Loppuraportti. Virtuaalisuunnitteluympäristön kehittäminen työkoneohjaamojen suunnitteluun (VIKSU)

Transkriptio

1 Loppuraportti Virtuaalisuunnitteluympäristön kehittäminen työkoneohjaamojen suunnitteluun (VIKSU) Tammikuu 2012

2 2 Tiivistelmä Virtuaalisuunnitteluympäristön kehittäminen työkoneohjaamojen suunnitteluun (VIKSU) hankkeen taustalla on Seinäjoella toimiva Tampereen teknillisen yliopiston. Laboratoriota johtaa professori Asko Ellman. Aiemmissa tutkimusprojekteissa on syntynyt mittava kokemus työkoneohjaamoiden virtuaalisesta suunnittelusta ja testauksesta, jota VIKSU hankkeen aikana laajennettiin synnyttämällä ja levittämällä uutta tutkimustietoa. Tämä loppuraportti kuvaa VIKSU hankkeen toimintaa ja tuloksia. Hankkeen aikana toteutettiin Open source periaatteella ohjelmisto, joka mahdollistaa myös lähellä olevien kohteiden tarkastelun oikeassa mittasuhteessa ja haasteellisten vuorovaikutustekniikoiden reaaliaikaisen käytön virtuaaliympäristössä. Lisäksi toteutettiin katseenpaikannusjärjestelmän prototyyppi, joka antaa uusia työkaluja käyttöliittymän kehittämiseen. Toteutettuja ratkaisuja arvioitiin käyttäjätestein, joiden avulla saatiin uutta tietoa immersiotasojen vaikutuksesta ja virtuaalitilan soveltamisesta käytännössä tapahtuvaan tuotetestaamiseen. Projektissa kehitetyt teknologiat ja suunnittelumenetelmät toivat hankkeessa mukana olleille yrityksille mahdollisuuden parantaa tuotekehitysmenetelmien tasoa. Myös talousalueen muut yritykset pääsevät soveltamaan kehitettyä teknologiaa kohtuullisin panoksin. Tutkimuksen rahoituksesta ovat vastanneet Tekes (Länsi-Suomen EAKR-ohjelman toimintalinja 2, Innovaatio-toiminnan ja verkostoitumisen edistäminen sekä osaamisrakenteiden vahvistaminen ) sekä osallistuneet yritykset, jotka suunnittelevat ja valmistavat työkoneohjaamoja ja niiden osia. Sisältö 1 Yleistä Tavoitteet Tulokset työpaketeittain WP1 Virtuaaliobjektien renderöinnin kehittäminen WP2 Katseenpaikannus WP3 Käyttäjäkokemuksen ymmärtäminen WP4 Ohjaamosuunnittelu Case Spin-off yritys Savant Simulators Oy Tuloksista tiedottaminen Yleistajuisesti Tietoprovinssi-tapahtumassa Julkaisut ja opinnäytetyöt... 10

