docVirtualliteknologian hyödyntäminen työkoneiden käyttäjälähtöisessä
download 
Report Transcription
Virtualliteknologian hyödyntäminen työkoneiden käyttäjälähtöisessä
Virtuaaliteknologian hyödyntäminen työkoneiden käyttäjälähtöisessä tuotekehityksessä Jukka Kuusisto TTY Sisältö Esipuhe Esipuhe.................................................................................................. 3 1. Tuotekehitysprosessi ja tuotteen elinkaari................................................. 4 1.1 Konseptisuunnittelu...................................................................... 4 1.2 Tuotekehitys ............................................................................... 5 1.3 Koulutus...................................................................................... 5 1.4 Markkinointi................................................................................ 6 1.5 Huolto........................................................................................ 7 2. Hyödyntämiskohteet............................................................................. 7 2.1 Käytettävyys................................................................................ 7 2.2 Näkyvyystarkastelut...................................................................... 7 2.3 Muotoilu..................................................................................... 8 2.4 Turvallisuus.................................................................................. 8 2.5 Ergonomia................................................................................... 8 3. Simuloinnin ja mallinnuksen eri tasot....................................................... 9 3.1 Työkone...................................................................................... 9 3.2 Työprosessi.................................................................................. 9 3.3 Työympäristö..............................................................................10 4. Toteutuksen teknologiat.......................................................................10 4.1 Näyttö.......................................................................................10 4.1.1 Projektionäytöt.................................................................... 11 4.1.2 Kypäränäytöt....................................................................... 12 4.1.3 Autostereoskopianäytöt......................................................... 12 4.2 Äänimaailma............................................................................... 13 4.3 Haptiikka ja kinemaattinen aistipalaute........................................... 13 4.4 Paikannus..................................................................................14 4.5 Ohjaimet.................................................................................... 15 4.6 Ohjelmistot................................................................................ 15 5. Virtuaaliteknologian käyttöönottomahdollisuudet.....................................16 6. Alan toimijoita ja toteuttajia Suomessa...................................................16 6.1 Tutkimuslaitoksia.........................................................................16 6.2 Yrityksiä..................................................................................... 17 7. Tulevaisuudennäkymät..........................................................................18 Kustannusten ja ajan säästö ovat usein lähtökohtana tuotekehitysprosessin kehittämiselle. Kehittämiseen tähdätään useimmiten myös virtuaaliteknologian hyödyntämisellä tuotekehitysprojekteissa. Virtuaaliteknologian hyödyntämisellä on lisäksi monia muita etuja. Konseptisuunnitteluvaiheessa on helppo ja nopea tarkastella vaihtoehtoisia tuotemalleja virtuaalisesti ilman, että tarvitsee rakentaa fyysisiä prototyyppejä. Kehitettävän käyttöliittymän komponenttien paikkoja voidaan optimoida käytettävyyden ja ergonomian näkökulmasta. Lisäksi tulevat käyttäjät vaikka ympäri maapallon voivat antaa kommenttejaan jo varhaisessa suunnittelun vaiheessa. Käyttäjälähtöinen suunnittelu on vahvistuva suuntaus tuotekehityksessä. Tarkoituksena on tuoda käyttäjänäkökulma mukaan tuotteiden ja palvelujen kehittämiseen mahdollisimman aikaisin. Käyttäjien tuotekehitysprosessiin osallistumisen helpottamiseksi virtuaaliteknologia tarjoaa hyviä työkaluja. Käyttäjät voivat esimerkiksi testata virtuaalisia tuotteita ja antaa palautettaan tehtyihin suunnitteluratkaisuihin jo hyvin varhaisessa vaiheessa. Tai voidaan järjestää virtuaalisia katselmointitilaisuuksia käyttäjille parhaan tuotekonseptin löytymiseksi. Tässä raportissa esitellään tiivistetysti virtuaaliteknologian hyödyntämisen mahdollisuuksia työkoneiden tuotekehityksessä. Vahvana