Robotarm krijgt gevoel W E T E N S C H A P
3
& O N D E R ZO E K
Robotarm krijgt eindelijk gevoel bij tele-operatie Nieuwe toepassingen van de krachtterugkoppeling
Sinds een paar jaar gebruiken chirurgen bij sommige precisieoperaties robotarmen. Deze technische verlengstukken kunnen trillingsvrij en volgens de fabrikanten tienmaal preciezer opereren dan de menselijke hand. Een nadeel is dat de chirurg tot h Een chirurg stuurt vanuit een console van de Da Vinci telema-
nu toe niet kan voelen wat hij via de robotarmen doet.
nipulator van Intuitive Surgical de robotarmen aan. Hij ziet op het beeldscherm een stereobeeld van het operatiegebied in de
Dat gaat nu veranderen. Talloze onderzoeksgroepen bestuderen de mogelijkheid van krachtterugkoppeling: de reactiekracht, die de robotarm bij het opereren ondervindt, doorgeven aan de chirurg. Veel vooruitgang is al geboekt bij het contact met
patiënt. De bewegingen van de handen van de chirurg worden
De bedieningsconsole van
nauwkeurig gevolgd en geschaald door de instrumenten aang-
de De Davi telemanipulator
estuurd door de robotarmen. De chirurg voelt echter niets van
bevat twee joystick-achtige
wat hij met zijn handen in het operatiegebied doet. De rest van
hendels waarmee de chirurg
het medische team kan via de monitor (rechts boven) meekijken
de robotinstrumenten bedient.
naar de handelingen van de chirurg. Tijdens de operatie wordt de
De terugkoppeling van het
telemanipulator met plastic hoezen afgeschermd om de steriliteit
operatiegebied naar de chirurg
te waarborgen.
is puur visueel.
zachte structuren, maar harde structuren vormden altijd een In 2001 opereerden Londense chirurgen voor het eerst de prostaat van een 61-jarige man door via joysticks drie robotarmen via een console in de operatiekamer te besturen. De robotarmen moesten manoeuvreren binnen een opening van een centimeter breedte. Twee kleine cameraatjes aan een van de armen brachten de operatie in beeld. Precisie is bij dit type operatie van het grootste belang en daar is de robotarm goed in. De robot filtert zelfs de natuurlijke trillingen, die ook de beste chirurg plaagt, er netjes uit. Eind 2003 werd in het Academisch Ziekenhuis Maastricht voor het eerst in Nederland geopereerd met een robot. Dat gebeurde bij een galblaasoperatie. Ook bij de eenvoudigere hartingrepen (bijvoorbeeld het opereren van een hartzakje of het herstel van een hartklep) zijn in de wereld al robotarmen ingezet. Voor lastigere hartingrepen kan de robotarm vooralsnog minder dan de chirurg voor elkaar krijgen.
groot probleem. Delftse onderzoekers hebben nu voor het eerst een prototype gemaakt dat zowel harde als zachte structuren probleemloos kan beetpakken en waarmee de op afstand opererende chirurg ook echt ‘voelt’ wat hij doet.
Bennie Mols
Kleinere uitslag » Al deze tele-operaties gebeurden met een zogeheten ‘da Vinci’-robot, een commercieel verkrijgbare robot waarvan er al meer dan tweehonderd zijn verkocht. De bewegingen die een chirurg op afstand maakt met de bedieningshandvatten sturen de robotarmen die opereren. Op een 2004.3
•
4
WETENSCHAP
werd geïntroduceerd in 1961 en zette de toon voor de industriële revolutie. Vandaag de dag zijn er zo’n 750.000 industriële robots operationeel. Ze zijn allemaal stijf, hard en zwaar geconstrueerd.
