De steenstapelrobot doet het, maar aan werken komt hij niet toe

r. Hans Heintze: het dwarse gedrag van de motoren zelf. En hij legde met harde wiskunde de zweep erover.

In de Centrale Werkplaats van de TU Delft staat-ie er kalmpjes bij, de steenstapelrobot. Maar schijn bedriegt. Het gevaarte, een boomdikke, stalen arm van tweeëneenhalve meter, kent zijn eigen krachten niet. Zijn twee grootste hydraulische motoren, per gewricht één, zouden zonder de last van de armconstructie elk met gemak een deux-chevaux kunnen optillen. Het werkbereik van de robot is dan ook zorgvuldig met kettingen afgebakend; ervoorbij komen is zelfs voor de onderzoekers verboden. ,,Je doet ’t wel eens, in het begin”, vertelt Heintze rustig, ,,maar ik weet inmiddels hoe vervelend-ie kan zijn.”

Al eerder ramde de robot, ‘sneller dan je met je ogen kunt knipperen’ zichzelf hardhandig tegen het voetstuk. Muisstil, en met de snelheid en de souplesse van een kat. Een verkeerd geplaatst plusje of minnetje in de besturingssoftware, zo bleek, en het schijnbaar logge gevaarte duikt even soepel als onverwachts een vreemde hoek in.

Weer een andere maal raakte het ding door overcorrectie zo heftig aan het trillen – stukje doorschieten, beweging rechtzetten door terug te bewegen, weer een stukje doorschieten, et cetera – dat het leek of-ie een epileptische aanval kreeg. ,,Je bent dan echt bang dat hij uit elkaar klapt.” De experimentele besturing, waar Heintze gedurende zijn onderzoek in alle vrijheid aan sleutelen mocht, was dan ook te allen tijde met één klap op de noodknop stil te leggen.
Berucht

Klinkt griezelig, zoveel vrijheid van werken, maar voor Heintzes onderzoek niet minder dan onmisbaar. Want een simpel commando opvolgen, zoals ‘beweeg met snelheid x naar punt y’, dat was voor de robot geen enkel probleem. De daadwerkelijke uitvoering daarentegen, bestuurd door dat deel van de software dat als het ware als ‘motorisch hersengebied’ fungeert, moest wat Heintze betreft stukken vlotter en preciezer kunnen.

Niet dat de steenstapelrobot, al jaren eerder gebouwd, slordig was afgeleverd. Met opzet was het ding uitgerust met een eenvoudig maar betrouwbaar besturingssysteem, dat bij wijze van spreken zo van de plank was gerukt. Betrouwbaarheid stond namelijk hoog op de lijst van de opdrachtgever, de Luxemburgse staalgigant ARBED. En niet voor niets. Het door de robot te klaren karwei was op zijn zachtst gezegd berucht: stenen stapelen in staalfabrieken.

Staal wordt gemaakt door vloeibaar ijzer bij 1700 graden celsius onder toevoeging van pure zuurstof in een huizenhoog vat te gieten. Om zulke vaten, eveneens van staal gemaakt, van smelten te weerhouden, wordt de binnenwand met vuurvaste stenen bekleed. Een lang leven is de stenen niet beschoren; na twee, drie weken zijn ze hard aan vervanging toe.

Als er ooit een mensvervangende machine is ontworpen die boven elke verdenking van louter broodroof is verheven, dan is het de steenstapelrobot. Want de werkomstandigheden van zijn menselijke tegenvoeter zijn ronduit barbaars te noemen. Twaalfduizend stenen van 35 kilo elk moeten hermetisch aaneengesloten worden opgestapeld, in een tempo van twintig per minuut. In het vat heerst, zelfs na 16 uur afkoeling, een tropische resttemperatuur van 40 graden celsius. Waar het oog kijkt dwarrelen dikke wolken grijs stof. Doordat het vat boven en onder open is, trekt een zuil van warme lucht als door een schoorsteen langs de arbeiders omhoog. De til- en schuifbeweging is slopend voor de rugwervels. En dat gekleed in een benauwend werkpak, een zware helm, een stofkap en nauwsluitende werkhandschoenen.
Elastiek

