Tutkimustyötä älykkäiden koneiden parissa

Ohjelmistorobotiikka ja älykäs analytiikka yhdistettyinä Big Dataan on jo nyt vaikuttanut merkittävästi työelämään monilla aloilla. Metalliteollisuudessa seuraava vaihe on liikkuvien robottien ja ihmisen kanssa yhteistyössä toimivien cobottien hyödyntäminen. Tutkimustyö nopeasti uudistuvalla alalla on erittäin kiehtovaa, professori Heikki Handroos LUT-yliopistosta toteaa.

Professori Heikki Handroos johtaa Lappeenrannan–Lahden teknillisen yliopiston LUT:in älykkäiden koneiden laboratoriota. Handroosin tutkimusryhmällä on vahvaa osaamista erikoisrobottien suunnittelun alueella. Tutkimusryhmä tutkii ja kehittää energiatehokkaita tehonsiirtoja ja automaatiota liikkuviin työkoneisiin ja teollisiin prosesseihin. Parhaillaan käynnissä olevat tutkimusprojektit liittyvät esimerkiksi liikkuvien työkoneiden käytettävyyden virtuaalisuunnitteluun sekä uutta vedenpuhdistusmenetelmää hyödyntävän hajautetun teknologian kehittämiseen.

—Yksi tutkimusprojekteistamme käsittelee ydinfuusiovoimaloiden valmistus- ja huoltorobotiikkaa. Tutkimusryhmälläni on ollut merkittävä rooli usean robottijärjestelmän kehityksessä rakenteilla olevaan ITER-fuusioreaktoriin sekä suunnitteluvaiheessa oleviin DEMO (EU) ja CFETR (Kiina) reaktoreihin. Toistaiseksi kaupallisesti saatavat teollisuusrobotit eivät täytä sellaisia tarkkuus ja jäykkyysvaatimuksia, joita näissä sovelluksissa vaaditaan, Handroos kertoo.

Reaktoreissa hyödynnetään ydinfuusiorektiota energian tuottamiseksi lähes päästöttömästi. Fuusiorektiossa kaksi vetyatomia yhtyy heliumiksi, jolloin vapautuu runsaasti energiaa. Sama reaktio tapahtuu auringossa.

Professori Heikki Handroos johtaa Lappeenrannan-Lahden teknillisen yliopiston LUT:n älykkäiden koneiden laboratoriota.  Kuva: LUT-yliopisto

—Ongelmalliseksi tekniikan tekee se, että fuusiorektion käynnistämiseksi polttoaine on kuumennettava yli sataan miljoonaan celsiusasteeseen. Syntyvä plasma pitää kelluttaa tyhjiössä tehokkaiden magneettien avulla. Reaktorien vaativin osa on tyhjiöastia, joka valmistetaan ruostumattomasta teräksestä. Tyhjiöastia koostuu sektoreista, jotka liitetään yhteen robottihitsauksen avulla. Tällaiseen erikoistarkkaan hitsaukseen tarvitaan robotti, joka kykenee työskentelemään pienessä tilassa. Lisäksi robotin pitää pystyä suorittamaan työstöä, mikäli hitsaussaumoissa esiintyy kuumahalkeamia, Handroos selittää.

LUT:issa on konetekniikan kansainvälistä kärkiosaamista erityisesti koneiden dynamiikan mallinnuksen ja simuloinnin alueella. Kolmen professorin tutkimusryhmät ja kampuksella sijaitseva spin-off-yritys Mevea Oy muodostavat yli kuudenkymmenen asiantuntijan kokonaisuuden Lappeenrannassa.

—LUT on vuosien varrella toteuttanut kaksi kansainvälisen asiantuntijapaneelin arviointia. Näissä on tullut keskeisesti esiin LUT:in kansainvälinen osaaminen mainituilla tutkimusalueella. Resurssien, julkaisutoiminnan ja tutkintotuotannon perusteella voi siis todeta, että LUT on globaalisti yksi tärkeimmistä tutkimuskeskittymistä tällä alueella.

