Robotdeskundigen leren veel van het menselijk lichaam. Hoe energiezuinig en stabiel te lopen bijvoorbeeld. Tegelijkertijd draagt het onderzoek van het Delft Robotic Laboratory bij aan een beter begrip van de menselijke loopbeweging. Dr.ir. Daan Hobbelen: “Dynamisch gezien lijkt de lopende mens een instabiel systeem.”


SAAR SLEGERS

Gepubliceerd in Delft Integraal 2008-2.
Lees de pdf: Lopen op twee benen is lastig – Saar Slegers
Of de Engelse versie: Walking on two legs is difficult – Saar Slegers

De ene robot heeft een tupperwarebakje als hoofd, de ander een klein blauw emmertje. Veel praktisch nut hebben de hoofden niet. Eigenlijk worden de robots alleen van ‘hoofden’ voorzien om ze iets meer op mensen te laten lijken. “Een robot met alleen benen, armen en een romp ziet er raar uit. Daar klopt iets niet aan”, licht dr.ir. Daan Hobbelen van het Delft Biorobotics Laboratory toe. “Het is belangrijk dat een apparaat een hoofd heeft om de associatie op te roepen met menselijk lopen, maar gezien de mechanische uitstraling van het apparaat wilden we er ook weer geen realistisch hoofd opzetten. Dan wordt het al snel een beetje scary.”

De robots waar Hobbelen zich mee bezighoudt, zijn allerminst griezelig. Het zijn stakerige figuren met een mal hoofd die, eenmaal in werking gezet, eerder koddig aandoen. Op de website van het robotics lab kun je enkele robots zien wandelen met de bijbehorende onderzoekers aan hun zijde. Terwijl de robot als een blindeman door de hal struint, stelt de onderzoeker zich beschermend als een moederkloek op voor uitstekende bankjes en andere struikelblokken.

De robots die Hobbelen tijdens zijn promotieonderzoek ontwikkelde, heten Meta en Flame. Meta ziet er niet bepaald menselijk uit. De robot is een soort koppoter: een besturingssysteem met vier benen, waarvan er twee voorkomen dat het apparaat naar de zijkant omvalt. Met Meta wordt de stabiliteit in de looprichting onderzocht. Flame heeft een menselijker figuur. De robot heeft twee benen met brede, platte voeten, armen en een v-vormig bovenlijf. Zijn hoofd heeft de vorm van de vlam uit het TU-Delftlogo. Flame oogt op het eerste gezicht minder stabiel dan Meta maar slaagt er door de aangestuurde enkels en heupen toch in om tijdens het lopen overeind te blijven.

Vallend lopen
Zo vanzelfsprekend en schijnbaar eenvoudig als het lopen er bij mensen aan toe gaat, zo ingewikkeld is het om de menselijke loopbeweging met een robot na te bootsen. Onderzoekers zijn er nog steeds niet uit hoe het mensen lukt om hun evenwicht tijdens het lopen te behouden. Hobbelen: “Lopen is heel lastig omdat je de hele tijd op één voet staat. Hierdoor ben je eigenlijk continu bezig met omvallen, tenzij je actief probeert te blijven staan. Dynamisch gezien lijkt een lopende mens dus een instabiel systeem.” Hobbelen en zijn collega’s proberen in het biorobotics lab beter te begrijpen hoe mensen desondanks overeind blijven.

Maar waarom moet een werktuigbouwkundige zich bemoeien met de fysiek van de mens? Zijn er niet genoeg bewegingswetenschappers en fysici die dat veel beter kunnen? Hobbelen: “Er zijn twee manieren om inzicht te krijgen in de menselijke loopbeweging. De eerste en meest gebruikelijke manier is om aan lopende mensen te gaan meten. Daar kun je veel van leren: je kunt bijvoorbeeld meten wanneer mensen hun spieren samentrekken in een beweging en je kunt hun beweging precies vastleggen met camera’s. Het probleem van deze analytische methode is dat het moeilijk is om uit die gegevens te destilleren wat er nou precies gebeurt in het lichaam. Een mens gebruikt heel veel spieren en pezen en maakt veel bewegingen tijdens het lopen. Uit metingen is vrijwel niet af te leiden wat er precies voor zorgt dat de mens als geheel stabiel is tijdens het lopen.”