Nieuwe liefhebbers voor het karwei wist de ARBED nog maar met de grootste moeite te vinden. Dus moest er maar een robot aan te pas komen, dacht ARBED. Een dergelijke robot uit het niets uit de grond stampen, waarbij Heintze eveneens bij betrokken was, daar hebben ontwerpers snel hun handen vol aan. Stenen moesten opgepikt, verplaatst, neergezet en heel precies aangeschoven worden, waarbij als ’t even kan niets zou worden omgestoten. De robot zelf moest opvouwbaar, sterk en toch niet al te zwaar zijn, zodat deze op een klein liftplatform via het gat onderaan het vat naar binnen kon worden gestoken. Uitgebreide voorstudies van mogelijk uit te voeren bewegingen, de keuze van motoren en het bedenken van zinvolle arm-afmetingen; het is maar greep uit de reeks ideeën en compromissen die dan afgewerkt moeten worden.

Wat de motoren betreft, viel de keuze op hydraulische motoren: een soort stalen vaatjes waaruit een as steekt, waarvan zelfs vrij kleine exemplaren een flinke kracht kunnen leveren. Het principe ervan is even simpel als doeltreffend. Aan de as zit een metalen schot, de vaan, dat de omhullende tank in twee reeds met olie gevulde compartimenten deelt. In een gedeelte apart daarvan huist de krachtbron zelf: een kamer met olie die door een pomp onder een continue druk van 180 bar wordt gehouden. Door meer of minder van die getemde maar energierijke olie met een schuifje in een van de twee compartimenten te spuiten, en de andere leeg te laten lopen, draait de vaan onherroepelijk in de richting van de laatste – en zo ook de as. Desnoods vliegensvlug, en met grote kracht.

,,Het lastige is, dat zulke motoren zich gedragen als elastiek”, vertelt Heintze. Olie als aandrijving is namelijk, hoewel uiteindelijk onstuitbaar, ook flink samendrukbaar. Gevolg is dat de druk, voordat de vaan in beweging komt, nog eventjes toeneemt. Een motor die aanslaat komt zodoende slechts na een schokje op gang, en schiet omgekeerd, bij het afslaan, weer ietsjes door. Hetzelfde geldt voor rustende motoren elders in de constructie: op plotselinge start- enstop bewegingen wordt verend gereageerd.
Correcties

En het beheersen van de motoren, stuk voor stuk via een in wezen doodsimpel schuifje, biedt ook niet veel hoop. Want de mate waarin, de snelheid waarmee en de tijd gedurende welke het schuifje geopend wordt of reeds open was, bepaalt evengoed het gedrag van de motor. Het nauwgezet uitvoeren van een complexe beweging, door alle motoren tijdig te starten en te stoppen, bezorgt een beetje besturingsontwerper zodoende flink wat hoofdbrekens.

Het oorspronkelijke robotbesturingssysteem daarentegen was geheel berekend op het voorspelbare gedrag van strak werkende elektromotoren. Andere systemen bestonden domweg niet. Om de robot toch zonder brokken door een uitgestippeld pad te loodsen, werd voortdurend gemeten waar en in welke stand hij zich bevond, en hoe zeer dat afweek van de ideale beweging. Vervolgens brachten correcties de robot weer in het juiste spoor terug. Dat werkt allemaal wel, aldus Heintze, maar vlot is anders. De robot dreigde het zelfs af te leggen tegen de prestaties van de arbeiders.

Al meebouwende aan de robot, zag Heintze een idee voor een onderzoeksplaats geboren worden. Als hij het besturingsontwerp, nog eens ingewikkeld bovendien, nu eens overzichtelijk in tweeën splitste: maak eerst die lastige hydraulische motoren voorspelbaarder, en bouw er dan zo’n bestaande robotbesturing omheen. Ontwerp simpeler, resultaat betrouwbaarder.
Carrière

Maar hoe de motoren in het gareel te krijgen? Heintzes kerngedachte was het ingewikkelde verband tussen schuifstand en de resulterende oliedruk – dat ieder moment beinvloed wordt door hun toestanden vlak daarvoor – voor eens en voor altijd zo goed mogelijk te beschrijven. En tevens zo algemeen mogelijk.