Elinkeinorakenne ja työelämä muuttuvat

Ohjelmistorobotiikka ja älykäs analytiikka yhdistettynä Big Dataan on vaikuttanut työelämään erityisesti pankki-, markkinointi- ja sijoitusalalla.

—Kyseisten alojen työmarkkinat ovat voimakkaassa muutosvaiheessa. Vastaavat muutokset teollisessa valmistuksessa ja muilla aloilla, kuten maa- ja metsätaloudessa, kaivosteollisuudessa ja logistiikassa antavat vielä odottaa itseään. Kymmenen vuoden aikajänteellä tulee merkittäviä muutoksia myös näiden kohdalla, Handroos ennakoi.

Autonomiset autot, kuljetusvälineet, itsestään operoivat työkoneet satamissa, pelloilla ja kaivoksissa vaikuttavat elinkeinorakenteeseen ja työelämään. Suomen metalliteollisuudessa automatisoinnin kehitystä on rajoittanut yksittäiskappale- ja piensarjavalmistus, joka vaatii paljon ohjelmointi- ja kalibrointityötä robottien hyödyntämiseksi. Mikäli tämä työ kestää kauemmin kuin tuotteiden valmistus perinteisin työvoimavaltaisin menetelmin, ei robotti-investointi ole kannattavaa. Yksittäisten prosessien robotisointia on myös hidastanut muiden tuotantoprosessien osien sopimattomuus robotisoituun valmistukseen. Usein nimittäin vaaditaan koko järjestelmän uudistaminen jonkin työvaiheen robotisoimiseksi.

—Metalliteollisuudessa uusin vaihe on liikkuvien robottien ja ihmisen kanssa yhteistyössä toimivien cobottien hyödyntäminen. Cobottien heikkous on niiden alhainen hyötykuorma, noin 5-10 kg, joka ei ole riittävä tyypillisissä metalliteollisuuden sovellutuksissa. Turvallisuuskysymykset ja sertifioinnin tarve hidastavat myös niiden käyttöönottoa. Todennäköisesti cobotiikka vaikuttaa enemmän esimerkiksi elintarviketeollisuuden, lääketeollisuuden ja logistiikan alueilla työvoiman tarpeeseen. Keinoälyllä ja teollisilla IoT-järjestelmillä, niin sanotuilla esineiden Internetillä on tulevaisuudessa iso rooli turvallisuuden varmistamisessa kollaboratiivisissa työympäristöissä.

Älykkäiden koneiden laboratoriosta alkunsa saanut Mevea Oy on malliesimerkki yliopistossa tehdyn tutkimuksen kaupallistamisesta. Yritys tuottaa edistyksellisiä liikkuvien työkoneiden simulaattoriratkaisuja sekä teollisuuden että koulutuskeskusten tarpeisiin ja se työllistää merkittävän määrän LUTista valmistuneita asiantuntijoita.

Metalliteollisuudessa uusin vaihe on liikkuvien robottien ja ihmisen kanssa yhteistyössä toimivien cobottien hyödyntäminen. Kuvassa Handroos ja LUTin kehittämä Tiera-cobotti. Kuva: LUT-yliopisto

—Yrityksen osaamisen perusta on luotu LUT:in projekteissa syntyneestä tiedosta. Lisäksi voimme hyödyntää nykyisissä tutkimushankkeissa Mevean tuotteita soveltamalla niitä uusiin tutkimusideoihin. Esimerkkeinä tällaisesta ovat hankkeet, joissa Mevean tekemiä simulaattoreita yhdistetään teollisiin IoT-järjestelmiiin ja tutkitaan näiden mahdollistamia uusia liiketoimintamalleja sekä yhdistetään Mevean simulaattoreilla tehtävää konesuunnittelua ja käytettävyysanalyyseja mittaamalla käyttäjän biosignaaleja, Handroos selittää.

Tie helatehtaalta professoriksi

Handroos on tamperelaisen työläisperheen poika, joka kasvoi metalliteollisuuden vaikutuspiirissä. Isoisä, isä, veli ja sisko työskentelivät Excelsior Oy:n helatehtaalla, jossa hän itsekin oli opiskeluaikanaan kesätöissä.

