Deksels sluiten met souplesse

Speelgoedrobotjes doen het prima op een gladde ondergrond. Een exemplaar van twee tientjes stapt al met zoveel aplomb door de huiskamer, dat de langverwachte huisrobot voor het hele gezin slechts een kwestie van tijd lijkt.

De architectuur maakt deze droom voorlopig onbereikbaar. De meeste huizen hebben tenslotte ook drempels, afstapjes en trappen. Een kleine stap voor een mens, maar een enorme hindernis voor R2D2. Exit Jetsons.

Autofabrikant Honda heeft met de P3 nog het meeste succes. Deze 150 kilo wegende storm trooper vindt geheel zelfstandig zijn weg, beklimt moeiteloos trappen, en is ook door een stiekem duwtje in de rug niet van zijn stuk te brengen. Toch is de P3 het nog niet helemaal, vindt ir. Stefano Stramigioli. ,,Toen ik die robot van Honda zag lopen, was ik een beetje teleurgesteld”, bekent hij. ,,Die P3 bewoog zich niet soepel. Hij was nog echt, ja, robotachtig.”

Dat veel robots zich zo houterig bewegen, komt vooral door de gebruikte regeltechniek: een robot is zo stram als zijn software. De meeste besturingssystemen gaan bovendien uit van kracht- of positieregeling, of een combinatie hiervan. Daarbij wordt de oriëntatie van de robot ten opzichte van een vast punt gemeten, of de kracht die hij op een object uitoefent.

Zolang de robot zich vrij kan bewegen, kan het traject van een robot zo goed worden geregeld. Maar dat er ook zoiets is als een omgeving, wordt vaak uit het oog verloren. ,,Er wordt nog te weinig onderkent dat robots fysische systemen zijn”, meent Stramigioli, die werkzaam is bij de sectie Regeltechniek van ITS. ,,Men ontwikkelt dan een wiskundig model, en houdt er geen rekening mee dat de robot ook energie uitwisselt met zijn omgeving. Maar zodra een robot ergens op moet reageren, werkt dat niet meer.”

Volgens Stramigioli heeft plaats- en krachtbepaling in een ongestructureerde omgeving niet zoveel zin. ,,Stel je maar eens voor dat een positiegestuurde robot opeens tegen een object botst. Dan kan hij zijn eindstand nooit bereiken. En als een krachtgestuurde robot het contact met zijn omgeving verliest, valt er ook niets meer te regelen. De omgeving is altijd een onzekere factor.”

Dat vraagt om een andere besturing. In plaats van signalen die het traject vastleggen, moet de veranderlijke relatie tussen de positie, snelheid en krachten van de robot worden geregeld. ,,Anders kun je niet garanderen dat de robot zich voorspelbaar zal gedragen”, stelt Stramigioli, die morgen promoveert op zijn onderzoek naarinteractieve robotbesturing. ,,Ik ben daarom van mening dat je robots niet moet beschrijven in termen van signalen, maar in termen van energie.”

Een ongebruikelijke aanpak in deze tak van sport. Om een robotsysteem op deze wijze te kunnen beschrijven, had Stramigioli een nieuwe taal nodig. Het werd de bond-grafen methode, een schema dat de energiehuishouding van een robot vastlegt in een stelsel van bolletjes en lijntjes. ,,Dat is heel handig gereedschap om de fysica van een systeem te beschouwen. En het is ook erg inzichtelijk, een beetje te vergelijken met een waterleidingstelsel. Je kunt daardoor precies zien waar de energie heengaat.”

Omdat hiermee in feite het probleem was veranderd, ontstond er ook een nieuwe oplossing. Het meten en regelen verschoof even naar de achtergrond: Stramigioli richtte zich ten eerste op het gewenste mechanische gedrag van de robot. Dat moest minder stram. ,,Als je in het donker rondloopt, houd je je armen ook niet stijf voor je uit. Je rekent er namelijk op dat je ergens tegen aan kunt botsen.”
Tast

Kortom, wat robots missen is souplesse. ,,In een onbekende omgeving is het tenslotte niet goed mogelijk de kracht en de positie van een robot te regelen”, benadrukt hij nogmaals. ,,Maar er zijn wel systemen waarin de relatie tussen kracht en positie altijd bekend is: veerstelsels. Door een robotarm als een geveerd systeem te beschouwen, bouw je automatisch een zekere soepelheid in. En daardoor kan een robot zijn gedrag veel beter aanpassen.”