3 3 1 Yleistä Liikkuvat työkoneet on Suomen merkittävimpiä teollisuudenaloja. Suomessa valmistetaan työkoneita hyvin erilaisiin tarkoituksiin ja ympäristöihin. Näissä koneissa on kuitenkin paljon samankaltaista teknologiaa ja niiden ohjaamojen suunnittelussa joudutaan ratkaisemaan monia samantyyppisiä käytettävyyteen liittyviä kysymyksiä. Liikkuvista työkoneista esimerkkejä ovat metsäkoneet, kaivoskoneet, trukit sekä teollisuus- ja satamanosturit. Etelä-Pohjanmaalla on yrityksiä kuten Rautaruukki Oy Kurikan tehdas sekä Maaseudun Kone Oy, jotka suunnittelevat ja valmistavat työkoneohjaamoja ja niiden osia. Näille yrityksille meneillään oleva kehitys luo erityisiä paineita, mutta myös mahdollisuuksia kehittyä alihankkijoina. 2 Tavoitteet Projektin ensisijaisena tavoitteena on uuden tutkimustiedon synnyttäminen ja levittäminen liittyen työkoneohjaamojen virtuaaliseen suunnitteluun ja testaukseen. Projektin toisena tavoitteena on lisätä tutkimusryhmän osaamista liittyen työkoneohjaamojen virtuaaliseen suunnitteluun ja testaukseen sekä vakiinnuttaa tutkimusryhmän toimintaa Etelä- Pohjanmaalla. Tutkimusryhmällä on jo merkittävää ohjaamosuunnitteluun liittyvää osaamista, joka tekee mahdolliseksi osallistua kansallisiin ja kansainvälisiin hankkeisiin. Projektin kolmantena tavoitteena on tuoda uutta teknologiaa ja uusia menetelmiä projektissa mukana olevien yritysten käyttöön, jotta ne pystyvät parantamaan tuotteidensa ja palvelujensa laatua. Tavoitteena on lisäksi pyrkiä laajasti aktivoimaan Etelä-Pohjanmaan yritysten mielenkiintoa uuden teknologian tuomiin mahdollisuuksiin. Projektissa kehitettävät ratkaisut ovat geneerisiä ja siten sovellettavissa myös muihin samankaltaisiin järjestelmiin. Projektiin sisältyy sovellus, jonka avulla todennetaan kehitetyn menetelmän/ järjestelmän toimivuus. 3 Tulokset työpaketeittain Hankkeessa oli neljä työpakettia ja seuraavassa tulokset esitellään työpaketeittain. 3.1 WP1 Virtuaaliobjektien renderöinnin kehittäminen PC-hardwarella toimivat immersiiviset virtuaaliympäristöt ovat vieläkin verraten uusi asia ja tarkoitukseen soveltuvia ohjelmistoja on edelleen vähän markkinoilla. Aiemmin käytetyn ohjelmiston merkittävin ongelma ohjaamosuunnittelun kannalta on ollut lähellä olevien kohteiden perspektiivin vääristyminen.

4 4 TULOS WP1: Toteutettiin Open source ohjelmisto, joka mahdollistaa myös lähellä olevien kohteiden tarkastelun oikeassa mittasuhteessa ja haasteellisten vuorovaikutustekniikoiden reaaliaikaisen käytön virtuaaliympäristössä. Työkalun kehityksessä pitäydyttiin avoimen lähdekoodin ratkaisuissa, jotta sovellettava teknologia on mahdollisimman valmista sitä soveltaville yrityksille. Samalla mahdollistetaan erilaisten VR-maailman vuorovaikutus-tekniikoiden parempi hallinta, kun Virtoolsiin liittyvät rajoitukset voidaan ohittaa. Tässä ratkaisussa myös yritykset voivat säästää kustannuksia, kun niiden ei tarvitse hankkia varsin kallista Virtools Publisher -lisenssiä. Aluksi tutkittiin toteutusvaihtoehtoa, jossa Virtoolsin renderöinnistä vastaava osa (Virtools Publisher) olisi korvattu itse koodatulla renderöinti-moottorilla. Toimivammaksi ratkaisuksi ja käytettävyydeltään paremmaksi todettiin jo alkuvaiheessa kuvan 1 mukainen asiakas-palvelinarkkitehtuurin ratkaisu. Esimerkissä on kuvattu kolmen seinän projektio visualisointi-klusterilla. Renderöinti kullekin näytölle tapahtuu omissa säikeissään (GPU). Rendering Engine Hydrassa on Ogre3D, johon on itse lisätty tuki useammalle koneelle, näytön-ohjaimelle ja VR laitteille. Kolmelle ruudulle (wall) tarvitaan kaksi prosessia eli kuvan slave ja master. Kahdelle ruudulle (ja yhdelle näytönohjaimelle) tarvittaisiin vain yksi prosessi (eli master). Kuva 1. Renderöintiratkaisun rakenne. Virtuaaliobjektien renderöinnin kehittäminen ja Hydra ohjelmiston kehittäminen osoittautui merkittäväksi palaksi 3D visualisoinneissa aiemmin ilmenneiden ongelmien ratkaisemisessa. Tämän työpaketin osalta ohjelmiston hyödyntäminen ja kehittäminen jatkuu VIKSU hankkeessa työskennelleen kolmen tutkijan perustaman spin-off yrityksen Savant Simulators Oy:n toiminnan muodossa.

