Home Ľ Lucy in the press Ľ

EOS (04/2005): Robots zetten hun eerste menselijke pasjes


JPG Versie met fotos: Robots zetten hun eerste menselijk pasjes page 1, page 2 et page 3

Robot Denise stapt als mens

In vergelijking met haar Japanse neefjes ASIMO en QRIO is de Nederlandse Denise niet echt een schoonheid te noemen : anderhalve meter groot, stalen benen, een patroon met koolzuurgas als bovenlijf en ... een blauw emmertje als kop. Maar toch is ze de trots van ingenieurs Martijn Wisse (bedenker, foto) en Jan van Frankenhuyzen (ontwerper) van de Technische Universiteit Delft. Wat de robot zo bijzonder maakt? Denise kan even vloeiend stappen als een mens. En dat zonder al te veel energie te verbruiken en bijna zonder enige aansturing. In de robot zit niet meer elektronica dan in een gemiddelde gsm. Omdat de knieŽn Ė the knees- de eerste onderdelen waren die Van Frankenhuyzen ontwierp, werd de Delfste creatie Denise gedoopt. Samen met twee Amerikaanse robots, eentje van Cornell University en eentje van Massachusetts Institute of Technology (MIT), werd Denise onlangs voorgesteld in het gerenommeerde vakblad Science.

Robots zetten hun eerste menselijke pasjes

Robots die stappen als mensen. In films als I, robot lijkt het een fluitje van een cent. Maar niets is minder waar. Toch beginnen ze hun eerste echt 'menselijke' pasjes te zetten, ůůk in de lage landen. Robots als Denise (TU Delft) en Lucy (Vrije Universiteit Brussel) leren ons niet alleen ontzettend veel bij over menselijke loopbeweging, ze liggen ook aan de basis van betere protheses en revalidatiehulpmiddelen. Bovendien staan ze aan de wieg van een nieuwe lichting robots die, ook buiten de fabrieksmuren, allerlei klussen klaren.

Mensen lopen met vloeiende, natuurlijke bewegingen ťn ze gebruiken daarvoor heel weinig energie. Wat voor ons eenvoudig en evident lijkt, is voor een robot ontzettend moeilijk. Zelfs de Japanners, die de meest geavanceerde robots tot nog toe ontwierpen, konden hun robots nog niet op een echt menselijke manier doen stappen. De tred van een revolutionaire robot als Honda Human Robot P2 (1996) bleef houterig. De bewegingen van deze robots zijn voorgeprogrammeerd en ze lopen statisch. De projectie van het zwaartepunt op de grond valt altijd binnen de ondersteunde voet. Zo is de robot op elk moment zeker dat hij niet aan het omvallen is: hij behoudt dus altijd statisch evenwicht. Asimo (laatste versie van de Honda-robot) mag dan wel al een stuk dynamischer geworden zijn, nog altijd worden alle bewegingen door motorkracht opgedrongen. Hij maakt dus geen gebruik van de natuurlijke zwaaibewegingen van de benen. Daarom verslindt hij energie.

Beheerst omvallen

Anders dan de Japanse robots, is de tred van de drie robots die onlangs in Science werden voorgesteld, geÔnspireerd op de menselijke manier van bewegen. Wij lopen passief-dynamisch: bij elke stap laten we ons eigenlijk voorovervallen. Om een volgende stap te zetten, maken we gebruik van de zwaarte-krachtsenergie. Deze manier van voortbewegen vergt heel weinig energie. Het grootste gedeelte van de beweging is namelijk gratis, want verloopt in een natuurlijke cadans. De Amerikaanse ingenieur Tad McGeer bedacht het concept voor passieve loop robots 1990. McGeer had er wel nog een helling voor nodig. Hij liet robots, of liever een stel benen, zonder elektronica of motoren ('passief') op een stabiele manier van een flauwe helling aflopen. De beweging blijft in gang doordat de loopbeweging plaatsvindt in de natuurlijke cadans van het apparaat ('dynamisch'). Anders dan de robots die statisch gebalanceerd lopen, zijn passief-dynamische lopers juist continu aan het omvallen. Maar, ze vallen niet omdat de cyclus van vallen-en-opvangen als geheel een stabiele beweging is. Martijn Wisse en zijn Amerikaanse collega's van Cornell University en het MIT hebben geen helling meer nodig om hun robots passief-dynamisch te laten lopen. Ze hebben hun robots een aandrijving meegegeven die de zwaarlekrachtsenergie vervangt. 'Denise kreeg pneumatische spieren in de heup,' legt Martijn Wisse uit. 'Haar loopbeweging wordt aangedreven door middel van twee groepen 'spiertjes' in de heupscharnier. De spiertjes zijn een soort ballonnetjes die, als ze onder druk staan, tegelijk dikker en korter worden. Daarmee lijken ze op menselijke spieren.

