KE 4/2018, teema, Lisätty todellisuus muuttaa konetekniikkaa

Teksti: Joonas Rantsi

Vuoden 2008 Iron Man -elokuvassa miljonääri Tony Stark suunnittelee työpajassaan rautamies-pukuaan. 3D-mallit liikkuvat Starkin näkökentässä ilman erillisiä näyttölaitteita. Kyse on lisätystä todellisuudesta (AR), joka kahdenkymmenen vuoden kuluessa tulee muuttamaan maailman.
Lisätyn todellisuuden potentiaali teollisuudessa ja konetekniikassa on suuri. Tällä hetkellä sen merkittävimpiä käyttökohteita ovat kunnossapidon sovellukset. USA:ssa Columbian yliopisto oli ensimmäisten joukossa kartoittamassa AR:n hyötyjä kunnossapidossa. Yliopiston ARMAR-tutkimus (Augmented Reality for Maintenance and Repair) oli USA:n ilmavoimien rahoittama. Sen avulla tutkijoiden oli mahdollista nähdä F18-hävittäjän turbiini uudella tavalla (kuva 1).

Kunnossapito, laadunvalvonta ja 3D-suunnittelu tehostuvat
Kunnossapito on kehittyvä konetekniikan ala, joka on ottanut hyvin käyttöön erilaisia tietoteknisiä ratkaisuja työnteon helpottamiseksi. Tietokoneiden käyttöönotto kunnossapitotehtävissä on mullistanut työnteon täysin. Taulutietokoneet ovat vapauttaneet ohjekirjat ja muut dokumentit paperilta sähköiseen ja hakukelpoiseen muotoon.
Lisätty todellisuus käyttää hyväkseen tietotekniikan rakentamaa perustaa mobiililaitteissa ja antaa mahdollisuuden keskittyä kunnossapitotyöhön aikaisempaa paremmin. AR:n käyttöönotto vähentää työsuorituksiin kuluvaa aikaa. Työn laatu paranee suoraan virheiden vähentymisen ansiosta, sillä vaadittava tieto (ohjeet ja animaatiot) on helposti saatavilla. Näkökenttään piirtyvät ohjeet seuraavista askelista nopeuttavat työtä ja parantavat sen laatua.
Konkreettisia esimerkkejä AR:n hyödyistä on jo nähtävissä, kun yritykset panostavat tutkimustyöhön AR:n kehittämiseksi. Voimansiirtoratkaisuja kehittävä ABB kehittää AR-sovellusta, joka mahdollistaa suurnopeusmoottorin huoltotyön ”rikastamisen” reaaliaikaisella datakerroksella (kuva 2).
Lisätty todellisuus antaa uuden lähestymistavan uusiin kunnossapitokohteisiin. Vaikka kunnossapitokohdetta ei olisi nähty aiemmin, jo asennusvaiheessa sen tuonti lisättyä todellisuutta tukevaan tietokantaan mahdollistaa kunnossapitotyön nopeuden ja täsmällisyyden.
Laaduntarkkailun näkökulmasta AR voi ratkaista useita ongelmia. Esimerkiksi tuotantolinjojen vaatima tarkkailutyö voi AR:n avulla helpottua huomattavasti. Jäykkä valvomoiden vaatima ruutujen tapitus on omiaan muuttumaan juuri AR-sovellusten myötä. Miltä kuulostaisi reaaliaikainen tieto näkökentässä vaikkapa keittokattiloiden paineista ja lämpötiloista? Lisätty todellisuus on niin mullistava konsepti, ettei kaikkia sen hyötyjä kyetä vielä edes ymmärtämään.
Lisätty todellisuus mahdollistaa konetekniikan jokaisen osa-alueen kehittymisen. AR voi muuttaa etenkin 3D-suunnittelua. Tulevaisuudessa suunnittelu voi tapahtua ilman näyttöpäätteitä erillisessä suunnittelutilassa, jossa monta eri suunnittelijaa voi työskennellä reaaliajassa saman kokoonpanon komponenttien kanssa.
Kokoonpanotyöskentelyssä lisättyä todellisuutta voidaan hyödyntää siirtämällä dokumentointi paperilta tai näytöltä käyttäjän näkökenttään. Teollisuusrobottien varoalueita voidaan tarkistaa AR:n avulla, ja mahdolliset ongelmat nähdään reaaliajassa. Myös muiden robottisolun komponenttien sijoitusta voidaan tarvittaessa miettiä AR:n avulla.

