Campus

Met wat gevoel repareert een robot stukken beter

Een robothand bedienen lijkt op het knopen van je veters met skihandschoenen aan. Toch kan tactiele informatie het verschil zijn tussen een succesvolle reparatie en treurig geklungel.

,,Maar hoe koppel je je vingers aan zo’n rare grijper?”, vroeg elektrotechnicus André van der Ham zich af. Hij promoveerde afgelopen maandag op een ontwerp van een behendige robothand voor gevaarlijke omstandigheden.

Als geestdodend routinewerk een Olympisch nummer zou zijn, dan was de gedoodverfde kampioen een robot. Het in elkaar lassen van auto’s, een overzichtelijke en gestructureerde klus, wordt zonder morren duizenden keren herhaald. Snel, efficiënt en met een constante kwaliteit.

Het onderhoud van auto’s is evenwel mensenwerk. Aan de veelzijdigheid van de menselijke hand kan de starre robot niet tippen. Geen Fingerspitzengefühl. Toch zijn er werkzaamheden waar je liever niet te dicht op staat. Het oplappen van een kernreactor bijvoorbeeld. Vreemd genoeg zijn de meeste kerncentrales ontworpen voor onderhoud door mensen.

,,Bij de warmtewisselaar van veel centrales zit zelfs een mangat voor het onderhoud”, weet Van der Ham, die zijn onderzoek uitvoerde bij de vakgroep regeltechniek van Elektro. ,,Als je daar ingaat loop je echter een enorme stralingsdosis op.” Van der Hams onderzoek is onderdeel van het Teleman-programma, een EU-project dat zich bezighoudt met de ontwikkeling van op afstand bestuurbare robots voor de nucleaire industrie.

Zomaar any robot een kernreactor in sturen gaat namelijk niet. De ioniserende straling breekt kunststoffen af en veroorzaakt storingen in de stuurelectronica. Het apparaat geeft hierdoor al snel de geest. Van der Ham: ,,Die gevoeligheid voor straling is een probleem. De ervaringen met Tsjernobyl toonden aan dat robots een sterk radioactieve omgeving niet aankunnen. Ze hebben veel te veel elektronica aan boord, en zijn daardoor niet radiation hard.”

Onderhoud op afstand is sowieso lastig. Omdat robots niet het hoofd kunnen bieden aan onverwachte problemen, worden ze bestuurd door een operator. Om de situatie ter plekke in te schatten, heeft deze vaak alleen onduidelijke monitorbeelden ter beschikking. Maar voor reparatieklusjes is tactiele informatie, het gevoel in je vingers, minstens zo belangrijk.

,,Een grijper geeft alleen geen feedback, dus je voelt niet wat je doet”, weet Van der Ham. ,,Maar door de operator meer zintuiglijke informatie te geven, kun je hem het idee geven lijfelijk aanwezig te zijn. Dit wordt ook wel telepresence genoemd.”
Handschoen

De volgende denkstap ligt voor de hand, en is dan ook niet nieuw. Bedien de grijper met een soort handschoen, en zorg dat de kracht die je op handschoen uitoefent niet alleen naar degrijper gaat, maar ook andersom. Als de grijper iets vastpakt, voel je een weerstand in je handschoen die overeenkomt met de knijpkracht van de grijper.

De bestaande ontwerpen met dit principe werden door Van der Ham echter te licht bevonden. ,,De ene legt de nadruk op de arm en heeft een beperkte grijpfunctie, terwijl de andere de menselijke hand nabootst en dus zeer complex is”, stelt hij vast. ,,Maar de truc is juist om met zo min mogelijk vrijheidsgraden, zo veel mogelijk handelingen te verrichten.”

De vrijheidsgraden van een voorwerp bepalen de manier waarop deze in de ruimte kan draaien of verschuiven. Met meer vrijheidsgraden kan een robotarm dezelfde positie op meerdere manieren bereiken. De besturing wordt daardoor wel ingewikkelder.

Van der Ham zocht de oplossing daarom niet in een fysieke, maar taakgerichte nabootsing van de hand. Een moertje vastdraaien door het steeds te verpakken is immers niet zo efficiënt. ,,De grijper kan wel boutjes en moertjes oppikken, maar heeft een niet-menselijke kinematica. Om bijvoorbeeld een moer aan te draaien, roteer je gewoon de pols.”

Het hardware-gedeelte van zijn ontwerp is iets wat je eerder van een werktuigbouwer verwacht. ,,We hebben bij Werktuigbouwkunde natuurlijk wel advies ingewonnen, maar de besturingshandschoen is volledig in de werkplaats van Elektro gemaakt”, benadrukt Van der Ham. ,,De mensen daar kunnen beter met een elektro-techneut meedenken. Zo’n handschoen is namelijk moeilijk uit te drukken in een werktuigbouwkundig ontwerp. Vooral de eerste probeerselen hadden een hoog Meccano-gehalte. Alles bij elkaar heeft de ontwikkeling ervan een jaar geduurd.”

