel Kinematics: Mechanical Design Main goal to maximize: Stiffness/weight Bandwidth/weight MekatronikInfo för M, Nov

16 Parallel Kinematics: Performance Calculations Arm System Stiffness Calculations: 0.5 m Lowest eigenfrequency: 47 Hz Translational stiffness at TCP: N/micron Torsional stiffness at TCP: Nm/mrad MekatronikInfo för M, Nov

17 Parallel Kinematics: Performance Comparison Hz PKM New SMErobot PKM Tau robots 5 times better, for same weight & approx price Serial Arm N/mm,kg MekatronikInfo för M, Nov

18 New Lightweight Wrist PKM joints and links Wrist motor holder Wrist motor (new HDD motor) MekatronikInfo för M, Nov

19 Lightweight Wrist: Performance Tests MekatronikInfo för M, Nov

20 ABB-ULUND-Güdel prototype for foundry MekatronikInfo för M, Nov

21 ABB-Güdel-LTH Video: Tau/PKM Slipning prototyp: med Video (med förra generationens handled) Kraftreglerad PKM MekatronikInfo för M, Nov

22 Glappreduktion med programvara; Fullskalig dubbelmotorprototyp MekatronikInfo för M, Nov

23 Återkoppling; Inspiration MekatronikInfo för M, Nov 2011.

24 Vad behöver ni kunna? Datorer Programmering C, Java Sensorer Motorer Reglerteknik Elektronik Mekanik.. Mekatronik MekatronikInfo för M, Nov 2011.

25 Hårdvara & Mjukvara Sensorer och motorer 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 MekatronikInfo för M, Nov 2011.

26 MekatronikInfo för M, Nov 2011.

27 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 MekatronikInfo för M, Nov 2011.

28 MekatronikInfo för M, Nov 2011.

29 VT LP1 7.5 hp MekatronikInfo för M, Nov 2011.

30 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 MekatronikInfo för M, Nov 2011.

31 Industrial Electrical Engineering and Automation Tre praktiskt inriktade mekatronikkurser: -Industriell mätning och styrning (IMS) 9 hp -Tillämpad mekatronik 10 hp -Mekatronik: Industriell produktframtagning 10 hp

32 Industrial Electrical Engineering and Automation 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.)

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

34 Industrial Electrical Engineering and Automation 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

35 Industrial Electrical Engineering and Automation Fler IMS-projekt Konstruktionsprojekt: mätning av utgångshastighet för luftgevär Konstruktionsprojekt: djupreglering av modellubåt

36 Industrial Electrical Engineering and Automation Labprojekt i Tillämpad Mekatronik Kommunikation PC Inbyggt system Aktuatorer (motor mm) Moduler på prototypkort Debugging viktigt

37 Industrial Electrical Engineering and Automation 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

38 Fråga: Men är det en fördjupning när man bara lär sig lite grann om varje ämne? 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? MekatronikInfo för M, Nov