Markus Pylvänen Älykkäät koneet Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos Jyväskylä

Transkriptio

1 Markus Pylvänen Älykkäät koneet Tietotekniikan erikoistyö 6. marraskuuta 2007 Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos Jyväskylä

2 Tekijä: Markus Pylvänen Yhteystiedot: Työn nimi: Älykkäät koneet Title in English: Intelligent Machines Työ: Tietotekniikan erikoistyö Sivumäärä: 14 Tiivistelmä: Tässä erikoistyössä selvitetään älykkäiden koneiden tutkimusta ja opetusta Suomessa. Lisäksi kerrotaan millaisia mahdollisuuksia älykkäät koneet mahdollistavat nykyään ja tulevaisuudessa. English abstract: This Special Assignment introduces research and education of intelligent machines in Finland. This report tells also possibilities of intelligent machines nowadays and in future. Avainsanat: automaatio, ISOBUS, konetekniikka, älykkäät koneet. Keywords: automation, intelligent machines, ISOBUS, mechanical engineering.

3 Sisältö 1 Johdanto 1 2 Tutkimus Suomessa Teknologiakeskus Hermia MASINA Kitara Agrix ja Farmix Älykkäiden koneiden sovellutuksia Älykäs tietyömaa Kalmar Industries Sandvik Mining and Construction Moventas Traktori-työkone -yhdistelmät Opetus Suomessa Helsingin teknillinen korkeakoulu Tampereen teknillinen yliopisto Yhteenveto 8 Lähteet 9 i

4 1 Johdanto Tämän yleisluontoisen raportin tarkoituksena on selvittää älykkäiden koneiden tutkimuksen, opetuksen sekä soveltamisen tilaa Suomessa. Jonkinlaista älykkyyttä sisältäviä koneita on valmistettu jo pitkään, mutta usein tämä on ollut osana automaation kehittämistä. Nykyinen tietotekniikan, elektroniikan, ohjelmistojen sekä tietoliikenteen kehitys on mahdollistanut entistä älykkäämpien koneiden toteuttamisen. Teknologiakeskus Hermia on määritellyt älykkäät koneet seuraavasti: Älykkäät koneet ovat koneita ja konejärjestelmiä, joissa tietotekniikan, elektroniikan ja ohjelmistojen sekä tietoliikenteen tuoma lisäarvo on merkittävä. [23] Älykkäiden koneiden tuotannossa ei siis riitä, että valmistetaan fyysinen kone vaan siihen on myös lisätään älykkyytä, mikä helpottaa koneen käyttöä tai sen ylläpitoa, lisää tehokkuutta tai mahdollistaa koneen toiminnan uudessa toimintaympäristösssä. Koneenrakennukseen liittyy monta osa-aluetta. Koneeseen liitettyä älykkyyttä kehitetään yhdessä muiden alojen kanssa kuten kuvasta 1 voidaan havaita. Kuva 1: Koneenrakennukseen liittyvät toimialat [20]. Tietotekniikkaa kuuluu jollain tapaa jokaiseen osa-alueeseen. Tässä raportissa kuitenkin rajoitutaan tarkastelemaan Ohjaus ja automaatio -osaa sekä Käyttöä. Kilpeläinen on jakanut koneenohjauksen kuuteen eri kehitysasteeseen, jotka ovat nähtävillä kuvassa 2. 1

5 Kuva 2: Koneenohjauksen kehitysasteet [10]. Nykyään on olemassa koneita, joissa käyttäjä ohjaa osaa työliikkeista manuaalisesti kuten luvuissa 3.2 ja 3.3 tullaan myöhemmin esittämään. Kuvasta voidaan voidaan myös havaita mihin suuntaan älykkäiden koneiden tutkimus on menossa ja minkälaisia koneita tulevaisuudessa saatetaan nähdä. Kehittyvän tekniikan avulla mahdollistetaan työn tekeminen edullisemmin, laadukkaammin sekä turvallisemmin. Älykkyyden lisäämisellä suomalaisen metalliteollisuuden valmistamiin koneisiin pyritään myös vahvistamaan kotimaista kilpailukykyä. 2 Tutkimus Suomessa Merkittävimmät Suomessa olevat älykkäiden koneiden tutkimukseen keskittyvät laitokset ovat Helsingin teknillisen korkeakoulun automaatiotekniikan laboratorio, Tampereen teknillisen yliopiston hydrauliikan ja automatiikan laitos sekä Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Seuraavassa on esitelty eri organisaatioiden älykkäisiin koneisiin liittyviä projekteja. 2.1 Teknologiakeskus Hermia Teknologiakeskus Hermia Oy edistää Tampereen seudulla uuden teknologiaan liittyvän liiketoiminnan kehittymistä [21]. Eräs sen osaamisklustereista on Älykkäät ko- 2

