Een team werktuigbouwers schiep een veilige en energiezuinige robotarm. Geen zoevende motortjes en precisie tot op de millimeter. Gewoon lekker losjes, net als bij de mens.
Delen
/strong>
Het is het angstscenario voor een pretpark. Er gaat iets mis met de nieuwe attractie, een robotclown die naar kinderen zwaait en hen de hand schudt. Een motortje faalt of een hydraulische leiding knapt en de loodzware robotarm daalt met een klap neer op het hoofdje van een vrolijke kleuter. Dag kleuter, dag reputatie van het park.
Robots die interactie met mensen hebben, kunnen maar beter veilig zijn. Dit realiseerde promovendus Richard van der Linde zich toen hij begon aan het ontwerp van een arm voor ‘Zzappo!’, een mechanische pop die over een aantal jaar de eerste onbetaalde pretparkmedewerker moet worden. Naast veiligheid, stelt de clownsrol die Zzappo! gaat spelen, nog meer eisen aan de robot: zijn vormen en bewegingen moeten er menselijk uitzien. Een laag energieverbruik is natuurlijk altijd mooi meegenomen.
De eisen leidden tot het ontwerp van de ARA, Antropomorphic (op de mens lijkende –red) Robot Arm. Van der Linde ontwikkelde en bouwde de arm niet in zijn eentje. Terwijl de promovendus doorwerkte aan zijn eigen project -het ontwerp van een op twee benen lopende robot- was hij medebegeleider van twee TU-afstudeerders en vier afstuderende hogeschoolstudenten die het eigenlijke werk deden.
De Utrechtse studenten Jarno Fokkert en Rob van Weverwijk beëindigen deze week hun afstudeerproject bij de sectie mens-machine-systemen van de faculteit Ontwerp, Constructie en Productie. Op basis van werk van hun voorgangers -een kaal armskelet en een geoctrooieerd idee voor de beweging daarvan- bouwden de twee Utrechtenaren een bewegende arm, die met de muis van een computer te besturen is.
Balans
Het eerste doel van het werk was het balanceren van de ARA. ,,Als de arm in een willekeurige positie staat, dan moet hij zonder aandrijving in die positie blijven. Dat gebeurt door zwaartekrachtcompensatie”, zegt Van Weverwijk. De werking van de zwaartekracht op een arm kan op twee manieren opgeheven worden. Een mogelijkheid is het aanbrengen van een contragewicht, zoals bij hijskranen in de bouw gebeurt. Dat maakt de hele constructie echter zwaarder.
Eleganter is de oplossing waarbij de zwaartekracht door veerkracht wordt gecompenseerd. ,,Het probleem is dat je ideale veren nodig hebt”, verklaart Van Weverwijk. ,,Een normale veer heeft al een bepaalde ontspannen lengte. Wij hadden veren nodig die voorgespannen waren, zodat niet alleen hun uitrekking, maar ook hun lengte recht evenredig is met de veerkracht. We konden deze laten maken door een gespecialiseerd bedrijfje.”
Nu de arm gebalanceerd was, was hij in ieder geval inherent veilig. Bij een falende aandrijving zou de arm niet meer ongecontroleerd omlaag storten. Het was tijd om een aandrijving te verzinnen. Dat hoefde maar een zwakke aandrijving te zijn, wat een bijkomend voordeel was van het balanceren van de arm. Immers, ook een enorme ophaalbrug met een perfect contragewicht kan -mits het scharnierpunt wrijvingloos is- met de pink geopend worden.
Spierballen
Het idee voor de aandrijving van de arm volgde uit de toepassing ervan. Als de robotarm op die van de mens moest lijken, waarom zou hij dan niet hetzelfde werken: op spierkracht? Ene McKibben had in de jaren vijftig al een kunstspier ontworpen. Deze bestaat uit een rekbaar slangetje binnen een kousje van gevlochten nylon. Het kousje is zo geweven dat het zich verkort als het dikker wordt. Door met perslucht de druk in het slangetje te verhogen, wordt de spier stijver en levert daardoor meer trekkracht.