In het biorobotics lab benaderen wetenschappers de loopbeweging op een andere manier. In plaats van deze te analyseren, reconstrueren zij de beweging. Met behulp van zo simpel mogelijke modellen proberen zij te achterhalen welke factoren bepalend zijn voor een stabiele, menselijke loopbeweging. Het voordeel aan deze synthetische benaderingswijze is dat het mogelijk wordt om de parameters te variëren. Gewrichten kunnen bijvoorbeeld stijver of slapper worden gemaakt en het vermogen van de aansturing kan worden aangepast. Volgens Hobbelen vullen de verschillende vormen van onderzoek elkaar goed aan. “Op basis van de uitkomsten van ons onderzoek formuleren we hypotheses die vervolgens door de bewegingswetenschappers getest kunnen worden. Wij op onze beurt gaan met de waarnemingen van bewegingswetenschappers aan de slag.”

De contacten tussen de verschillende disciplines komen steeds meer van de grond. Zo werkt het biorobotics lab samen met de afdeling revalidatiegeneeskunde van het Medisch Centrum van de Vrije Universiteit in een onderzoek naar stabiliteit tijdens het lopen. “Wij passen onze simulatiemodellen aan voor het onderzoek van de bewegingswetenschappers en helpen hen ermee te rekenen. De kennis die zij met behulp van deze simulaties opdoen, testen wij vervolgens weer in de praktijk met onze robots.”

Robotachtig
Meta en Flame zijn niet de eerste lopende robots. Wie kent niet het beeld van Asimo, de robot van Honda die eruit ziet als een Michelinmannetje? Asimo kan niet alleen lopen, rennen en traplopen, maar ook drankjes serveren, voetballen en spiedend om zich heen kijken. Op de website van Honda wordt tevens vermeld dat de robot voor klaarover kan spelen en dat hij in zijn eigen liveshow in Disneyland dagelijks optreedt voor zijn fans. Wat kunnen de robots van Hobbelen wat Asimo niet kan?

Hobbelen: “De techniek die Honda gebruikt, is heel geavanceerd. Het is absoluut indrukwekkend wat ze die robots kunnen laten doen. Maar het aansturingmechanisme van deze robots is geheel gebaseerd op regeltechniek en technische kennis. Het heeft nauwelijks meer iets te maken met wat mensen doen.”

Een robot als Asimo maakt een volledig gecontroleerde beweging en is erop ingesteld om continu lokaal stabiel te zijn. Om deze lokale stabiliteit te bewerkstelligen maakt hij bij elke stap stevig grondcontact met zijn voet en stabiliseert hij vervolgens zijn lichaam daarboven met conventionele regeltechniek. Om zich te kunnen stabiliseren loopt en staat hij altijd met lichtgebogen knieën, zodat hij zijn houding naar alle kanten kan bijstellen bij een eventuele verstoring. De manier waarop de robot gestabiliseerd wordt, brengt veel beperkingen met zich mee. Hij heeft een hoog energieverbruik en is beperkt in zijn bewegingen. En zelfs zo’n geavanceerde robot kan beperkt met verstoringen omgaan.

De kans is nog vrij groot dat een onvoorzien afstapje hem ten val brengt. De loopbeweging die de robot maakt, ziet er bovendien niet echt natuurlijk uit. “Mensen beschrijven de beweging van zo’n robot als houterig of robotachtig”, zegt Hobbelen. “De robots die wij maken, lopen vloeiender. Hun loopbeweging lijkt meer op die van mensen. En dat is nou juist wat wij nastreven: dat de robot zich op dezelfde manier voortbeweegt als de mens.”

In tegenstelling tot de loopbeweging van volledig aangestuurde robots, is de menselijke loopbeweging voor een relatief groot deel ongecontroleerd. De benen maken bij het lopen een natuurlijke slingerbeweging. Er is maar weinig energie nodig om deze slingerbeweging gaande te houden omdat de benen zich voor een belangrijk deel zelf in beweging houden.

