Automating tank operations in smolt production – A concept study for automating tank cleaning using robotic arms

Abstract

Denne oppgaven tar sikte på å utforske muligheten for å bruke et nytt mobilt robot system for å automatisere identifiserte operasjoner i smoltproduksjonsanlegg. Arbeidet er gjort som en del av en masteroppgave ved NTNU Trondheim i samarbeid med SINTEF Ocean.

Et litteratursøk innen smoltproduksjon og lignende næringer er gjennomført. Teknologisk nivå og muligheter innenfor automatisering var spesielt vektlagt i søket. Basert på funnene fra litteraturen og en sammenligning av tilgjengelige kommersielle robotløsninger ble det definert en kravsspesifikasjon som videre ble brukt som grunnlag for det valgte robotsystemet.

Robotarmen av det definerte robotsystemet ble laget og simulert i Gazebo ved hjelt av det nettleserbaserte Robot Operating System (ROS) utviklingsmiljøet, ROS Development Studio. Dette innebar dataassistert design (CAD), Unified Robot Description Format (URDF) beskrivelser, ROS-konfigurasjoner av robotarm, simuleringsmiljø og kontrollere, og til slutt simuleringer med tilhørende resultater.

Matlab ble brukt til flermåls- baneplanlegging av identifiserte oppgaver innen smoltproduksjon. Dette inkluderte utvikling av en metode for å definere et ytre arbeidsområde (workspace) ved bruk av skruteori og uniform Monte Carlo metode, og algoritmer for å lage baner som var kompatible med det ROS kompatible bevegelsesplanleggings rammeverket, MoveIt. Videre ble bane-følging introdusert for å demonstrere forskjellige oppgaver som rengjøring, mating og griping ved hjelp av ROS og MoveIt.

Denne avhandlingen har lagt et godt grunnlag for videre utvikling og forskning innen bruk av robotsystemer i smoltproduksjon ved å skape en generisk tilnærming for å definere og simulere robotsystemer i Gazebo-simuleringsmiljøer og kartlegge hvor roboter bør brukes.

This thesis aims at exploring the possibility of using a novel mobile robotic manipulator system to automate identified operations within smolt production facilities. The work has been done as part of a masters thesis at NTNU Trondheim in collaboration with SINTEF Ocean.

A literature review within the field of smolt production and related industries with particular emphasis on a technological level and possibilities within automation has been conducted. Based on these findings and a comparative study of available commercial robotic solutions within relatable fields such as agriculture, oil and gas and various cleaning operations a requirement specification was defined to be used as a basis for the chosen robotic system.

The manipulator part of the defined novel robotic system was created and simulated in Gazebo using the online Robot Operating System (ROS) based environment ROS Development Studio. The development included Computer Aided Drawing (CAD) work, Unified Robot Description Format (URDF) descriptions, ROS configurations of manipulators, simulation environment and controls, and finally simulations and extraction of results.

Ultimately, Matlab was used for constrained multi-goal path planning of identified operations within smolt production. This included the development of an approach for defining a coarse workspace using screw theory and uniform Monte Carlo method, and algorithms for creating paths of MoveIt compatible poses. Path following was then introduced to demonstrate different operations such as cleaning, feeding and gripping using the ROS compatible motion planning framework MoveIt.

This thesis has laid a good foundation for further development and research within the use of robotic systems in smolt production by creating a generic approach for defining and simulating manipulators within Gazebo simulation environments and mapping of where robotic intervention efforts should be applied.