Mechanical design of a telepresence robot for instructional use

Abstract

Telepresence robots are a well-established way to enable communication and in person contact between one or multiple people over distance. Compared with more common telecommunication methods a physical device presenting the operator in the location allows more established and natural communication and interaction with the environment. Some of the main limitations in the use of telepresence robots are the costs associated and the lack necessary functionality for some intended use cases. Multiple available solutions offer cost-effective way for communication in business and event-oriented situations but leave lot to be desired in aspects requiring physical interaction capability with the surroundings or in social gesturing. This can be solved by the addition of a manipulator to the robot construction.

Availability of budget-oriented telepresence robots including the ability to manipulate objects is sparse and lack functionality required in a prototyping laboratory and academic use. Additional aspects such as modularity, modifiability and transportability are wanted from such robot and can be realised with a new design.

In this thesis a solution for affordable and self-assembled telepresence robot platform is designed concentrating on the mechanical design and prototype manufactured based on requirements and wishes presented by the JHC staff. Security aspects concerning such telepresence robots and small mobile manipulators are evaluated and discussed to allow inherently safe mechanical design. A construction based on plywood and commonly available components is realized and the manufacturability and the assembly of the required components discussed.

Telepresence-robotit ovat vakiintuva tapa mahdollistaa viestintä ja yhteys yhden tai useamman ihmisen välillä. Verrattuna yleisempiin kommunikaatiomenetelmiin fyysisen operaattoria edustavan laitteen läsnäolo sallii luonnollisemman viestinnän ja vuorovaikutuksen ympäristön kanssa. Huomattavimmat rajoitukset telepresence-robottien käytössä ovat kustannukset ja mahdollisten toivottujen toimintojen puute. Useat saatavilla olevat ratkaisut tarjoavat kustannustehokkaan tavan kommunikoida liiketapaamis- ja tapahtumapainotteisissa tilanteissa, mutta jättävät toivomisen varaa tilanteissa, jotka edellyttävät fyysistä vuorovaikutusta ympäristön kanssa tai sosiaalisten eleitten välittämistä. Tämä voidaan ratkaista sisällyttämällä manipulaattori robotin rakenteeseen.

Edullisten telepresence-robottien, varsinkin manipulointiin kykenevien, saatavuus on rajattua ja näillä tuotteilla ei usein ole prototyyppilaboratoriossa ja akateemisessa käytössä tarvittavaa toiminnallisuuskokonaisuutta. Tämänlaisessa ympäristössä robotilta vaaditaan ominaisuuksia, kuten modulaarisuutta, muunneltavuutta ja kuljetettavuutta. Nämä tarpeet voidaan toteuttaa suunnittelemalla uusi ratkaisu, joka ottaa ne huomioon.

Tässä opinnäytetyössä suunnitellaan telepresence-robotti päämääränä edullisen ja itse koottavan ratkaisun mekaaninen suunnittelu ja sen pohjalta prototyyppi, joka valmistetaan JHC:n henkilöstön vaatimusten ja toiveiden perusteella. Tällaisten telepresence-robottien ja pienikokoisten liikkuvien manipulaattoreiden turvallisuusnäkökohtia käydään läpi työn ohessa, jotta mahdollistetaan luonnostaan turvallinen mekaaninen suunnittelu. Vaneriin ja muihin yleisesti saatavilla oleviin komponentteihin perustuva rakenne toteutetaan työssä ja valmistuksessa tarvittavien komponenttien valmistettavuutta ja laitteen kokoonpanoa käydään läpi.