Fokkert en Van Weverwijk bekleedden de stalen botten van hun arm met de McKibben spieren. Omdat spieren wel kunnen trekken en niet duwen, zijn aan elk bewegend onderdeel ten minste twee spieren bevestigd. Net als bij de mens. De arm beweegt in de richting van de spier waarvan de trekkracht verhoogd wordt. Van Weverwijk: ,,Door sommige spieren voor meer dan één beweging in te zetten kunnen we met zes spieren vier vrijheidsgraden van de arm besturen. De bovenarm kan van links naar rechts en in verticale richting bewegen. De onderarm kan omhoog en omlaag en roteren.”
Dommekracht
Alhoewel hun voorgangers het kale frame en de ideeën voor balancering en beweging van de arm aanleverden, was het bouwen van de arm allesbehalve een kookpracticum. Fokkert geeft een voorbeeld: ,,Het bevestigen van de veren aan de arm viel niet mee. Je moet een oogje aan de veer maken, maar dit maakt de veer langer waardoor deze afwijkt van het ideale gedrag.” De robotbouwers verzonnen een eenvoudige, maar doeltreffende oplossing. Met vier stalen lusjes zetten ze een schijfje in de laatste winding van de veer vast. Een touwtje verbindt het schijfje en daarmee de veer met de arm.
De bevestiging van de veren was slechts één van de talloze praktische vraagstukjes waar de arm de studenten voor stelde. Maar handigheid en mechanisch inzicht waren nog niet voldoende om de arm aan het zwaaien te krijgen. Toen de arm gebruiksklaar was, was hij nog een domme, willoze kracht. Voor bewegen zijn hersenen nodig, en zenuwen om de opdrachten aan de spieren door te geven.
Van Weverwijk loopt naar een computer naast de op een statief bevestigde arm. Op het computerscherm verschijnen vier schuifregelaars. Elke schuif regelt een vrijheidsgraad. Door met de muis één van de schuifjes te verplaatsen, komt de ARA in beweging. Het oogt soepel en de aangetrokken spieren laten zelfs bescheiden spierballetjes zien.
Het bouwen van de koppeling tussen de computer en de arm stelde de elektronica- en programmeerkennis van de Utrechtenaren op de proef. De computer had namelijk maar vier uitgangen om de drukregelaars aan te sturen, terwijl er zes spieren waren. Voor twee uitgangen moest een hard- en software oplossing gevonden worden. Van Weverwijk: ,,We zijn breed opgeleid en naast knutselen is ook programmeren onze hobby. Dat kwam dus mooi uit.”
Fysiotherapie
Toch kwamen de manusjes-van-alles tijdens de afronding van hun project nog voor een klus te staan waar ze geen ervaring mee hadden: het geven van fysiotherapie. De computer moest leren om zijn arm te coördineren. Door wrijving en torsie werkte de arm niet goed genoeg om de computer aan de hand van een theoretisch model te laten berekenen bij welke combinatie van zes luchtdrukken de arm een bepaalde ruimtelijke positie hoorde.
Fokkert en Van Weverwijk kozen daarom voor een empirische aanpak. Fokkert: ,,We hebbenvoor elk tweetal vrijheidsgraden van de arm een raster gemaakt met daarin vijfentwintig verschillende standen van de arm. We hebben de arm in elk van die standen geplaatst en gemeten welke druk daar gold. Met deze gegevens kunnen we ook voor de tussenliggende posities de bijbehorende druk berekenen.”
De vertaalslag van armpositie naar luchtdruk in de spieren maakte het mogelijk om de ARA alvast enkele voorgeprogrammeerde houdingen aan te leren. Door een serie opeenvolgende houdingen in de computer op te slaan, kan de arm met een enkele druk op de knop een vloeiende beweging uitvoeren. Fokkert wijst erop dat de bewegende onderarm door zijn zwaaiende gewicht ook de beweging van de bovenarm beïnvloedt, maar ziet dit zelf niet als een groot probleem. ,,Dit dynamische effect vindt bij mensen ook plaats, dus dat mag. We kunnen de beïnvloeding misschien wat verminderen door op het juiste moment met andere spieren tegen te sturen.”
De houterige poppen uit de Efteling, die slechts van een afstandje bekeken mogen worden, hebben hun beste tijd gehad. Zzappo! heeft de beginselen van het intermenselijke contact onder de knie. Hij kan al handen schudden en gedag zwaaien. Nog even en de robotclown kan zelf het glas heffen op zijn eigen geboorte.
Op de ARA-website zijn foto’s en filmpjes van de robotarm te zien:
http://members.xoom.com/qpp/ara . .