Toepassingen van krachtterugkoppeling bij de bediening van robotarmen beperken zich overigens niet tot de medische sector. Het European Space Agency (esa) werkt aan de ontwikkeling van robotarmen aan boord van ruimteschepen. Mensen met een spierdystrofie kunnen baat hebben bij een op hun rolstoel gemonteerde robotarm met krachtterugkoppeling. Ook in de wereld van de revalidatie worden robotarmen met krachtterugkoppeling ingezet: voor fysiotherapeutische oefeningen. Krachtterugkoppeling kan het mogelijk maken een auto of een vliegtuig met een joystick te bedienen, iets dat een veilige en aangename manier van sturen is. Pretparken zoals de Efteling kunnen er levensechte, interactieve attracties mee maken en onderwateroperaties verlopen er eenvoudiger mee. Om hun onderzoek zo dicht mogelijk te laten aansluiten op praktische behoeften, werken de Delftse onderzoekers onder meer samen met esa, het Academisch Medisch Centrum (amc) in Amsterdam en met Exact Dynamics in Didam.
De klassieke tele-operatie aanpak: een slappe master-interface Een illustratie van een contact-
pakken voorwerpen redelijk zacht is.
instabiliteit die optreedt bij een stijve robot in contact met een stijve omgeving. De robot schudt heftig heen en weer op en over het contactoppervlak. Dit oscillerende gedrag wordt
De klassieke tele-operatie aanpak werkt echter niet met stijve
ook wel het ‘hamereffect’
voorwerpen. Dit komt doordat de krachtopbouw tussen de stijve
genoemd, en kan zelfs gevaar-
robot en de stijve omgeving sneller gaat dan de regeltechniek kan
lijk zijn voor omstanders.
bijhouden. Een zogenaamde contactinstabiliteit kan dan optreden.
Hamereffect » ‘In ons laboratorium ontwerpen we robots die geïnspireerd zijn op biologische functies’, zegt dr.ir. Richard van der Linde, die het onderzoek naar haptische systemen bij tele-operatie leidt. Van der Linde ontwikkelde eerder ’s werelds eerste autonome tweebenige robot aangedreven door kunstmatige spieren, waarvan het mechanische vermogensverbruik lager is dan bij mensen. Hij heeft een deeltijd aanstelling als universitair docent bij de TU Delft, en is tevens in dienst van technologisch adviesbureau Altran. In 2001 kreeg hij van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk onderzoek (nwo) de Veni, vidi, vici-vernieuwingsimpuls voor zijn onderzoek biocompatibele ontwerpen. Het geld dat hij daarvoor ontving, gebruikt hij voor het huidige onderzoek naar krachtterugkoppeling bij tele-operatiesystemen. Van der Linde: ‘Het doel bij tele-operatie is om de robotarm dezelfde mechanische eigenschappen te geven als onze hand. Wanneer je hand ergens op drukt, buigt hij door, maar toch kun je goed voelen of het een hard of een zacht oppervlak is. Een hand blijft ook in contact met een harde omgeving stabiel.’ Die stabiliteit is precies een belangrijk probleem wanneer een robotarm een hard voorwerp moet beetpakken en tegelijkertijd het gevoel moet doorgeven aan de mensenhand die de robotarm op afstand bestuurt. Promovendus Göran Christiansson laat me voelen wat er dan met een traditionele, stijve robotarm kan gebeuren. Ik laat de robotarm met de bedieningsarm een hard voorwerp beetpakken. Net nadat het eerste contact ontstaat, begint de robotarm als een gek te hameren op het oppervlak. ‘Vandaar dat dit effect het hamereffect heet’, zegt de Zweed Christiansson. ‘Wanneer de starre robotarm contact maakt met het harde oppervlak, ontstaat al bij een kleine verplaatsing een grote kracht. Voordat het meet- en regelsysteem de kracht en de verplaatsing heeft gemeten en commando’s heeft teruggestuurd naar de bedieningsarm, is het al te laat. De actie en de meting kunnen in tegenfase raken en dan gaat de robotarm heftig heen en weer schokken.’