näkökulmana aiheen käsittelylle on käyttäjälähtöinen suunnittelu ja virtuaaliteknologian mahdollisuudet käyttäjien huomioimiseksi tuotekehitysprojektissa. Aihetta on tarkasteltu monipuolisesti virtuaaliteknologian sovellusmahdollisuuksista tuotekehitysprosessin eri vaiheissa aina toteutuksen teknologioihin saakka. Raportin on tehnyt Jukka Kuusisto Tampereen teknillisestä yliopistosta. Sen on tuottanut Agro Living Lab –hanke. Ideointiin ja tekstin työstämiseen on osallistunut hankkeen projektiryhmä. Sanna Kankaanpää Projektipäällikkö Seinäjoen Teknologiakeskus Oy Seinäjoen Teknologiakeskus Oy Tiedekatu 2 | 60320 Seinäjoki | puh. 020 124 4000 [email protected] | www.stoy.fi 2 | www.agrolivinglab.fi www.agrolivinglab.fi | 3 1. Tuotekehitysprosessi ja tuotteen elinkaari Virtuaaliteknologiaa voidaan hyödyntää teollisuuden tuotekehitysprojekteissa monissa eri vaiheissa. Yleisesti ottaen virtuaaliteknologian käyttämisellä tähdätään useimmiten etupäässä kustannusten ja ajan säästämiseen. Uuden teknologian käyttöönoton aiheuttamat kustannukset maksavat itsensä lopulta takaisin esimerkiksi uuden tuotteen konseptisuunnitteluvaiheessa tarvittavien iteraatiokierrosten ja fyysisten prototyyppien vähenemisen ja sitä kautta koko prosessin nopeutumisen muodossa. Virtuaaliteknologia mahdollistaa tuotteiden samanaikaisen tarkastelun eri paikoissa. Kansainvälisessä ympäristössä toimittaessa voidaan saavuttaa huomattavia säästöjä, kun eri puolilla maailmaa olevat toimijat voivat osallistua virtuaalisiin tuotekatselmuksiin. Lisäksi virtuaaliprototyyppien testaaminen mahdollistaa tuotteen räätälöinnin jo varhaisessa vaiheessa eri käyttäjien tarpeisiin. Seuraavassa on kuvattu lyhyesti niitä mahdollisuuksia, joita virtuaaliteknologian hyödyntämisellä tuotekehitysprosessin ja tuotteen koko elinkaaren eri vaiheessa on tarjottavana. 1.1 Konseptisuunnittelu Konseptisuunnitteluvaiheessa virtuaaliteknologia tarjoaa mahdollisuuden tarkastella vaihtoehtoisia tuotemalleja virtuaalisesti ilman, että tarvitsee rakentaa fyysisiä prototyyppejä. Konseptien ideointi voi olla nopeatempoisempaa, eikä ideoita tarvitse jättää kokeilematta sen vuoksi, että konkreettisen mallikappaleen rakentaminen olisi työlästä tai kallista. Mitä suuremmasta ja monimutkaisemmasta tuotteesta on kysymys, sitä enemmän potentiaalista säästöä virtuaalimallinnuksella voidaan saada. Esimerkiksi työkoneen ohjaamon komponenttien sijoittelun optimointi voidaan tehdä virtuaalitilassa. Tällöin on mahdollista esimerkiksi kokeilla, miten eri käyttöliittymäelementit kannattaa sijoitella käytettävyyden ja ergonomian kannalta tai toisaalta miten eri ratkaisut vaikuttavat näkyvyyteen ohjaamosta ulos. Virtuaaliprototyyppien käyttö mahdollistaa myös sen, että eri konseptivaihtoehtoja voidaan testauttaa myös käyttäjillä, jolloin saadaan käyttäjät mukaan tuotekehitysprosessiin heti alusta asti. Näin saadaan karsittua konseptivaihtoehtoja pois ja voidaan edetä lupaavimpien kanssa. Myös itse suunnittelutyötä on mahdollista tehdä yhdessä käyttäjien kanssa, jolloin he pääsevät osaltaan vaikuttamaan jo uusien konseptien kehittämiseen. Lentokoneteollisuus on yksi edelläkävijöistä virtuaaliteknologian hyödyntämisessä. Esimerkiksi Boeingilla jo vuonna 2001 suunnittelijat voivat käsitellä lentokoneen virtuaalimallia kypäränäyttöjen ja datahanskojen avulla. Kokeilemalla virtuaalisen koneen ohjaimia ja järjestelmiä niiden optimaalinen sijainti voitiin ratkaista ja varmistaa kaikkien järjestelmien huollettavuus. Yhtä lailla suuret autonvalmistajat kuten General Motors hyödyntävät virtuaaliteknologiaa järjestämällä digitaalisia suunnitte- 4 | www.agrolivinglab.fi lukatsauksia, joihin suunnittelijat eri paikoissa osallistuvat virtuaalisesti ilman tarvetta matkustaa samaan paikkaan. 1.2 Tuotekehitys Olemassa olevaa tuotetta kehitettäessä voidaan virtuaaliteknologiaa käyttää apuna samaan tapaan kuin konseptisuunnittelussa: erilaisia kehitysvaihtoehtoja voidaan virtuaaliteknologian avulla tutkia reaalimaailmaa vastaavasta näkökulmasta mutta ilman tarvetta fyysisen prototyypin rakentamiseen. Suunnitteluprosessia saadaan näin nopeutettua ja kustannuksia vähennettyä. Esimerkiksi autoteollisuudessa (mm. Ford) on käytössä kypäränäyttöihin tai projektionäyttöihin perustuvia virtuaalilaboratorioita, joissa ajoneuvon ohjaamon ergonomiaa ja käytettävyyttä voidaan tutkia ilman, että ohjaamo pitäisi rakentaa. Myös tuotekehitysvaiheessa voidaan visualisoida käyttäjille erilaisia suunnitteluvaihtoehtoja ja testauttaa niitä, jolloin voidaan hyödyntää käyttäjäpalautetta jatkokehityksessä. Käyttäjän on helpompi osallistua tuotekehitykseen, kun hän näkee realistisen kuvan kehitettävästä tuotteesta. Monissa teknologiatuotteissa muotoilulla on yhä suurempi merkitys tuotteen menestyksen kannalta. Virtuaaliteknologia tarjoaa hyviä välineitä myös teollisille muotoilijoille erilaisten vaihtoehtojen visualisointiin ja tutkimiseen. Useita vaihtoehtoisia ratkaisuja voidaan esitellä samanaikaisesti käyttäjille tai asiakkaille. Erityisesti voidaan järjestää virtuaalisia katselmointitilaisuuksia, joissa he voivat arvioida tehtyjä ratkaisuja. 