Robot leert vallend lopen, als een mens

Anders dan bij de moderne Japanse robots leert Daan Hobbelen zijn robot Flame dat het niet altijd nodig is om evenwicht te bewaren. Wankelen is de crux van het menselijk lopen.

Tredzeker stapt een robot met het postuur van een slungelige kleuter over een catwalk in de faculteit Werktuigbouw van de TU Delft. De robot, Flame, oogt wat stroef in de heupen en buigt te weinig door zijn knieën, maar loopt toch onmiskenbaar menselijk. Na maandenlang vallen en opstaan liep Flame in december vorig jaar voor het eerst stabiel: hij had eindelijk de juiste springveren aan de zijkant van zijn platte voeten gekregen. Morgen promoveert Daan Hobbelen op de bouw van Flame en op het inzicht dat het hem heeft opgeleverd.

Een robot die loopt als een mens was het doel van meet af aan. Hobbelen: „Onze robot verbruikt per kilogram net iets meer energie dan een mens. Het is niet moeilijk om een zuinigere robot te maken, met wielen bijvoorbeeld, maar dat was niet ons doel. Wij willen weten hoe mensen lopen. Het is heel moeilijk om van buitenaf aan een mens te zien hoe hij zijn evenwicht houdt. Als je een robot hebt gestabiliseerd, dan begrijp je veel beter wat er binnenin gebeurt.”

Hobbelen leerde Flame vallend lopen, want dat is wat mensen doen. Hij zet een pen op zijn punt op tafel en laat hem bijna omvallen: „Als een mens op één standbeen staat, dan gebeurt er ook zoiets. Je wankelt op een been en voorkomt dat je omvalt door je andere voet op de goede plek neer te zetten. Dat is de crux van het menselijk lopen, en ook de kern van ons ontwerp. Probeer niet je robot in evenwicht te houden, maar accepteer dat hij omvalt. Daarna moet je er wel voor zorgen dat hij de volgende voet op de goede plek neerzet. Dan ontstaat een serie valbewegingen die samen toch een stabiele beweging opleveren.”

Flame is de opvolger van Denise. Haar slungelige kleuterskelet hangt op Hobbelens werkkamer werkeloos aan een beugel. In 2005 haalden Hobbelens voorgangers er het wetenschappelijke tijdschrift Science mee. Denise liep ook al vallend. Ze zwaaide het rechterbeen naar voren als een sensor in haar linkerbeen de grond raakte. Ze verzette bovendien haar linkervoet wat naar links als ze naar die kant dreigde om te vallen. Hobbelen: „Het werkte, maar dat was het dan ook.”

Anders dan Denise heeft Flame platte voeten en buigbare knieën. Het belangrijkste verschil is dat hij in zijn gewrichten zeven elektromotoren heeft in plaats van de opblaasbare zakjes die Denise haar spierkracht leverden. „Met behulp van elektromotoren kun je de stijfheid van gewrichten variëren”, zegt Hobbelen. „Dan kun je onderzoeken wat dat betekent voor het energiegebruik en het gemak waarmee de robot zich herstelt van een duwtje of een onverwacht afstapje.”

Door de veerkracht in Flame’s enkel te variëren ontdekte Hobbelen dat hij het zuinigst loopt als zijn achterste hiel van de grond komt precies op het moment dat de voorste de grond raakt – het is hoe mensen lopen. Hobbelen denkt dat dit inzicht kan helpen bij het bepalen van de optimale stijfheid van orthesen, koolstofveren langs de achillespezen, die mensen met een tekort aan spierkracht helpen lopen.

Met Flame en Denise maakt Delft school in het vallend lopen. Hobbelen is er van overtuigd dat die aanpak beter werkt dan de Japanse aanpak, ontstaan uit fabrieksrobots die aan de grond genageld en volgens vaste procedures een auto in elkaar moesten sleutelen. „Zo’n robot weet precies wat hij op elk moment moet doen”, zegt Hobbelen. „Hij weet wat er op de assemblagelijn voorbij komt, hoe snel dat gaat en op welk moment hij zijn arm in een bepaalde hoek moet draaien.”

Hobbelen is onder de indruk van Japanse robots die de trap op lopen of een bocht kunnen maken. „Maar zo’n robot weet precies waar de traptreden zijn. Dat is heel iets anders dan het omgaan met onverwachtse verstoringen.” Net als in Flame hoeven in de modernste Japanse robots niet alle handelingen vast te liggen, maar het uitgangspunt is volgens Hobbelen wel dat ze zich op één been in evenwicht houden: „Als een robot dreigt om te vallen dan stelt het systeem alles in het werk om dat te corrigeren. Dat is vanuit het oogpunt van energieverbruik niet altijd gunstig. Je zit immers met een zwaar lichaam boven het standbeen dat voortdurend dreigt om te vallen. Ik denk dat de looprobots van Japanse bedrijven vooral het gevolg zijn van een enorme tijdsinvestering. Uiteindelijk loop je op tegen beperkingen, als je verder gaat vanuit hun uitgangspunt.”