Maanden van wiskundig geploeter waren nodig om dat gedrag in formules te vangen. Door vervolgens de fabriekskenmerken van een specifieke motor in te vullen zou hij, van moment tot moment, de lastige schuif gewoon door de wiskunde kunnen laten bedienen. De schuif zelf zou dan plaatsmaken voor een knop, die direct de gewenste druk, en dus kracht, opwekte. Alsof het de bediening van een snelle elektromotor betrof.

Zo algemeen was Heintzes aanpak, dat de steenstapelrobot slechts als testcase voor zijn theorie diende. Heintze verwerkte eerst zijn theoretische model in de experimentele besturing, en voerde vervolgens alle bouwgegevens van de robot in. En bewees onomstotelijk zijn gelijk: de hydraulische robot liet zich superieur bedienen. Ook ieder andere hydraulische robot, vertelt Heintze enthousiast, kan dankzij zijn ontwerprecept perfect in de greep worden gehouden. De kracht van hydrauliek, gepaard aan de precisie van een elektromotor.

Met de carrière van de steenstapelrobot zelf ging het ondertussen snel bergafwaarts. De robot was zelfs met zijn gebreken toch een verdraaid knap resultaat, vond ook ARBED. Maar het concern kreeg ondertussen meer oog voor een maniervan staal produceren waarin stenen geen rol meer spelen. Nu ook Heintze met de robot is uitgespeeld, blijft-ie rusten waar-ie gebouwd is: in de Centrale Werkplaats zelf. Imposant om te zien, maar nooit een vinger uitgestoken.

Een robot kracht schenken met hydraulische, door oliedruk aangedreven motoren, dat kan gemakkelijk tot brokken leiden. Hoog tijd voor een blik op de werkelijke schuldige, vond promovendus dr.ir. Hans Heintze: het dwarse gedrag van de motoren zelf. En hij legde met harde wiskunde de zweep erover.

In de Centrale Werkplaats van de TU Delft staat-ie er kalmpjes bij, de steenstapelrobot. Maar schijn bedriegt. Het gevaarte, een boomdikke, stalen arm van tweeëneenhalve meter, kent zijn eigen krachten niet. Zijn twee grootste hydraulische motoren, per gewricht één, zouden zonder de last van de armconstructie elk met gemak een deux-chevaux kunnen optillen. Het werkbereik van de robot is dan ook zorgvuldig met kettingen afgebakend; ervoorbij komen is zelfs voor de onderzoekers verboden. ,,Je doet ’t wel eens, in het begin”, vertelt Heintze rustig, ,,maar ik weet inmiddels hoe vervelend-ie kan zijn.”

Al eerder ramde de robot, ‘sneller dan je met je ogen kunt knipperen’ zichzelf hardhandig tegen het voetstuk. Muisstil, en met de snelheid en de souplesse van een kat. Een verkeerd geplaatst plusje of minnetje in de besturingssoftware, zo bleek, en het schijnbaar logge gevaarte duikt even soepel als onverwachts een vreemde hoek in.

Weer een andere maal raakte het ding door overcorrectie zo heftig aan het trillen – stukje doorschieten, beweging rechtzetten door terug te bewegen, weer een stukje doorschieten, et cetera – dat het leek of-ie een epileptische aanval kreeg. ,,Je bent dan echt bang dat hij uit elkaar klapt.” De experimentele besturing, waar Heintze gedurende zijn onderzoek in alle vrijheid aan sleutelen mocht, was dan ook te allen tijde met één klap op de noodknop stil te leggen.
Berucht

Klinkt griezelig, zoveel vrijheid van werken, maar voor Heintzes onderzoek niet minder dan onmisbaar. Want een simpel commando opvolgen, zoals ‘beweeg met snelheid x naar punt y’, dat was voor de robot geen enkel probleem. De daadwerkelijke uitvoering daarentegen, bestuurd door dat deel van de software dat als het ware als ‘motorisch hersengebied’ fungeert, moest wat Heintze betreft stukken vlotter en preciezer kunnen.

