Tutkimus

TITAN-projektissa opetetaan robotteja voimantuntevan eksoluurangon avulla

TITAN-hanke
Voimantunteva ihminen-kone-etälasnäolokäyttöliittymä digitalisoitussa työympäristössä.
Robotit ovat tunnetusti ylivertaisia työskentelemään tarkasti ja väsymättä. Niiden uudelleenohjelmointi uusiin tehtäviin on kuitenkin työlästä. Tampereen yliopistossa käynnistyneessä TITAN-projektissa robottien uudelleenohjelmointiin hyödynnetään robottitutkimuksen uusia tuulia ja sovelletaan voimia välittävää, käsivarteen puettavaa eksoluurankoa.

Liikkuvat työkoneet ovat tärkeä osa suomalaista teknologiateollisuutta ja sen vientisektoria. Tällaisia työkoneita ovat metsä-, rakennus- ja kaivoskoneet sekä tehtaissa ja satamissa käytetyt nosto- ja siirtolaitteet. Monet näiden laitteiden kotimaisista valmistajista ovat alallaan maailman markkinajohtajia ja viime vuosien aikana robottimaisten työkoneiden kehitys on muodostunut heille merkittäväksi kilpailutekijäksi.

Robotit ovat tunnetusti ylivertaisia suorittamaan tarkasti ja väsymättä ennalta määrättyjä tehtäviä, mikäli robotin tehtävässä ja ympäristössä ei tapahdu muutoksia.

– Teollisuusrobotit soveltuvat hyvin massatuotannon tehtäviin, kuten matkapuhelimien kokoonpanoon tehtaissa. Jos robotin työympäristö tai tehtävä kuitenkin muuttuu, on niiden uudelleenohjelmointi hyvin työlästä. Etsimme uusia keinoja uudelleenohjelmoinnin helpottamiseksi, professori Jouni Mattila kertoo.    

– TITAN-projektissa toteutamme täyden skaalan työkoneella suomalaiselle teknologiateollisuudelle oleellisen, geneerisen ihminen-kone-etäläsnäolokäyttöliittymän. Toimimme dialogissa yritysten kanssa ja projektin jälkeen sovellamme tuloksia yritysten esittämiin käyttötapauksiin, Mattila sanoo.

Supermiestyyli avuksi suurten koneiden opettamiseen

Viime vuosina robottitutkimus on edistynyt isoin askelin, kun on yhdistetty edistyksellistä voimantuntevaa robotiikkaa sekä koneoppimista. Esimerkillä opettamiseksi kutsutussa menetelmässä käyttäjä voi tarttua robottiin ja liikuttaa sitä läpi halutun tehtävän. Tämä uudelleenohjelmointia vähentävä tapa toimii varsin hyvin, jos pienikokoinen robotti on varustettu voimantuntevalla anturoinnilla, joka mahdollistaa tehokkaan oppimisen ja keventää robotin liikkeet ihmisvoimille sopiviksi. Suomalaisen teknologiateollisuuden tulevaisuuden kilpailukyvylle ovat kuitenkin keskeisiä raskaiden, useita satoja kiloja painavien tuotantokappaleiden nostot ja useiden metrien mittaiset siirrot.

– Suurikokoisille työkoneille tarvittavia kalliita ja helposti rikkoutuvia voima-antureita ei ole saatavilla, joten esimerkillä opettamista ei voida helposti käyttää. Ihmismäisten taitojen opettamiseen tarvitaan siis kokonaan uusia menetelmiä ihminen-robottikäyttöliittymän toteuttamiseen suomalaisen teknologiateollisuuden lähtökohdista ja sen vahvuudet huomioiden, Mattila sanoo. 

Apuun koneiden opettamisessa voisi tulla niin sanottu eksoluuranko, käsivarteen puettava voimia välittävä kaupallinen robotti, jonka määräämiä liikekäskyjä työkoneen robottikäsi seuraa.

– Projektin ensimmäinen tutkimushaaste liittyy voimantuntevan etäohjatun robotiikan kehittämiseen suurikokoisille liikkuville työkoneille, joissa ihmisen käsivarren tuottamat muutaman kilon liike- ja voimaohjeet skaalataan supermiestyyliin työkoneiden tuhansien kilojen kuormien liikkeiksi ja voimiksi. Projektin kovan tieteellisen ytimen muodostaa aikaisempaan kansainväliseen huippututkimukseemme perustuen säätötekninen etäohjausratkaisu, jossa voimantunteva suurikokoinen työkoneen robottikäsi toteuttaa eksoluurangon välittämät ohjauskäskyt.

5G mahdollistaa moniaistisen ihminen-kone-etäläsnäolokäyttöliittymän

Projektin toinen tutkimushaaste pureutuu koneoppimisen avulla tapahtuvaan ihmismäisten taitojen opettamiseen, jossa käyttäjälle välitetään robotin tuntemia voimia sekä lisätyn todellisuuden 3D-videokuvaa ja ääntä. Käyttöliittymässä hyödynnetään pellistämistä, sillä robotin tuntemat voimat voivat olla joko työtehtävään liittyviä todellisia kontaktivoimia tai digitalisoidun työympäristön virtuaalisia liikerajoituksia. Operaattorin tehtävänä on valvoa ja ratkoa ongelmatilanteita skaalautuvassa monirobottijärjestelmässä sekä tarvittaessa opettaa niille uusia tehtäviä.

– Säätöteknisessä ohjausjärjestelmässä käyttäjän ja robotin tuntemat voimat pitää välittää kahdensuuntaisesti yhden millisekunnin välein, mihin uudet 5G-verkot pystyvät. Etäläsnäoloon perustuva voimantunteva robotiikka mahdollistaa esimerkiksi yhdessä Hervanta kampuksen uuden 5G-testiverkon kanssa uusien innovatiivisen ICT-teknologiatuotteiden, kuten moniaistisen skaalautuvien etäläsnäolokäyttöliittymien kehittämisen yrityskohtaisiin käyttötapauksiin, professori Mattila kertoo.  

Ihmismäisten taitojen opettaminen raskaille liikkuville työkoneille moniaistisen läsnäolon välityksellä (TITAN) -hanketta rahoittavat Teknologiateollisuuden 100- vuotissäätiö (200 000 euroa) sekä Jane ja Aatos Erkon säätiö (200 000 euroa) niiden yhteiseen Tulevaisuuden tekijät -ohjelmaan liittyen.

Lisätiedot: professori Jouni Mattila, Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta, puh. 040 8490244, jouni.mattila [at] tuni.fi