Tutkimus ja koulutus | 4.10.2017

Automaatio tuo helpotusta raskaiden työkoneiden kunnonvalvontaan

Automaatio tekee tuloaan raskaiden materiaalien käsittelyyn. Tuoreessa väitöstyössä on kehitetty kunnonvalvontamenetelmiä ja energiaystävällisiä ohjausratkaisuja tulevaisuudessa automatisoitaviin raskaisiin hydraulisiin robottimanipulaattoreihin.

Raskaiden materiaalien käsittelyssä yleisesti käytetyt hydraulisesti ohjatut työkoneet, kuten kuormaimet ja nosturit, halutaan automatisoida. Käytännössä tämä merkitsee sitä, että ihmistä ei enää tulevaisuudessa tarvittaisi tällaisten raskaiden työkoneiden ohjaamiseen.

Työkoneiden automaatio herättää kuitenkin monia kysymyksiä. Ensinnäkin, mitä näiden koneiden automaatio tarkalleen ottaen tarkoittaa; toiseksi, miksi nämä koneet pitäisi automatisoida; ja kolmanneksi, miten näiden koneiden automaatio toteutetaan. 

Lisää työn tuottavuutta ja parempaa laatua

Miksi kuormaaja kannattaa automatisoida? Merkittävin syy on tuottavuuden parantuminen, koska kone ei tunne väsymystä ja tekee tasalaatuista työtä. Toiseksi automatisointi saattaa alentaa käyttökustannuksia. Tämä on seurausta siitä, että ihmistä ei tarvita koneen ohjaamiseen. Kolmanneksi automaatio poistaa inhimillisten virheiden mahdollisuuden. Tämä on tärkeää, koska raskaisiin koneisiin liittyvät vakavat onnettomuudet johtuvat tutkimusten mukaan erityisesti inhimillisistä virheistä. Täten automatisointi saattaa vähentää vakavien onnettomuuksien riskiä. 

Miten työkone pitäisi sitten automatisoida, koska on olemassa eritasoista automaatiota? Aluksi pyritään kehittämään puoliautomaattisia toimintoja, sillä puoliautomaattinen työkone on merkittävä askel kohti autonomista konetta. Tässä käyttötapauksessa kuljettaja saattaa itse ohjata konetta, mutta hänen roolinsa on aiempaa pienempi. Tämä johtuu siitä, että tietokonealgoritmit toteuttavat koneen lopulliset liikkeet kuljettajan antamien käskyjen perusteella.

Tulevan kehityksen kannalta on myönteistä, että kaupallisilla markkinoilla on jo puoliautomaattisia raskaan materiaalin kuormaimia. Näihin kuormaimiin toteutetut puoliautomaattiset ohjausjärjestelmät auttavat erityisesti noviisikuljettajia, koska kuormaimen ohjaaminen on aiempaa yksinkertaisempaa. Tämän lisäksi tutkimuslaitoksissa kehitetään parhaillaan tekniikkaa, jolla voidaan automatisoida raskaiden kuormainten usein toistuvat rutiiniliikkeet.

Toisena merkkipaaluna kohti autonomista työkonetta on etäkäyttö. Etäkäytössä työkoneen ohjaamiseen tarvitaan ihmiskoneenkäyttäjä, mutta hänen ei tarvitse olla näköyhteydessä koneeseen. Esimerkiksi eräässä kaupallisessa sovelluksessa kuljettaja voi ohjata kuorma-auton kuormaajaa hytistä. Tässä sovelluksessa kuormaajaa ohjataan virtuaalilasien tuottaman kuvan perusteella, jolloin kuvankäsittelyalgoritmeilla saatetaan minimoida esimerkiksi sateen vaikutus kuljettajan työskentelynäkyvyyteen. Sovelluksen merkittävämpänä lisäarvona koneen ohjaaminen hytistä on turvallista ja usein miellyttävämpää kuin ulkoa käsin ohjaaminen.

Sekä puoliautomatisointi että etäkäyttöiset työkoneet vievät kohti työkoneen automatisointia, ihmisestä riippumattomaksi itsenäiseksi koneeksi. Tällä hetkellä emme ole kuitenkaan vielä lähellä tämän vaikean tavoitteen saavuttamista.

Kunnonvalvonta autonomisessa työkoneessa

Työkoneiden automatisoituessa tulee yhä tärkeämmäksi siirtää työkoneen kunnon arvioiminen tietokoneen vastuulle. Tämä johtuu siitä, että autonomisissa työkoneissa ei ole enää ihmiskuljettajaa. Työkoneiden automaation lisääntyessä kunnonvalvonnasta tulee kuitenkin helpompaa toteuttaa, koska esimerkiksi useisiin puoliautomaattisiin työkoneisiin asennetaan runsaasti erilaisia mitta-antureita.