Lisätyllä todellisuudella on käyttöä työssä ja arjessa
Lisätyn todellisuuden tulevaisuus on valoisa. Se vaatii kuitenkin ponnisteluja käyttökohteiden selvittämiseksi. AR:n käyttökohteita voidaan selvittää esimerkiksi suorittamalla kohdennettuja kyselyitä ja sisäisiä kartoituksia. Kyselyjen taustalla voisi olla halu selvittää AR:n merkittävimpiä kohteita teollisuuden sovelluksiin. Kyselyitä voitaisiin rajata edelleen erottamaan mobiililaitteilla toimiva AR-laseilla toimivasta.
Arkielämässä AR on näkynyt useamman vuoden esimerkiksi Pokémon GO -mobiilipelin myötä. Vaikka suurin villitys on hieman laantunut, peli on tuonut huomattavaa AR-näkyvyyttä. Näkyvyys ja yleisön tavoittaminen ovat varmasti vaikuttaneet mielenkiintoon AR:aa kohtaan myös jokapäiväisessä elämässä.
Markkinatutkimuksia tekevä Gartner mainitsi heinäkuussa 2017 ilmestyneessä Hype Cycle -arviossaan, että lisätty todellisuus on tuottavaa 5−10 vuoden kuluttua. AR:n käyttökelpoisia nykyhetken kohteita ovat ensisijaisesti asiakaskohtaamiset. Maansiirtokoneita valmistava Caterpillar on ensimmäisten joukossa ottanut myyntitilaisuuksiinsa käyttöön AR-laitteen, jolla asiakkaalle voidaan esitellä koneita paljon mielenkiintoisemmin ja interaktiivisemmin kuin perinteisiä esitteitä käyttäen.

Lähde:
Rantsi J. 2018. Lisätty todellisuus konetekniikassa. Creo Parametric 3D-mallit HoloLens-alustalla. Ammattikorkeakoulututkinnon opinnäytetyö. Hämeen ammattikorkeakoulu. 38 s. https://www.theseus.fi/handle/10024/149051
***************
Lisätty todellisuus vs. virtuaalitodellisuus

• Virtuaalitodellisuus (VR, Virtual Reality) keskittyy esittämään käyttäjän näkemän ympäristön täysin keinotekoisesti. Ympäristö ja esineet luodaan näkökenttään pelimäisesti, eikä käyttäjällä ole mahdollisuutta yhdistää näkemäänsä todelliseen maailmaan.
• Lisätty todellisuus (AR, Augmented Reality) nimensä mukaisesti tuo jotakin lisää todellisuuteen. AR yhdistää tietokoneella tuotettua virtuaalista sisältöä käyttäjän näkemään ja kokemaan todellisuuteen.
**************************
Sanastoa
• AR-merkki / AR-marker on tarra tai muu kiinnitettävä litteä symboli, joka paikantaa lisätyn todellisuuden objektin sijainnin todellisessa maailmassa.
HMD-laite on päähän kiinnitettävä näyttölaite.
PDM-järjestelmä on tuotetiedon hallintaan kehitetty ohjelmistoympäristö, jolla hallitaan yrityksen tuotteisiin liittyvää tietoa.
PLM-järjestelmä on tuotteen elinkaaren hallintaan kehitetty ohjelmistoympäristö, joka kerää kaikki tuotteeseen liittyvät tiedot yhteen tietojärjestelmään koko toimintaketjun helposti saavutettavaksi.
• Rapid prototyping on valmistustekninen tapa, jolla voidaan nopeassa ajassa tuottaa prototyyppejä 3D-malleista edullisesti (mm. 3D-tulostus).
***************************************************
Pulmia ja mahdollisuuksia