Niet dat de steenstapelrobot, al jaren eerder gebouwd, slordig was afgeleverd. Met opzet was het ding uitgerust met een eenvoudig maar betrouwbaar besturingssysteem, dat bij wijze van spreken zo van de plank was gerukt. Betrouwbaarheid stond namelijk hoog op de lijst van de opdrachtgever, de Luxemburgse staalgigant ARBED. En niet voor niets. Het door de robot te klaren karwei was op zijn zachtst gezegd berucht: stenen stapelen in staalfabrieken.

Staal wordt gemaakt door vloeibaar ijzer bij 1700 graden celsius onder toevoeging van pure zuurstof in een huizenhoog vat te gieten. Om zulke vaten, eveneens van staal gemaakt, van smelten te weerhouden, wordt de binnenwand met vuurvaste stenen bekleed. Een lang leven is de stenen niet beschoren; na twee, drie weken zijn ze hard aan vervanging toe.

Als er ooit een mensvervangende machine is ontworpen die boven elke verdenking van louter broodroof is verheven, dan is het de steenstapelrobot. Want de werkomstandigheden van zijn menselijke tegenvoeter zijn ronduit barbaars te noemen. Twaalfduizend stenen van 35 kilo elk moeten hermetisch aaneengesloten worden opgestapeld, in een tempo van twintig per minuut. In het vat heerst, zelfs na 16 uur afkoeling, een tropische resttemperatuur van 40 graden celsius. Waar het oog kijkt dwarrelen dikke wolken grijs stof. Doordat het vat boven en onder open is, trekt een zuil van warme lucht als door een schoorsteen langs de arbeiders omhoog. De til- en schuifbeweging is slopend voor de rugwervels. En dat gekleed in een benauwend werkpak, een zware helm, een stofkap en nauwsluitende werkhandschoenen.
Elastiek

Nieuwe liefhebbers voor het karwei wist de ARBED nog maar met de grootste moeite te vinden. Dus moest er maar een robot aan te pas komen, dacht ARBED. Een dergelijke robot uit het niets uit de grond stampen, waarbij Heintze eveneens bij betrokken was, daar hebben ontwerpers snel hun handen vol aan. Stenen moesten opgepikt, verplaatst, neergezet en heel precies aangeschoven worden, waarbij als ’t even kan niets zou worden omgestoten. De robot zelf moest opvouwbaar, sterk en toch niet al te zwaar zijn, zodat deze op een klein liftplatform via het gat onderaan het vat naar binnen kon worden gestoken. Uitgebreide voorstudies van mogelijk uit te voeren bewegingen, de keuze van motoren en het bedenken van zinvolle arm-afmetingen; het is maar greep uit de reeks ideeën en compromissen die dan afgewerkt moeten worden.

Wat de motoren betreft, viel de keuze op hydraulische motoren: een soort stalen vaatjes waaruit een as steekt, waarvan zelfs vrij kleine exemplaren een flinke kracht kunnen leveren. Het principe ervan is even simpel als doeltreffend. Aan de as zit een metalen schot, de vaan, dat de omhullende tank in twee reeds met olie gevulde compartimenten deelt. In een gedeelte apart daarvan huist de krachtbron zelf: een kamer met olie die door een pomp onder een continue druk van 180 bar wordt gehouden. Door meer of minder van die getemde maar energierijke olie met een schuifje in een van de twee compartimenten te spuiten, en de andere leeg te laten lopen, draait de vaan onherroepelijk in de richting van de laatste – en zo ook de as. Desnoods vliegensvlug, en met grote kracht.