Dit principe, het zogeheten ‘ballistisch lopen’, toont Hobbelen met behulp van een passive dynamic walker, een robot die zonder enige aansturing een loopbeweging maakt. Hobbelen zet de robot op een hellinkje en geeft hem een klein duwtje in de rug. De zwaartekracht geeft het apparaat genoeg energie om zich voort te bewegen – de robot valt als het ware van de ene voet op de andere tot hij de onderkant van de helling bereikt heeft.

De natuurlijke slingerbeweging van de benen maakt de loopbeweging niet alleen energiezuinig maar verhoogt ook de stabiliteit tijdens de loopbeweging. Als een passive dynamic walker voorover dreigt te vallen doordat hij te snel vooruit gaat, komt zijn voet met een hardere klap op de ondergrond terecht en wordt zijn snelheid automatisch geremd. De natuurlijke frequentie van de slingerbeweging herstelt zich binnen enkele passen en de robot stabiliseert zich. “Eén van de belangrijkste lessen die we geleerd hebben uit het passief dynamisch lopen is dat een robot een stabiele loopbeweging kan maken zonder dat deze op elk moment in de tijd lokaal stabiel is”, vertelt Hobbelen. De bewegingen van de loper zijn gedeeltelijk ongecontroleerd maar door de natuurlijke dynamiek van het systeem worden matig verstoorde bewegingen automatisch hersteld over meerdere stappen. In zijn proefschrift formuleerde Hobbelen dit principe als limit cycle walking. “Hoewel veel onderzoekers met dit concept bezig zijn, had nog niemand het als zodanig geanalyseerd en gedefinieerd.”

In samenwerking met dr.ir. Martijn Wisse en ir. Jan van Frankenhuyzen, ontwikkelde Hobbelen de prototypes Meta en Flame om het principe van limit cycle walking verder te onderzoeken. Hobbelen: “Passive dynamic walkers zijn interessant maar om de loopbeweging dichter bij die van de mens te brengen, moeten de robots in zekere mate worden aangestuurd. Mensen maken ook gebruik van spieren om zich te verplaatsen en om hun stabiliteit te bewaren. Door de robots te voorzien van meer aansturing, kunnen ze beter met onvoorziene verstoringen omgaan en kunnen ze bijvoorbeeld opzettelijk hun loopsnelheid aanpassen.”Het toevoegen van aansturing gebeurt stapje voor stapje. Het liefst worden de toegepaste regelelementen in de robots zo simpel en lokaal mogelijk gehouden. “Het is niet de bedoeling om er een superintelligente computer van te maken, want dan schiet je je doel voorbij. Wij willen een apparaat met zo weinig mogelijk middelen stabiliseren.” Meta en Flame zijn opvolgers van de robot Denise die Martijn Wisse in 2005 ontwikkelde. Waar Denise alleen aansturing in de heupen bezat, beschikt Meta tevens over enkelaansturing. Flame heeft zowel enkel- als bovenlichaamaansturing. Hobbelen onderzocht hoe de voorwaartse en zijwaartse stabiliteit verbeterd kunnen worden door middel van aansturing in de enkels en in het bovenlichaam. Zo confronteerde hij het prototype Meta met onverwachte afstapjes en bestudeerde welk effect de verstoring had. Als mensen een afstapje over het hoofd zien, is er een grote kans dat ze struikelen. Bij een afstapje van zo’n tien centimeter is de kans groot dat ze zich niet kunnen herstellen. Meta blijft nu bij een afstap van drie centimeter nog stabiel. Dat lijkt misschien weinig, maar als je die hoogte opschaalt naar menselijke maatstaven komt die overeen met een afstap van vijf à zes centimeter. “Voor de robotica is dat best een grote prestatie”, vertelt Hobbelen trots. Het grote voordeel van de aangestuurde robots die Hobbelen gebruikt, is de veelzijdigheid ervan. “Passieve apparaten werken of ze werken niet. Maar deze prototypes vormen een onderzoeksplatform: je kunt er studies mee doen naar verschillende aspecten van het lopen.” Het werk van Meta en Flame zit er met de promotie van Hobbelen daarom nog niet op. “Er staat nog een hele reeks experimenten gepland.”