fmax

8

8•2

Delft Integraal

Foto’s: Sam Rentmeester/fmax

[ in ]onderzoek

‘Lopen op twee benen is lastig’ Robotdeskundigen leren veel van het menselijk lichaam. Hoe energiezuinig en stabiel te lopen bijvoorbeeld. Tegelijkertijd draagt het onderzoek van het Delft

Daan Hobbelen: “Dynamisch gezien lijkt de lopende mens een instabiel systeem.”

Saar Slegers De ene robot heeft een tupperwarebakje als hoofd, de ander een klein blauw emmertje. Veel praktisch nut hebben de hoofden niet. Eigenlijk worden de robots alleen van ‘hoofden’ voorzien om ze iets meer op mensen te laten lijken. “Een robot met alleen benen, armen en een romp ziet er raar uit. Daar klopt iets niet aan”, licht dr.ir. Daan Hobbelen van het Delft Biorobotics Laboratory toe. “Het is belangrijk dat een apparaat een hoofd heeft om de associatie op te roepen met menselijk lopen, maar gezien de mechanische uitstraling van het apparaat wilden we er ook weer geen realistisch hoofd opzetten. Dan wordt het al snel een beetje scary.” De robots waar Hobbelen zich mee bezighoudt, zijn allerminst griezelig. Het zijn stakerige figuren met een mal hoofd die, eenmaal in werking gezet, eerder koddig aandoen. Op de website van het robotics lab kun je enkele robots zien wandelen met de bijbehorende onderzoekers aan hun zijde. Terwijl de robot als een blindeman door de hal struint, stelt de onderzoeker zich beschermend als een moederkloek op voor uitstekende bankjes en andere struikelblokken. Leren lopen gaat met vallen en opstaan, maar bij robots is vallen een dure grap. De robots die Hobbelen tijdens zijn promotieonderzoek ontwikkelde, heten Meta en Flame. Meta ziet er niet bepaald menselijk uit. De robot is een soort koppoter: een besturingssysteem met vier benen, waarvan er twee voorkomen dat het apparaat naar de zijkant omvalt. Met Meta wordt de stabiliteit in de looprichting onderzocht. Flame heeft een menselijker figuur. De robot heeft twee benen met brede, platte voeten, armen en een v-vormig bovenlijf. Zijn hoofd heeft de vorm van de vlam uit het TU-Delftlogo. Flame oogt op het eerste gezicht minder stabiel dan Meta maar slaagt er door de aangestuurde enkels en heupen toch in om tijdens het lopen overeind te blijven. Vallend lopen Zo vanzelfsprekend en schijnbaar eenvoudig als het lopen er bij mensen aan toe gaat, zo ingewikkeld is het om de menselijke loopbeweging met een robot

na te bootsen. Onderzoekers zijn er nog steeds niet uit hoe het mensen lukt om hun evenwicht tijdens het lopen te behouden. Hobbelen: “Lopen is heel lastig omdat je de hele tijd op één voet staat. Hierdoor ben je eigenlijk continu bezig met omvallen, tenzij je actief probeert te blijven staan. Dynamisch gezien lijkt een lopende mens dus een instabiel systeem.” Hobbelen en zijn collega’s proberen in het biorobotics lab beter te begrijpen hoe mensen desondanks overeind blijven. Maar waarom moet een werktuigbouwkundige zich bemoeien met de fysiek van de mens? Zijn er niet genoeg bewegingswetenschappers en fysici die dat veel beter kunnen? Hobbelen: “Er zijn twee manieren om inzicht te krijgen in de menselijke loopbeweging. De eerste en meest gebruikelijke manier is om aan lopende mensen te gaan meten. Daar kun je veel van leren: je kunt bijvoorbeeld meten wanneer mensen hun spieren samentrekken in een beweging en je kunt hun beweging precies

Leren lopen gaat met vallen en opstaan, maar bij robots is vallen een dure grap

[ in ]onderzoek

Robotic Laboratory bij aan een beter begrip van de menselijke loopbeweging. Dr.ir.

vastleggen met camera’s. Het probleem van deze analytische methode is dat het moeilijk is om uit die gegevens te destilleren wat er nou precies gebeurt in het lichaam. Een mens gebruikt heel veel spieren en pezen en maakt veel bewegingen tijdens het lopen. Uit metingen is vrijwel niet af te leiden wat er precies voor zorgt dat de mens als geheel stabiel is tijdens het lopen.” In het biorobotics lab benaderen wetenschappers de loopbeweging op een andere manier. In plaats van deze te analyseren, reconstrueren zij de beweging. Met behulp van zo simpel mogelijke modellen >> 8•2