5 5 3.2 WP2 Katseenpaikannus Käyttöliittymätestauksessa yksi usein käytetty teknologia on katseen paikannus. Sen ajatuksena on seurata, mihin testattava henkilö kohdistaa katseensa toimintojen eri vaiheissa. Tyypillisesti tämä toteutetaan testihenkilön päähän asetettavan kameran ja silmän liikkeitä seuraavan toisen kameran avulla. Työpaketin tavoitteena oli kehittää prototyyppi virtuaaliympäristössä käytettävästä katseenseurantajärjestelmästä n virtuaaliympäristöön ja testata sen toimivuus. TULOS WP2: Toteutettiin katseenpaikannusjärjestelmän prototyyppi, joka antaa uusia työkaluja käyttöliittymän kehittämiseen. Ratkaisun kaupallistamista suunnitellaan. Laitteistoratkaisuna oli videokameran ja valaistuksen infrapunaledien kiinnittäminen virtuaaliympäristössä käytettäviin 3D-laseihin ja videon kaappaaminen USB-videokaapparilla. Ohjelmisto toteutettiin käyttäen apuna työpöytäkäyttöön tarkoitettua katseenseurantaohjelmaa nimeltä Gaze Tracker. Kehitetty katseenpaikannusjärjestelmän prototyyppi on esitetty yleisellä tasolla kuvassa 2. Kameran raakavideo kaapataan USB-videokaapparilla, joka saa kameran näkymään Gaze Tracker-ohjelmalle web-kamerana. Gaze Tracker tunnistaa videosta pupillin keskikohdan ja laskee katseen osumakohtaa vastaavan pikselikoordinaatin näytöllä, jolle se on kalibroitu. Oma ohjelma laskee OptiTrackin tarjoaman pään paikan ja orientaation sekä Gaze Trackerin pikselikoordinaattien avulla silmän paikan ja orientaation eli katseen suunnan virtuaaliympäristössä. Oma ohjelma tarjoaa laskennan tulosta sitä tarvitseville VRPN palvelimena. Hydra vastaanottaa katseen dataa ja tallentaa sitä sekä piirtää sitä virtuaaliympäristöön. Kuva 2. Katseenpaikannusjärjestelmän rakenne.