1.3 Koulutus Esimerkiksi työkoneiden käytön koulutuksessa voidaan hyödyntää tehokkaasti virtuaalisia simulaattoreita. Simulaattorin rakentamiseen täytyy tietysti panostaa aikaa ja resursseja, mutta sen käytön kustannukset ovat pienempiä kuin oikean koneen ajamisesta aiheutuvat kulut. Lisäksi vaativankin työkoneen käytön alkeiden opettelu simulaattorin avulla on turvallista. Kokeneellekin työntekijälle voidaan simulaattorin avulla antaa kuva koneen uusista ominaisuuksista. Esimerkiksi työkoneen ohjaamisen perusteiden opetteluun ei välttämättä tarvita kolmiulotteista virtuaalinäyttöä. Kuvassa 1 on Koulutuskeskus Sedun John Deere -harvesterisimulaattori, jota käytetään metsäkoneenkuljettajien koulutuksessa. Virtuaaliteknologiaa voidaan työkonemaailmassa hyödyntää koulutustarkoituksiin muutenkin kuin itse koneen käyttöön liittyen. Esimerkiksi John Deere on ollut kehittämässä sovellusta, jolla ruiskumaalarit voivat harjoitella koneiden maalausta virtuaaliympäristössä. www.agrolivinglab.fi | 5 1.5 Huolto Kuten huollon koulutuksessa, myös todellisissa huolto-operaatioissa on mahdollista hyödyntää virtuaali- ja lisätyn todellisuuden ratkaisuja. Virtuaaliteknologian avulla voidaan vaikkapa osoittaa visuaalisesti, mitä operaatioita käyttäjän on tehtävä esimerkiksi tietyn osan irrottamiseksi. Lisäksi erilaisia huolto-operaatioita voidaan simuloida jo tuotteen suunnitteluvaiheessa virtuaaliympäristössä. Tällöin voidaan optimoida tuotteen ominaisuuksia myös huoltotoimenpiteiden sujuvuuden suhteen ja samoja virtuaalimalleja, joita on kehitetty tuotekehitysvaiheessa, voidaan hyödyntää huolto-operaatioissa. Esimerkiksi Wärtsilä Finlandilla on Tekesin digitaalinen tuoteprosessi -ohjelmassa hanke, jossa tutkitaan uusia teknologioita tarkkojen virtuaalimoottoreiden rakentamiseksi ja luodaan realistisia simulointimalleja moottorin elinkaaren ajaksi lähtien moottorin kehityksestä ja päätyen sen huollon tueksi. 2. Hyödyntämiskohteet Kuva 1: Salkkusimulaattori metsäkoneenkuljettajien koulutuskäytössä. Lisätty todellisuus (engl. Augmented Reality, AR) on käsite, jolla tarkoitetaan virtuaaliympäristöä, jossa käyttäjä näkee todellisen maailman esimerkiksi kypäränäytön läpi ja näytölle heijastetaan virtuaalisia elementtejä, jotka käyttäjä näkee todellisen ympäristön päällä. Tämän tyyppistä teknologiaa voidaan hyödyntää esimerkiksi tuotannon kokoonpanovaiheen koulutuksessa. Virtuaalisia elementtejä voidaan tällöin käyttää opastamaan työntekijää yksityiskohtaisesti työvaiheen suorittamisessa. Kun asentaja esimerkiksi ottaa käteensä jonkin osan, virtuaalinäytöllä voidaan osoittaa, mihin osa kuuluu, missä asennossa se asennetaan ja mitä operaatioita asennusta varten tulee suorittaa. 1.4 Markkinointi Visuaalisesti vaikuttavaa virtuaalimallia tuotteesta voidaan käyttää tehokkaasti hyödyksi markkinoinnissa. Virtuaaliympäristössä asiakkaalle voidaan myös demonstroida laitteen ominaisuuksia, ja asiakas voi tutkia erilaisia vaihtoehtoja tuotteen yksilöllisten ominaisuuksien suhteen. Erityisesti messuilla ja muissa markkinointitapahtumissa simulaattorit ovat tehokkaita katseenvangitsijoita. Työkonesimulaattori, jossa on oikea ohjaamo (tai ainakin penkki ja ohjaimet), liikealusta ja projektionäyttö, antaa potentiaaliselle asiakkaalle aidon tuntuman koneen käyttöön. 6 | www.agrolivinglab.fi Virtuaaliteknologian menetelmiä voidaan soveltaa tuotekehitysprosessissa moniin eri tarkoituksiin. Seuraavassa valotetaan hieman näitä osa-alueita. Edellä esitettiin virtuaaliteknologian sovellustapoja tuotekehitysprosessin eri vaiheissa. Seuraavassa esitettävät kehityskohteet soveltuvat useampaan näistä vaiheista. Esimerkiksi konseptisuunnitteluvaiheessa voidaan tarkastella kehitettävää tuotetta kaikista näistä näkökulmista. 2.1 Käytettävyys Kun ollaan tekemisissä monimutkaisten koneiden kanssa, käytettävyyteen panostaminen on tärkeää. Käytettävyyden tutkimista tehdään monella eri tasolla ja monessa eri tuotekehitysprosessin vaiheessa. Jo konseptisuunnitteluvaiheessa voidaan koneen virtuaalimallin avulla tutkia esimerkiksi hallintalaitteiden optimaalista sijoittelua käytettävyyden kannalta. Ohjauspaneelin käyttöliittymäelementtien muotoilun ja sijoittamisen tutkiminen on mahdollista joko kokonaan virtuaalisella mallilla tai lisätyn todellisuuden toteutuksella, jossa konkreettiseen ohjauspaneelin runkoon heijastetaan virtuaalisia elementtejä. Tällä tavalla voidaan tuotekehitysvaiheessa optimoida käyttöliittymää. Aidon ohjauskäyttöliittymän sisältävän simulaattorin avulla pystytään tekemään käytettävyystutkimusta kontrolloiduissa olosuhteissa. 