Home Ľ Lucy in the press Ľ

Industrie Technisch Management 11-2004: Spieren om zich te bewegen

TECHNOLOGY Wandelende robots, geen fictie?

JPG-versie met foto's: Spieren om zich te bewegen pagina 1, pagina 2 en page 3

Op het Wetenschapsfeest dat van 22 tot 24 oktober in de Grenslandhallen in Hasselt doorging, was ook de VUB van de partij. De universiteit demonstreerde er onder andere een test-opstelling waarbij iedereen zichzelf al blazend in een pijpje moeiteloos kan optillen. Deze stand demonstreert tevens de werking van een pneumatische artificiŽle spier, waarbij het opblazen van de spier resulteert in een contractie, dus in trekkracht. De artificiŽle spier is de basis van de wandelende VUB robot, zeker ook ťťn van de attracties van het gebeuren.

Deze wandelende robot is een van de belangrijke onderzoekstopics van de laatste jaren bij de afdeling werktuigkunde van de faculteit Toegepaste Wetenschappen van de VUB. Het is op het eerste zicht een wat bizar onderzoeksproject, maar verder onderzoek leert dat het een studie is waarbij alle topics en moeilijkheden van de mechanica als specialiteit aan bod komen: de dynamica en de aansturing van een systeem in permanent labiel evenwicht, de soepele aandrijving (in dit geval een eigen ontwikkeling: de pneumatisch aangedreven spier), de aansturing van de kinematica via de elektronische sturing (vanuit de PC) en de bijhorende multifunctionele simulatie om het stuurprogramma van het stappen te kunnen realiseren... De afgeleide waarde van het onderzoek is eveneens groot. Denk bijvoorbeeld aan de mogelijkheden om de knowhow opgedaan bij de bouw van deze robot te gebruiken voor het produceren van actieve prothesen voor motorisch gehandicapten (een "stappend harnas" waarmee een invalide zich zou kunnen verplaatsen). Het kan tevens de basis worden van een "hulprobot" die assemblageactiviteiten nog een stuk mensvriendelijker kan maken. Industrie Technisch Management ging over dit onderzoeksproject praten met prof. dr. ir. Dirk Lefeber en zijn doctorandi, Bram Vanderborght en Ronald Van Ham.

Van springen naar lopen

Daar waar m het verleden de meeste onderzoekscentra (zie ook het KMS-project, voorgesteld in Technisch Management van april 2003, blz. 81-84) zich toelegden op meerpotige (dikwijls zes- of achtpotige) wandelende robots, ontstond in het begin van de jaren negentig de interesse om zich te wagen aan ťťnpotige springende robots. Dit gebeurde in navolging van een revolutionair project dat was uitgevoerd binnen MIT door Marc Raibert. Meerdere onderzoekscentra legden zich toe op de dynamische sturing van bewegende robots. Europees zijn deze onderzoekscentra verenigd in de CLAWAR groep (Climbing and Walking Robots). Ook de VUB startte het project van de "tweebenige wandelende robot" op. Ze koos voor een eigen, originele richting, namelijk het realiseren van het "dynamisch wandelen". Vandaag zijn de eerste realisaties van wandelende robots rond. De meest gekende is waarschijnlijk het Japanse project van Honda, aan de wereld voorgesteld in 1996. Het was een "statisch wandelende robot", met andere woorden tijdens de ganse beweging is de robot in statisch evenwicht. Dus de robot verplaatst een been, verplaatst zijn gewicht op dat been en dan pas wordt het andere been van de grond getild, waarna de robot zijn gewicht op dat been overbrengt, enz.