6 6 Järjestelmää testattiin kehitystyön aikana manuaalisesti ja ohjelmallisesti. Lopuksi suoritettiin käyttäjätestauksen pilotti ja varsinainen käyttäjätestaus yhteensä kuudella käyttäjällä järjestelmän toimivuuden osoittamiseksi ja suurimpien jatkokehitystarpeiden tunnistamiseksi. Kehitetyn prototyypin katseenseurannan tarkkuus oli esittelytarkoitukseen riittävä ja latenssi hyvä. Järjestelmän vaste oli lähes reaaliaikainen. Myös järjestelmän merkittävimmät ongelmat tunnistettiin, joista tärkein oli ohjelmiston hankala käytettävyys järjestelmää käyttävän henkilökunnan kannalta. 3.3 WP3 Käyttäjäkokemuksen ymmärtäminen Kun tuotteiden prototyyppejä annetaan käyttäjien arvioitavaksi, on tavoitteena saada käyttäjien kokemus suunnittelijoille ja siten parantaa tuotteiden soveltuvuutta käyttötilanteisiin. Tyypillisesti kun käyttäjiltä koekäyttötilanteissa kysytään kommentteja tuoteprotosta, niin keskustelu ei kohdistu tuotteen kehittämiseen vaan käyttäjän opastamiseen uuden tuotteen käyttöön. Tämä ei anna toivottua tietoa tuotesuunnitteluprosessiin. Työpaketin tavoitteena oli käyttäjäkokemuksen ymmärtäminen yhteistyössä Tampereen yliopiston Tietojenkäsittelytieteen laitoksen FT Tarja Tiaisen tutkimusryhmän kanssa. TULOS WP3: Saavutettiin uutta tietoa immersiotasojen vaikutuksesta ja virtuaalitilan soveltamisesta käytännössä tapahtuvaan tuotetestaamiseen. Käyttäjäkokemusta arvioitiin testikuljettajien avulla Tampereen teknillisen yliopiston virtuaalilabran tiloissa (katso kuva 3). Yhteensä testikuljettajina oli 25 henkilöä, jotka olivat vuotiaita miehiä (keskiarvo 30 vuotta). Osa testikuljettajista oli konesuuntautuneita ammatillisen koulutuksen oppilaita ja opettajia, osa teknillisen yliopiston opiskelijoita. Toisilla testikuljettajilla oli enemmän ja toisilla vähemmän kokemusta isojen työkoneiden ajamisesta. Käyttäjätesteissä suoritettiin tietyllä virtuaalisella koneella (katso kuva 4) ennalta määritelty tehtävä, joka oli siirtää kiviä paikasta toiseen. Käyttäjäkokemusta pyrittiin arvioimaan sekä mitattuna suoriutumisena (esimerkiksi koneella perille vietävien kivien määrä) että käyttäjän kokemuksena tilanteesta. Käyttäjätestien alkaessa taustaoletuksemme oli, että immersiotasojen lisääminen virtuaalitilaan kasvattaisi myös käyttäjien kokemaa läsnäolon (presence) tuntemusta molemmissa ryhmissä. Tulokset eivät tukeneet täysin tätä oletusta. 2D tilasta 3D tilaan siirtyminen ei merkittävästi lisännyt läsnäolon kokemusta, mutta sen sijaan liikealustan aktivoimisella (penkin liikkuminen koneen liikkeiden mukana) oli tämä vaikutus. Kokeneiden kuljettajien ryhmässä liikealustan aktivoimisen vaikutus oli suhteessa isompi kuin kokemattomien kuljettajien ryhmässä. Liikealustan aktivoiminen lisäsi koneen törmäysten määrää luolaston seiniin molemmissa ryhmissä. Samalla liikealustan aktivoiminen paransi kokeneempien kuljettajien suoritusta ja lisäsi lastattujen kivien määrää. Kokemattomampien kuljettajien ryhmässä liikealustan käyttäminen sen sijaan heikensi suoritusta.

7 7 Yhteenvetona tuloksista voidaan todeta, että testatun kaltaisissa simulaattoreissa todennäköisesti liikealustan kehittäminen on parempi investointi kuin 3D grafiikan ottaminen käyttöön. Tätä johtopäätelmää vahvistaa se, että kokeneet kuljettajat sekä kokivat koneen liikealustan kanssa paremman tuntuiseksi että myös menestyivät paremmin annetuissa tehtävissä. Lisäksi tutkimusosuuden tulokset tuovat uutta menetelmällistä tietämystä käyttäjien käsitysten tutkimisesta ja testikäyttöjen yhdistämisestä siihen. Kuva 3. Testeissä käytetty Tampereen teknillisen yliopiston virtuaalilabra. Kuva 4. Sisänäkymä testeissä käytetystä virtuaalisesta koneenohjaamosta. 3.4 WP4 Ohjaamosuunnittelu Case Hankkeessa kehitettyä teknologiaa ja menetelmiä sovelletaan case-kohteessa, joka kohdistuu jonkin työkoneen uuden ohjaamomallin ja siihen toteutettavan käyttöliittymän suunnitteluun. Tutkimusosuus koostuu useasta vaiheesta, jossa työkoneen ja sen ohjaamon ja käyttöliittymän suunnitelmaa kehitellään käyttäen aluksi yksinkertaisia malleja ja lopulta hyvin yksityiskohtaisia malleja, jotka sisältävät toiminnallisuuksia ja vuorovaikutuksia. Testauksessa käytetään hyväksi liikealustaa, jolloin ohjaamotestausta voidaan tehdä todellisuutta vastaavissa dynaamisisssa olosuhteissa. TULOS WP4: Projektissa kehitetyt teknologiat ja suunnittelumenetelmät toivat hankkeessa mukana olleille yrityksille mahdollisuuden parantaa tuotekehitysmenetelmien tasoa melko pienellä soveltamisella. Ohjaamosuunnittelusovellusta käytettiin todentamaan miten virtuaalisuunnittelu ja siihen hankkeessa kehitetyt tekniikat soveltuvat työkoneohjaamon suunnitteluun (esimerkkejä kuvissa 5 ja 6). Rautaruukki ja Sandvik pääsivät kokeilemaan virtuaalista ohjaamosuunnittelua omissa projekteissaan. Kokeilu oli onnistunut ja Sandvik päätti hankkia oman VR-laitteiston, Rautaruukki pyrkii hyödyntämään SeAMKin CAVEa tähän tarkoitukseen.