2.2 Näkyvyystarkastelut Esimerkiksi traktorin perään sijoitetut työkoneet rajoittavat näkyvyyttä ohjaamosta merkittävästi. Monet työprosessit ovat sellaisia, että kuljettajan näkyvyys on hyvin rajattu ja toiminta tapahtuu pitkälti tuntuman perusteella. Esimerkiksi hakkuria käytettäessä kuljettajalla ei ole näköyhteyttä puunsyöttöön ja mahdollisia ongelmatilan- www.agrolivinglab.fi | 7 teita on hankala havaita. Virtuaalimallien avulla voidaan tutkia erilaisten työkoneiden vaikutusta näkyvyyteen ajajan kannalta jo konseptisuunnitteluvaiheessa. Vastaavasti virtuaaliohjaamoja testaamalla voidaan paikallistaa mahdollisia ongelmia itse hyttirakenteiden näkyvyydessä. 2.3 Muotoilu Virtuaaliteknologiasta on paljon hyötyä koneen ja koneen osien muotoilun tarkastelemisessa konseptisuunnitteluvaiheessa. Koneen osien muotoilun vaikutusta koneen käytettävyyteen ja toisaalta ulkonäköön voidaan tarkastella virtuaaliympäristössä ilman, että tarvitsee valmistaa fyysisiä prototyyppejä. Mikäli tuotteessa on asiakaskohtaisesti kustomoitavia osia, niiden esittely virtuaaliympäristössä tarjoaa asiakkaalle mahdollisuuden tarkastella eri vaihtoehtoja konkreettisemmin kuin paperiesitteissä tai tietokoneen kuvaruudulla. Esimerkiksi Volkswagenilla on jo vuodesta 1998 hyödynnetty virtuaaliympäristöä ohjaamon suunnittelussa. 2.4 Turvallisuus Erilaisten turvallisuusrajojen riittävyyttä voidaan tutkia virtuaaliympäristössä turvallisesti. Esimerkiksi tuotantolaitoksessa eri koneiden liikkuma-alueet ja turvarajat voidaan visualisoida ja määritellä sitä kautta paras sijoittelu koneille. Varoitusvärien käyttöä voidaan tarkastella ihmisnäkökulmasta virtuaalisesti. Näkyvyystarkasteluihin työkoneen ohjaamosta liittyy oleellisesti myös turvallisuusaspekti: jo konseptisuunnitteluvaiheessa on hyödyllistä tutkia, miten koneen lähellä liikkuva ihminen on havaittavissa ohjaamosta käsin. Virtuaalisilla simulaattoreilla voidaan tunnistaa potentiaalisia vaarapaikkoja ja -tilanteita työprosessissa. 2.5 Ergonomia Työkoneiden ohjaamot ovat usein ahtaita. Koneen käyttöliittymän elementtien sijoittelulla voidaan vaikuttaa huomattavasti koneen ergonomiaan ja käyttäjän kokemaan fyysiseen rasitukseen. Virtuaaliympäristössä voidaan tutkia erilaisten toteutusten vaikutusta ergonomiaan. Työasentojen tutkiminen jo etukäteen antaa mahdollisuuden optimoida laitteiden sijoittelua ergonomian kannalta. Koneiden huoltotoimenpiteet vaativat usein hankalia toimenpiteitä ahtaissa paikoissa. Koneen optimointia myös huollettavuuden kannalta voidaan tehdä virtuaaliteknologian avulla. 8 | www.agrolivinglab.fi 3. Simuloinnin ja mallinnuksen eri tasot Peruslähtökohtana työkoneiden tuomisessa virtuaaliympäristöön on CAD-suunnittelumalli. Ensimmäinen ratkaistava asia on, miten tämä malli saadaan konvertoitua formaattiin, joka saadaan visualisoitua virtuaaliympäristöön. CAD-malleista tulee pystyä karsimaan visualisoinnin kannalta turhia elementtejä kuten ruuvien kantoja pois, jotta kolmiulotteisesta visualisoinnista ei tule liian raskasta laskennallisesti. Kuitenkin osien välinen hierarkia tulisi pystyä säilyttämään konvertoinnissa. Yleisimpien 3D CAD -formaattien konvertointi onnistuu nykypäivänä pääosin ongelmitta. Se ei kuitenkaan suju reaaliajassa, ja siksi virtuaaliympäristöjä ei vielä yleisesti voida käyttää varsinaiseen CAD-mallinnukseen siten, että virtuaaliympäristössä tehtäisiin muutoksia suoraan pohjana olevaan CAD-malliin. Työkonetta voidaan tarkastella virtuaaliympäristössä joko yksittäisenä koneena, työprosessin suorittajana tai osana suurempaa työympäristöä. 3.1 Työkone Kun työkonetta tarkastellaan yksittäisenä koneena ilman yhteyttä työprosessiin, ei koneesta tarvita realistista simulointimallia. Esimerkiksi ohjaamon visuaalinen tarkastelu ja erilaisten mallivaihtoehtojen vertailu onnistuu pelkän visuaalisen mallin avulla. Toisaalta työkoneen mallinnuksessa voidaan esimerkiksi keskittyä ohjaamon käytettävyyden tutkimiseen. Tällä tasolla voidaan vaikkapa kouluttaa uudelle käyttäjälle koneen hallintalaitteiden käyttöä. Tällöin yleensä halutaan jonkinlainen yhteys hallintalaitteista virtuaalisen koneen toimintaan, mutta varsinaista dynaamista simulointimallia ei välttämättä tarvita. 