Het ideale tele-operatiesysteem bestaat uit het verplaatsen van de hand van de operator met alle spieren en zenuwen verlengd. In dat vrij theoretische geval zal de operator de juiste interactie met het object ervaren.
Robotarm krijgt gevoel
beeldscherm ziet de chirurg de operatie voor zich. Nu al bieden robotarmen die worden ingezet bij sleutelgatoperaties diverse voordelen. Niet alleen kan de natuurlijke trilling van de chirurg eruit worden gehaald, maar de chirurg kan via de robotarmen ook complexe bewegingen maken. Dat komt doordat de robot een bepaalde uitslag van de arm van de chirurg exact kan reproduceren met een polsgewricht in het instrument en de daaraan gekoppelde robotarm. Het belangrijkste nadeel is dat de op afstand opererende chirurg niet voelt wat er gebeurt. Opereert hij nu in hard weefsel of in zácht weefsel? Het contact raakt niet tot in z’n vingertoppen. Om toch te voelen wat er gebeurt, is er een krachtterugkoppeling nodig: een systeem dat de reactiekracht die het instrument aan de robotarm ondervindt wanneer het een oppervlak raakt, terugvoert naar de joystick die door de chirurg wordt bediend. Een haptisch systeem, in vaktermen. Onderzoekers van het Delft Biorobotica Laboratorium van de faculteit Werktuigbouwkunde & Maritieme Techniek zijn bezig zo’n systeem te ontwikkelen.
De eerste industriële robot, de ‘Unimate’ van General Motors,
(rechts) en een harde robot-slave. Dit gaat goed zolang de op te
& O N D E R ZO E K
De experimentele opstelling in het Delft Biorobotica Laboratorium om de zacht-hard theorie te testen. Rechts de master en links daarvan de slave.
De benadering van het ideale tele-operatiesysteem volgens het Delft Biorobotica Laboratorium: een zachte slave-hand die de hand van bijv. de chirurg nadoet en een harde master-hand die de omgeving van de slave nadoet. Close-up van de master (de bedieningsinterface). De kracht wordt zo dicht mogelijk bij de vinger gemeten. Ook de positie en de snelheid van de motor worden gemeten.
Verbrijzelen » Omdat traditionele robotontwerpers streefden naar precieze sensoren, starre structuren, en snelle controle, werd instabiliteit bij contact met een hard oppervlak een veel voorkomend vraagstuk. Niet alleen de stabiliteit van de klassieke, stijve robotarm is een probleem. Een starre robotarm die een fragiel instrument moet oppakken, verbrijzelt dat instrument al snel. Want het fijne gevoel heeft de robot niet. Wanneer de
De master-interface wordt benaderd met een eenvoudig model: de energieverliezen worden gemodelleerd met een visceus element (bm), en de massa aan de motor wordt gemodelleerd in mm. Daarop werken de krachten van de motor (Fm), en de operator (Fm).
•
2004.3
Robotarm krijgt gevoel W E T E N S C H A P
5
& O N D E R ZO E K
robotarm contact maakt met het voorwerp, gaat de krachtopbouw heel snel omdat de robot zwaar, stijf en sterk is. Hierdoor ontstaan ook systemen die een potentieel gevaar voor mens en omgeving opleveren. Het contact tussen de menselijke hand en de bedieningsarm gaat veel langzamer omdat deze licht, slap en zacht is. De schade die een dergelijk systeem aan zijn omgeving kan toebrengen, is veel kleiner. Ook kosten lichte en slappe systemen over het algemeen minder. Door deze twee nadelen werkt de klassieke, stijve robotarm alleen maar goed in contact met zachte voorwerpen. Bij een operatie bijvoorbeeld kan het bij contact met bot al misgaan. En ook niet alle weefsel is zacht. De chirurg kan juist op zoek zijn naar kwalijke weefselverhardingen, of hij moet de robotarm met een harde naald laten werken.