Van statisch naar dynamisch

De mens beweegt tijdens het normaal stappen dynamisch: tijdens een stapbeweging bewegen beide benen zich zodanig dat het evenwicht zich tijdens de beweging dynamisch van het ene been naar het andere verplaatst. Een dynamische beenbeweging vergt een aandrijving die grote koppels bij kleine hoeksnelheden kan realiseren, een aandrijving die "robuust" en toch "soepel" is (die kan doorbuigen en bij het neerzetten tegen vrij zware schokken kan). Een dergelijke soepele aandrijving is moeilijk elektrisch te realiseren, de actuator waar de meeste onderzoekgroepen zich op toelegden. Een elektrische aandrijving gebruikt een motor: een device dat snel draait (3000 tpm) en eigenlijk weinig koppel heeft, zeker op laag toerental, dat dan via overbrenging moet worden gereduceerd in snelheid en worden verhoogd in koppel.
Men kan er dan ook moeilijk een "soepele" aandrijving van maken die in staat is schokken op te vangen en te dempen. Er zijn ontwerpen geweest waar een tand-wieloverhrenging werd gecombineerd met een veer en het geheel wordt in de aandrijving geÔntegreerd, maar het blijft behelpen, want een soepele beweging vergt een aan de behoefte aanpasbare veerconstante. Bij de VUB heft men zich geÔnspireerd op de natuur en naar analogie hiervan werd een "artificiŽle spier" ontwikkeld. De eerste versie bestond volledig uit kevlar, vandaag bestaat ze uit een bundel kevlarvezels met een geplooide kunststofzak. Als de zak gevuld wordt met perslucht wordt de spier korter, als de perslucht verdwijnt wordt ze langer. Een gelijkaardige "artifÔciŽle spier" bestaat vandaag als standaard component. Ze werd ontwikkeld en wordt gecommercialiseerd door Festo. Toch is men aan de VUB niet op deze component overgestapt, want de eigen ontwikkeling heeft als voordeel dat ze werkt op lage druk en weinig hysteresis heeft (geen verschil in druk/lengteverloop tussen opspannen en ontspannen, wat de sturing vergemakkelijkt).
De binnen het project ontwikkelde artificiŽle spier scoori ondertussen vrij behoorlijk qua levensduur (men heeft ze getest door ze een gewicht van 130 kg te laten optrekken en na 400.000 cycli was de spier nog steeds intact en functionerend). Het voordeel van deze innovatie is dat ze werkt met zeer weinig persluchtdruk (4 bar einddruk is voldoende). Ze absorbeert schokken (het gaat om een device gevuld met perslucht met een veerconstante die functie is van de gebruikte persluchtdruk, men kan dus bijvoorbeeld de soepelheid aanpassen aan het gewicht van de robot). Tevens is zeer robuust: de spier blijft functioneren, zelfs als ze (bijvoorbeeld door ouderdom) lichtjes lekt (ze vergt dan natuurlijk veel meer perslucht dan een normaal functionerende artificiŽle spier).

Wetenschappelijke uitdaging

Zo'n dynamisch stappende robot in beweging krijgen, is een ware uitdaging voor de wetenschap. Bij het neerzetten van de voet krijgt men een systeem met veranderende vrijheidsgraden, bereken dat maar eens. Er is de schok van het neerkomen, het veranderen van het evenwicht van de ene bewegende poot op de andere, het beheersen van een niet-holonoom systeem (de houding van de robot tijdens de beweging in de lucht is niet 100% controleerbaar) en als beide voeten op de grond staan, krijgt men dan weer een systeem met gesloten lus, ook al geen makkelijk mechanisch probleem. Heel wat moeilijkheden uit de mechanica zitten er dus in verweven. Elk deelprobleem werd ondergebracht in eindwerken en doctoraatstudies: simulaties, trajectsturing...
En waar staan we dan? Drie jaar geleden waren de artificiŽle spieren klaar voor gebruik en werd gestart met de robot. Men heeft een "standaard" basismodule ontwikkeld die via instelbare aanhechtpunten, de scharnierplaatjes, kunnen worden samenge-bouwd tot een bewegende robot. De "functie" (heup, knie, enkel) wordt bekomen door een simpele aanpassing van de scharnierplaatjes, want zij bepalen de krachtoverbrenging, de koppel karakteristiek... factoren die per functie verschillend moeten zijn. Het mechanisme heeft ondertussen zijn eerste stappen gezet, waarbij de sturing gebeurt via elektronica die via de USB poort is gekoppeld met de PC. Het stuurprogramma van een gekend traject kan worden uitgewerkt op basis van de ontwikkelde simulatieprogramma's. Vandaag kan men via de simulatie de juiste stapparameters (lengte, hoogte, snelheid) bepalen en het programma, genereren. Dit kan gekoppeld worden aan een visiesysteem zodanig dat het zelf autonoom zijn weg kan plannen (dtt wordt reeds gedaan in andere universiteiten).

Toepassingen?