'Er zijn twee spiergroepen. De ene trekt het linkerbeen naar voren (en tegelijkertijd het rechterbeen naar achteren), de andere spiergroep doet het omgekeerde. Raakt het linkerbeen de grond, dan wordt dit gedetecteerd door de voetschakelaar in de linkervoet. Door dit signaal worden vervolgens de heupspieren allemaal omgeschakeld, zodat het rechterbeen naar voren wordt getrokken voor een volgende stap. Verder wordt alleen nog een slotje in de knie van het zwaaibeen geschakeld: aan het begin van de zwaaifase wordt de knie losgelaten, zodat de voet voldoende van de grond komt. Aan het einde ervan valt de knie vanzelf, door de natuurlijke zwaaibeweging van het been, weer in het slot. Zo zakt Denise niet door haar knie.' Bovenlijf en armen van de robot bewegen 'tegen de beweging in', precies zoals mensen dat doen. Waren de armen aanvankelijk bedoeld om omvallen (door ongewenste rotaties rond de verticale as) te voorkomen, dan bleek de robot uiteindelijk voldoende stabiliteit te ontlenen aan het mechanisme in de enkels. Mensen gebruiken waarschijnlijk allebei om hun evenwicht te bewaren.

De soepele spieren van Lucy

Wisse en zijn collega ontwierpen de pneumatische spieren niet zelf, maar kochten ze kant-en-klaar bij een Londens bedrijf. Aan de Vrije Universiteit Brussel ontwikkelen ingenieurs van de afdeling Werktuigkunde de pneumatische spieren zelf. Ze willen vooral meer flexibiliteit in de aandrijving van robots inbouwen. Pneumatische spieren zijn daarvoor uitermate geschikt. Vorig jaar presenteerde de Multibody Mechanics Research Group Lucy, het resultaat van tien jaar onderzoek. Bijzonder aan Lucy, eigenlijk meer een stel benen dan een echte robot, is dat de soepelheid van haar twaalf pneumatische spieren (voor zes gewrichten) instelbaar is. 'Lucy is momenteel in staat met beide voeten in de lucht stapbewegingen te maken' zegt ir. Björn Verrelst. 'Momenteel leggen we de laatste hand aan een toonbanksysteem, zodat we vercier kunnen experimenteren met continue stapbewegingen.' Door robots zo natuurlijk mogelijk te laten bewegen, kan hun energieconsumptie worden verlaagd. 'Daarbij is een soepel gedrag in de aandrijving erg belangrijk,' zegt Björn Verrelst. In een ideaal scenario is die soepelheid ook nog regelbaar, zoals bij pneumatische artificiŽle spieren. 'Dan kan de stijfheid van de spieren In elk gewricht ingesteld worden in functie van het gewenste stappatroon. Zo kan de natuurlijke dynamica zoveel mogelijk worden uitgebuit ťn verbruiken de robots dus minder energie. Ook de mens doet dat. Hij 'regelt' de stijfheid van zijn spier/pees-systeem in functie van de beweging die hij uitvoert.'

Het nut

Robots als Lucy en Denise worden uiteraard niet voor de fun gebouwd. Wisse:íIn de eerste plaats financiert de technologiestichting STW het onderzoek rond Denise omdat we heel wat leren over de menselijke voortbeweging. Waarom zijn we gebouwd zoals we zijn gebouwd? Welke elementen zorgen voor onze voortbeweging, welke voor stabiliteit?' Zo maakte Denise duidelijk dat we ons evenwicht waarschijnlijk mede te danken hebben aan onze enkels. Het onderzoek aan Denise en Lucy draagt ook bij tot het maken van betere protheses. Een prothese met kunstmatige spieren kan het comfort van de patiŽnt drastisch verbeteren als hij actief meewerkt en extra kracht levert. Actieve orthesen zijn dan weer een bijzonder waardevolle hulp voor de revalidatie van mensen die nog over hun ledematen beschikken.

Met Denise, Lucy en hun neefjes zijn ook de eerste, schuchtere stapjes gezet naar een ander soort robots. Wisse: 'Langzamerhand komen er robotsystemen die niet meer in de goed gestructureerde en beveiligde fabriek moeten werken, maar ook in de onvoorspelbare buitenomgeving.' Robots krijgen meer en meer een eigen positie in de maatschappij: om ons te entertainen, om huishoudelijke klussen te klaren, maar bijvoorbeeld ook om gevaarlijke karweien voor ons op te knappen. Aan deze nieuwe generatie robots worden andere eisen gesteld dan de industriŽle robots die hun werk in een kooi verrichten. Ze zullen veilig moeten zijn voor mensen (en dus weten wanneer die in de buurt zijn), zuinig, licht en voorzichtig. Voor veel klussen zijn robots met benen nodig in plaats van met wielen, want anders worden heel wat gebieden ontoegankelijk.

door Cathy Rigolle




Vrije Universiteit Brussel,    Faculty of Applied Sciences,     Department of Mechanical Engineering
Pleinlaan 2,    1050 Brussels,    tel. 32-2-629.28.06,    fax 32-2-629.28.65
© Nico Smets - All Rigths Reserved