Delft Integraal

9

[ in ]onderzoek

proberen zij te achterhalen welke factoren bepalend zijn voor een stabiele, menselijke loopbeweging. Het voordeel aan deze synthetische benaderingswijze is dat het mogelijk wordt om de parameters te variëren. Gewrichten kunnen bijvoorbeeld stijver of slapper worden gemaakt en het vermogen van de aansturing kan worden aangepast. Volgens Hobbelen vullen de verschillende vormen van onderzoek elkaar goed aan. “Op basis van de uitkomsten van ons onderzoek formuleren we hypotheses die vervolgens door de bewegingswetenschappers getest kunnen worden. Wij op onze beurt gaan met de waarnemingen van bewegingswetenschappers aan de slag.” De contacten tussen de verschillende disciplines komen steeds meer van de grond. Zo werkt het biorobotics lab samen met de afdeling revalidatiegeneeskunde van het Medisch Centrum van de Vrije Universiteit in een onderzoek naar stabiliteit tijdens het lopen. “Wij passen onze simulatiemodellen aan voor het onderzoek van de bewegingswetenschappers en helpen hen ermee te rekenen. De kennis die zij met behulp van deze simulaties opdoen, testen wij vervolgens weer in de praktijk met onze robots.” Robotachtig Meta en Flame zijn niet de eerste lopende robots. Wie kent niet het beeld van Asimo, de robot van Honda die eruit ziet als een Michelinmannetje? Asimo kan niet alleen lopen, rennen en traplopen, maar ook drankjes serveren, voetballen en spiedend om zich heen kijken. Op de website van Honda wordt tevens vermeld dat de robot voor klaarover kan spelen en dat hij in zijn eigen liveshow in Disneyland dagelijks optreedt voor zijn fans. Wat kunnen de robots van Hobbelen wat Asimo niet kan? Hobbelen: “De techniek die Honda gebruikt, is heel geavanceerd. Het is absoluut indrukwekkend wat ze die robots kunnen laten doen. Maar het aansturingmechanisme van deze robots is geheel gebaseerd op

Dynamic Walking 2008 De onderzoekers van het Delft Robotics Lab werken nauw samen met bewegingswetenschappers.

Ook met robotdeskundigen uit de industrie zijn er steeds meer

contacten. Op de conferentie Dynamic Walking 2008 die eind mei werd gehouden, troffen onderzoekers uit uiteenlopende disciplines elkaar in Delft om kennis over het loopproces uit te

wisselen. Filmpjes Zie Meta, Flame en Denise lopen op de site van het Delft Biorobotics Laboratory: www.dbl.tudelft.nl. Bezoek http://asimo.honda.com voor filmpjes van de traplopende, rennende en zwaaiende Asimo.

10

8•2

Delft Integraal

regeltechniek en technische kennis. Het heeft nauwelijks meer iets te maken met wat mensen doen.” Een robot als Asimo maakt een volledig gecontroleerde beweging en is erop ingesteld om continu lokaal stabiel te zijn. Om deze lokale stabiliteit te bewerkstelligen maakt hij bij elke stap stevig grondcontact met zijn voet en stabiliseert hij vervolgens zijn lichaam daarboven met conventionele regeltechniek. Om zich te kunnen stabiliseren loopt en staat hij altijd met lichtgebogen knieën, zodat hij

‘Wij streven ernaar dat de robot zich op dezelfde manier voortbeweegt als de mens’ zijn houding naar alle kanten kan bijstellen bij een eventuele verstoring. De manier waarop de robot gestabiliseerd wordt, brengt veel beperkingen met zich mee. Hij heeft een hoog energieverbruik en is beperkt in zijn bewegingen. En zelfs zo’n geavanceerde robot kan beperkt met verstoringen omgaan. De kans is nog vrij groot dat een onvoorzien afstapje hem ten val brengt. De loopbeweging die de robot maakt, ziet er bovendien niet echt natuurlijk uit. “Mensen beschrijven de beweging van zo’n robot als houterig of robotachtig”, zegt Hobbelen. “De robots die wij maken, lopen vloeiender. Hun loopbeweging lijkt meer op die van mensen. En dat is nou juist wat wij nastreven: dat de robot zich op dezelfde manier voortbeweegt als de mens.” In tegenstelling tot de loopbeweging van volledig aangestuurde robots, is de menselijke loopbeweging voor een relatief groot deel ongecontroleerd. De