Door deze compliance control lijkt het alsof een robot elastiekjes heeft in plaats van tandriemen en servomotoren. Virtuele veerkracht die alleen in de software bestaat.

Om aan te tonen dat dit systeem werkt, voerde Stramigioli twee experimenten uit. Eerst liet hij een robot een zwaluwstaartverbinding in elkaar schuiven. De soepele robot kon dit vele malen sneller dan een collega met starre besturing. ,,Bij de gangbare methode wordt gemeten, gepast, verplaatst, en opnieuw gemeten, gepast en verplaatst, tot het onderdeel op zijn plaats zit. Maar als je zelf iets monteert, doe je dat anders. Je tast een beetje en als het onderdeel pakt, schuif je het er gewoon op.”

Een robot met compliance control volgt dezelfde strategie: als het onderdeel niet helemaal recht zit, geeft de robot door zijn geprogrammeerde veerkracht een beetje mee. Het onderdeel valt dan als vanzelf op zijn plaats. ,,Daarmee kan een robot dit soort handelingen met gemak een factor vijf sneller uitvoeren. En daar zijn niet eens krachtsensoren voor nodig.”
Kuipje

Om helemaal zeker van zijn zaak te zijn, toog Stramigioli naar Unilever voor een tweede project. Zoals veel industrieën gebruikt Unilever meestal machines die één taak heel snel kunnen uitvoeren. Deksels op margarinekuipjes vastprikken bijvoorbeeld. Maar deze installaties zijn star geregeld, en ze aanpassen voor andere taken kost tijd en geld. Even een ander kuipje gebruiken is dus niet imFrage.

De laatste jaren komt er echter meer aandacht voor flexibele productiecellen, bijvoorbeeld met robots die meerdere taken kunnen uitvoeren. Ook hier is de besturing een handicap. ,,Bij Unilever Research hebben ze een robot met de gangbare positieregeling, maar dat werkt voor geen meter”, zegt Stramigioli beslist. ,,Als het dekseltje en het kuipje scheef zitten, drukt de robot het dekseltje gewoon kapot.”

Met soepele besturing loopt de kuipjesassemblage echter gesmeerd. Mocht een dekseltje scheef zitten, dan geeft de robotarm net zolang mee tot het past. ,,Dat doe je zelf immers ook. Je gaat niet eerst kijken of een dekseltje precies is uitgelijnd. Met deze methode bereik je een factor acht verbetering, en dat bewijst het werkt. Naar mijn mening moet je voor interactieve robots dus altijd compliance control gebruiken.”

Stramigioli erkent dat dit resultaat met een echt verend element in de grijper ook wel behaald kan worden. ,,Dat zou moeten werken. De eigenschappen een softwarematige veer kan je evenwel makkelijk aanpassen aan de taak. Dat is een kwestie van een druk op een knop, en je bent klaar. Als je een echt tool moet vervangen, heb je altijd te maken met omsteltijden.”

Soepele robotbesturing kan zijn nut ook buiten de margarinefabriek bewijzen, denkt Stramigioli. Zijn voorstel voor een STW-project zit al in de pijplijn. ,,Je kunt de methode toepassen bij de bestudering van walking-and-jumping robots. Lopen is namelijk bij uitstek een vorm van interactie met de omgeving. En lopende robots zou je kunnen inzetten bij ontmijningsoperaties. Of je geeft ze zuignappen en laat ze ramen lappen. Ja, dat klinkt gek. Maar het zou best een hoop geld kunnen besparen.”

Het lijkt erop dat Honda de komende jaren nog geduchte concurrentie kan verwachten.