De slave-setup.
Ook de slave-interface wordt
Gedempte en slappe robotarm » Met de biologische principes van een menselijke hand in het achterhoofd, ontwierpen en bouwden promovendus Christiansson, projectleider van der Linde en ondersteunend ingenieur Erik Fritz een experimentele opstelling die deze nadelen oplost. Om mee te beginnen hebben zowel de bedieningskant (master) en de robotgrijperkant (slave) maar één vrijheidsgraad. Wanneer de denkbeeldige chirurg aan de ene kant twee grijpogen tussen duim en wijsvinger naar elkaar toebeweegt, dan wordt die beweging via een elektrisch signaal doorgegeven aan de robotarm die eveneens met twee grijpogen in één richting op en neer kan bewegen. Die ene vrijheidsgraad is voldoende om het principe van krachtterugkoppeling te onderzoeken. ‘Wanneer ik een hard voorwerp tussen duim en wijsvinger beetpak’, zegt de promovendus, ‘dan buigen mijn vingers door, maar toch voel ik het harde voorwerp als hard! Het biologische principe dat hier achter ligt, willen we in de robotarm inbouwen. Dat is het belangrijkste nieuwe idee.’ Technisch gezien kozen de onderzoekers voor twee bladveren die een instelbare stijfheid hebben, parallel geschakeld aan een instelbare demper. Het is voor het eerst dat een robotarm een variabele stijfheid en demping krijgt. ‘We presenteerden ons concept onlangs op een conferentie’, vertelt van der Linde. ‘Daar reageerden sommige onderzoekers met verbazing: ‘Je gaat de robotarm toch niet opzettelijk slap maken?!’ Maar de grap is juist dat de toepassingsmogelijkheden met een slappe robotarm toenemen. Een chirurg kan er niet alleen zachte maar ook harde weefsels mee opereren. Onze oplossing is geheel analoog aan spiermodellen uit de biomechanica.’
gemodelleerd met een eenvoudig model: De energieverliezer worden gemodelleerd met een visceus element (bs2), en de massa aan de motor wordt gemodelleerd in ms. Anders dan de master is er een veer (k s) en een demper (bs1) tussen de tip en de motor geplaatst. Dit maakt de slave zacht. Op het systeem werken de krachten van de motor (Fs), en de operator (Fs). De veer (k s) en de demper (bs1) uit de vorige figuur zijn gerealiseerd met respectievelijk een bladveercomstructie die instelbaar is, en een instelbare zuiger-cilinder-combinatie.
Krachtterugkoppeling klinkt evident, maar vergt een ingewikkelde regelstructuur. Voor een simpele één graad van vrijheid opstelling moeten
Radioactieve materialen » De demper bestaat uit een luchtgevulde zuiger met een gaatje erin. Het gaatje kan groter of kleiner worden ingesteld en daarmee de mate van de demping. De robotarm bestaat dan uit een serieschakeling van een massa, een parallel geschakeld demper-veer-systeem, en opnieuw een massa. Het resultaat is dat de robotarm slap kan worden gemaakt. Christiansson: ‘De vraag is: Kun je met een slappe robot een hard voorwerp toch als hard voelen? Het is bij de eerste gedachte niet evident dat dat kan, maar het blijkt goed te werken.’ De bedieningskant ziet er identiek uit als de robotkant: dus met hetzelfde instelbare, massa-veer-demper-massa-systeem. ‘Maar de bediening blijkt het beste te werken wanneer we de bedieningskant zo stijf mogelijk instellen’, vervolgt de promovendus. ‘Het resultaat is dan een systeem van een stijve bedieningsarm en een slappe robotarm.’ Dit asymmetrische karakter is een nieuw maar veelbelovend aspect in de ontwikkeling van robotarmen gericht op het tele-opereren. De robotarm moet een gevoelig verlengstuk worden van de menselijke arm. Vooral voor toepassingen in de nucleaire wereld (voor het beetpakken van radioactief materiaal) werd eerder gewerkt aan robotarmen met een krachtterugkoppeling naar het bedieningspaneel, maar nooit eerder op deze asymmetrische manier: slappe robotarm versus stijve bedieningsarm. In plaats van het nabootsen van spieren en pezen, bediende de traditionele robotica zich van weliswaar krachtige, maar weinig fijnzinnige motoraandrijving.