4. Aan het eind van de voetstap is

1. Een normale voetstap van looprobot

2. Vervolgens komt de achterste voet

3. Terwijl het standbeen een vallende

Flame begint met de afzet van de

los van de grond. Om het been zonder

beweging naar voren maakt, strekt de

de knie van het zwaaibeen volledig

achterste voet. Daarbij wordt de teen

te struikelen naar voren te kunnen

knie van het zwaaibeen zich weer.

gestrekt en maakt de voet van het

van de voet naar beneden geduwd.

zwaaien, wordt de knie gebogen en het

zwaaibeen contact met de grond.

benen maken bij het lopen een natuurlijke slinger­ beweging. Er is maar weinig energie nodig om deze slingerbeweging gaande te houden omdat de benen zich voor een belangrijk deel zelf in beweging houden. Dit principe, het zogeheten ‘ballistisch lopen’, toont Hobbelen met behulp van een passive dynamic walker, een robot die zonder enige aansturing een loopbeweging maakt. Hobbelen zet de robot op een hellinkje en geeft hem een klein duwtje in de rug. De zwaartekracht geeft het apparaat genoeg energie om zich voort te bewegen – de robot valt als het ware van de ene voet op de andere tot hij de onderkant van de helling bereikt heeft. De natuurlijke slingerbeweging van de benen maakt de loopbeweging niet alleen energiezuinig maar verhoogt ook de stabiliteit tijdens de loopbeweging. Als een passive dynamic walker voorover dreigt te vallen doordat hij te snel vooruit gaat, komt zijn voet met een hardere klap op de ondergrond terecht en wordt zijn snelheid automatisch geremd. De natuurlijke frequentie van de slingerbeweging herstelt zich binnen enkele passen en de robot stabiliseert zich. “Eén van de belangrijkste lessen die we geleerd hebben uit het passief dynamisch lopen is dat een robot een stabiele loopbeweging kan maken zonder dat deze op elk moment in de tijd lokaal stabiel is”, vertelt Hobbelen. De bewegingen van de loper zijn gedeeltelijk ongecontroleerd maar door de natuurlijke dynamiek van het systeem worden matig verstoorde bewegingen automatisch hersteld over meerdere stappen. In zijn proefschrift formuleerde Hobbelen dit principe als limit cycle walking. “Hoewel veel onderzoekers met dit concept bezig zijn, had nog niemand het als zodanig geanalyseerd en gedefinieerd.”

In samenwerking met dr.ir. Martijn Wisse en ir. Jan van Frankenhuyzen, ontwikkelde Hobbelen de prototypes Meta en Flame om het principe van limit cycle walking verder te onderzoeken. Hobbelen: “Passive dynamic walkers zijn interessant maar om de loopbeweging dichter bij die van de mens te brengen, moeten de robots in zekere mate worden aangestuurd. Mensen maken ook gebruik van spieren om zich te verplaatsen en om hun stabiliteit te bewaren. Door de robots te voorzien van meer aansturing, kunnen ze beter met onvoorziene verstoringen omgaan en

In tegenstelling tot de loop-­ beweging van volledig aangestuurde robots, is de menselijke loopbeweging voor een relatief groot deel ongecontroleerd

[ in ]onderzoek

bovenbeen naar voren getrokken.

kunnen ze bijvoorbeeld opzettelijk hun loopsnelheid aanpassen.”Het toevoegen van aansturing gebeurt stapje voor stapje. Het liefst worden de toegepaste regelelementen in de robots zo simpel en lokaal mogelijk gehouden. “Het is niet de bedoeling om er een superintelligente computer van te maken, want dan schiet je je doel voorbij. Wij willen >> een apparaat met zo weinig mogelijk middelen stabiliseren.” Meta en Flame zijn opvolgers van de 8•2