De drievingerige grijper, die door een aan het onderzoek deelnemend bedrijf werd vervaardigd, ziet er niet erg gevoelig uit. Van der Ham: ,,Uit oogpunt van de straling is veel roestvast-staal gebruikt. De gebruikte inductieve sensoren zijn ook van hard materiaal, omdat elastomeren al snel zouden verpulveren. Deze hardheid gaat wel ten koste van de meetnauwkeurigheid.”
Kloon

Nadat grijper en handschoen af waren, legde Van der Ham zich toe op de besturing. ,,De vraag is natuurlijk hoe je je vingers aan zo’n rare grijper koppelt”, merkt hij op, en pakt ter illustratie een glas. ,,Als je iets ronds pakt, dan zet je je automatisch hand in een ronde greep. Je weet namelijk wat je gaat grijpen, en anticipeert daarop. Dat kan dus ook met een regelpaneel. Je stelt eerst de oriëntatie in, en daarna hou je maar twee graden van vrijheid per vinger over.”

Om zijn besturingssoftware te testen maakte Van der Ham gebruik van Internet. Vanuit Delft bewoog hij een mechanische kloon van zijn vinger in Bologna tegen een blokje. Ondanks een tijdvertraging van twee seconden, bleek het systeem heel stabiel.

,,Ik heb gebruik gemaakt van stiffness control, met een vaste relatie tussen kracht en positie van de vingers, en een gain scheduler. Deze verandert de kracht-plaats-relatie als de vingers het contact met een voorwerp maken of verbreken, want eigenlijk is dit een niet-lineair systeem. Debesturingsalgoritmen zijn redelijk eenvoudig, en dat is ook wel het mooie ervan. De achterliggende gedachte ervan is KISS: keep it save and simple.”

Voor Van der Ham, die momenteel werkt bij Signaal Special Products, is de praktijk de belangrijkste toetssteen voor de theorie. ,,Dat trekt mij ook erg aan in het mechatronische ontwerp: de theorie met het praktische verbinden”, verklaart hij. Het product vindt hij minder belangrijk. ,,Ik heb ook gewerkt aan een ontwerp voor een rondvaartboot op zonne- energie. Als het goed is wordt die in mei te water gelaten.”

Als de kernrampen ons bespaard blijven, dan ziet Van der Ham ook andere toepassingen voor zijn robotbesturing. ,,Bij IO zijn ze van plan om hem aan een virtual reality machine te hangen”, verklapt hij. ,,Een dataglove geeft namelijk geen terugkoppeling over je knijpkracht. In de virtuele wereld knijp je dwars door alles heen.” Met een beetje gevoel wordt zo zelfs het leven in cyberspace wat draaglijker.

Een robothand bedienen lijkt op het knopen van je veters met skihandschoenen aan. Toch kan tactiele informatie het verschil zijn tussen een succesvolle reparatie en treurig geklungel. ,,Maar hoe koppel je je vingers aan zo’n rare grijper?”, vroeg elektrotechnicus André van der Ham zich af. Hij promoveerde afgelopen maandag op een ontwerp van een behendige robothand voor gevaarlijke omstandigheden.

Als geestdodend routinewerk een Olympisch nummer zou zijn, dan was de gedoodverfde kampioen een robot. Het in elkaar lassen van auto’s, een overzichtelijke en gestructureerde klus, wordt zonder morren duizenden keren herhaald. Snel, efficiënt en met een constante kwaliteit.

Het onderhoud van auto’s is evenwel mensenwerk. Aan de veelzijdigheid van de menselijke hand kan de starre robot niet tippen. Geen Fingerspitzengefühl. Toch zijn er werkzaamheden waar je liever niet te dicht op staat. Het oplappen van een kernreactor bijvoorbeeld. Vreemd genoeg zijn de meeste kerncentrales ontworpen voor onderhoud door mensen.

,,Bij de warmtewisselaar van veel centrales zit zelfs een mangat voor het onderhoud”, weet Van der Ham, die zijn onderzoek uitvoerde bij de vakgroep regeltechniek van Elektro. ,,Als je daar ingaat loop je echter een enorme stralingsdosis op.” Van der Hams onderzoek is onderdeel van het Teleman-programma, een EU-project dat zich bezighoudt met de ontwikkeling van op afstand bestuurbare robots voor de nucleaire industrie.

Zomaar any robot een kernreactor in sturen gaat namelijk niet. De ioniserende straling breekt kunststoffen af en veroorzaakt storingen in de stuurelectronica. Het apparaat geeft hierdoor al snel de geest. Van der Ham: ,,Die gevoeligheid voor straling is een probleem. De ervaringen met Tsjernobyl toonden aan dat robots een sterk radioactieve omgeving niet aankunnen. Ze hebben veel te veel elektronica aan boord, en zijn daardoor niet radiation hard.”

Onderhoud op afstand is sowieso lastig. Omdat robots niet het hoofd kunnen bieden aan onverwachte problemen, worden ze bestuurd door een operator. Om de situatie ter plekke in te schatten, heeft deze vaak alleen onduidelijke monitorbeelden ter beschikking. Maar voor reparatieklusjes is tactiele informatie, het gevoel in je vingers, minstens zo belangrijk.

,,Een grijper geeft alleen geen feedback, dus je voelt niet wat je doet”, weet Van der Ham. ,,Maar door de operator meer zintuiglijke informatie te geven, kun je hem het idee geven lijfelijk aanwezig te zijn. Dit wordt ook wel telepresence genoemd.”
Handschoen

De volgende denkstap ligt voor de hand, en is dan ook niet nieuw. Bedien de grijper met een soort handschoen, en zorg dat de kracht die je op handschoen uitoefent niet alleen naar degrijper gaat, maar ook andersom. Als de grijper iets vastpakt, voel je een weerstand in je handschoen die overeenkomt met de knijpkracht van de grijper.

De bestaande ontwerpen met dit principe werden door Van der Ham echter te licht bevonden. ,,De ene legt de nadruk op de arm en heeft een beperkte grijpfunctie, terwijl de andere de menselijke hand nabootst en dus zeer complex is”, stelt hij vast. ,,Maar de truc is juist om met zo min mogelijk vrijheidsgraden, zo veel mogelijk handelingen te verrichten.”

De vrijheidsgraden van een voorwerp bepalen de manier waarop deze in de ruimte kan draaien of verschuiven. Met meer vrijheidsgraden kan een robotarm dezelfde positie op meerdere manieren bereiken. De besturing wordt daardoor wel ingewikkelder.

Van der Ham zocht de oplossing daarom niet in een fysieke, maar taakgerichte nabootsing van de hand. Een moertje vastdraaien door het steeds te verpakken is immers niet zo efficiënt. ,,De grijper kan wel boutjes en moertjes oppikken, maar heeft een niet-menselijke kinematica. Om bijvoorbeeld een moer aan te draaien, roteer je gewoon de pols.”

Het hardware-gedeelte van zijn ontwerp is iets wat je eerder van een werktuigbouwer verwacht. ,,We hebben bij Werktuigbouwkunde natuurlijk wel advies ingewonnen, maar de besturingshandschoen is volledig in de werkplaats van Elektro gemaakt”, benadrukt Van der Ham. ,,De mensen daar kunnen beter met een elektro-techneut meedenken. Zo’n handschoen is namelijk moeilijk uit te drukken in een werktuigbouwkundig ontwerp. Vooral de eerste probeerselen hadden een hoog Meccano-gehalte. Alles bij elkaar heeft de ontwikkeling ervan een jaar geduurd.”

De drievingerige grijper, die door een aan het onderzoek deelnemend bedrijf werd vervaardigd, ziet er niet erg gevoelig uit. Van der Ham: ,,Uit oogpunt van de straling is veel roestvast-staal gebruikt. De gebruikte inductieve sensoren zijn ook van hard materiaal, omdat elastomeren al snel zouden verpulveren. Deze hardheid gaat wel ten koste van de meetnauwkeurigheid.”
Kloon

Nadat grijper en handschoen af waren, legde Van der Ham zich toe op de besturing. ,,De vraag is natuurlijk hoe je je vingers aan zo’n rare grijper koppelt”, merkt hij op, en pakt ter illustratie een glas. ,,Als je iets ronds pakt, dan zet je je automatisch hand in een ronde greep. Je weet namelijk wat je gaat grijpen, en anticipeert daarop. Dat kan dus ook met een regelpaneel. Je stelt eerst de oriëntatie in, en daarna hou je maar twee graden van vrijheid per vinger over.”

Om zijn besturingssoftware te testen maakte Van der Ham gebruik van Internet. Vanuit Delft bewoog hij een mechanische kloon van zijn vinger in Bologna tegen een blokje. Ondanks een tijdvertraging van twee seconden, bleek het systeem heel stabiel.

,,Ik heb gebruik gemaakt van stiffness control, met een vaste relatie tussen kracht en positie van de vingers, en een gain scheduler. Deze verandert de kracht-plaats-relatie als de vingers het contact met een voorwerp maken of verbreken, want eigenlijk is dit een niet-lineair systeem. Debesturingsalgoritmen zijn redelijk eenvoudig, en dat is ook wel het mooie ervan. De achterliggende gedachte ervan is KISS: keep it save and simple.”

Voor Van der Ham, die momenteel werkt bij Signaal Special Products, is de praktijk de belangrijkste toetssteen voor de theorie. ,,Dat trekt mij ook erg aan in het mechatronische ontwerp: de theorie met het praktische verbinden”, verklaart hij. Het product vindt hij minder belangrijk. ,,Ik heb ook gewerkt aan een ontwerp voor een rondvaartboot op zonne- energie. Als het goed is wordt die in mei te water gelaten.”

Als de kernrampen ons bespaard blijven, dan ziet Van der Ham ook andere toepassingen voor zijn robotbesturing. ,,Bij IO zijn ze van plan om hem aan een virtual reality machine te hangen”, verklapt hij. ,,Een dataglove geeft namelijk geen terugkoppeling over je knijpkracht. In de virtuele wereld knijp je dwars door alles heen.” Met een beetje gevoel wordt zo zelfs het leven in cyberspace wat draaglijker.

Editor Redactie

Do you have a question or comment about this article?

delta@tudelft.nl

Comments are closed.