Lisätty todellisuus (AR) on virtuaalitodellisuuden (VR) ohella teknologia, joka tulevaisuudessa muuttaa ihmiskunnan työtä ja vapaa-aikaa. Sen hyödyt tulevat olemaan merkittäviä. AR, automaatio ja robotiikka täydentävät toisiaan ja vähentävät fyysisen työn tarvetta. Konetekniikalle olennaisia lisätyn todellisuuden kohdealueita ovat opiskelu ja työssä oppiminen, valmistus ja kokoonpano, robotiikka, kunnossapito sekä asiakastuki ja laaduntarkkailu.
Lisätyn todellisuuden haasteisiin kuuluvat teknologioiden kypsyys, vastahakoiset asenteet, taloudellinen hyöty, standardisoinnin puute ja toteutusten pirstaloituminen. Nykymuodossaan lisätyn todellisuuden teolliset toteutukset ovat vielä tutkimuskohteina. Moni teknologian osa-alue on toteutettavissa mekaanisesti, mutta ratkaisut ovat vielä kohtuuttoman suuria ja kömpelöitä käyttää.
Viime vuosina esitellyt lisätyn todellisuuden järjestelmät ovat nk. ensimmäisen sukupolven laitteita, joiden perimmäinen tarkoitus on olla esimerkkinä teknologian mahdollistamista asioista. Teknisesti ne kärsivät eniten kapeista näköalueista, projektoinnin heikosta laadusta ja lisätyn tiedon vääristymisestä käyttäjän näkökentässä.
Lähtökohtana lisätyn todellisuuden käyttöönottoon on pyrkimys parantaa työhön keskittymistä, sillä jos teknologia häiritsee käyttäjää, tulos kääntyy helposti päälaelleen. Lisätty todellisuus voi luoda myös vaaratilanteita. Jos AR:n toteutukset eivät ole tarpeeksi huomaamattomia, ne aiheuttavat enemmän ongelmia kuin ratkaisevat niitä, kun käyttäjän keskittymiskyky herpaantuu.
Lisätyn todellisuuden alustoja on tällä hetkellä tarjolla niin monta, että kohteeseen sopiva fyysinen laite löytyy vain etsimällä. Pelkästään sopivan laitteiston löytäminen ei riitä, vaan käyttökohteeseen sopivan ohjelmiston hankinta on vaativaa. Valmiita ohjelmistoja on jonkin verran, mutta niiden käyttöönotto sellaisenaan voi olla vaikeaa. Sopivaksi vaihtoehdoksi voi jäädä ohjelmiston kehittäminen tai hankinta yritykselle täysin räätälöitynä toteutuksena.
Standardisoinnin puute aiheuttaa ongelmia lisätyn todellisuuden käytön kasvaessa, sillä se estää tiedon jakamisen helposti erilaisten rajapintojen välillä. 3D-suunnittelussa lisätyn todellisuuden hyödyntämisessä isona ongelmana on yhtenäisen kehitysalustan puuttuminen.

Älypuhelimet vauhdittavat sovelluskehitystä
Älypuhelimien laajan käyttöasteen vuoksi lisätyn todellisuuden sovelluskehitys on kasvanut räjähdysmäisesti. Edulliset kamera- ja näyttölaitteet ovat antaneet mahdollisuuden toteuttaa erilaisia lisätyn todellisuuden ratkaisuja matalin kustannuksin.
Lisätyn todellisuuden laitteisiin liitetyillä kameroilla voidaan lähettää kuvaa myös eteenpäin. Tämä mahdollistaa esimerkiksi asiaan vähemmän perehtyneen korjaajan saavan apua lisätyn todellisuuden lasien avulla vaikkapa toisessa maassa sijaitsevalta huoltoinsinööriltä.
Laaduntarkkailussa lisätty todellisuus antaa uuden ulottuvuuden tuotteiden mittojen ja geometrioiden visualisointiin. Tarkkaa mittausta lisätty todellisuus ei voi nykymuodossaan korvata, mutta kameroiden ja laitteiden parantuessa korkeampi mittaustarkkuus mahdollistaa lisätyn todellisuuden laajemman käyttöönoton. Kuvantamistekniikoiden yhdistäminen lisättyyn todellisuuteen antaisi mahdollisuuden suurentaa käyttäjän näkökenttää. Tämä helpottaisi ongelman visualisointia ja korjaavien toimenpiteiden selvittämistä.
Tällä hetkellä potentiaalisimpia käyttökohteita lisätyn todellisuuden HMD-laitteille ovat suunnittelu ja kunnossapito. Suunniteltavien osien näkeminen kolmessa ulottuvuudessa antaa suunnittelijoille mahdollisuuden käsitellä malleja luonnollisesti. Tulevaisuudessa suunnittelu voi koostua tekoälyn avulla luotavista moduuleista, joita valitaan ja muokataan valmiin katalogin avulla.
Kolmessa ulottuvuudessa suunnittelu voi luoda suunnittelutiloja, joissa monta suunnittelijaa voi tehdä yhteistyötä saumattomasti saman tuotteen kanssa. Laaduntarkkailussa käytettävää geometrioiden ja mittojen varmistusta olisi luonnollista jatkojalostaa laserkeilaukseen. Kun HMD-laitteissa käytettävä sensoritekniikka parantuu, on mahdollista tehdä vaativiakin skannauksia niin, että kohdetta käsitellään käyttäjän näkökentässä.