Een robot als tweede huid

Onderzoeksfinancier STW honoreerde eind mei het initiatief van prof.dr. Frans van der Helm voor de ontwikkeling van beter bestuurbare robotgrijpers. Robotarmen moeten gevoel krijgen, vindt de hoogleraar biomechatronica en biorobotica.

Wie is Frans van der Helm?
Prof.dr. Frans C.T. van der Helm is sinds 1999 professor in biomechatronics and biorobotics aan de TU Delft. Van 1998 tot 2007 was hij ook deeltijdhoogleraar bio-mechatronica (0,2 fte) bij de Universiteit Twente. Frans van der Helm is daarnaast adjunct-professor bij NorthWestern University (Chicago) en Case Western Reserve University (Cleveland).

Van der Helm studeerde in 1985 af in de bewegingswetenschappen aan de VU in Amsterdam en is in 1991 gepromoveerd bij werktuigbouwkunde aan de TU Delft.

Frans van der Helm doet onderzoek naar de neuromusculaire aansturing bij de mens. Hij heeft het Delft Shoulder and Elbow Model (DSEM) ontwikkeld, een gedetailleerd computer model van de arm. Een tweede onderzoekslijn is de ontwikkeling van humanoid robots en haptische interfaces. Er worden lopende robots ontwikkeld, maar ook armen en handen, die de bewegingsuitvoering van mensen dicht benaderen. Deze zijn zeer geschikt om samen te werken met mensen in een menselijke omgeving.

Beschrijft u eens de ideale robotarm.
“Het ideale is dat de robotarm zelf meedenkt over wat er moet gebeuren. We weten uit onze bewegingsstudies wat een mens doet om bepaalde bewegingen te maken. Dat stukje intelligentie willen we ook in de robotarm stoppen, waardoor iemand daar beter mee kan sturen dan met zijn eigen arm. Dat klinkt verrassend, maar we hebben recent proeven gedaan waarin je iets met een moersleutel moest vastzetten. Dat kon direct met de sleutel in je hand of met een meedenkende robotarm die bepaalde welke kracht op welk moment nodig is. Het bleek dat mensen het via de robot beter deden dan in direct contact.”

Wordt de robotarm een natuurlijke verlenging van je eigen arm?
“De metafoor die veel gebruikt wordt is het rijden op een paard. Je hebt de teugels in handen, maar je hoeft niet te beslissen waar het paard zijn voeten neerzet. En als je langs de rand van een ravijn rijdt en je stuurt in de richting van het ravijn, dan doet dat paard dat heus niet. Hij doet geen stap opzij. Het aardige is dat we een kracht in de teugels brengen die je ervan weerhoudt de kant van het ravijn op te duwen. Dan weet je dat daar een gevaarlijke situatie zit en ben je altijd op de hoogte van wat dat paard wel of niet gaat doen. Het paard duwt de teugels terug. Als je een robotarm ergens naartoe stuurt waar die niet moet zijn, gaan de huidige systemen de robotarm tegenhouden maar als gebruiker ben je daar niet van op de hoogte. Dus je denkt: hij doet het niet. Wij willen dat de intelligente regelaar een kracht terugvoert naar de master, de bediening, die het moeilijk maakt die kant op te gaan waardoor je denkt: hé, er is daar wat aan de hand. Dat heet het human-centered haptics omdat alle terugkoppelingen via de gebruiker lopen, zodat die een goed intern model heeft van hoe het werkt.”

Is human-centered haptics niet wat dubbelop? Haptonomie is toch per definitie op de mens gericht?
“Dat valt tegen. Je ziet technisch georiënteerde en mensgeoriënteerde onderzoeksgroepen. De mensgeoriënteerde groepen meten wat een mens kan en hoe je informatie moet aanbieden, maar dat blijft vaak steken in proefjes omdat er geen apparaten ontwikkeld worden. Daarnaast staan de technici. Voor hen is ‘transparantie’ het grote adagium. Ze willen alles wat de robotarm, de slave, meemaakt via de master terugkoppelen op de mens. Ze proberen die koppeling zo goed mogelijk te maken en dat kost een boel geld en hele sterke motoren en goede sensoren. Er zit een grote afstand tussen die beide werelden.”

Wat is het vernieuwende in uw aanpak?
“De kern van het programma is dat we helemaal afstappen van die transparantie. Dus dat je niet probeert zo goed mogelijk de omgeving te imiteren, maar een regelaar maakt die meedenkt met de mens en de hem de informatie geeft om zijn taak zo goed mogelijk uit te voeren. Ik heb tegen de STW-commissie gezegd dat dit een revolutie is en ik kon het ze laten voelen.”

Hoe deed u dat?
“We hadden een stuurtje meegenomen van een project dat we samen doen met Nissan. Informatie over de positie op de weg en ook over obstakels, bijvoorbeeld een rotsblok op de weg, wordt verwerkt tot een kracht in het stuur die jou suggereert wat het beste pad is om er omheen te gaan. Het systeem neemt je bij de hand en leidt je om het rotsblok heen. Dat heb je niet in de gaten. Je denkt dat je het zelf zo goed hebt gedaan. Dat systeem hadden we meegenomen naar de STW-commissie. Hun laatste vraag was: leg eens uit wat het verschil is tussen kracht- en stijfheidsterugkoppeling. Ik zei: ik kan dat eigenlijk niet uitleggen, je moet het gewoon voelen. Dus zij sturen langs die rotsblokken. Toen trokken we de stekker van de krachtterugkoppeling eruit en binnen vijf seconden zaten ze er bovenop. Dat red je echt niet. In de pauze wilden ze het allemaal proberen.”