Kunnonvalvonnan suorittaa työkoneessa oleva paikallinen tai etätietokoneelle keskitetty kunnonvalvontaohjelmisto, jonka päätehtävänä on tunnistaa työkoneen eri järjestelmien komponenttien vikatilanteet ja arvioida komponenttien jäljellä olevaa käyttöikää. Erityisesti tulevaisuudessa kunnonvalvontaohjelmisto saatetaan keskittää etätietokoneelle, jolloin kentän autonomisten työkoneiden kuntoa voidaan valvoa kätevästi yhdestä paikasta.

Kunnonvalvontaohjelmiston suurin mahdollinen hyöty on, että järjestelmäkomponentit voidaan vaihtaa nopeasti ja oikea-aikaisesti, todellisen huoltotarpeen mukaan. Tämä tarkoittaisi vähemmän turhia konehuoltoja ja toisaalta vähemmän odottamattomien konerikkojen aiheuttamia huoltotaukoja.

Kunnonvalvontaohjelmiston tärkein vaatimus on, että ohjelmiston pitää olla täysin luotettava. Vain tällöin viat pystytään ennakoimaan ja huoltokutsut voidaan lähettää korjaajille oikea-aikaisesti. Mikäli kunnonvalvonnan ohjelmisto on yhtään epäluotettava, ohjelmisto voi tuottaa vääriä vikahälytyksiä eikä kaikkia vikatilanteita havaita. Kunnonvalvonnan yleistyessä työkoneilta kerätystä datasta voitaneen kuitenkin koostaa kattavia vikatilastoja, joiden pohjalta kunnonvalvontaohjelmistojen luotettavuutta voidaan parantaa.

Työkoneautomaation muita teknisiä edellytyksiä

Automatisoitavan järjestelmän toiminnan mittaaminen on yksi automatisoinnin perimmäisistä edellytyksistä.  Tämä liittyy siihen, että mittauksilla korvataan ihmiskoneenkäyttäjän läsnäolon ja aistien puute automaattisissa koneissa. Esimerkiksi puukuormaajan liiketilasta ja muuttuvasta ympäristöstä tarvitaan useita mittauksia. Tarvittavien mittausten lukumäärä saattaa aiheuttaa ongelmia, koska monet mitta-anturit ovat kalliita, mahdollisesti vikaherkkiä ja hankalia asentaa.

Kuormaimen liikkeiden suunnittelu ja hallinta ovat myös automaation olennaisimpia vaatimuksia. Asiaa on tutkittu runsaasti, ja näihin vaatimuksiin on löydetty kuitenkin useita vakaita ja mukautumiskykyisiä sekä optimaalisia ohjausratkaisuja viime vuosikymmenten aikana. Esimerkiksi kuormaajan autonomisten liikkeiden suunnittelemiseksi on tarjolla optimaalisia ohjausratkaisuja, jotka pystyvät maksimoimaan kuormaimen liikenopeuden ja energiatehokkuuden.

Liikkeen suunnitteluvaiheessa määritellään kuormaimen tehtävä. Puukuormaimen saatetaan esimerkiksi haluta nostavan tukkeja maasta. Puukuormaajan tietokoneen on täten ensiksi opittava tunnistamaan nostettavat tukit, minkä jälkeen reitti, jota pitkin kuormaaja voi liikkua lähtöpisteestään kohti tukkeja, lasketaan etukäteen tai reaaliaikaisesti. Suunniteltua reittiä pitää muuttaa, kun reitille ilmestyy esteitä.

Seuraavaksi kuormaajan tietokoneen pitää toteuttaa suunniteltu liike tukkikuorman luo mahdollisimman tarkasti ja mieluiten energiatehokkaasti ja nopeasti. Kuormaajan on myös osattava tarttua haluttuun puukuormaan. 

Näiden perimmäisten edellytysten lisäksi autonomisen kuormaajan kehittämisen teknisiin edellytyksiin kuuluvat myös autonomian mahdollistavan tekoälyn kehittäminen sekä autonomisen järjestelmän ohjelmointi. Esimerkiksi itsenäisesti oppivan tekoälyn kehittäminen kuormaustehtäviin on merkittävä ongelmavyyhti. 

Eräs kuormauksen haaste, johon tällä hetkellä paras tekoäly saattaa pystyä, on nostettavien tukkien tunnistaminen. Tämä johtuu siitä, että tällä hetkellä tekoäly toimii parhaiten erilaisissa tekstin, äänen, kuvan ja toiminnan tunnistustehtävissä. Paljon tätä haastavampi vaatimus on tekoälyn opettaminen täysin itsenäiseen työhön, varsinkin vaativassa metsäympäristössä.

Työkoneiden automaatio on tätä päivää ja osa tulevaisuuttamme. Yllä oleva pohdiskelu osoittaa, että työkone voidaan automatisoida monin eri tavoin ja, että automatisointiin liittyy useita monitahoisia vaatimuksia, kunnonvalvonnasta tekoälyyn. Vaikka osaan teknisistä vaatimuksista on olemassa kelpo ratkaisuja, niin yhä vaaditaan paljon tutkimus- ja kehitystyötä ennen kuin voidaan kehittää työkone, joka osaa toimia tehtävässään yhtä hyvin itsenäisesti kuin nyt ihmisen kanssa.

