Meer dan een dommekracht; Een robot die je om een boodschap kunt sturen

Een robot moet niet alleen obstakels kunnen mijden, hij moet ook voorwerpen kunnen oppakken en verplaatsen. De in teamverband opererende grijprobots van prof. Oussama Khatib tasten elkaar af en werken voorbeeldig samen.

'ZELFSTANDIG denkende robots kunnen niet zomaar ramen wassen of het meubilair afstoffen”, zegt Oussama Khatib, hoogleraar robotica aan de Californische Stanford Universiteit. “Wanneer er ook maar iets in hun omgeving verandert, raken ze al van slag.” Dat de meeste robots hoofdzakelijk in fabrieken zijn te vinden is dus geen toeval. Daar worden vaak dezelfde eentonige handelingen verricht. Buiten de fabriek zijn robots vaak alleen inzetbaar als ze op afstand door mensenhanden bestuurd worden.

Daarmee lijkt het ideaal van de robot als het slaafje van de mens nog heel ver weg. “Robots kunnen hooguit taken uitvoeren die niet heel erg van elkaar verschillen”, zegt Edward Holweg, die binnenkort aan de Technische Universiteit van Delft hoopt te promoveren op de ontwikkeling van intelligente grijpers voor robots. “Veel robots beschikken over een regelaar die is ingesteld aan de hand van een mathematisch model van de robot en de voorwerpen die hij kan manipuleren. Je kunt echter moeilijk alle voorwerpen in het model stoppen. Daarom wordt veelal uitgegaan van een gemiddelde dat voor alle voorwerpen acceptabel is. Vervelend is wel dat robots daardoor niet echt nauwkeurig zijn.”

Tot voor kort bestond voor dit probleem nauwelijks een bevredigende oplossing. Men kan robots patronen laten herkennen en op basis daarvan beslissingen laten nemen, maar dat vergt doorgaans een vracht rekenwerk. De robot moet over iedere stap heel lang nadenken en staat dan vaak stil. Een meer radicale aanpak werd enkele jaren geleden geïntroduceerd door de Australiïer Rodney Brooks van het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Hij ontwikkelde kleine insectachtige robots die handelingen verrichten op basis van primitieve reflexen. Zijn robots hebben bijvoorbeeld geleerd om licht te mijden of op geluid te reageren. Hoewel Brooks heeft aangetoond dat deze robots bepaalde taken kunnen uitvoeren - sommige robots verzamelen blikjes die op de grond liggen - zijn ze voor praktische doeleinden niet echt geschikt. “Je kunt die robots niet om een boodschap sturen”, zegt Oussama Khatib. “Hun gedrag is niet voorspelbaar.”

Khatib heeft robots ontwikkeld die, zoals hij zelf zegt, een kruising zijn tussen “dommekrachten en robots met intelligentie”. Het gaat om klassieke fabrieksrobots op wieltjes, die nog steeds voor bepaalde taken geprogrammeerd moeten worden, maar toch zeer flexibel zijn. Je kunt Khatibs robots makkelijk een beweging laten instuderen door de arm van de robot te pakken en de beweging eerst helemaal voor te doen. Een normale robot moet precies worden verteld waar zo'n beweging moet beginnen en ophouden. Maar omdat de robots van Khatib beschikken over allerlei sensoren, variërend van infrarood tot tactiele sensoren, kunnen zij zich veel vrijer bewegen. Obstakels kunnen makkelijk worden vermeden zonder dat de robot hoeft te stoppen.

Khatib en zijn medewerkers hebben hiervoor speciale algoritmen ontwikkeld. De bewegingsvrijheid van de robot over de grond wordt bijvoorbeeld bepaald door een reeks van denkbeeldige cirkels of andere geometrische figuren, waarvan de diameter of omvang varieert al naar gelang de afstand tot het object. Zijn er weinig obstakels in de buurt, dan is de diameter groter en wordt de robot een grotere bewegingsvrijheid gegund. Khatib: “Eigenlijk blijft de robot koppig in bepaalde beweging volharden als hij een obstakel tegenkomt. Maar de algoritmen sturen hem op veilige afstand om het obstakel heen.”