Heeft dat geholpen bij de aanvraag?
“Je weet het nooit natuurlijk. Maar we wilden wel iets bijzonders laten zien. Dat principe willen we nu ook voor andere toepassingen ontwikkelen.”

Er worden de meest uiteenlopende toepassingen genoemd. Geeft u eens wat voorbeelden.
“Een van de toepassingen is een robot voor de kernfusiecentrale Iter in Frankrijk. Er staat een mock-up opstelling bij FOM-Rijnhuizen in Nieuwegein.”

Wat doet een robotarm in een plasmatorus?
“Ze gebruiken robots om te werken in gebieden met hoge stralingsniveaus. In een normale kerncentrale worden daar bijvoorbeeld de brandstofstaven mee verplaatst. Deels kun je dat automatiseren, maar als iets kapot of doorgebrand is, dat heb je in Japan kunnen zien, dan moet de menselijke intelligentie in de loop.”

En de operatierobot?
“Dat zou een toepassing kunnen zijn. We doen hier zelf niet veel aan operatierobots, maar wel aan stuurbare naalden. Dat is een project van (dr.ir.) Paul Breedveld en (prof.dr.) Jenny Dankelman. Dat is een naald waarvan je de top alle kanten op kunt sturen. Die naald moet je in het lichaam invoeren en dan is het belangrijk te weten waar je niet moet zijn – je moet geen vitale organen raken. Navigeren is een probleem. Op basis van de MRI ken je de anatomie en kun je met krachten laten voelen hoe je om organen heen kunt manoeuvreren. Op de tip van de naald zit een sensor die de kracht door het weefsel heen meet. Als je aan het duwen bent, voel je voornamelijk wrijving en weinig meer van de tip van de naald. Maar je kunt die kracht terugvoeren waardoor de chirurg het idee heeft dat hij de tip van de naald stuurt in plaats van de achterkant. Zo kan hij het apparaat waarschijnlijk veel makkelijker sturen.”

Staat er over vijf jaar zo’n droomrobot die je aanstuurt als een paard?
“Dat denk ik wel ja. De principes kunnen we aantonen, vooral de terugkoppeling. De shared control noemen we dat; een gedeelde intelligente controle tussen het paard en jezelf. Dat gaat denk ik lukken, want we hebben dat op verschillende dingen al aangetoond dat het werkt. Heel veel van de andere dingen hangen ook af van de hardware die ontwikkeld wordt.”

Wat zijn de belangrijkste obstakels?
“De uitdaging is dat je in elke omgeving complicerende factoren eruit laat regelen en de taak makkelijker maakt voor een mens. Of de robot nou in de ruimte hangt of twee kilometer onder water. Een beetje vreemde eend in de bijt is een verpleeghulp voor patiënten, een soort robotpak dat je aantrekt dat je kracht versterkt. Je kunt dan een patiënt beetpakken, maar je hoeft maar tien procent van de kracht te tillen want het pak doet de rest. Verpleegkundigen kunnen daarmee in hun eentje patiënten uit bed tillen en onder de douche zetten. Voor een verpleeghuis is dat erg aantrekkelijk, want nu moeten ze altijd met zijn tweeën zijn. Siza Dorp doet daar ook aan mee, die is ondermeer bekend van Het Dorp in Arnhem.”

Het doet me denken aan de robotpakken uit de film Avatar die precies de bewegingen van de bestuurder kopiëren, alleen dan veel groter en sterker.
“Dat idee is het een beetje, maar het is lastiger dan het lijkt. Als je ziet hoe snel mensen ermee reageren denk ik: daar moet een mooie krachtterugkoppeling in zitten, anders kan dat echt niet. Als je het op zicht doet, is er altijd 200 tot 300 milliseconden tijdvertraging. De krachtopnemers in je spieren werken met tijden van 40 milliseconden. Dat verschil maakt dat je veel sneller kunt reageren dan dat je dat visueel doet. Als je het ziet lijkt het alsof ze een tweede huid aanhebben, maar het is niet zo eenvoudig als het lijkt. Anders had het allang bestaan natuurlijk. In Berkeley hebben ze een loophulp ontwikkeld om zware rugzakken te tillen, de Bleex voor special forces in Afghanistan. Dan zie je al dat iemand een halve dag moet oefenen voordat hij er in kan lopen.”

Hoe staat dit Nederlandse onderzoek ten opzichte van ander haptisch robotonderzoek?
“Ik denk dat de inspanningen in de Verenigde Staten heel sterk op defensie zijn gericht. Een aantal apparaten is al op de markt. Dat is echt major money wat daar gebeurt. In Japan gebeurt er eigenlijk niet zo heel veel op dit gebied. Er zijn wel wat robotpakken, maar ze publiceren en nauwelijks over.”

Is dan het unieke van de Nederlandse aanpak die samenwerking tussen bewegingswetenschappers en technici?
“Ja, ik denk het typisch is voor Nederland dat we goed met elkaar kunnen samenwerken. En ik denk dat we in dit consortium heel sterke partners bij elkaar gehaald hebben. We kennen elkaar al langer, en we hebben in dit programma ieder op zijn sterke punten uitgedaagd. Dat steekt wel goed in elkaar.”

STW steunt het onderzoeksprogramma H-Haptics (human-centered haptics) met 4,75 miljoen euro. Binnen het programma onder leiding van prof.dr. Frans van der Helm werken de drie technische universiteiten samen met de Universiteit Utrecht en de Vrije Universiteit. Ook het FOM-instituut voor Plasmafysica in Rijnhuizen en ESA/Estec in Noordwijk zijn erbij betrokken, net als twaalf bedrijven op het gebied van mechatronica, visualisatie, ict, technische en medische toepassingen.