,,Het lastige is, dat zulke motoren zich gedragen als elastiek”, vertelt Heintze. Olie als aandrijving is namelijk, hoewel uiteindelijk onstuitbaar, ook flink samendrukbaar. Gevolg is dat de druk, voordat de vaan in beweging komt, nog eventjes toeneemt. Een motor die aanslaat komt zodoende slechts na een schokje op gang, en schiet omgekeerd, bij het afslaan, weer ietsjes door. Hetzelfde geldt voor rustende motoren elders in de constructie: op plotselinge start- enstop bewegingen wordt verend gereageerd.
Correcties

En het beheersen van de motoren, stuk voor stuk via een in wezen doodsimpel schuifje, biedt ook niet veel hoop. Want de mate waarin, de snelheid waarmee en de tijd gedurende welke het schuifje geopend wordt of reeds open was, bepaalt evengoed het gedrag van de motor. Het nauwgezet uitvoeren van een complexe beweging, door alle motoren tijdig te starten en te stoppen, bezorgt een beetje besturingsontwerper zodoende flink wat hoofdbrekens.

Het oorspronkelijke robotbesturingssysteem daarentegen was geheel berekend op het voorspelbare gedrag van strak werkende elektromotoren. Andere systemen bestonden domweg niet. Om de robot toch zonder brokken door een uitgestippeld pad te loodsen, werd voortdurend gemeten waar en in welke stand hij zich bevond, en hoe zeer dat afweek van de ideale beweging. Vervolgens brachten correcties de robot weer in het juiste spoor terug. Dat werkt allemaal wel, aldus Heintze, maar vlot is anders. De robot dreigde het zelfs af te leggen tegen de prestaties van de arbeiders.

Al meebouwende aan de robot, zag Heintze een idee voor een onderzoeksplaats geboren worden. Als hij het besturingsontwerp, nog eens ingewikkeld bovendien, nu eens overzichtelijk in tweeën splitste: maak eerst die lastige hydraulische motoren voorspelbaarder, en bouw er dan zo’n bestaande robotbesturing omheen. Ontwerp simpeler, resultaat betrouwbaarder.
Carrière

Maar hoe de motoren in het gareel te krijgen? Heintzes kerngedachte was het ingewikkelde verband tussen schuifstand en de resulterende oliedruk – dat ieder moment beinvloed wordt door hun toestanden vlak daarvoor – voor eens en voor altijd zo goed mogelijk te beschrijven. En tevens zo algemeen mogelijk.

Maanden van wiskundig geploeter waren nodig om dat gedrag in formules te vangen. Door vervolgens de fabriekskenmerken van een specifieke motor in te vullen zou hij, van moment tot moment, de lastige schuif gewoon door de wiskunde kunnen laten bedienen. De schuif zelf zou dan plaatsmaken voor een knop, die direct de gewenste druk, en dus kracht, opwekte. Alsof het de bediening van een snelle elektromotor betrof.

Zo algemeen was Heintzes aanpak, dat de steenstapelrobot slechts als testcase voor zijn theorie diende. Heintze verwerkte eerst zijn theoretische model in de experimentele besturing, en voerde vervolgens alle bouwgegevens van de robot in. En bewees onomstotelijk zijn gelijk: de hydraulische robot liet zich superieur bedienen. Ook ieder andere hydraulische robot, vertelt Heintze enthousiast, kan dankzij zijn ontwerprecept perfect in de greep worden gehouden. De kracht van hydrauliek, gepaard aan de precisie van een elektromotor.

Met de carrière van de steenstapelrobot zelf ging het ondertussen snel bergafwaarts. De robot was zelfs met zijn gebreken toch een verdraaid knap resultaat, vond ook ARBED. Maar het concern kreeg ondertussen meer oog voor een maniervan staal produceren waarin stenen geen rol meer spelen. Nu ook Heintze met de robot is uitgespeeld, blijft-ie rusten waar-ie gebouwd is: in de Centrale Werkplaats zelf. Imposant om te zien, maar nooit een vinger uitgestoken.