,,,

Speelgoedrobotjes doen het prima op een gladde ondergrond. Een exemplaar van twee tientjes stapt al met zoveel aplomb door de huiskamer, dat de langverwachte huisrobot voor het hele gezin slechts een kwestie van tijd lijkt.

De architectuur maakt deze droom voorlopig onbereikbaar. De meeste huizen hebben tenslotte ook drempels, afstapjes en trappen. Een kleine stap voor een mens, maar een enorme hindernis voor R2D2. Exit Jetsons.

Autofabrikant Honda heeft met de P3 nog het meeste succes. Deze 150 kilo wegende storm trooper vindt geheel zelfstandig zijn weg, beklimt moeiteloos trappen, en is ook door een stiekem duwtje in de rug niet van zijn stuk te brengen. Toch is de P3 het nog niet helemaal, vindt ir. Stefano Stramigioli. ,,Toen ik die robot van Honda zag lopen, was ik een beetje teleurgesteld”, bekent hij. ,,Die P3 bewoog zich niet soepel. Hij was nog echt, ja, robotachtig.”

Dat veel robots zich zo houterig bewegen, komt vooral door de gebruikte regeltechniek: een robot is zo stram als zijn software. De meeste besturingssystemen gaan bovendien uit van kracht- of positieregeling, of een combinatie hiervan. Daarbij wordt de oriëntatie van de robot ten opzichte van een vast punt gemeten, of de kracht die hij op een object uitoefent.

Zolang de robot zich vrij kan bewegen, kan het traject van een robot zo goed worden geregeld. Maar dat er ook zoiets is als een omgeving, wordt vaak uit het oog verloren. ,,Er wordt nog te weinig onderkent dat robots fysische systemen zijn”, meent Stramigioli, die werkzaam is bij de sectie Regeltechniek van ITS. ,,Men ontwikkelt dan een wiskundig model, en houdt er geen rekening mee dat de robot ook energie uitwisselt met zijn omgeving. Maar zodra een robot ergens op moet reageren, werkt dat niet meer.”

Volgens Stramigioli heeft plaats- en krachtbepaling in een ongestructureerde omgeving niet zoveel zin. ,,Stel je maar eens voor dat een positiegestuurde robot opeens tegen een object botst. Dan kan hij zijn eindstand nooit bereiken. En als een krachtgestuurde robot het contact met zijn omgeving verliest, valt er ook niets meer te regelen. De omgeving is altijd een onzekere factor.”

Dat vraagt om een andere besturing. In plaats van signalen die het traject vastleggen, moet de veranderlijke relatie tussen de positie, snelheid en krachten van de robot worden geregeld. ,,Anders kun je niet garanderen dat de robot zich voorspelbaar zal gedragen”, stelt Stramigioli, die morgen promoveert op zijn onderzoek naarinteractieve robotbesturing. ,,Ik ben daarom van mening dat je robots niet moet beschrijven in termen van signalen, maar in termen van energie.”

Een ongebruikelijke aanpak in deze tak van sport. Om een robotsysteem op deze wijze te kunnen beschrijven, had Stramigioli een nieuwe taal nodig. Het werd de bond-grafen methode, een schema dat de energiehuishouding van een robot vastlegt in een stelsel van bolletjes en lijntjes. ,,Dat is heel handig gereedschap om de fysica van een systeem te beschouwen. En het is ook erg inzichtelijk, een beetje te vergelijken met een waterleidingstelsel. Je kunt daardoor precies zien waar de energie heengaat.”

Omdat hiermee in feite het probleem was veranderd, ontstond er ook een nieuwe oplossing. Het meten en regelen verschoof even naar de achtergrond: Stramigioli richtte zich ten eerste op het gewenste mechanische gedrag van de robot. Dat moest minder stram. ,,Als je in het donker rondloopt, houd je je armen ook niet stijf voor je uit. Je rekent er namelijk op dat je ergens tegen aan kunt botsen.”
Tast

Kortom, wat robots missen is souplesse. ,,In een onbekende omgeving is het tenslotte niet goed mogelijk de kracht en de positie van een robot te regelen”, benadrukt hij nogmaals. ,,Maar er zijn wel systemen waarin de relatie tussen kracht en positie altijd bekend is: veerstelsels. Door een robotarm als een geveerd systeem te beschouwen, bouw je automatisch een zekere soepelheid in. En daardoor kan een robot zijn gedrag veel beter aanpassen.”