3.2 Työprosessi Mikäli tarkoituksena on simuloida koneen käyttäytymistä työtilanteessa, tarvitaan koneesta dynaaminen reaaliaikainen simulointimalli. Työprosessitasolla simuloidaan koneella suoritettavaa työtehtävää ja tutkitaan koneen käyttäytymistä ja käytettävyyttä. Koulutuspuolella voidaan opettaa aitojen työtehtävien suorittamista uusille ajajille tai kokeneille ajajille, jotka saavat käyttöönsä uuden version koneesta. Kuvassa 2 on Tampereen teknillisen yliopiston simulaattori, jossa lastaria ohjataan aidoilla ohjaimilla kaivosympäristössä. Simulaattorissa on liikealusta, jolla mallinnetaan istuimen heilahtelua ajettaessa. www.agrolivinglab.fi | 9 aikaan, sitä paremmin pystytään tutkimaan reaalimaailman ilmiöitä virtuaalisesti. Valitulla näyttöteknologialla on suuri merkitys immersiovaikutelmaan. 4.1.1 Projektionäytöt Kuva 2: TTY:n lastarisimulaattorissa on kolmen seinän projektionäyttö. 3.3 Työympäristö Työympäristötason mallinnuksessa voidaan tutkia esimerkiksi laitteiden ja koneiden optimaalista sijoittelua tuotantolaitoksessa. Tällöin tarvittavien simulointimallien taso riippuu siitä, millä tavalla työkoneita tarkastellaan ympäristönsä osina. Kierros kolmiulotteisesti visualisoidussa virtuaalitehtaassa antaa realistisen kuvan siitä, miltä ympäristö näyttää ihmisperspektiivistä. Koneiden liike- ja turva-alueiden kuvaaminen virtuaaliympäristössä on suoraviivaista ja laitteiden sijoittelun vaikutuksia esimerkiksi logistiikka- ja turvallisuusnäkökulmista on helppo tarkastella. 4. Toteutuksen teknologiat Kun harkitaan virtuaaliteknologian tai -ympäristön hyödyntämistä tuotekehityksessä, kannattaa aluksi miettiä, mitkä ovat oikeat työkalut halutun ongelman ratkaisemiseen. Virtuaaliympäristöjä on monenlaisia, ja ratkaisujen hintahaitari on huomattava. Tässä kappaleessa kuvataan virtuaaliympäristön toteutukseen liittyviä teknologioita. Tarkoituksena on antaa yleiskuva siitä, minkälaisia laitteistoja ja teknologioita virtuaaliympäristöihin tyypillisesti liittyy. 4.1 Näyttö Paras immersio saadaan yleensä aikaan projektionäytöillä, joissa kuva projisoidaan näyttöpinnalle dataprojektorilla. Projektionäyttöjen huomattava etu kypäränäyttöihin on, että useampi henkilö voi kätevästi tarkastella samaa virtuaalimallia. Tällöin kolmiulotteisen vaikutelman aikaansaamiseksi käyttäjällä on oltava päässään katselulasit. Projektionäytöt voivat perustua aktiivi- tai passiivistereoprojektioon. Aktiivistereoprojektiossa dataprojektori näyttää ajallisesti vuoron perään kummallekin silmälle tarkoitettua kuvaa ja käyttäjän päässä olevat suljinlasit sulkevat vuorotellen kummankin silmän puoleisen linssin siten, että kumpikin silmä näkee vain joka toisen kuvakehyksen. Passiivistereoprojektio perustuu valon polarisaatioon. Tällöin kuvaa lähetetään kahdella eri suuntiin polarisoidulla projektorilla ja katselulaseissa on vastaavasti eri suuntiin polarisoidut linssit, jolloin kumpikin silmä näkee vain yhtä projektiota ja syntyy kolmiulotteinen vaikutelma. Toinen ratkaistava asia on, käytetäänkö etu- vai taustaprojektiota. Etuprojektiossa kuva projisoidaan näytölle sen etupuolelta, taustaprojektiossa näytön takaa eli sen läpi. Etuprojektio vaatii vähemmän tilaa, mutta haittana on varjokohtien muodostuminen, kun käyttäjä liikkuu projektorin eteen. Mikäli käyttäjän paikka on fyysisesti rajattu, etuprojektio voi olla toimiva vaihtoehto. Taustaprojektio mahdollistaa paremman liikkuvuuden, mutta vaatii joko runsaasti tilaa näytön takana tai peilien käyttöä projektiomatkan pidentämiseen. Yhdelläkin riittävän isolla näyttöpinnalla voidaan pärjätä, ihanteellinen ratkaisu lienee kolme projektiopintaa, joiden ei tarvitse olla kohtisuorassa toisiinsa nähden. Tällöin saadaan hieman panoraamamainen vaikutelma. Projektionäytöllä varustetun virtuaaliympäristön pystyttäminen ei enää nykyään ole valtavan suuri laitetason investointi. Tyypillisesti moderni perus-PC riittää visualisointikoneeksi. Näytönohjaimen on tuettava kolmiulotteista grafiikkaa. Monen näytön ympäristössä jokaista näyttöä ohjataan tyypillisesti omalla PC:llä (klusteri). Hiljattain on markkinoille tullut kotiteatterikäyttöön tarkoitettuja kohtuuhintaisia 3D-projektoreita. Äärimmäinen esimerkki projektionäytöillä toteutetuista virtuaaliympäristöistä ovat Cave-tyyppiset huoneet, joissa kolme tai neljä seinää ja lisäksi mahdollisesti lattia ja katto ovat projektiopintoja (kuva 3). Tällaisessa ympäristössä käyttäjä on kokonaan virtuaalitilassa ja immersio on suurimmillaan. Tämänkaltaisen järjestelmän rakentamisen kustannukset nousevat satoihin tuhansiin euroihin ja ylöspäin. Immersiolla tarkoitetaan voimakasta psykologisen eläytymisen tunnetta uppoamisesta virtuaaliseen maailmaan. Mitä suurempi immersio virtuaaliympäristöllä saadaan 10 | www.agrolivinglab.fi www.agrolivinglab.fi | 11 4.2 Äänimaailma Kuva 3: Öljynporauslautta visualisoituna Cave-tyyppisessä virtuaaliympäristössä. 4.1.2 Kypäränäytöt Kypäränäytöt ovat nimensä mukaisesti päässä pidettäviä näyttöjä, joissa virtuaalikuva luodaan suoraan käyttäjän silmien eteen. Kypäränäytöt ovat kompaktimpia ja vaativat vähemmän laitteistoa kuin projektionäytöt. Huonoina puolina on laitteiston painon aiheuttama fyysinen rasitus sekä se, että virtuaalimallin tarkastelu on mahdollista vain yhdelle henkilölle kerrallaan. Kypäränäyttöjen hintahaitari on laaja - sadoista euroista kymmeniin tuhansiin - riippuen näytön ominaisuuksista. Kypäränäyttöjen ominaisuuksia ovat mm. näytön tyyppi (LCD, CRT, joku muu), resoluutio, värimaailma, katselukulma ja liitännät. Katselukulmalla tarkoitetaan kolmiulotteisen kuvakentän leveyttä, jota käyttäjä voi tarkastella liikuttamatta päätään (ihmisellä tyypillisesti hieman alle 180 astetta). 4.1.3 Autostereoskopianäytöt Autostereoskopia on menetelmä, jossa kuvat lomitetaan kapeina kaistaleina projektiotasolle. Tason päälle asetetaan diffraktiohila, joka kokoaa kaistaleet yhteen ja projisoi ne siten, että vasen silmä näkee omat kaistaleensa ja oikea omansa. Autostereoskopianäytöt ovat vielä melko kalliita ja pieniä. Niiden hyvä puoli on, ettei katseluun tarvita laseja. 12 | www.agrolivinglab.fi Äänimaailma on merkittävä immersion kannalta esimerkiksi konesimulaattoreissa. Työkoneiden kuljettajat ovat tottuneet hahmottamaan yhteyden moottorin äänen ja kierrosluvun välillä. Jos kaasupoljinta painettaessa äänipalaute ei ole realistinen, koneen käyttäytyminen ei vaikuta täysin aidolta. Jos virtuaaliympäristöä toisaalta käytetään esimerkiksi pelkästään konseptisuunnitteluvaiheessa mallien visuaaliseen ja käytettävyystarkasteluun, ei ääniä välttämättä tarvita lainkaan. Virtuaaliakustiikka on oma tieteenalansa, jota hyödynnetään esimerkiksi konserttisalien akustiikan tutkimisessa virtuaalimalleilla ennen rakennuksen rakentamista. Ääntä voidaan toisaalta käyttää hyvin yksinkertaisen äänipalautteen muodossa esimerkiksi koneensuunnittelijan työn apuvälineenä virtuaalimallien muokkauksessa ja testaamisessa. 4.3 Haptiikka ja kinemaattinen aistipalaute Haptiikka virtuaaliympäristöissä tarkoittaa tuntoaistiin liittyvää teknologiaa. Haptisissa käyttöliittymissä käyttäjä ohjaa sovellusta koskettamalla, painamalla tai muuten liikuttamalla ohjainta. Haptinen palaute jakautuu kosketus- ja voimapalautteeseen. Kosketuspalaute kohdistetaan tyypillisesti sormenpäihin esimerkiksi hansikastyyppisessä käyttöliittymässä. Tällöin koskettaessaan virtuaalipintaa sormella käyttäjä tuntee kosketuksen sormensa päässä. Kosketuspalaute voidaan luoda esimerkiksi värähtelymoottoreilla, elektrodimatriiseilla tai elektroaktiiivisilla polymeereillä. Kaupalliset sovellukset ovat vielä melko hintavia (esim. Immersion CyberTouch n. 24 000 USD). Voimapalautteen avulla voidaan luoda mielikuva kiinteistä virtuaalikappaleista, joiden läpi ei voi työntää esimerkiksi sormea. Tällöin tarvitaan toimilaitteita, jotka kohdistavat käyttäjän sormiin tai käteen vastustavia voimia. Voimapalautetta sormiin tai käsiin kohdistavat sovellukset ovat vielä kosketuspalautteeseenkin verrattuna enemmän kehittelyasteella; kaupallisia sovelluksia on vähän ja ne ovat kalliita ja kömpelöitä. Tutkimusmaailmassa sovelluksia kehitetään jatkuvasti. Kuvassa 4 on Tampereen teknillisen yliopiston virtuaalitekniikan tutkimusryhmän kehittelemä pehmeitä pneumaattisia lihaksia käyttävä voimapalautehanska. Etenkin liikkuvien koneiden simulaattoreissa käytetään yleensä liikealustaa, joka liikuttaa käyttäjää konkreettisesti oikean koneen liikkeitä mukaillen. Realistinen ajotuntuma saadaan, kun käyttäjä istuu aidolla tai aitoa vastaavalla istuimella, joka on kiinnitetty liikealustaan (kuva 5). Liikealustan toimilaitteet ovat yleensä joko sähkömoottoreita tai pneumaattisia laitteita. Liikealustoja on saatavilla kaupallisina tuotteina. Alustan ohjaamiseen tarvitaan luonnollisesti myös koneen dynaaminen simulointimalli. www.agrolivinglab.fi | 13 Kuva 4: Virtuaalikappaleisiin tarttumisen mahdollistava voimapalautehanska kämmen- ja selkäpuolelta kuvattuna. 4.4 Paikannus Paikannuksella virtuaaliympäristössä tarkoitetaan sitä, että järjestelmä seuraa käyttäjän liikkeitä, asentoa yms. siten, että virtuaalinen näkymä esitetään käyttäjälle aina oikein. Paikannuksen avulla käyttäjä voi esimerkiksi kyykistymällä kurkistaa virtuaalimallin alle. Pään paikannus on yleensä toteutettu siten, että paikannetaan käyttäjän katselulasit. Mikäli käytössä on datahanska virtuaalikappaleiden manipulointiin, on käsi ja sormet paikannettava. Yksinkertaisin paikannusmenetelmä on mekaaninen paikannus, jossa kohde on mekaanisesti kiinni ympäristössään nivelletyn varren varassa. Kohteen paikka ja asento on tällöin suoraan laskettavissa nivelten kulmista. Yleisin paikannusmenetelmä on magneettinen paikannus. Ympäristöön sijoitetaan matalataajuista magneettikenttää luovia lähettimiä, ja paikannettavaan ruumiinosaan kiinnitetään vastaanotin, joka havaitsee kentän ja tunnistaa sen vaihtelujen perusteella paikkansa ja asentonsa. Optinen paikannus puolestaan perustuu siihen, että paikannettavaan kohteeseen kiinnitetään optisia merkkejä, joita kuvataan ympäristössä olevillä kameroilla. Akustisessa paikannuksessa lähetetään ultraääntä, jota vastaanotetaan usealla mikrofonilla. Kohteen paikka lasketaan joko äänen kulkuajan perusteella tai äänisignaalin vaihe-erosta lähettimen ja vastaanottimen välillä. Inertiapaikannuksessa integroidaan paikkatieto kiihtyvyysanturien ja gyroskooppien kiihtyvyysmittauksista. Kaikilla paikannusmenetelmillä on omat hyvät ja huonot puolensa, jotka täytyy ottaa huomioon valittaessa paikannusmenetelmää tiettyyn virtuaaliympäristöön. 