Een robot moet niet alleen obstakels kunnen mijden, hij moet als het even kan ook de meest uiteenlopende voorwerpen kunnen oppakken en verplaatsen. Ook dat vergt erg veel rekenwerk omdat geen situatie dezelfde is. “Zodra een robot een voorwerp vastpakt gaat hij zich anders gedragen, domweg omdat er meer massa aan zijn arm hangt”, zegt Edward Holweg van de TU Delft. “Omdat zijn interne regelaar is ingesteld voor een bepaald gewicht zal de robot minder nauwkeurig worden. Hij beweegt langzamer, of komt niet precies op een locatie uit die is opgegeven.”

Nu hoeft dit geen probleem te zijn zolang je maar meet hoeveel gewicht er aan een robotarm hangt. Hiervoor worden tegenwoordig in hoofdzaak sensoren gebruikt die aan de pols van de robotarm kracht/koppelbewegingen meten. Uit deze metingen kunnen in fracties van seconden de massa- en traagheidseigenschappen van de voorwerpen worden afgeleid. Die bepalen uiteindelijk met welke kracht robots voorwerpen moeten manipuleren. Wanneer meer robots een voorwerp moeten verplaatsen, kan het onderlinge krachtenspel zeer ingewikkeld worden. Twee robots zullen meer kracht moeten leveren om een voorwerp te verplaatsen dan één robot, omdat hun gecombineerde traagheid (inertie) iedere versnelling aan het voorwerp zal afremmen.

Holweg: “Khatib is erin geslaagd de gegevens van de sensoren van iedere robot te combineren. In feite worden de massa-eigenschappen van het te manipuleren voorwerp en die van de robots bij elkaar opgeteld. Het maakt daardoor niet uit wie de krachten uitoefent op de robot, het voorwerp of een andere robot. De robots kunnen zo snel op elkaar reageren en voorwerpen kunnen op dezelfde manier worden gemanipuleerd als wanneer het door een robotarm wordt vastgepakt.”

De robots van Khatib reageren zo snel dat ze niet uit hun evenwicht zijn te brengen: wanneer vier robots een houten plaat optillen en er wordt aan getrokken, trekken de robots de plaat in een soepele beweging weer terug. Khatib: “Normaal zou je een robot moeten aanwijzen om de bewegingen van alle andere robots te coördineren. Zo'n robot moet dan eerst gegevens van de andere robots analyseren, een beslissing nemen en die weer aan de andere robots doorgeven. Daar gaat veel te veel tijd mee verloren. Omdat onze robots als een team opereren, kun je ze een voorwerp laten optillen en die naar een andere locatie laten brengen. Ook zouden ze patiënten in ziekenhuizen bij het lopen kunnen ondersteunen.”

Edward Holweg van de vakgroep Regeltechniek van de TU Delft heeft voor zijn robotgrijpers een bijna identieke aanpak ontwikkeld. Moderne robots beschikken over zeer geavanceerde grijpers, die net als mensenhanden uit meer vingers bestaan, zodat een robot bijvoorbeeld in een tennisbal kan knijpen. Nauwkeurige manipulatie van voorwerpen op zo'n kleine schaal vergt evenwel een berg rekenwerk. Holweg: “De oplossing die vaak gekozen wordt is dat je een van de robotvingers als baas aanwijst en de andere als slaaf. In het geval van de tennisbal zet je bijvoorbeeld twee vingers vast op de bal en laat je een derde knijpen. Of je laat alle vingers dezelfde sluitende beweging maken. Maar op deze manier voelt een robot niet wat hij heeft opgepakt.”

Beter is het om met sensoren de krachten op de grijpers te meten en elke robotvinger, net als bij de robots van Khatib, op de krachten van de andere vingers te laten reageren, zodat elke vinger zonder tussenkomst van een centrale besturingseenheid zelf zijn ideale positie kan bepalen. Holweg gebruikt hiervoor matrix-sensoren die op de toppen van de robotvingers zijn aangebracht en waarmee heel kleine krachten en verplaatsingen kunnen worden gemeten. Zonder al te veel rekenwerk is het nu mogelijk tijdig een slippende beweging te 'voelen', doordat vlak voordat de slip optreedt de krachten op de sensor snel toenemen. Holweg: “Dat kan voor de vingers het signaal zijn om iets harder in het voorwerp te knijpen.” Holweg verwacht dat zijn technologie over vier jaar op grote schaal zal worden toegepast.