6 neet. Klusterin ydintoimijat ovat esitettynä taulukossa 1. Taulukko 1: Klusterin ydintoimijat. Osaamiskeskus Älykkäiden koneiden ja järjestelmien osaamiskeskus, Tampere Nosto- ja siirtoalan osaamiskeskus, Hyvinkää Älytekniikan osaamiskeskus, Seinäjoki Hämeen osaamiskeskus, Hämeenlinna Kaakkois-Suomen osamiskeskus, Lappeenranta Toimialafokus Liikkuvat työkoneet ja tehdasautomaatio Nosto- ja siirtolaitteet Agro- ja metsätalouden, elintarviketeollisuuden koneet Erikoisajoneuvot Prosessiteollisuuden koneet ja laitteet Klusterin koordinaatio toimii Tampereella [22], jonne on muodostunut Älykkäiden koneiden huippuyksikkö, johon kuuluvat Tampereen Teknillisen yliopiston hydrauliikan ja automatiikan laitos sekä Helsingin Teknillisen korkeakoulun automaatiotekniikan laboratorio [15]. Osaamisklusterille on asetettu seuraavat tavoitteet ohjelmakaudelle [23]: Lisätä älykkäitä koneita kehittävien yritysten ja tutkimuslaitosten verkottumista eurooppalaiseen ja kansainväliseen koneenrakennusalan yhteistyöhön. Edistää toimialan uusiutumista, liiketoimintamallien kehittymistä, uusien teknologioiden hyödyntämistä sekä uusien tuotteiden syntymistä. Tukea pk-vientiyritysten ja uusien yritysten syntymistä sekä spin-off- ja pääomasijoitustoiminnan kehittymistä. Nostaa osaamiskeskukset kansainvälisen tason toimijoiksi ja kaksinkertaistaa osaamisklusterin projekti ja ohjelmatoiminnan volyymi. Lisätä klusterin osaamiskeskusten vetovoimaisuutta alan kansainvälisen tutkimuksen ja ulkomaisten yritysten sijoittumispaikkana. Edistää toimialan tuottavuuden nousua sekä liikevaihdon ja työpaikkojen kasvua. 3

7 2.2 MASINA Tekesillä on meneillään MASINA-koneenrakennuksen teknologiaohjelma. Ohjelma alkoi vuonna 2002 ja jatkuu vuoden 2007 loppuun. Tavoitteet ovat samankaltaisia kuin Teknologiakeskus Hermian Älykkäät koneet osaamisklusterilla eli parantaa kotimaisen teollisuuden kilpailukykyä osaamista kasvattamalla. Osaamista on tarkoituksena kehittää siirtämällä tietoliikenteen, elektroniikan sekä materiaalitekniikan osaamista uusille teollisuuden aloille. [18] Ohjelmaan kuuluu useita älykkäisiin koneisiin liittyviä projekteja, joista osa on tutkimusprojekteja ja osa yritysprojekteja. [19] 2.3 Kitara Toinen Tekesin ohjelma on Kitara, jonka tavoite on määritelty seuraavasti: Vahvistaa kone- ja rakennusalojen kansainvälisen tason tutkimusryhmiä ja tutkimusosaamista tieto- ja viestintäteknologian avulla sekä tukea monitieteisten tutkimusryhmien ja tutkimuksen kansallisten ja kansainvälisten yhteistyöverkostojen syntymistä. Tämän ohjelman on aloittanut Suomen Akatemia 2005 ja se päättyy [17] Tutkimus keskittyy tieto- ja viestintäteknologian kehittämiseen, joka tukee käyttöä, valmistusta ja koneen vuorovaikutusta käyttäjän sekä ympäristön kanssa. 2.4 Agrix ja Farmix Agrix-projekti toteutettiin ja siinä pyrittiin kehittämään paikkatiedon käyttöä maataloudessa käytettävien työkoneiden ohjauksessa. [25] Tätä seurasi Farmixprojekti, joka alkoi 2006 ja se päättyy Farmix-projektissa pyritään selvittämään kuinka traktorin ja työkoneen välistä automaatiota voitaisiin syventään. Tähän liittyviä tutkimus teemoja ovat muun muassa konenäön soveltaminen peltoajossa, ISOBUSin kautta ohjattavat traktorin resurssit ja traktorisovitteisen tienhoitokoneen älykäs ohjaus. [5] ISOBUS-järjestelmää käydään läpi tarkemmin luvussa Älykkäiden koneiden sovellutuksia Tässä luvussa esitetään älykkäiden koneiden toteutuksia. Esimerkit ovat pääosin liikkuvia työkoneita, mutta mukana on myös Moventaksen kehittämä kunnonvalvontajärjestelmä. 4