8 8 Kuva 5. Konttisatama-sovellus. Kuva 6. Sisänäkymä koneenohjaamosta. 4 Spin-off yritys Savant Simulators Oy VIKSU hanke johti spin-off yrityksen Savant Simulators Oy:n perustamiseen. Yrityksen perustivat kolme hankkeessa työskennellyttä tutkijaa: Joonatan Kuosa, Ville Lepokorpi ja Antti Itäsalo. Savant Simulators Oy on käyttäjäkeskeisiä tuotekehityssimulaattoreita valmistava yritys. Tarkoituksena on nopea virtuaalinen prototypointi CAD-malleista. Savant simulators tarjoaa virtuaalisuunnittelupalvelua tuotekehitysprojekteihin ja pienempiin katselmuksiin. Yritys keskittyy erityisesti virtuaalisuunnitteluun, jonka käyttökohteita ovat: ohjaamoiden, hallintalaitteiden ja huollettavuuden suunnittelussa; näkyvyystarkasteluissa ja ulottuvuustarkasteluissa; käyttäjä/käytettävyystutkimuksissa. Hydra on VIKSU hankkeen aikana kehitetty Open source ohjelmisto virtuaalisuunnitteluun. Savant Simulators hyödyntää ja kehittää tätä ohjelmistoa edelleen. Hydra on hyvä pohja tähän, sillä se on muuntumiskykyinen eri käyttötilanteisiin. Koska Savant Simulators käyttää itse kehitettyä ohjelmistoa, yrityksellä on suuri tieto-taito tekniikasta ja sen taipuvuudesta eri käyttötarpeisiin. Savant Simulators:n tuotekehityssimulaattorin ansiosta vitruaalisen prototyypin valmistus on mahdollista heti esisuunnitteluvaiheessa, jolloin konetta voidaan tarkastella käyttäjän näkökulmasta. Ongelmana perinteisessä suunnittelussa on ollut alkuvaihesuunnittelun ja prototyypin valmistukseen väliin jäävä aika. Valmista tuotetta on voitu tarkastella käyttäjän näkökulmasta vasta prototyypin valmistuttua ja vasta tässä vaiheessa on havaittu mahdolliset suunnitteluvirheet.