Delft Integraal

11

[ in ]onderzoek

robot Denise die Martijn Wisse in 2005 ontwikkelde. Waar Denise alleen aansturing in de heupen bezat, beschikt Meta tevens over enkelaansturing. Flame heeft zowel enkel- als bovenlichaamaansturing. Hobbelen onderzocht hoe de voorwaartse en zijwaartse stabiliteit verbeterd kunnen worden door middel van aansturing in de enkels en in het bovenlichaam. Zo confronteerde hij het prototype Meta met onverwachte afstapjes en bestudeerde welk effect de verstoring had. Als mensen een afstapje over het hoofd zien, is er een grote kans dat ze struikelen. Bij een afstapje van zo’n tien centimeter is de kans groot dat ze zich niet kunnen herstellen. Meta blijft nu bij een afstap van drie centimeter nog stabiel. Dat lijkt misschien weinig, maar als je die hoogte opschaalt naar menselijke maatstaven komt die overeen met een afstap van vijf à zes centimeter. “Voor de robotica is dat best een grote prestatie”, vertelt Hobbelen trots. Het grote voordeel van de aangestuurde robots die Hobbelen gebruikt, is de veelzijdigheid ervan. “Passieve apparaten werken of ze werken niet. Maar deze prototypes vormen een onderzoeksplatform: je kunt er studies mee doen naar verschillende aspecten van het lopen.” Het werk van Meta en Flame zit er met de promotie van Hobbelen daarom nog niet op. “Er staat nog een hele reeks experimenten gepland.” << Stijve enkels “Wat is de functie van de enkel bij het lopen?” Met deze vraag houden zowel onderzoekers uit de klinische praktijk als robotdeskundigen zich bezig. Door loopanalyse en

maken die op de situatie van de patiënt is toegesneden.”

loopsynthese met elkaar te combineren, proberen onder-

Het is erg lastig om met loopanalyse te bepalen wat de

zoekers antwoorden te vinden op gemeenschappelijke

optimale stijfheid van een orthese is. Het kost tijd om

vragen.

mensen te laten wennen aan een orthese en de belasting

Tijdens het lopen haalt een mens veel vermogen uit zijn

van patiënten is bovendien erg groot. Daarnaast kost het

enkels. Door het verkorten van de kuitspieren wordt extra

veel geld om voor één patiënt verschillende ortheses op

energie gegenereerd. Daarnaast geven de pezen de enkel

maat te laten maken.

een soort veerwerking. Bij elke stap wordt energie geab-

Om inzicht te krijgen in de relatie tussen de stijfheid van

sorbeerd en opgeslagen en bij het afzetten komt deze weer

de enkel en de stapgrootte, de snelheid en het energie-

vrij. Bij mensen met een verstoorde enkelfunctie – door

verbruik, gebruikt Bregman loopsimulaties die ontwik-

bijvoorbeeld een herseninfarct, multiple sclerose of een

keld zijn in samenwerking met het Delft Biorobotics

partiële dwarslaesie – is het afzetvermogen verminderd,

Laboratory. “Hierin kunnen we wel gemakkelijk de para-

waardoor ze veel meer moeite hebben met lopen. Zij

meters aanpassen en onderzoeken wat er gebeurt met

krijgen vaak een veerkrachtige enkel-voetorthese voorge-

de staplengte en de loopsnelheid. De achterliggende

schreven die de verminderde afzet compenseert.

modellen die we daarvoor gebruiken zijn dezelfde die

Drs. Daan Bregman, promovendus aan het VU Medisch

gebruikt worden voor de robots. ”

Centrum, doet onderzoek naar de eigenschappen van

Het zal nog even duren voordat het zo ver is dat patiënten

enkel-voetortheses – uitwendige hulpstukken die de

over volledig aangepaste ortheses zullen beschikken. “Het

enkel ondersteunen. “Als je een patiënt een orthese gaat

ideaalbeeld is dat we de gegevens van een patiënt verza-

aanmeten, is de grote vraag hoe stijf de veer moet zijn

melen door middel van loopanalyse, dat we op basis van

om voor die specifieke patiënt een optimale werking te

die gegevens bepalen wat een patiënt tekortkomt en dat

hebben”, vertelt de promovendus. Het bepalen van de

we daarmee aan de slag gaan om een orthese te maken die

juiste stijfheid is echter makkelijker gezegd dan gedaan.

precies dát gebrek compenseert.” Jammer genoeg kan er

“Het aanmeten van een orthese gebeurt nu grotendeels

aan menselijke enkels niet zo makkelijk gesleuteld worden

op basis van ervaring. Dat dit voor verbetering vatbaar is, blijkt wel uit het feit dat een groot deel van de mensen

12

die orthese vervolgens niet draagt. Er is gewoon te weinig objectieve meetinformatie beschikbaar om een orthese te

8•2

Delft Integraal

als aan die van Meta en Flame.