Robottiautojen kehittäminen on haastavaa, mutta autonomisten liikkuvien työkoneiden, kuten vaikkapa tunneleissa toimivien porauslaitteiden, kehittäminen on monessa mielessä vielä haastavampaa. Liikkumisen lisäksi autonomisen työkoneen pitää pystyä tekemään tuottavaa työtä, esimerkiksi poraamaan reikiä kallioon tai nostelemaan kontteja tai tukkeja, alustassa kiinni olevalla robottimaisella työkalulla.

Yksittäisten laitteiden lisäksi on kehitettävä myös kokonainen tunnelinporausautomaatio, jossa useampi porausrobotti työskentelee yhtä aikaa samassa tunnelissa. Robottien pitää osata välttää törmäyksiä sekä tunneliin että toisiinsa ja tunnistaa poikkeustilanteita. Niiden pitää toimia tilanteessa, jossa yksi roboteista vikaantuu tai jää jälkeen sille suunnitellusta tehtävästä.

Tuomo Kivelä tutki väitöskirjatyössään tällaisten työkoneiden monirobottijärjestelmän rakennesuunnittelua sekä käytönaikaisten törmäysten estoa.

Hän kehitti robottimanipulaattorin eli sarjatyyppisen robottikäsivarren rakenteen optimointimenetelmiä laskennallisten menetelmien avulla.

- Optimoitu robottikäsivarren rakenne muun muassa yksinkertaistaa sen ohjausta, parantaa laitteen tuottavuutta ja vähentää tarvittavaa tuotevariaatioiden määrää, Kivelä kertoo.

Väitöstyössä raskaille työkoneille kehitettiin myös digitalisoituun tunneliympäristöön perustuvia edistyksellisiä ohjausratkaisuja. Ratkaisut mahdollistavat sen, että samassa tunnelissa työskentelevät työkoneet voivat liikkua tunnelissa automaattisesti ja keskeytyksettä haluttuun paikkaan. Järjestelmä pystyy myös välttämään työkoneiden törmäyksiä ja etsimään niille tarvittaessa uuden, vaihtoehtoisen kulkureitin.

Tuomo Kivelän kehittämät menetelmät on suunniteltu vaativassa tunneliympäristössä, jossa ihmisen kapasiteetti ei riitä esimerkiksi neljän robotin kaikkien mahdollisten törmäysten ennakoimiseen.

Menetelmät soveltuvat myös yksikertaisempiin automaattisiin robottijärjestelmiin, kuten puutavaranostureihin ja perinteisiin robottisoluihin, joiden mahdolliset törmäyskohdat, kuten esimerkiksi lattia ja liikealue, ovat helpompia ennakoida.

Yhteistyössä teollisuuden kanssa

Tuomo Kivelä on ensimmäinen, joka valmistuu TTY:n vuonna 2014 perustamasta Teollisuuden innovaatioiden tohtorikoulusta (DSII). Tohtorikoulussa yhdistyvät uudella tavalla väitöskirjatyö, perehtyminen innovaatiomenetelmiin, liiketoimintahaasteiden ratkaiseminen sekä ammatillisten verkostojen luominen.

Kivelän väitöstyö on tehty tiiviissä yhteistyössä Sandvikin kanssa. Työn tieteellinen ohjaus on tullut yliopistosta.

- Toimintamalli, jossa tutkimus yhdistetään tuotekehitykseen ja liiketoimintaan, osoittaa kuinka yhteistyö yritysten ja yliopistojen välillä voi parhaimmillaan toimia, iloitsee Sandvik Miningsin tutkimus- ja teknologiajohtaja Jani Vilenius.

Teollisuuden innovaatioiden tohtorikouluun valitaan vuosittain 6 - 10 uutta jatko-opiskelijaa ja yritysaihetta. Tällä hetkellä yrityskumppaneina mukana ovat muun muassa Bosch Rexroth (Saksa), Ekokumppanit, FIMA ry, Koja, Metsäteho, Parmaco, Sandvik, SSAB, Suomen Hyötytuuli, Vaisala, Volvo CE (Ruotsi) ja Wärtsilä.