Dr. Daniel Renjewski van de TU München (TUM) heeft samen met zijn collega’s aan de Oregon State University ‘Atrias’ ontwikkeld, een prototype, dat het lopen op twee benen beter beheerst dan welke robot dan ook. De daarbij verkregen onderzoeksresultaten zouden kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van betere protheses.
Robots moeten steeds meer op mensen lijken. Maar gewoon lopen op twee benen, een van de karakteristieke kenmerken van de mens, levert nog grote problemen op voor de machines. Als wij lopen, letten we niet bewust op de structuur van de ondergrond.
Ons lichaam heeft het vermogen om kleine oneffenheden automatisch te compenseren, zonder dat we struikelen of moeten blijven staan. Een looprobot zoals de humanoïde ‘Asimo’ uit Japan, die qua aanzien sterk op mensen lijkt, loopt hier als vergelijking langzaam en stijf. Ook heeft hij veel energie nodig om vooruit te komen.
Mensen en dieren denken niet na over het lopen, verklaart dr. Daniel Renjewski van de afdeling real-time systemen en robotica aan de TU München. “De intelligentie zit in de mechanica”. Pezen en spieren absorberen de onregelmatigheden van de ondergrond. “Als we lopen, vallen we zo te zeggen van de ene in de andere stap”, zegt Renjewski. Dat betekent, dat ons lopen gedeeltelijk instabiel is. Als het lopen midden in de beweging wordt onderbroken, dan zou dat betekenen dat we zouden omvallen.
Huidige looprobot is stabiel, maar stijf
Zo’n soort dynamische beweging is bij een robot, die volgens de klassieke technische principes werd ontwikkeld, moeilijk aan te sturen. Om te controleren, of de machine continu stabiel is en niet omvalt, meten de ingenieurs daarom op elk tijdstip, waar de robot zich bevindt en hoe zijn zwaartepunt wordt veranderd. Er is een prijs voor deze nauwkeurige besturing: de bewegingen moeten gecontroleerd en stijf zijn. Meestal lopen deze machines in laboratoria op gladde ondergrond en moeten alleen uitwijken voor gedefinieerde obstakels.
Renjewski en zijn collega’s van de Oregon State University hadden als doel een robot te ontwikkelen, die qua lopen op de mens lijkt. De tweebenige robots, waarvan ze verslag doen in het vakblad “IEEE Transactions on Robotics” , noemden ze ‘Atrias’ (Assume The Robot Is A Sphere, vertaald: ga er vanuit dat de robot een bal is).
Veer-massa-model
Ontwikkeling van Atrias is gebaseerd op het zogenaamde veer-massa-model, dat in 1989 voor het eerst werd geïntroduceerd. Dit model beschrijft het basisprincipe van lopen op twee benen. De gezamenlijke massa van het lichaam is daarbij gebundeld in één punt, dat met een massaloze veer is verbonden. De veer vormt daarbij de vereenvoudiging van de spieren, botten en pezen, waarop in de realiteit de krachten werken bij het lopen.
Om dit theoretische model technisch om te kunnen zetten moesten de onderzoekers nog een aantal aanpassingen maken. Want in werkelijkheid bezit de veer natuurlijk wel een massa. Ook wordt de mechanische energie in het systeem door wrijving gedeeltelijk omgezet in warmte en is niet meer beschikbaar voor de beweging van het systeem.
Atrias moeilijk uit evenwicht te brengen
De voor dit proces benodigde mechanische energie wordt in de robot door motoren geleverd. Atrias heeft in elk been drie motoren. Twee van de motoren werken rechtstreeks op de beide beenveren. De derde motor zorgt voor de zijdelingse stabiliteit van de robot. De benen van Atrias vormen slechts 10% van zijn totale massa, om zo dicht mogelijk bij het theoretische ontbreken van massa te komen.
Testen toonden aan, dat Atrias drie keer zo efficiënt loopt als andere tweebenige robots met de grootte van de mens. Ook de invloed van krachten van buitenaf, zoals een stoot door een bal of een hobbelige bodem kan hem niet uit balans brengen. Prof. Jonathan Hurst van de Oregon State University en initiator van de studie is er van overtuigd, dat deze vorm van voortbewegen in de toekomst bij lopende robots zal doorbreken. Als de technologie verder wordt verbeterd, is zijn inschatting, dat de robots bijvoorbeeld als hulp bij de brandweer kunnen worden gebruikt.
Ontwikkeling betere protheses
De resultaten van het onderzoek zijn echter ook van belang voor de mens. Renjewski, die in mei van dit jaar een andere functie bij de TUM kreeg, houdt zich in de volgende stap bezig met het omzetten van de verkregen kennis van de robot op looprevalidatie en protheses.