al snel zo’n 10 parameters worden ingesteld, en zijn modellen nodig van omgeving, operator en setup. Omdat deze modellen nooit exact kunnen zijn, is het vinden van de optimale instellingen een lastige taak die in de praktijk ook vaak via trial & error tot stand komt.
De slappe slave van de groep van Van der Linde vervormt intern wanneer het een hard object tussen de grijpogen
Integratie van mechanica en regeltechniek » Wanneer de robotarm van de TU Delft contact maakt met het voorwerp meten sensoren automatisch de positie van het eindpunt en de kracht die de arm ondervindt. Het regelsysteem aan de robotkant verwerkt de positie- en krachtinformatie en geeft deze elektronisch door aan het bedieningsgedeelte. Voor de benodigde 2004.3
wordt geklemd. Hierdoor is de krachtopbouw tussen de grijpogen van de slave en de omgeving gelijk aan die in de natuur.
•
6
WETENSCHAP
& O N D E R ZO E K
Robotarm krijgt gevoel
energie-invoer zijn zowel de bedieningsarm als de robotarm voorzien van gelijkspanningsmotoren. De motor levert dus de kracht in de richting van de menselijke bedieningshand, zodat de hand ook echte tegenkrachten voelt. Het regelsysteem stuurt beide motoren aan. Idealiter moet een mens aan de bedieningskant precies voelen wat de robotarm voelt. De robotarm zal bij de ene frequentie echter beter functioneren dan bij een andere frequentie. Christiansson: ‘Bij frequenties tot een paar hertz halen we een krachtoverdracht van ongeveer 95%, wat heel goed is. Bij hogere frequenties gaat de prestatie rap omlaag. Maar voor de meeste toepassingen is dat niet erg.’ Twee werelden » ‘Wij integreren in ons systeem de mechanische en de regeltechnische aanpak’, gaat van der Linde verder. ‘De nu al in ziekenhuizen gebruikte da Vinci-robots proberen alles regeltechnisch, en dus met elektronische aansturing en correctie, op te lossen. Ik denk dat tachtig procent van de wereld de robotarmen op deze manier wil laten functioneren. Met regeltechniek kun je makkelijk afstanden overbruggen en een grote uitwijking aan de bedieningskant omlaag schalen naar een veel kleinere uitwijking van de robotarm. Maar er bestaat buiten de mechanische alternatieven nog geen krachtgestuurd tele-operatiesysteem dat volledig contactstabiel en robuust is. Altijd loert het gevaar van contactinstabiliteit. En dat is de reden dat wij een mechanisch demper-veer-systeem koppelen aan een elektronisch regelsysteem. We verenigen het beste van twee werelden. De mechanica alleen, of de regeltechniek alleen, zijn niet zaligmakend.’ Het AMC in Amsterdam onderzoekt daarentegen robotarmen die volledig mechanisch werken. ‘Een volledig mechanisch systeem is voor een chirurg in eerste instantie veel vertrouwder’, zegt ondersteunend ingenieur Fritz. ‘Een elektronisch regelsysteem gebruikt een motor die energie in het systeem kan stoppen. Menig chirurg krijgt dan het gevoel dat zo’n motor de operatie kan verpesten. Bij een volledig mechanische oplossing heeft hij alles in eigen hand. Voor regeltechniek in een tele-operatiesysteem geldt daarom dat het eerst het vertrouwen van de chirurg zal moeten winnen.’ Mechanische oplossingen zijn ook nog steeds goedkoper te maken.