8 3.1 Älykäs tietyömaa Älykäs tietyömaa -tutkimus on osa Tekesin INFRA-teknologiaohjelmaa [13]. Eräs sen hankkeista oli Tielaitoksen tiehöylien automatisointi. Siinä tiehöylään asennettiin automaattinen ohjausjärjestelmä, jonka avulla tiehöylän terää pystyttiin ohjaamaan CAD:lla tehdyn suunnitelman pohjalta. Järjestelmän avulla pystyttiin parantamaan tehokkuuta ja tarkkuutta kun aikaisemmin kuljettajan käsityöhön perustunut ohjaus pystyttiin hoitamaan automaation avulla. [12] 3.2 Kalmar Industries Kalmar Industries toimittaa kontinkäsittely- ja raskaita tavarankäsittelykoneita satamiin, terminaaleihin ja teollisuuteen. [7] Käytössä on kuvan 3 kaltaisia etäohjattavia konttilukkeja, jotka siirtävät kontteja satamanostureiden apuna. Nämä ovat puoliautomaattisia, jolloin yksi henkilö voi ohjata useampaa konetta. Konttilukit pystyvät siirtymään itsenäisesti paikasta toiseen GPS:n, tutkan ja muiden järjestelmien avulla. Kuorman lastaamisen ja purkamisen suorittaa kuitenkin ihminen ohjauskeskuksesta käsin. [9] Kuva 3: Konttilukki [8]. 3.3 Sandvik Mining and Construction Sandvik Mining and Construction on kehittänyt kaivosteollisuuteen AutoMine-järjestelmän. Kalmar Industriesin konttilukien tapaan käytössä on koneita, jotka toimivat osin itsenäisesti ja osin käyttäjän ohjaamina. Yksi kuljettaja voi ohjata useampaa konetta erillisestä ohjauskeskuksesta maanpinnalta. Ohjauskeskus on nähtävis- 5

9 sä kuvassa 4. Tämä on merkittävä parannus kuljettajien työympäristöön, jonka lisäksi se parantaa turvallisuutta sekä tehokkuutta. [14] Kuva 4: AutoMine-ohjauskeskus [14]. AutoMine-järjestelmään liitetyt kuorma-autot pystyvät kuljettamaan lastinsa itsenäisesti ja käyttäjän tehtäväksi jää auton lastaaminen. Työkoneita ohjataan langattoman lähiverkon avulla, jossa ohjausdatan ohella siirretään koneiden tuottamaan videokuvaa työkohteesta. [14] 3.4 Moventas Moventas on kehittänyt tuulivoimaloihin kunnonvalvontajärjestelmän (engl. condition management system), jonka avulla voidaan valvoa voimalan toimintaa ja havaita vikoja ennen kuin ne ehtivät aiheuttaa vahinkoa. Järjestelmä siis varoittaa mahdollisista tulevista ongelmista ja näin laitteisto voidaan huoltaa etukäteen, jolloin säästytään yllättäviltä korjauksilta ja laiterikoilta. [11] Tuuliturbiinin vaihteistoon, roottoriin ja generaattoriin on kytkettynä useita antureita, jotka tarkkailevat järjestelmän tilaa. Antureilta saatu tieto analysoidaan ja lähetetään Ethernetin tai GPRS:n avulla palvelimelle. [11] 3.5 Traktori-työkone -yhdistelmät CAN-väylä (Controller Area Network) on ajoneuvoväylä, jota käytetään yleisesti esimerkiksi ajoneuvoissa, työkoneissa sekä muissa koneissa, joissa tarvitaan sanomien siirtämistä prosessorien välillä [1]. CAN-protokollaan pohjautuu ISO standardi, joka on toiselta nimeltään ISOBUS [6]. 6