Aan de VUB heeft men vanaf het begin in het achterhoofd dat deze technologie bruikbaar zou zijn voor "actieve prothesen". Enerzijds voor zogenaamde orthesen (mensen die hun ledematen nog hebben en waarbij de robot helpt om ze te bewegen, bijvoorbeeld als steun bij revalidatie), anderzijds voor prothesen (bij het vervangen van ledematen). Men denkt niet aan het meest ambitieuze: de mens terug laten Stappen (via de robot), maar eerder om rolstoelgebruikers een beperkte vrijheid terug te geven (vanuit de rolstoel in bed of in de auto), om ťťn van de grootste frustraties van rolstoelers te helpen overwinnen (met iemand die rechtstaat nier op dezelfde hoogte kunnen praten) door hen de kans te geven te gaan staan als ze tegen iemand praten. Het gaat dus om toepassingen met beperkte compressorcapaciteit. Voor revalidatietoepassingen kan de compressor in het hulptoestel worden ingebouwd.
Een tweede toepassing is een "veilige, mensvriendelijke robot". Vandaag moet men de industriŽle robot in een kooi plaatsen en is het moeilijk om in dezelfde lijn ook mensen te laten functioneren. Een met artificiŽle spieren aangedreven robot kan veilig functioneren. Vanuit het meten van de druk in de spieren "voelt" zo'n robot een verkeerde weerstand, en hij interpreteert dat als "er loopt iemand tegen mij", vervolgens kan hij bijvoorbeeld van richting veranderen of de snelheid doen dalen. Met de gepaste sensoren kan men er ook een "draaghulpje" van maken die onder begeleiding van de mens (die ertegen duwt en de robot daardoor van richting doet wijzigen) een zware motor kan nemen en deze in de carrosserie kan plaatsen: de mens krijgt gemakkelijker werk, de robot doet het zware werk. Voordeel is zeker dat hierdoor de automatisering van tal van assemblagetaken goedkoper wordt: het huidige uitdenken en installeren van een nauwkeurig berekende, goed beveiligde werkplek valt weg. Omdat de hoge nauwkeurigheid van de ganse werkplek, nodig voor robottoepassingen, uitgespaard wordt zullen ook tal van programmeermoeilijkheden wegvallen (met dien verstande dat de moeilijkheid van het tactiel werken er bijkomt). Ook in ziekenhuizen zou het verplegend personeel tot hun 65ste zonder zware inspanningen en rugpijnen (ontstaan door het manipuleren van bedlegerige patiŽnten) kunnen blijven functioneren.
Ook krijgt men tal van nieuwe robottoepassingen. Een dergelijke "hulprobot" zou mensen -soldaten of bergbeklimmers -kunnen helpen om zware rugzakken te dragen. Er wordt voor het Amerikaans leger zo'n exoskeleton ontwikkeld. En last but not least: deze robot met artificiŽle spieren zal ook een intrinsiek veilige robot zijn die in explosiegevaarlijke omgeving kan werken. Dan moeten mensen zich niet wagen om een reparatie in een gevaarlijke zone uit te voeren.

Simulatie sneller dan realtime

Een afgeleide van dit onderzoek is een simulatiepakket voor het dynamisch modelleren van mechanische systemen met veel vrijheidsgraden dat zo efficiŽnt werkt dat ermee sneller dan real-time kan worden gesimuleerd. Deze simulator, gebaseerd op nieuwe vindingen rond de wijze van formuleren van de bewegingsvergelijkingen van een mechanisch systeem, wordt gepatenteerd. Ook hier gaat het om puur onderzoekswerk, alhoewel in dit geval gegoten in reeds bruikbare software. Ze wordt bijvoorbeeld gebruikt om het stappen van de robot te stimuleren.
Aan de VUB is men overtuigd dat deze simulatiesoftware nieuwe toepassingsgebieden opent. Men zou een dergelijke simulator kunnen inbouwen in een vrachtwagen en de chauffeur kunnen waarschuwen dat als hij niet vertraagt, hij in de volgende bocht zal omkantelen. Momenteel is men op zoek naar geschikte partners die deze software willen commercialiseren. Men denkt hierbij om licenties aan bedrijven over te dragen en hen te helpen om de nodige evaring op te doen, waardoor ze hun eigen toepassingen kunnen ontwikkelen en voorsprong kunnen halen op de wereldwijde aanbodmarkt terzake.

door Alfons Calders




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