—Opiskelin Tampereen teknillisessä korkeakoulussa, jossa professori Matti Vilenius sai houkuteltua minut laitokselleen tutkijaksi. Vileniuksen hydrauliikan ja automatiikan laitoksesta muuten kehkeytyi myöhemmin Suomen Akatemian tutkimuksen huippuyksikkö. Valmistuin tohtoriksi pahimpaan lama-aikaan 1991, jolloin työnsaantimahdollisuudet olivat vaatimattomat. Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa aukeni haettavaksi apulaisprofessorin virka vuonna 1992. Hain virkaa ja sain sen. Olen muuten tällä hetkellä pisimpään palvellut professori LUT:issa. Ala on erittäin kiehtova, koska se uudistuu nopeasti.

Vaativasta työstä huolimatta aikaa jää myös harrastuksille. Nettiä selatessa löytyy kuvia professorista sähkökitaraa soittamassa, sitä hän on harrastanut 16-vuotiaasta asti. Musiikki toimii tasapainoittavana vastavoimana arjen pyörityksessä. LUT:in henkilökunnassa on monta muutakin musiikin harrastajaa, ja vuosien varrella on syntynyt erilaisia bändejä. LUT:ista on lisäksi lähtöisin jokavuotinen Professorirock-tapahtuma, joka järjestetään aina eri yliopistopaikkakunnilla. Yksi Handroosin bändeistä nimeltä Tuxedo Penguins on julkaissut levyn Academic Quarter, joka on kuunneltavissa Spotifyissa. Handroos on säveltänyt ja sanoittanut kaikki levyn kappaleet.

Handroosille ratsastus liittyy harrastuksen lisäksi myös työhön: —Huomasin, että ratsastuksen oppiminen on vaativaa ja aloin kehittää sen helpottamiseksi soveltuvaa simulaattoritekniikkaa, hän toteaa. Kuvassa Handroos ja hänen Haflinger-hevosensa Chin-Chin.

—Toinen harrastukseni, nimittäin ratsastus, sen sijaan liittyy myös työhöni. Kiinnostuin ratsastuksesta aikuisiällä joutuessani kuljettamaan tyttäriäni talleille. Perheeni omistaa Haflinger-hevosen, joka on ollut tyttärieni ja omassa käytössäni. Huomasin, että ratsastuksen oppiminen on vaativaa ja aloin kehittää sen helpottamiseksi soveltuvaa simulaattoritekniikkaa.

Tuohon aikaan laboratoriossa kehitettiin työkoneiden kuljettajien istuinten liikesimulaatiota. Handroos havaitsi, että samanlainen teknologia soveltuu kumpaankin tarkoitukseen.

—Hevosen satulan liike voidaan mitata hevosen eri askellajeissa liikeanturin avulla ja se voidaan toistaa robottia muistuttavan liikealustan kautta. Hevosen ja ratsastajan vuorovaikutuksen kuvaamisessa voidaan hyödyntää keinoälyä ja oikean hevosen ja ratsastajan vuorovaikutus voidaan opettaa algoritmille hyödyntämällä kannettavaa mittaustekniikkaa.

Työ on muutenkin jatkuvaa uuden löytämistä ja tutkijan vapaus toimii hienosti. Tämä siitä huolimatta, että opetus- ja hallintokuorma ovat kasvaneet jatkuvasti. Handroos on aiemmin toiminut Professoriliiton paikallisosaston puheenjohtajana ja nykyisin hän on liiton paikallisluottamusmies.

—Järjestäytyminen on tärkeää professorikunnan äänen saattamiseksi päättäjien korviin yliopistosektorin muutosten yhteydessä. Minusta liitto voisi vielä yrittää parantaa järjestäytymisastetta yliopistoissa ja vahvistaa rooliaan suhteessa päättäjiin jäsenistön kannalta epäedullisissa muutostilanteissa, Handroos painottaa.

Teksti: Arja-Leena Paavola
Kuvat: LUT-yliopisto

www.professoriliitto.fi