10 ISOBUS on korvaamassa traktoreissa aikaisemmin olleet vanhat työkoneiden ohjauslaitteet, jotka soveltuivat yhdelle työkoneelle. ISOBUS-järjestelmään liitetyt traktorin ja työkoneen komponentit ovat nähtävissä kuvassa 5. Kuva 5: ISOBUS-järjestelmään liitetyt komponentit [25]. Ohjaamoon voidaan asentaa virtuaaliterminaali (engl. virtual terminal, VT), jota kaikki ISOBUS-standardia tukevat työkoneet voivat käyttää. Työkone lataa terminaaliin käyttöliittymän, jonka jälkeen käyttäjä voi ohjata konetta valmistajan määrittelemällä tavalla. Traktoriin asennetut anturit keräävät dataa ja antavat sen käsiteltävksi traktorin ohjausyksikölle (engl. tractor electronic control unit, T-ECU). Anturit voivat esimerkiksi kerätä tietoa renkaiden pyörintänopeudesta, sekä mitata tutkan avulla traktorin todellista nopeutta. Näiden tietojen avulla voidaan havaita mikäli renkaat pyörivät tyhjää ja tehdä tarvittavia toimenpiteitä luiston estämiseksi. Työkoneessa on traktorin ohjausykikköä vastaavana laiteena työkoneen ohjausyksikkö (engl. ImplementECU). ISOBUS-standardi ei mahdollista ainoastaan, että käyttäjä tai traktori ohjaisivat työkonetta vaan myös työkoneen on mahdollista ohjata traktoria. Työkone voi siis esimerkiksi laskea traktorin nopeutta tai säädellä traktorin ulosottoakselin kierrosnopeutta. Valtran trakoreihin on saatavilla Auto-Guide-automaattiohjaus. Tämän järjestelmän avulla käyttäjän tarvitsee pellolla kääntää traktori oikealle ajolinjalle, jonka jälkeen järjestelmä huolehtii ohjauksesta. Auto-Guide käyttää GPS-signaalia ohjaukseen, jonka lisäksi voidaan käyttää paikallista tukiasemaa tarkkuuden parantamiseksi. Valtra lupaa tarkkuuden olevan muutamasta senttimetristä noin puoleen metriin riippuen käytetystä tekniikasta. [24] 7

11 4 Opetus Suomessa Älykkäisiin koneisiin liittyvää opetusta Suomessa järjestää Helsingin Teknillisen korkeakoulun automaatiotekniikan laboratorio sekä Tampereen teknillisen yliopiston Hydrauliikan ja automatiikan laitos. Seuraavassa on poimintoja näiden laitosten älykkäisiin koneisiin liittyvästä opetustarjonnasta. 4.1 Helsingin Teknillinen korkeakoulu Kenttä- ja palvelurobotiikka -kurssilla käsitellään älykkäitä robotteja sekä robottien kaltaisia koneita. Liikkuvat robotit ovat varsin monimutkaisia ja koostuvat useasta osajärjestelmästä. Kurssilla perehdytään eri osajärjestelmiin, joita ovat mm. anturit ja aistimet, navigointimenetelmät- ja tekniikat, ohjausjärjestelmät, sekä käyttöliittymät ja teleoperointijärjestelmät. [4] Robottien ja työkoneiden aisti-informaation hyödyntämistä opetettaan kurssilla Koneaistit. Kurssi keskittyy dynaamisen konenäön, laserskannereiden sekä ultraääniantureiden signaalien käsittelyyn, ympäristön mallintamiseen saadun informaation perusteella sekä havaintojen optimaaliseen hyödyntämiseen. [3] 4.2 Tampereen teknillinen yliopisto Hydrauliikan ja automatiikan laitos järjestää opetusta liittyen robotiikkaan, mekatroniikkaan ja hydrauliikkaan. Kaikki nämä osa-alueet liittyvät tiiviisti älykkäisiin koneisiin, jonka vuoksi kaikkia kursseja ei tässä ole listattu. Yhtenä poimintana voidaan kuitenkin mainita kurssi Robotics and Teleoperation, jossa perehdytään käsittelylaitteiden (engl. manipulators) eri osien toimintaan ja sekä liikkeen hallintaan. Lisäksi perehdytään haasteisiin, joita etäohjaus tuo erilaisiin järjestelmiin. [16] 5 Yhteenveto Koneisiin lisätty älykkyys tulee tehostamaan työntekoa sekä helpottamaan käyttäjän ja koneen välistä vuorovaikutusta. Älykkäillä työkoneilla voidaan saavuttaa kustannussäästöjä kun koneet pystyvät tekemään osittain tai täysin itsenäisesti töitä, jotka aikaisemmin vaativat yhden ihmisen koko työpanoksen. Suomessa älykkäiden koneiden kehitys on jo monella alalla varsin pitkällä ja siihen myös ollaan tulevaisuudessakin valmiita panostamaan. Kuitenkin älykkäiden koneiden kehittämisessä on vielä paljon tehtävää ja ala tuleekin jatkuvasti kehittymään. Älykkyyden lisäämisellä perinteisiin metalliteollisuuden tuotteisiin voidaan 8