De slappe slave kan ook zachte objecten vastpakken. De vervorming ten gevolge van de
(Foto NASA)
contactkrachten vindt dan plaats in zowel de slave als het object.
Aan de buitenkant van het International Space Station (ISS) moet regelmatig onderhoud gepleegd
Geluid als extra informatie » Hoe de integratie van het mechanische en het regelsysteem er ook uitziet, de informatie die naar de bedieningsarm wordt gestuurd, is altijd een beetje gefilterd. ‘Een van de dingen waar we nog weinig over weten’, zegt Christiansson, ‘is welke informatie het belangrijkste is voor bepaalde taken. Welke informatie heb je bijvoorbeeld nodig om verschillen in weefsel te voelen? Daar weten we nog heel weinig van. Maar het bepaalt wel hoe we onze robotarm moeten instellen. Welke stijfheid en demping moeten we instellen? Hoe goed moeten de sensoren en de motor zijn? Wat is de rol van tijdvertraging bij krachtterugkoppeling. Ook daar is nog weinig over bekend.’ De promovendus, die afstudeerde aan de Chalmers Universiteit in Stockholm, is inmiddels halverwege zijn promotie-onderzoek. In de resterende tijd wil hij antwoorden vinden op deze vragen. ‘Daarom laten we in de toekomst allerlei mensen experimenten doen met de arm. Die moeten ons dan vertellen welke informatie wel en niet belangrijk is.’ Fritz voegt nog toe dat wanneer de chirurg op een beeldscherm meekijkt en ook eventueel hoort wat er bij de operatie gebeurt, hij over extra informatie beschikt die hem helpt om in te schatten wat de toestand is van bepaald weefsel. ‘Hij kan zo de informatie die hij voelt, integreren met wat hij ziet en hoort. Dat betekent misschien ook dat de extra informatie van het horen en zien minder strikte eisen stellen aan de overdracht van de gevoelsinformatie’, aldus Fritz.
worden. Robots die tot nu toe ontwikkeld zijn (zoals de door Dutch Space ontwikkelde Europese
moeten voor onderhoud, de zogenoemde Extra Vehicular Activities.
(Foto ESA)
ERA (rood omcirkeld) zijn te groot voor onderhoudstaken. Het gevolg is dat astronauten naar buiten
De Eurobot wordt van binnenuit het ISS gestuurd door een astronaut. Om beschadiging aan het ISS te
Flexibele plastic vingers » Wanneer de onderzoekers beter begrijpen welke informatie ze nodig hebben voor een goede bedieningsarm, is de volgende stap het maken van realistischere grijpers. Waar die nu nog bestaan uit twee ogen die iemand tussen duim en wijsvinger kan peetpakken, kunnen dat in de toekomst bijvoorbeeld een lichte, flexibele plastic vingers worden. ‘Ooit moeten het kleine medische instrumentjes worden, slappe systeempjes, die makkelijk aan een robot kunnen worden gekoppeld en zo goedkoop, dat je ze na gebruik kunt weggooien’, zegt van der Linde. Daarnaast moet het systeem evolueren van een opstelling met alleen één vrijheidsgraad, zoals nu, naar een bewegend instrument met meerdere graden van vrijheid.
voorkomen tijdens het werk met de Eurobot, zou het goed zijn om krachtterugkoppeling te hebben. De Delftse AIO André Schiele ontwikkelt daarom bij ESTEC in Noordwijk een harnas, een zogenaamd exo-skeleton, waarmee de astronaut de eurobot kan bedienen en de waarmee de krachten van de robot naar de astronaut weergegeven kunnen worden.