Een team werktuigbouwers schiep een veilige en energiezuinige robotarm. Geen zoevende motortjes en precisie tot op de millimeter. Gewoon lekker losjes, net als bij de mens.
Het is het angstscenario voor een pretpark. Er gaat iets mis met de nieuwe attractie, een robotclown die naar kinderen zwaait en hen de hand schudt. Een motortje faalt of een hydraulische leiding knapt en de loodzware robotarm daalt met een klap neer op het hoofdje van een vrolijke kleuter. Dag kleuter, dag reputatie van het park.
Robots die interactie met mensen hebben, kunnen maar beter veilig zijn. Dit realiseerde promovendus Richard van der Linde zich toen hij begon aan het ontwerp van een arm voor ‘Zzappo!’, een mechanische pop die over een aantal jaar de eerste onbetaalde pretparkmedewerker moet worden. Naast veiligheid, stelt de clownsrol die Zzappo! gaat spelen, nog meer eisen aan de robot: zijn vormen en bewegingen moeten er menselijk uitzien. Een laag energieverbruik is natuurlijk altijd mooi meegenomen.
De eisen leidden tot het ontwerp van de ARA, Antropomorphic (op de mens lijkende –red) Robot Arm. Van der Linde ontwikkelde en bouwde de arm niet in zijn eentje. Terwijl de promovendus doorwerkte aan zijn eigen project -het ontwerp van een op twee benen lopende robot- was hij medebegeleider van twee TU-afstudeerders en vier afstuderende hogeschoolstudenten die het eigenlijke werk deden.
De Utrechtse studenten Jarno Fokkert en Rob van Weverwijk beëindigen deze week hun afstudeerproject bij de sectie mens-machine-systemen van de faculteit Ontwerp, Constructie en Productie. Op basis van werk van hun voorgangers -een kaal armskelet en een geoctrooieerd idee voor de beweging daarvan- bouwden de twee Utrechtenaren een bewegende arm, die met de muis van een computer te besturen is.
Balans
Het eerste doel van het werk was het balanceren van de ARA. ,,Als de arm in een willekeurige positie staat, dan moet hij zonder aandrijving in die positie blijven. Dat gebeurt door zwaartekrachtcompensatie”, zegt Van Weverwijk. De werking van de zwaartekracht op een arm kan op twee manieren opgeheven worden. Een mogelijkheid is het aanbrengen van een contragewicht, zoals bij hijskranen in de bouw gebeurt. Dat maakt de hele constructie echter zwaarder.
Eleganter is de oplossing waarbij de zwaartekracht door veerkracht wordt gecompenseerd. ,,Het probleem is dat je ideale veren nodig hebt”, verklaart Van Weverwijk. ,,Een normale veer heeft al een bepaalde ontspannen lengte. Wij hadden veren nodig die voorgespannen waren, zodat niet alleen hun uitrekking, maar ook hun lengte recht evenredig is met de veerkracht. We konden deze laten maken door een gespecialiseerd bedrijfje.”
Nu de arm gebalanceerd was, was hij in ieder geval inherent veilig. Bij een falende aandrijving zou de arm niet meer ongecontroleerd omlaag storten. Het was tijd om een aandrijving te verzinnen. Dat hoefde maar een zwakke aandrijving te zijn, wat een bijkomend voordeel was van het balanceren van de arm. Immers, ook een enorme ophaalbrug met een perfect contragewicht kan -mits het scharnierpunt wrijvingloos is- met de pink geopend worden.
Spierballen
Het idee voor de aandrijving van de arm volgde uit de toepassing ervan. Als de robotarm op die van de mens moest lijken, waarom zou hij dan niet hetzelfde werken: op spierkracht? Ene McKibben had in de jaren vijftig al een kunstspier ontworpen. Deze bestaat uit een rekbaar slangetje binnen een kousje van gevlochten nylon. Het kousje is zo geweven dat het zich verkort als het dikker wordt. Door met perslucht de druk in het slangetje te verhogen, wordt de spier stijver en levert daardoor meer trekkracht.