12 parantaa Suomalaisen teollisuuden kilpailukykyä ja vähentää Kiina-ilmiötä. Tämä seikka on myös huomiotu älykkäisiin koneisiin liittyvissä projekteissa. Lähteet [1] Alanen Jarmo, CAN - ajoneuvojen ja koneiden sisäinen paikallisväylä, CAN-väylän perusteet <URL: CAN-perusteet_Alanen.pdf>, VTT Automaatio, Koneautomaatio, Tammikuu 2000, viitattu [2] Helsingin teknillinen korkeakoulu, Agrix <URL: viitattu [3] Helsingin teknillinen korkeakoulu, AS Koneaistit -kurssikuvaus <URL: viitattu [4] Helsingin teknillinen korkeakoulu, AS Kenttä- ja palvelurobotiikka - kurssikuvaus <URL: viitattu [5] Helsingin teknillinen korkeakoulu, Farmix <URL: viitattu [6] ISOBUS.net, ISO11783 Introduction Foreword Scope Parts <URL: Technical_information/ISO11783_Introduction_Foreword_ Scope_Parts_ pdf>, 2001, viitattu [7] Kalmar Industries, Kalmar in brief <URL: show.php?id=575>, viitattu [8] Kalmar Industries, Products: Straddle Carriers <URL: viitattu [9] Kalmar Industries, Unmanned Container Handling, Meeting The Future Challenges <URL: Unmanned_CH_KIOY0609E-9.pdf>, viitattu

13 [10] Kilpeläinen Pekka, Automaatiotekniikan sovellutukset maanrakennuskoneiden ohjauksessa tulevaisuuden mahdollisuuksia <URL: PKilpel%E4inen/Pekka_Kilpel%E4inen.pdf>, VTT Elektroniikka, [11] Moventas, Condition management system - CMaS <URL: C3B92E9D C22572B300479BB9/$file/ CMaS_Esite_EN_LR.pdf>, viitattu [12] Oulun yliopisto, TIEHÖYLIEN GILETTE - tarkkuusajon kuningas <URL: viitattu [13] Oulun yliopisto, Älykäs tietyömaa -tutkimus- ja kehittämiskokonaisuus <URL: Alyk%E4stiety%F6maa.htm>, viitattu [14] Sandvik Mining and Construction, Sandvik automation...in action <URL: Internet/Global/S nsf/NAUnique/ 664ADB915FEDC97CC12572D8003E4256>, [15] Tampereen teknillinen yliopisto, GIM <URL: Show=24516&Siteid=0>, viitattu [16] Tampereen teknillinen yliopisto, IHA-3506 Robotics and Teleoperationt - kurssikuvaus <URL: description.shtml>, viitattu [17] Tekes, KITARA - Tietotekniikan soveltaminen kone- ja rakennustekniikkaan <URL: hakuaika_tiedot.asp?id=3996>, viitattu [18] Tekes, MASINA - Koneenrakennuksen teknologiaohjelma <URL: OhjelmaPortaali/ohjelmat/MASINA/fi/etusivu.html>,viitattu

14 [19] Tekes, MASINA - Koneenrakennuksen teknologiaohjelma Projektit <URL: OhjelmaPortaali/ohjelmat/MASINA/fi/projektilistaus.html>, viitattu [20] Tekes, Metallituotteet ja koneenrakennus -strategisen huippuosaamisen keskittymä <URL: Metallituotteet_ja_koneenrakennus_keskittyma.ppt>, viitattu [21] Teknologiakeskus Hermia, Etusivu <URL: -default>, viitattu [22] Teknologiokeskus Hermia, Uusi osaamiskeskusohjelma <URL: viitattu [23] Teknologiakeskus Hermia, Älykkäät koneet <URL: alykkaat_koneet/>, viitattu [24] Valtra, Lehdistötiedote <URL: articles/default.asp?id=608&showinc=&cc=358 &language=suomi>, [25] Visala Arto, Automaation haasteet ja hyödyt tiedonhallinnassa- Agrix peltonäkökulma, Teknillinen Korkeakoulu Automaatiotekniikan laboratorio, <URL: Automaation%20haasteet%20ja%20hyodyt%20tiedonhallinnassa %20-%20Agrix%20peltonakokulma.pdf>, [26] Älykkäät koneet - osaamisklusterin hakemus (tiivistelmä) <URL: alykkaatkoneet.pdf>, viitattu