De Eurobot wordt van binnenuit het ISS gestuurd door een astronaut. Om beschadiging aan het ISS te voorkomen tijdens het werk met de Eurobot, zou het goed zijn om krachtterugkoppeling te hebben. ESTEC in Noordwijk ontwikkelt daarom een harnas, een zogenaamd exo-skeleton, waarmee de astronaut de eurobot kan bedienen en de waarmee de krachten van de robot naar de astronaut weergegeven kunnen worden.
•
2004.3
Robotarm krijgt gevoel W E T E N S C H A P
7
& O N D E R ZO E K
‘De cruciale vraag is eigenlijk: hoe goed is goed?’ vervolgt van der Linde. ‘Je kunt de krachten van de robotarm niet zien, maar wel voelen. Dat maakt het ook moeilijk om te kwantificeren wat de mens wil met de robotarm. Maar het is belangrijk dat we nu, in een sterk vereenvoudigd systeem, hebben aangetoond dat ons concept met een slappe robotarm en een stijve bedieningsarm grote voordelen biedt boven de klassieke stijve robotarm.’ ‘Tele-operatie is een vakgebied in wording’, stelt van der Linde, ‘maar wel eentje met al een geschiedenis van vijftig jaar.’ En ook een met een grote toekomst. Met name medische toepassingen, zoals instrumenten met gevoel, zijn veelbelovend. Maar ook op andere terreinen, zoals bij het maken van microscopische machientjes (micro-assembly), bij het beetpakken van nucleair materiaal en bij onderwaterrobotica, bieden robotarmen met krachtterugkoppeling grote mogelijkheden.
In de revalidatie komt teleoperatie ook voor. Hier bestuurt een gehandicapte met motorische beperkingen de ARM van Exact Dynamics, een mobiele manipulator die vastzit aan de rolstoel. Krachtterugkoppeling kan een meerwaarde hebben voor deze doelgroep. Het principe van een slappe slave zou ook een extra veiligheid met zich brengen.
Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met Dr. ir. Richard van der Linde, tel. (015) 278 6585, e-mail
[email protected], of met Ir. Göran Christiansson, tel (015) 278 5633, e-mail
[email protected], Ir. Erik Fritz, tel. (015) 278 5633, e-mail
[email protected], André Schiele Dipl.Ing., tel. (071) 565 37 60, e-mail
[email protected]
In veel dagelijkse taken gebruikt de mens krachtterugkoppeling. Om dit met een robot te doen, die geen krachtterugkoppeling heeft, vergt veel training.
De menselijke hand telt zo’n
Verdere informatie: http://dbl.tudelf.nl www.intuitivesurgical.com/products/da_vinci.html) http://robotics.estec.esa.int/ www.exactdynamics.nl www.fcs-cs.com/robotics
22 graden van vrijheid en heeft ruim 17.000 sensoren. Om het complete bewegingspatroon van de menselijke hand te volgen, is ingewikkelde mechanica nodig, zoals de hand uit het Europese Teleman project (onder Delfts penvoer-
Trager en slapper, maar toch beter?
derschap) uit de jaren 90
Op vele vlakken moet de menselijke hand het afleggen tegen een robothand. Bewust
duidelijk laat zien. [Zie DI 96.2]
kan de menselijke hand alleen maar trillingen met een frequentie van ongeveer vijf hertz produceren. Alleen onbewust, zoals bijvoorbeeld door de ziekte van Parkinson, kan de hand met frequenties tot maximaal vijftien hertz trillen. De precisie van
Robots: van groot, zwaar en lomp tot klein, licht en flexibel
de sensoren en actuatoren in de menselijke hand is laag. Op zijn best kunnen we
Het is 1921 wanneer de Tsjechische toneelschrijver Karel Capek voor het eerst de term
verschillen tussen een en tien procent herkennen. Promovendus Göran Christiansson
robot introduceert. Hij beschrijft in zijn toneelstuk Rossum’s Universal Robots hoe robots
laat me een experiment doen.
alle vervelende rotklussen opknappen en mensen zich volledig kunnen onderdompelen
‘Ik geef je een blokje tussen duim en wijsvinger. Schat hoe lang het is. Daarna geef ik je
in vrijetijdsplezier.