9 9 5 Tuloksista tiedottaminen 5.1 Yleistajuisesti Tietoprovinssi-tapahtumassa Seinäjoella järjestettiin syyskuussa 2011 Tietoprovinssi-tapahtuma. Tietoprovinssi on eteläpohjalaisille tarkoitettu tiedepäivä, jossa on mahdollisuus tutustua maakunnassa tapahtuvaan tutkimukseen, kehittämiseen ja koulutukseen. Tietoprovinssissa oli yleisöluentoja, avoimia ovia laboratorioihin, hankkeiden ja tutkimusten esittelyä sekä mahdollisuuksia osallistua tutkimuksen tekoon. Tarjontaa on pitkin päivää eri-ikäisille ja erilaisista asioista kiinnostuneille. Eniten tarjontaa on Framissa. Lisäksi tekemistä ja nähtävää oli ainakin Foodwestin, keskussairaalan, Seinäjoen kirjaston ja maakuntamuseon tiloissa. Tapahtuman vetovastuu oli Etelä-Pohjanmaan korkeakouluyhdistyksellä. Eurooppalaiseen Tutkijoiden yö tapahtumaideaan perustuvan Tietoprovinssin tavoitteena oli tehdä tutkimuksen tekemistä tutuksi suurelle yleisölle, joten se soveltui hyvin myös VIKSU hankkeen esittelemiseen. Pystytimme tapahtuman ajaksi Framiin kevyen laitteiston, jonka avulla voimme demota virtuaalisen ohjaamosuunnittelun ideaa (kuvat 7 ja 8). Käytössä oli yksi taustaprojektori ja kevyt näyttöpinta, jonka kuva oli nähtävissä 3D lasien avulla. Lisäksi esittelimme Tampereen teknillisen yliopiston virtuaalilabraa kahden videon avulla. Vierailijoita esittelypisteessämme kävi tasaisesti ja useimpia kiinnosti 3D tekniikan hinta suhteessa sen tuomiin mahdollisuuksiin. Valintamme esitellä sekä kevyttä laitteistoa että videoita labrasta toi hyvän pohjan keskustelulle erilaisista toteutusmahdollisuuksista. Virtuaalisuunnittelu ja sen mahdolliset sovelluskohteet olivat toistuvasti pohdinnassa. Myös paikalliset koneenrakentamiseen liittyvät yritykset ja niiden merkitys alueen kehitykselle olivat puheenaiheena vierailijoiden kanssa. Tavoitteena on vielä myöhemmin tiedottaa laajemmin hankkeen tuloksista paikallisille yrityksille ja muulle yleisölle esimerkiksi tiedotusvälineiden avustuksella. Kuva 7. Yleisnäkymää Tietoprovinssitapahtumasta (Kuva: Seinäjoen yliopistokeskus) Kuva 8. Virtuaalisuunnittelun esittelyä liikuteltavalla laitteistolla (Kuva: Seinäjoen yliopistokeskus)

10 Julkaisut ja opinnäytetyöt Hankkeessa on tehty neljä julkaisua, jotka on jo esitetty tieteellisissä konferensseissa. 1. Tiainen, T., Ellman, A. and Kaapu, T. (2011). Three Frames for Studying Users in Virtual Environments: Case of Simulated Mobile Machines th IEEE/ACM International Symposium on Distributed Simulation and Real Time Applications , Salford UK. 2. Kuusisto, J., Ellman, A., Kaapu, T. and Tiainen, T. (2011). Effect of the Immersion Level of a Virtual Loader Simulator on the Sense of Presence. ASME 2011 World Conference on Innovative Virtual Reality (WINVR2011), June 27-29, 2011, Milan, Italy. 3. Kaapu, T., Ellman, A. and Tiainen, T. (2011). Studying Users and Virtual Prototyping in Machine Design. In Leino, T. (Ed.) Proceedings of IRIS 2011, Turku. TUCS Lecture Notes No 15, pp Tiainen, T. and Kaapu, T. (2011). Oppilaiden ja opettajien käsitykset virtuaalisesta kaivoskoneesta. Interaktiivinen tekniikka koulutuksessa, ITK tutkijatapaaminen, Hämeenlinna , (Parhaan paperin palkinto), 8 p. Hankkeen aikana kirjoitetuista papereista on myös tarjottu julkaistavaksi kolme käsikirjoitusta. 1. Kuusisto, J., Kaapu, T., Ellman, A. and Tiainen, T. (submitted to Design Conference 2012). Developing VIP2M: a virtual environment for prototyping mobile work machines 2. Kaapu, T., Tiainen, T. and Ellman, A. (submitted to Participatory Design Conference 2012). Reaching Users Understandings of Training Simulator 3. Tiainen, T., Kaapu, T., Kuusisto, J. and Ellman, A. (submitted to European Conference of Information Systems 2012). A Co-Creation Tool in Walk-In Virtual Environment: Making Prospective Work Visible Hankkeessa tehtiin seuraava opinnäytetyö Tampereen teknilliselle yliopistolle. 1. Joonas Reunamo: Katseenseuranta virtuaaliympäristöön: Prototyypin kehitys ja arviointi (2012). Diplomityö, TTY, Tampere, 78 s. Lisäksi Jukka Kuusisto käyttää lisensiaattitutkimuksensa empiirisena aineistona VIKSU hankkeen aikana kerättyjä materiaaleja.