In de ontwikkeling van lopende robots heeft Sony een stap vooruit gezet met QRIO. Vorige maand maakte de Japanse technologiegigant bekend dat QRIO niet alleen kan lopen, maar ook rennen en springen. Dat is voor een autonome ‘mensachtige’ robot de eerste keer, aldus Sony. Op zich zijn rennende robots niet nieuw – het ‘Leg Laboratory’ van het Massachusetts Institute of Technologie (MIT) presenteerde de eerste exemplaren al in de jaren tachtig van de vorige eeuw. Het bio-robotica laboratorium van de Technische Universiteit Delft beschikt ook al geruime tijd over lopende ‘robots’. Deze lijken uiterlijk nog weinig op de mens, maar in hun manier van lopen des te meer.

Met de QRIO neemt Sony letterlijk en figuurlijk een voorsprong op landgenoot Honda, dat in 1997 met de Humanoid ‘s werelds eerste lopende mensachtige robot presenteerde. Met het uiterlijk van een speler van een Amerikaans football-team boezemde de Honda-robot ontzag in. Je kon hem ook maar beter niet tegen het lijf lopen omdat hij een stuk zwaarder was dan een mens. Honda’s huidige humanoids P3 en Asimo zijn evenals Sony’s QRIO weliswaar lichter dan de vorige generatie, maar nog steeds relatief zwaar. Dat komt omdat het gehanteerde loopconcept van de humanoid robots in principe maar weinig met het menselijke lopen te maken heeft.

Elektromotoren

Het menselijke loopgedrag van robots als QRIO is het resultaat van een mechanisch ontwerp dat functioneel weliswaar sterk op de mens lijkt, maar dat wordt aangedreven door geavanceerde elektromotoren gekoppeld aan sensorsystemen en bestuurd met krachtige computers. De vloeiende beweging volgt uit motion capture technieken, waarbij de besturingscomputers gegevens overnemen uit video-analyses van bewegende mensen. Zo slaagt de robot er in die beweging te reconstrueren. Maar al die motoren maken de robot erg zwaar, en om ze van energie te voorzien torsen de humanoids ook nog eens een flink accupakket met zich mee.

De 1600 meter die een mens bij benadering aflegt op de energie van een bruine boterham, haalt een humanoid bij lange niet. Dat heeft alles te maken met het volstrekt tegennatuurlijke ontwerp. Bij het bio-robotica laboratorium van de Technische Universiteit Delft Delft kijkt men wel naar de natuur en gaat men uit van het ballistische loopprincipe. Ballistisch lopen betekent letterlijk een vrije, niet aangedreven loopbeweging. In veel speelgoedfiguurtjes wordt van dit principe gebruik gemaakt. Lopen is misschien wat te veel gezegd, maar de speelgoedpoppetjes en -diertjes waggelen zonder aandrijving een flauwe helling af. Het eerste patent op de ballistische loopbeweging werd voor een speelgoedtoepassing uitgegeven. Het dateert uit 1888.

De Delftse onderzoekers hebben het ballistische concept verwezenlijkt in een robotontwerp dat nog steeds in concept heel eenvoudig is, maar in de uitvoering wat meer op de mens lijkt. Al in 1836 lieten wetenschappers zien dat de cadans van het menselijke lopen sterk overeenkomt met de beweging van een enkel been dat als een slinger is opgehangen. Anders gezegd: de mens beweegt zich bij voorkeur in de eigenfrequentie van zijn mechanische systeem. Een belangrijk voordeel van dit principe voor de loopbeweging is een minimale energiebehoefte.

Dat een ballistische loopbeweging minder energie kost dan een met elektromotoren opgelegde beweging is aannemelijk te maken in een vergelijking met een schommel. Door steeds op het juiste moment een klein zetje te geven, kan een moeder haar kind flink laten zwaaien. Zou ze proberen de schommel in beweging te brengen door te draaien aan de as waaraan de touwen vastzitten, dan gebeurde er bitter weinig. Bij het ballistisch aansturen hoeft alleen energie worden toegevoegd om het systeem, dat door de slingereigenschap van de schommel in feite zichzelf beweegt, aan de gang te houden.

Kunstspieren

Om energie aan de robotbenen toe te voeren werd in Delft gekozen voor zogenaamde McKibben kunstspieren. Onderzoeker Richard Van der Linde was de eerste ter wereld die het principe van de ballistische robot combineerde met deze ‘spieren’, die naar hun uitvinder werden vernoemd. Ze bestaan uit speciale rubberen slangetjes in een soort kousjes, en verstijven als de luchtdruk omhoog gaat. Tot op zeker niveau fungeren de kunstspieren mechanisch analoog aan menselijke spieren. Ze voeren energie aan het mechanische ballistische systeem toe, zodat de wrijving wordt gecompenseerd. Daardoor kan de robot ook op een plat vlak lopen in plaats van alleen een helling af. Een voordeel van de gebruikte spieren is ook dat ze het menselijke voorbeeld heel behoorlijk benaderen. De mens heeft pezen die een deel van de bewegingsenergie tijdelijk opslaan. Dat doen de McKibben kunstspieren ook. Juist door mechanismen in het menselijk bewegingsapparaat die potentiële en kinetische energie onderling uit kunnen wisselen, wordt zo’n hoge efficiëntie gehaald. Daar sluiten de Delftse robots heel nauw bij aan. Een andere belangrijke functie van de luchtdrukspieren is het veranderen van de eigenfrequentie van de robotbenen. Dit gebeurt via verhoging of verlaging van de basisdruk. Het resultaat is dat de robot sneller of langzamer kan gaan stappen.

Met perslucht uit de universitaire ringleiding kon Van der Linde al in 1997 laten zien dat de McKibben spieren heel bruikbaar waren. Inmiddels is al enkele jaren een pneumatisch systeem beschikbaar dat aansturing van de spieren «aan boord» van de robot kon verzorgen. Het werd ontwikkeld door technisch assistent ing. Jan van Frankenhuyzen en in de eigen instrumentmakerij gefabriceerd door John Dukker en Ad van der Geest. Het pièce de resistance van de pneumatiek is een geminiaturiseerd schakelblok, een waar huzarenstukje op het gebied van de fijnmechanische instrumentatie met daarin de elektromechanische kleppen en drukregelaars. Kleine CO₂ gaspatronen leveren de energie (benodigde druk) voor de spieren.

Met de uitgekiende pneumatiek maakte Richard van der Linde de eerste door kunstspieren aangedreven autonome tweebenige robot ter wereld met een energieverbruik dat lager ligt dan dat van de mens. Van der Linde is inmiddels gepromoveerd en het onderzoek is voortgezet door Martijn Wisse, die er onder andere in is geslaagd de bipedrobots grotere stappen te laten nemen.