Hvordan få kranen på en båt til å løfte stabilt i røff sjø?

– Se for deg to skip ved siden av hverandre på sjøen, som beveger seg uavhengig av hverandre. En gangbro eller kran mellom disse skal kunne benyttes uten at alle bevegelsene rundt er til hinder, forklarer Tørdal.

På UiAs mekatronikk-lab i Grimstad setter han i gang en plattform som går opp og ned, som en båt i bølgene. Kranen på toppen er en robot programmert til å bevege seg slik at den kompenserer for «bølgene» og tuppen av kranen, der lasten skal henge, holdes på samme sted. 

Roboten kompenserer for én bevegelse, eller frihetsgrad som Tørdal kaller det. Han nøyer seg imidlertid ikke med det. Mengder av programmering og matematikk skal få roboten til å kompensere for flere bevegelser i ulike retninger.

– Målet er å lage en metode som kan kompensere for seks frihetsgrader mellom to bevegelige mål, sier Tørdal.

Se demonstrasjon:

Mange sensorer

Båter i dag kan ha såkalte MRU (Motion Reference Unit) som kompenserer for bølgenes bevegelse opp og ned. MRU-en er en sensor som registrerer posisjonsdata. Dataen brukes til å kompensere for bevegelsen ved hjelpe av en kran eller robot.

– Jeg vil at mange sensorer skal jobbe sammen. I teorien gjelder det å regne ut hastighet og posisjon. En utfordring er at kranens ytterpunkt påvirkes annerledes når «armen» strekkes ut, enn når den er nær båten. Bevegelsen forsterkes jo lenger ut, og her må en del likninger løses for å finne referansen roboten skal ha, sier Tørdal. 

I tillegg til sensorer som oppfatter bevegelse vil han også trekke inn en kinetic-sensor, som «ser» og registrer bevegelsen til nabobåten.

– Jeg skal bruke en Microsoft Kinetic fra en X-box. Den ser ut i verden og danner en punktsky, slik at den oppfatter hvordan du er orientert i forhold til skip nummer to, sier han.

Programmering

Telemarkingen har tatt bachelor- og mastergrad i mekatronikk ved UiA og begynte som doktorgradsstipendiat i august 2015. Arbeidet innebærer mange timer foran PC-en. 

– Det blir en del lange kvelder. Programmeringen og matematikken blir noe jeg går og grubler på hele tiden, sier Tørdal.

Det første halvåret har han jobbet med programmering av robotens bevegelser, før flere sensorer introduseres.

– Ved hjelp av utregningene finner jeg et sett unike vinkler på alle rotasjonsledd, som gjør at tuppen av «armen» kommer akkurat der den skal, sier Tørdal.

Han sammenligner robotarmen med menneskets og viser på sin egen arm. Når hjernen bestemmer at en kaffekopp skal løftes, er mange ledd i bevegelse samtidig, men sammen gjør de at hånda kommer på rett sted. 

– Hensikten er å gjøre det enkelt for den som styrer kranen. Han bruker gjerne en joystick og når kranens arm kjøres ut, skal den bevege seg stabilt i samme fart, uansett hvor mye alt rundt beveger seg.

40 ganger raskere

Tørdal har snart klar en artikkel om matematikken han benytter for å få programmere slike robotbevegelser. 

Doktorgradsstipendiat Sondre Sanden Tørdal bruker mye tid på matematikk og programering for å få roboten til å gjøre som han vil.

– Når matematikken sitter har roboten blitt et verktøy, da skal jeg introdusere flere sensorer og jobbe videre, sier han.

Bevegelser må kompenseres for umiddelbart og da er programmering som gir roboten rask reaksjon avgjørende. Tørdal har utviklet en algoritme (serie med beregninger) som er nær 40 ganger raskere enn den som fulgte med fra produsenten av roboten han bruker på UiAs testlab. 

– Matematikken jeg bruker er lite brukt i ingeniørverden, men kan i mange tilfeller gi økt innsikt i komplekse geometrier. Noe som kan gi økt innsikt i komplekse maskiner uten å være en hardbarket matematiker, sier Tørdal.

Lite forskning

Lite forskning er publisert om denne spesifikke problemstillingen.

– Bevegelseskompensasjon er noe brukt, for eksempel har Forsvaret stabilisering på kanoner. Jeg har imidlertid ikke funnet litteratur om temaet. Du finner bøker om reguleringsteknikk, matematikk og fysikk, ulike kunnskaper jeg kombinerer i arbeidet. Akkurat «motion compensation», bevegelseskompensasjon, er ikke særlig tungt forankret i akademia, sier Tørdal.

Hvordan er det å gå i gang med noe så avansert? Føler du deg trygg på at du får til det du ønsker?

– Jeg vet ikke helt hvordan det ender, men det er forskningens natur. Det er et mål at det skal bli så bra som jeg sier, men kanskje må vi begrense oss til for eksempel tre frihetsgrader. I tittelen på doktorgradsavhandlingen har jeg brukt begrepet «multiple», altså flere uten å slå fast antall, men målet er alle seks frihetsgradene, sier Tørdal. 

Han har mange timer og måneder foran seg med programmering på PC-en og testing i mekatronikk-laben.

– Målet er at sensorer, programmering og matematikk skal fungere sammen. Du skal kunne trykke på en knapp, så fungerer alt, sier Tørdal. 

Tekst, foto og video: Morten Rosenvinge

UiA tilbyr både master- og bachelorutdannelse i mekatronikk

Våren 2016 starter byggingen av Mechatronics Innovation Lab (MIL) på campus Grimstad

Ny video; tre frihetsgrader: