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].