Robots zijn in volle opmars. Waarschijnlijk zullen ze de komende decennia even alomtegenwoordig zijn als computers vandaag. Maar voor het zo ver is, zijn er nog heel wat technologische evoluties nodig.

Binnen de ERC-grant ‘SPEAR’ (een Europees onderzoeksproject) wil onderzoeker Bram Vanderborght van de Vrije Universiteit Brussel een nieuw type actuatoren (bedieningsorganen) ontwikkelen om de nieuwe generatie robots aan te drijven.

Door: Bram Vanderborght

Cyberlegs metingenWaar de meeste mensen denken dat de uitdagingen zich vooral op gebied van kunstmatige intelligentie bevinden, is ook het lichaam van de robot nog ver verwijderd van de eigenschappen van ons menselijk lichaam. Zo komen de spieren van de robots, de aandrijvingen of 'actuatoren', nog heel wat kracht en energie-efficiëntie te kort. Actuatoren zijn belangrijke componenten voor het bewegen en sturen van een robot. Om bijvoorbeeld een industriële robotarm 10 kg te laten optillen, heb je al snel 100 kg robot nodig, terwijl een mens zijn eigen gewicht kan dragen. En wanneer robots voortbewegen, verbruiken ze al gauw 100 keer meer energie dan een mens.

Er zijn verschillende toepassingen waar het ontbreken van geschikte actuatoren de verdere ontwikkeling hindert. Om robots te ontwikkelen die ons gaan assisteren zoals humanoïde of menselijke robots, coworkers of samenwerkende robots in de maakindustrie of exoskeletons en prothesen, zijn aandrijvingen met tenminste dezelfde eigenschappen nodig. Binnen ons onderzoeksproject trachten we nieuwe type actuatoren te ontwikkelen om de nieuwe generatie robots aan te drijven.

Samenwerking mens en robot
De ontwikkeling van de aandrijvingen heeft een hele evolutie afgelegd. Aangezien een elektrische motor heel snel draait, maar met weinig koppel (dus weinig kracht), is een tandwielkast nodig om de gewrichten van de robot voldoende krachtig te maken. Om de bewegingen van de robot te controleren, worden de verschillende gewrichten in positie gestuurd. Dat maakt dat de robots heel precies en snel kunnen werken, ideaal voor industriële toepassingen.

Anderzijds is dat ook heel gevaarlijk want ze zullen altijd de gewenste positie trachten te realiseren. Daarom staan dergelijke industriële robots in kooien opgesteld, gescheiden van mensen. Bij de nieuwe generatie robots willen we echter dat mens en robot gaan samenwerken. Veiligheid wordt dan ook het allerbelangrijkste.

Spieren
Om dat op te lossen wordt er gekeken naar onze menselijke spieren. Onze spieren zijn niet stijf, die hebben een zekere soepelheid. Dat maakt dat wanneer er een impact is, het gewricht de schok elastisch kan opvangen. Een bijkomend voordeel is dat de spieren energie kunnen opslagen. Zoals een botsbal energie opslaat bij het neerkomen en die weer vrijkomt bij de volgende sprong, lopen mens en dier ook met dergelijke energie terugwinsystemen. Dat heeft ons lab en andere onderzoekers aangezet om actuatoren te ontwikkelen met een veer in serie met de motor. Ook hebben we mechanismen ontwikkeld zodat we de veerstijfheid kunnen aanpassen. Als we onze beide spieren van de bovenarm bijvoorbeeld ontspannen, hebben we een soepel gewricht en bij het aanspannen van beide spieren een stijf gewricht.

Hoewel het menselijk lichaam een rijke inspiratiebron is, kopiëren de onderzoekers het niet zomaar. In de robotica worden biologische modellen en principes vertaald naar een mechanische interpretatie om op die manier de prestaties van de robots te verhogen.

Toekomst
Met dit concept en aangepaste controlestrategieën voor veiligheid en energie-efficiëntie, hebben we verschillende robots gebouwd met toepassingen vooral in de zorgsector en de maakindustrie: zo worden exoskeletten voor staprevalidatie en assistentie ontwikkeld, prothesen en ook sociale robots onder andere voor therapie met kinderen met autisme. Daarnaast verricht de groep ook onderzoek naar co-workers en manipulatoren om de arbeiders in de maakindustrie te assisteren. Hierbij wordt er interdisciplinair samengewerkt met zowel technische als humane en sociale wetenschappen binnen het www.brubotics.eu-consortium.

Variable recruitment
Daarmee is de robotica al een heel eind verder gekomen, maar we zijn er nog niet. Laat je een robot een last dragen, dan blijft de kracht daarvoor de motoren belasten. Daarom zijn we een kijkje gaan nemen naar de natuur. Onze spier is niet één grote motor met een veer erin. Het bestaat uit heel wat seriële en parallel spiervezels. Heffen we een licht object, dan zullen slechts enkele spiervezels geactiveerd worden.  Bij een zware last zullen er veel spiervezels aangesproken worden, “variable recruitment” heet dat.

AMPFoot 1In het project is het de bedoeling dat we met heel wat vernieuwende ideeën experimenteren. We ontwikkelen nieuwe actuatoren waarin heel wat motoren en veren zitten en ook controle-algoritmes. Die hebben niet alleen als opdracht om de gewenste taak te verrichten, maar doordat er meerdere motoren beschikbaar zijn, kan er geoptimaliseerd worden zodat die taak ook energie-efficiënt wordt uitgevoerd. Een andere belangrijke nieuwe component zijn lockingmechanismen of sluitingsmechanismen. Die laten toe dat bepaalde assen vergrendeld worden zodat de elektrische motor zelf niet meer hoeft te werken. We hebben deze principes succesvol toegepast in de prothesen AMPfoot en Cyberlegs.

Self-healing robots
Bovengenoemde ontwikkelingen zijn natuurlijk prachtig, maar gaan echter gepaard met wat nadelen. Eén van de belangrijkste nadelen is dat de robots op deze manier complexer worden. Met nieuwe 3D-printing technologie komen echter nieuwe mogelijkheden binnen bereik. Een ander nadeel is dat het veel tijd kost om de complexe robot te herstellen als aandrijvingen overbelast worden of een beschadiging oplopen. In vergelijking gaat het wat bij ons lichaam gemakkelijker: ons lichaam geneest wonden en breuken uit zichzelf. Geïnspireerd hierop, onderzoeken wij daarom hoe self-healing materials (ontwikkeld door FYSC) in de toekomst geïmplementeerd kunnen worden voor de ontwikkeling van de robots.