Teksti: Jarmo Nurmi, Tampereen teknillinen yliopisto, jarmo.nurmi@tut.fi

Kohti raskaiden työkoneiden täysautomaatiota

Tulevaisuudessa ihmistä ei välttämättä enää tarvita raskaan työkoneen ohjaamiseen. Ennen kuin tämä on mahdollista, tarvitaan kuitenkin paljon hydraulisesti ohjattujen robottimanipulaattorien automatisointia käsittelevää tutkimus- ja kehitystyötä.

Kesäkuussa väitellyt diplomi-insinööri Jarmo Nurmi kehitti automaatiotekniikan alaan kuuluvassa väitöskirjassaan tyypillisille hydraulisille robottimanipulaattoreille soveltuvia uusia, nostotaakasta riippumattomia kunnonvalvonnan menetelmiä.

Nurmen mukaan uudet, nostotaakasta riippumattomat kunnonvalvontamenetelmät tunnistavat yleiset komponenttiviat, kuten hydraulinesteen vuodot manipulaattorin hydraulijärjestelmässä.

Hydraulisille robottimanipulaattoreille suunniteltiin väitöstutkimuksessa myös ohjausratkaisuja, jotka merkittävästi vähentävät hydraulijärjestelmien energiankulutusta.

Väitöstutkimuksessa ehdotettuja menetelmiä voidaan tulevaisuudessa käyttää automatisoitaviin raskaisiin hydraulisiin robottimanipulaattoreihin, joissa tyypilliset ohjausliikkeet on toteutettu automaattisesti tietokoneohjauksella.

– Menetelmiä voidaan soveltaa esimerkiksi metsätraktorien eli ajokoneiden hydraulisiin puukuormaimiin ja kuorma-autojen kuormausnostureihin, erityisesti erilaisille teleskooppinostureille, Nurmi sanoo.

Uusimmat artikkelit

23.5.2018 | Alan Uutiset

ABB:lle Promaintin Yritysinnovaatio 2018 -palkinto Pohjoinen Teollisuus -messuilla

Kunnossapitoyhdistys Promaint ry ja Suomen Messusäätiö jakoivat vuoden 2018 yritysinnovaatio- ja opinnäytetyöpalkinnot Pohjoinen Teollisuus -messutapahtumassa Oulussa. Tämän vuoden yritysinnovaatiopalkinto myönnettiin ABB Oy:lle. Palkinnon vastaanotti Suomen ABB:n toimitusjohtaja Pekka Tiitinen.

21.5.2018 | Tutkimus ja koulutus

Suomalainen innovaatio vähentää öljyjätteen määrän puoleen

Fluid Intelligence on valittu Business Finlandin ja hallituksen CleanWeb-kärkihankkeeseen. Samalla Business Finland myönsi rahoitusta yrityksen tutkimus- ja innovaatiotoiminnan kiihdyttämiseen.

Digitaalisuus mullistaa metsäteollisuuden - Promaint-lehti

Metsä elää uuden ajan kynnyksellä. Digitaalisuus mullistaa alan ja tuo metsäteollisuuteen ennennäkemättömiä ratkaisuja, jotka tekevät metsistä entistä älykkäämpiä. Metsästä voidaan kerätä tietoa innovatiivisin tavoin, ja älykästä metsien tarjoaman datan avulla pystymme optimoimaan metsien hoidon ja käytön. Virtuaalimetsät tekevät myös tuloaan.

Suomalainen insinöörityöpalkinto sähköisten voimansiirtojärjestelmien kehittäjätiimille

Suomalainen insinöörityöpalkinto 2018 myönnettiin TkT Kimmo Raumalle, DI Tero Järveläiselle, DI Matti Iskaniukselle, TkT Antti Tarkiaiselle ja TkT Risto Tiaiselle. TEKin ja TFiFin myöntämä 30 000 euron palkinto tuli älykkäiden sähköisten voimansiirtojärjestelmien kehittämisestä ja toteuttamisesta lappeenrantalaisessa Visedo Oy:ssä.

Työturvallisuuden vuositilasto 2017: Suurimmat haasteet sotealalla, kasvuyrityksissä ja ihmisten asenteissa

Työturvallisuuden suurimmat haasteet ovat sotealalla, kasvuyrityksissä ja ihmisten asenteissa. Tuoreen tilaston mukaan vain joka viides suomalaisyritys huolehtii työturvallisuudesta hyvin.

Caverion vastaamaan Pohjoismaiden toiseksi suurimman avoimen palvelinkeskuksen valvonnasta ja ylläpidosta

Caverion ja Telia Finland ovat tehneet sopimuksen Telian rakennuttaman uuden Helsinki Data Centerin valvonnasta sekä kiinteistön ylläpidosta. Helsingin Pitäjänmäkeen valmistuva avoin palvelinkeskus on Pohjoismaiden turvallisin, energiatehokkain ja ympäristöystävällisin.