Door deze compliance control lijkt het alsof een robot elastiekjes heeft in plaats van tandriemen en servomotoren. Virtuele veerkracht die alleen in de software bestaat.

Om aan te tonen dat dit systeem werkt, voerde Stramigioli twee experimenten uit. Eerst liet hij een robot een zwaluwstaartverbinding in elkaar schuiven. De soepele robot kon dit vele malen sneller dan een collega met starre besturing. ,,Bij de gangbare methode wordt gemeten, gepast, verplaatst, en opnieuw gemeten, gepast en verplaatst, tot het onderdeel op zijn plaats zit. Maar als je zelf iets monteert, doe je dat anders. Je tast een beetje en als het onderdeel pakt, schuif je het er gewoon op.”

Een robot met compliance control volgt dezelfde strategie: als het onderdeel niet helemaal recht zit, geeft de robot door zijn geprogrammeerde veerkracht een beetje mee. Het onderdeel valt dan als vanzelf op zijn plaats. ,,Daarmee kan een robot dit soort handelingen met gemak een factor vijf sneller uitvoeren. En daar zijn niet eens krachtsensoren voor nodig.”
Kuipje

Om helemaal zeker van zijn zaak te zijn, toog Stramigioli naar Unilever voor een tweede project. Zoals veel industrieën gebruikt Unilever meestal machines die één taak heel snel kunnen uitvoeren. Deksels op margarinekuipjes vastprikken bijvoorbeeld. Maar deze installaties zijn star geregeld, en ze aanpassen voor andere taken kost tijd en geld. Even een ander kuipje gebruiken is dus niet imFrage.

De laatste jaren komt er echter meer aandacht voor flexibele productiecellen, bijvoorbeeld met robots die meerdere taken kunnen uitvoeren. Ook hier is de besturing een handicap. ,,Bij Unilever Research hebben ze een robot met de gangbare positieregeling, maar dat werkt voor geen meter”, zegt Stramigioli beslist. ,,Als het dekseltje en het kuipje scheef zitten, drukt de robot het dekseltje gewoon kapot.”

Met soepele besturing loopt de kuipjesassemblage echter gesmeerd. Mocht een dekseltje scheef zitten, dan geeft de robotarm net zolang mee tot het past. ,,Dat doe je zelf immers ook. Je gaat niet eerst kijken of een dekseltje precies is uitgelijnd. Met deze methode bereik je een factor acht verbetering, en dat bewijst het werkt. Naar mijn mening moet je voor interactieve robots dus altijd compliance control gebruiken.”

Stramigioli erkent dat dit resultaat met een echt verend element in de grijper ook wel behaald kan worden. ,,Dat zou moeten werken. De eigenschappen een softwarematige veer kan je evenwel makkelijk aanpassen aan de taak. Dat is een kwestie van een druk op een knop, en je bent klaar. Als je een echt tool moet vervangen, heb je altijd te maken met omsteltijden.”

Soepele robotbesturing kan zijn nut ook buiten de margarinefabriek bewijzen, denkt Stramigioli. Zijn voorstel voor een STW-project zit al in de pijplijn. ,,Je kunt de methode toepassen bij de bestudering van walking-and-jumping robots. Lopen is namelijk bij uitstek een vorm van interactie met de omgeving. En lopende robots zou je kunnen inzetten bij ontmijningsoperaties. Of je geeft ze zuignappen en laat ze ramen lappen. Ja, dat klinkt gek. Maar het zou best een hoop geld kunnen besparen.”

Het lijkt erop dat Honda de komende jaren nog geduchte concurrentie kan verwachten.