Fokkert en Van Weverwijk bekleedden de stalen botten van hun arm met de McKibben spieren. Omdat spieren wel kunnen trekken en niet duwen, zijn aan elk bewegend onderdeel ten minste twee spieren bevestigd. Net als bij de mens. De arm beweegt in de richting van de spier waarvan de trekkracht verhoogd wordt. Van Weverwijk: ,,Door sommige spieren voor meer dan één beweging in te zetten kunnen we met zes spieren vier vrijheidsgraden van de arm besturen. De bovenarm kan van links naar rechts en in verticale richting bewegen. De onderarm kan omhoog en omlaag en roteren.”
Dommekracht
Alhoewel hun voorgangers het kale frame en de ideeën voor balancering en beweging van de arm aanleverden, was het bouwen van de arm allesbehalve een kookpracticum. Fokkert geeft een voorbeeld: ,,Het bevestigen van de veren aan de arm viel niet mee. Je moet een oogje aan de veer maken, maar dit maakt de veer langer waardoor deze afwijkt van het ideale gedrag.” De robotbouwers verzonnen een eenvoudige, maar doeltreffende oplossing. Met vier stalen lusjes zetten ze een schijfje in de laatste winding van de veer vast. Een touwtje verbindt het schijfje en daarmee de veer met de arm.
De bevestiging van de veren was slechts één van de talloze praktische vraagstukjes waar de arm de studenten voor stelde. Maar handigheid en mechanisch inzicht waren nog niet voldoende om de arm aan het zwaaien te krijgen. Toen de arm gebruiksklaar was, was hij nog een domme, willoze kracht. Voor bewegen zijn hersenen nodig, en zenuwen om de opdrachten aan de spieren door te geven.
Van Weverwijk loopt naar een computer naast de op een statief bevestigde arm. Op het computerscherm verschijnen vier schuifregelaars. Elke schuif regelt een vrijheidsgraad. Door met de muis één van de schuifjes te verplaatsen, komt de ARA in beweging. Het oogt soepel en de aangetrokken spieren laten zelfs bescheiden spierballetjes zien.
Het bouwen van de koppeling tussen de computer en de arm stelde de elektronica- en programmeerkennis van de Utrechtenaren op de proef. De computer had namelijk maar vier uitgangen om de drukregelaars aan te sturen, terwijl er zes spieren waren. Voor twee uitgangen moest een hard- en software oplossing gevonden worden. Van Weverwijk: ,,We zijn breed opgeleid en naast knutselen is ook programmeren onze hobby. Dat kwam dus mooi uit.”
Fysiotherapie
Toch kwamen de manusjes-van-alles tijdens de afronding van hun project nog voor een klus te staan waar ze geen ervaring mee hadden: het geven van fysiotherapie. De computer moest leren om zijn arm te coördineren. Door wrijving en torsie werkte de arm niet goed genoeg om de computer aan de hand van een theoretisch model te laten berekenen bij welke combinatie van zes luchtdrukken de arm een bepaalde ruimtelijke positie hoorde.
Fokkert en Van Weverwijk kozen daarom voor een empirische aanpak. Fokkert: ,,We hebbenvoor elk tweetal vrijheidsgraden van de arm een raster gemaakt met daarin vijfentwintig verschillende standen van de arm. We hebben de arm in elk van die standen geplaatst en gemeten welke druk daar gold. Met deze gegevens kunnen we ook voor de tussenliggende posities de bijbehorende druk berekenen.”
De vertaalslag van armpositie naar luchtdruk in de spieren maakte het mogelijk om de ARA alvast enkele voorgeprogrammeerde houdingen aan te leren. Door een serie opeenvolgende houdingen in de computer op te slaan, kan de arm met een enkele druk op de knop een vloeiende beweging uitvoeren. Fokkert wijst erop dat de bewegende onderarm door zijn zwaaiende gewicht ook de beweging van de bovenarm beïnvloedt, maar ziet dit zelf niet als een groot probleem. ,,Dit dynamische effect vindt bij mensen ook plaats, dus dat mag. We kunnen de beïnvloeding misschien wat verminderen door op het juiste moment met andere spieren tegen te sturen.”
De houterige poppen uit de Efteling, die slechts van een afstandje bekeken mogen worden, hebben hun beste tijd gehad. Zzappo! heeft de beginselen van het intermenselijke contact onder de knie. Hij kan al handen schudden en gedag zwaaien. Nog even en de robotclown kan zelf het glas heffen op zijn eigen geboorte.
Op de ARA-website zijn foto’s en filmpjes van de robotarm te zien:
http://members.xoom.com/qpp/ara . .
Comments are closed.