14 | www.agrolivinglab.fi Kuva 5: Työkoneen aito istuin ja ohjaimet kiinnitettynä liikealustaan luovat realistisen ajotuntuman TTY:n lastarisimulaattorissa. 4.5 Ohjaimet Virtuaaliympäristössä kannattaa käyttää perinteisen näppäimistön ja hiiren sijasta 3D-ohjaimia, joiden avulla kolmiulotteisen ympäristön hallinta on helpompaa. Ohjaimia on lukuisia erilaisia ja erihintaisia. Datahanskojen avulla virtuaalikappaleiden manipulointi onnistuu luontevasti kättä ja sormia liikuttamalla. Simulaattoreissa parhaat ohjaimet ovat yleensä koneen aidossa käyttöliittymässä. Haptista voimapalautetta antavista ohjaimista yleisesti käytetyin lienee SensAble Technologies -yrityksen Phantom-tuotesarjan laitteet. Phantom-ohjaimissa on kynämäinen ohjain, joka on varrella kiinni voimia tuottavassa yksikössä. Käyttäjä tuntee voimat ohjainkynän päähän kohdistuvina. Usein virtuaalisovelluksissa käytetään sovelluskohtaisia kustomoituja ohjaimia. 4.6 Ohjelmistot Visualisointiohjelmiston valinnassa olennaista on, että alkuperäiset mallit saadaan konvertoitua mahdollisimman sujuvasti virtuaaliympäristöön. Ratkaiseva tekijä on tällöin se, mitä ohjelmistoa CAD-suunnittelussa käytetään, mitä tiedostoformaatteja se tukee ja mikä visualisointiohjelmisto on konversion kannalta toimivin vaihtoehto Ohjelmistovaihtoehtoja ovat esimerkiksi Virtools, Worldviz, VR4MAX, Quest3D ja Navisworks. Muita ominaisuuksia, joita ohjelmiston valinnassa mallien konvertoituvuuden lisäksi on huomioitava, ovat esimerkiksi renderöinnin tehokkuus, stereo- www.agrolivinglab.fi | 15 kuvaominaisuudet, klusterointimahdollisuus, tuet eri standardeille, kolmiulotteisen äänimaailman tuki, skriptausmahdollisuudet, laajennettavuus, versionhallinta, käyttöympäristö ja hinta. 5. Virtuaaliteknologian käyttöönottomahdollisuudet Virtuaaliteknologian käyttöönottamiselle yrityksessä on kolme erilaista tapaa. Yritys voi tietenkin alkaa itse rakentaa virtuaaliympäristöä omista lähtökohdistaan. Tämä tapa on yrityksen kannalta joustavin, mutta vaatii huomattavasti omaa työpanostusta. Toinen vaihtoehto on ostaa valmis ratkaisu joltakin alan yritykseltä. Tämä ratkaisu on vaivaton, mutta maksaa tietenkin jonkin verran. Kolmas tapa on lähteä mukaan julkisesti rahoitettuun tutkimus- ja kehityshankkeeseen, jossa on mukana jokin tutkimuslaitos ja mahdollisesti muita yrityksiä. Tällaiseen hankkeeseen pääsee yleensä kohtuullisella rahallisella panoksella ja hankkeen aikana kehitettävät ratkaisut tulevat vapaasti osallistujien käyttöön. Hankkeiden tyypillinen kesto on pari vuotta, ja sen aikana yritys saa arvokasta kokemusta uudesta teknologiasta ja toteutettavat ratkaisut pystytään räätälöimään juuri tarpeeseen sopiviksi. 6. Alan toimijoita ja toteuttajia Suomessa Tässä lueteltujen tahojen lisäksi muitakin varmasti on, joten listaa ei pidä pitää kattavana. Tutkimushankkeeseen osallistumista harkittaessa kannattaa osallistua aiheesta järjestettäviin seminaareihin. Esimerkiksi Tekesin teknologiaohjelmia käynnistettäessä järjestetään yleensä tilaisuuksia, joissa hankkeita suunnittelevat yritykset ja tutkimuslaitokset pääsevät keskustelemaan suunnitelmistaan ja luomaan kontakteja. 6.1 Tutkimuslaitoksia Tampereen teknillisessä yliopistossa virtuaaliteknologian osaamista löytyy useammalta laitokselta. Konstruktiotekniikan laitoksen virtuaalitekniikan tutkimusryhmällä on kokemusta konemallien tuomisesta virtuaaliympäristöön, virtuaaliteknologian hyödyntämisestä ohjaamosuunnitteluun, haptisista käyttöliittymistä ja liikealustalla varustetuista simulaattoreista. Hydrauliikan laitoksella on hyödynnetty virtuaalista simulointia älykkäiden työkoneiden kehittelyssä. Elektroniikan laitoksella on tehty oma virtuaaliympäristö ja kehitetty työkonesimulointia. Hyvinkäällä toimii Tampereen teknillisen yliopiston nosto- ja siirtoalan professuurin tutkimusyksikkö, joka tekee yhteistyötä Teknologiakeskus TechVilla Oy:n kanssa. Alueella toimii mm. TechVilla 3D-visualisointilaboratorio sekä Suunnittelulaakso-projekti, jonka kehityshankkeita ovat mm. älykkäät koulutus- ym. simulaattorit sekä muotoilua, tuotesuunnittelua ja -kehittämistä tukeva 3D-visualisointi. 