een ander blokje, en doe je hetzelfde. Daarna moet je zeggen welke langer is. Je mag
Het zou nog tot 1961 duren voordat de eerste robottoepassing in een industriële produc-
niet kijken, alleen voelen.’
tielijn verscheen. Het Amerikaanse bedrijf General Motors gebruikte toen voor het eerst
Ik neem eerst het ene, dan het andere blokje tussen duim en wijsvinger. ‘Volgens mij
een robotarm, de legendarisch geworden Unimate. Dat de mens op zijn lauweren kan
zijn ze even lang’, zeg ik. ‘Nee, de een is drie millimeter langer’, lacht Christiansson. ‘Dat
gaan rusten en robots het werk voor ons doen is natuurlijk een utopie, maar dat robots
doet een robot beter.’
taken kunnen uitvoeren waar mensen nu eenmaal niet erg goed in zijn (zware spullen
Mensen voelen alleen maar krachten met een frequentie lager dan 300 hertz. De
tillen, eindeloos herhalende handelingen uitvoeren, ultieme precisie) is een feit en een
neurale vertraging tussen het registreren door de hand en het reageren op een prikkel
grote winst. Traditionele robotica richtte zich decennialang op sterke robots die al snel
ligt in het algemeen tussen tien en honderd milliseconden. Van de vinger moet een
gestalte kregen in grote, zware en stijve structuren. Dat leverde hoge prestaties wat
prikkel naar het ruggenmerg en terug en soms naar de hersenen en terug. De knie-
betreft kracht, snelheid en nauwkeurigheid.
reflex bijvoorbeeld laat ongeveer honderdveertig milliseconden op zich wachten. Bij
Wat een wereld van verschil met de fijngevoelige coördinatie en motoriek van de mense-
het aanraken van een heet oppervlak duurt het zelfs wel een halve seconde voordat
lijke arm met zijn ingebouwde stijfheid en demping in de spieren en pezen. Waar onze
iemand door heeft dat het oppervlak te heet is en hij zijn hand terugtrekt.
ledematen rank zijn en sierlijk kunnen bewegen, zien klassieke robotarmen er lomp uit en
‘Voor een robotarm zouden dat allemaal zeer slechte prestaties zijn’, zegt Christiansson.
bewegen ze onbehouwen en schokkerig. Bovendien kent ons zenuwstelsel allerlei adap-
‘Die doet het op al deze terreinen beter.’
tieve, ingenieuze terugkoppelmechanismen. Het controlemechanisme van een traditio-
Wel is de menselijke hand heel stabiel en heeft hij een fijne motoriek. Een menselijke
nele robotarm en die van een menselijke arm verschillen wezenlijk.
hand heeft zo’n zeventienduizend sensoren, maar daar zit veel overlap bij. Zeventig
Biorobotica probeert robotsystemen te verbeteren voor specifieke taken door biome-
procent van al die sensoren gebruiken we voor tactiele informatie, de rest dient voor
chanische principes te gebruiken in het ontwerp van de robotarm. Dat moet leiden tot
de waarneming van pijnprikkels.
meer stabiliteit, betere efficiëntie en lichtere en flexibelere robots. Daarnaast moet de biorobotarm degene die hem bedient ook het gevoel geven dat hij zelf contact heeft met een voorwerp of een oppervlak. Dit is één van de onderzoeksterreinen van het Delft Biorobotica Laboratorium.
De regelaar volgens een klassieke regelmethode (links) stuurt de ledematen volledig aan. In de aansturing zit echter altijd een tijdsvertraging. Door deze tijdsvertraging kunnen (contact) instabiliteiten ontstaan. Regelaars in biologische systemen (rechts) gebruiken de inherente spiereigenschappen buiten het neurologisch regelbereik.
2004.3
•