16 | www.agrolivinglab.fi Lappeenrannan teknillisen yliopiston teknillisen tiedekunnan metalliosaston älykkäät koneet -tutkimusryhmällä on kokemusta ja osaamista koneiden virtuaalisuunnittelusta sekä koulutus-, tuotekehitys- ja viihdesimulaattoreista. LTY:n johtama Virtuaalisuunnittelun foorumi on vuonna 1998 perustettu yritys- ja tutkimuslaitosverkosto, jonka tarkoituksena on kehittää ja jakaa tietoa koneiden virtuaalisuunnittelusta. Siihen kuuluu tällä hetkellä toistakymmentä yritystä sekä kolme tutkimuslaitosta. Foorumi tarjoaa jäsenilleen ajankohtaista tietoa koneiden virtuaalisuunnittelusta, siihen liittyvää koulutusta sekä mahdollisuuden päästä vaikuttamaan alalla tehtävään tutkimukseen. VTT:llä on monipuolista kokemusta virtuaaliteknologian kehittämisestä koneensuunnittelussa Virtuaaliset tuotteet ja tuotannon järjestelmät -osaamisalalla, jossa toimii Ihminen–kone- ja virtuaalijärjestelmiä kehittävä osasto. VTT:n hankkeissa on kehitetty esimerkiksi työkoneiden ohjaamosuunnittelua ja koulutussimulaattoreita sekä virtuaaliympäristöä hyödyntävää etäoperointia, koulutusta, suoritusten arviointia sekä huollon ja ylläpidon suunnittelua. Myös käyttöliittymien suunnittelu virtuaaliympäristössä sekä virtuaaliseen prototypointiin perustuva suunnitteluprosessi ovat VTT:n tutkimusaloja. Aalto-yliopiston teknillisen korkeakoulun mediatekniikan laitoksella on pitkä perinne virtuaaliteknologian tutkimuksessa Teknillisen korkeakoulun tietoliikenneohjelmistojen ja multimedian laboratorion ajoilta. Laitoksella on tehty tutkimusta muun muassa multimodaalisen lisätyn todellisuuden, virtuaaliakustiikan ja keinotodellisuudessa tapahtuvan tietokoneavusteisen muotoilun parissa. Laitos on osa Intuition-verkostoa, joka on Euroopan johtavien virtuaalitodellisuuden asiantuntijoiden ja toimijoiden yhteenliittymä. Jyväskylän yliopiston informaatioteknologian tiedekunnan Agora-tekotodellisuuslaboratoriossa kehitetään tekotodellisuussovelluksia, interaktioita virtuaalisessa ympäristössä ja tekotodellisuussovellusten ohjelmistoarkkitehtuureja. Tutkimuskohteena ovat muun muassa virtuaaliset prototyypit teollisten tuotekehityssyklien nopeuttajina. Seinäjoen ammattikorkeakoululla on Suomen mittakaavassa ainutlaatuinen Cavetyyppinen virtuaaliympäristö, joka koostuu viidestä projektiopinnasta (3 seinää, katto ja lattia). Virtuaalilaboratoriossa tehtyjen monentyyppisten 3D-visualisointiprojektien kohteina ovat olleet mm. työkoneet, robottisolut, agroteknologiapuolen automaatio, kaupungin kaavoitussuunnittelu ja arkkitehtuuri. Virtuaalilaboratorio tarjoaa 3D/VR-sovellussuunnittelupalvelua, jossa toimeksiannon perusteella suunnitellaan virtuaalimalli visualisoitavaksi. Seinäjoen ammattikorkeakoulu on tehnyt paljon yhteistyötä Tampereen teknillisen yliopiston virtuaalitekniikan tutkimusryhmän kanssa. www.agrolivinglab.fi | 17 6.2 Yrityksiä Monilla suunnittelutoimistoilla saattaa olla valmiuksia erilaisten virtuaaliteknologioiden hyödyntämiseen ja virtuaaliympäristöihin liittyvien ratkaisujen toteuttamiseen. Virtuaaliteknologiaan erikoistuneita yrityksiä Suomessa ovat ainakin seuraavat: »» Mevea Oy: koulutus- ja tuotekehityssimulaattorit, mallinnus- ja simulointipalvelut »» Creanex Oy: koulutussimulaattorit »» Sensetrix: tuotteiden visualisointi virtuaali- ja lisätyn todellisuuden ympäristöissä. 7. Tulevaisuudennäkymät Virtuaaliteknologian kehitys kulkee jatkuvasti eteenpäin, ja tulevaisuudessa sen käyttöönotto tulee olemaan yhä helpompaa eri aloilla. Viihdeteollisuus on maailmanlaajuisesti taloudellisesti merkittävä ala, ja sen tarpeisiin kehitettäviä teknologisia ratkaisuja voidaan hyödyntää eri teollisuudenaloilla. Projektionäytöt ovat jo kohtuuhintaisia, ja autostereoskopianäytöt ovat tulossa. Paikannusteknologiassa päästään tarkkoihin mutta kohtuuhintaisiin sovelluksiin mm. optisen paikannuksen ratkaisujen myötä. 3D-visualisointi- ja suunnitteluohjelmistojen ominaisuuksien yhdistäminen yhteen tuotteeseen tulee yleistymään, jolloin todellisen 3D-suunnittelun toteuttaminen virtuaaliympäristössä on suoraviivaista. 18 | www.agrolivinglab.fi www.agrolivinglab.fi | 19 Tämä raportti ilmestyy osana agroteknologia-alan julkaisusarjaa, jonka tavoitteena on tarjota kansainvälistä tietoa ja tulevaisuudennäkymiä suomalaisen maa- ja metsätalouskoneteollisuuden liiketoiminnan ja tuotekehityksen tueksi. Julkaisusarjan raportteja voi ladata sähköisenä osoitteesta www.agrolivinglab.fi ja www.agrotechnology.fi. Raportti on tuotettu osana Agro Living Lab -hanketta. Hankkeessa ovat mukana Seinäjoen Teknologiakeskus Oy, Seinäjoen ammattikorkeakoulu ja Helsingin yliopiston Ruraliainstituutti. Lisätietoja: Sanna Kankaanpää, Seinäjoen Teknologiakeskus Oy, [email protected].
