Backdrijfbare transmissie: waarom sommige robotgewrichten kunnen 'meeveren'
Stel je voor: je duwt tegen de arm van een robot. Bij sommige robots voel je direct een starre, onwrikbare weerstand - de arm beweegt geen millimeter totdat de motor zelf besluit van positie te veranderen. Bij andere robots geeft de arm soepel mee, alsof er een onzichtbare veer in zit, en kun je hem met je hand gewoon verplaatsen. Dat verschil zit 'm vaak in één onderdeel: de transmissie, en specifiek de vraag of die transmissie backdrijfbaar is.
Een mooie analogie is de fiets. Op een fiets met een vaste aandrijving (fixed-gear) draaien de pedalen altijd mee zodra het wiel draait, in beide richtingen: trap je, dan rijdt de fiets; rolt de fiets, dan draaien de pedalen vanzelf mee. Op een gewone fiets met een freewheel (de bekende 'ratelende' vrijloop) kun je uitrollen zonder dat de pedalen meebewegen - de aandrijving werkt daar maar één kant op. Een backdrijfbare transmissie gedraagt zich als die fixed-gear fiets: kracht kan er in beide richtingen doorheen.
Wat is het precies?
Een transmissie, of overbrenging, is het mechanische onderdeel dat de draaibeweging van een motor doorgeeft aan een uitgaande as - vaak met een andere snelheid en een andere kracht. Denk aan een tandwielkast, een wormwiel, een harmonic drive (een speciaal soort compacte tandwielreductie) of een riem- of kabelaandrijving. De verhouding tussen de snelheid van de motor en die van de uitgaande as heet de overbrengingsverhouding.
Bij een niet-backdrijfbare transmissie kan de motor de uitgaande as wel laten draaien, maar niet andersom: duw je zelf aan de uitgaande as, dan gebeurt er niets, alsof de as op slot zit. Een bekend voorbeeld buiten de robotica is de handmatige raamslinger in oudere auto's, die vaak een wormwielmechaniek gebruikt: je kunt met de slinger het raam op en neer bewegen, maar je kunt het raam niet met je hand openduwen en daarmee de slinger laten ronddraaien.
Dat ongelijke gedrag ontstaat doordat hoge overbrengingsverhoudingen gepaard gaan met veel wrijving en met een sterk 'vermenigvuldigde' traagheid van de motor. Hoe hoger de overbrengingsverhouding, hoe groter het effect van de motor op de uitgaande as - maar ook hoe lastiger het wordt om vanaf de uitgaande as, tegen die wrijving en traagheid in, de motor terug te laten draaien. Een backdrijfbare transmissie vermijdt dit probleem meestal door een lage overbrengingsverhouding te gebruiken, door de motor direct op de as te zetten zonder tussenliggende tandwielen (direct drive), of door constructies met weinig wrijving, zoals kabel- of capstan-aandrijvingen (een soort katrolsysteem met kabels in plaats van tandwielen).
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste reden om backdrijfbaarheid na te streven is veiligheid bij interactie tussen mens en robot. Een robotarm die naast een mens werkt - een zogeheten cobot (collaboratieve robot) - moet bij een onbedoelde botsing kunnen meegeven in plaats van star te blijven staan of hard terug te duwen. Backdrijfbaarheid maakt dat mogelijk: krachten van buitenaf planten zich voort naar binnen in het systeem, waar ze gemeten of opgevangen kunnen worden.
Een tweede doel is gevoeligheid en krachtterugkoppeling. Bij haptische apparaten - toestellen die een gebruiker een gevoel van weerstand of textuur laten voelen, bijvoorbeeld in chirurgiesimulatoren - moet de gebruiker via de motor kunnen 'voelen' wat er aan de andere kant gebeurt. Dat werkt alleen als de transmissie krachten in beide richtingen goed doorgeeft.
Verder is backdrijfbaarheid belangrijk voor compliance: het vermogen van een systeem om elastisch mee te geven in plaats van star te reageren. Dit speelt een rol bij exoskeletten (draagbare robotframes die mensen ondersteunen bij bewegen), prothesen, en pootrobots die dynamisch moeten lopen of rennen, waarbij de poten bij elke stap een veerkrachtige impact met de grond moeten opvangen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het MIT Biomimetic Robotics Lab, onder leiding van Sangbae Kim, ontwikkelde vanaf het begin van de jaren 2010 de Cheetah-pootrobots, waaronder de in 2019 gepresenteerde Mini Cheetah. Deze robots gebruiken zogeheten quasi-direct-drive actuatoren met een lage overbrengingsverhouding, specifiek om backdrijfbaarheid te behouden - essentieel voor het veerkrachtige, dynamische lopen en rennen waarbij de poten impact bij het neerkomen moeten kunnen opvangen.
De KUKA LBR iiwa is een lichtgewicht robotarm met koppelsensoren in elk gewricht, ontworpen voor veilige samenwerking met mensen. De gewrichten zijn zo gebouwd dat ze krachten van buitenaf registreren en er elastisch op reageren.
De Franka Emika robotarm, ontwikkeld door het Duitse bedrijf Franka Emika en medio jaren 2010 op de markt gebracht, is een betaalbare onderzoeks- en cobot-arm met torque-sensing gewrichten (gewrichten die koppel meten) en een relatief backdrijfbare aandrijving. De arm wordt veel gebruikt in robotica-onderzoek, mede dankzij deze eigenschappen.
Rethink Robotics bracht in de jaren 2010 de cobots Baxter en Sawyer op de markt (de productie is inmiddels gestaakt). Deze robots gebruikten series elastic actuators (SEA): een veer tussen motor en uitgaande as die kracht meet en schokken opvangt, juist om veilige, backdrijfbare interactie met mensen op de fabrieksvloer mogelijk te maken.
Ook buiten de klassieke robotarm is het principe terug te vinden: haptische apparaten zoals force-feedback joysticks en -pennen, gebruikt in onder meer chirurgie-simulatoren, vereisen vrijwel altijd laag-wrijvings, backdrijfbare aandrijvingen - vaak gebaseerd op kabel- of capstan-constructies - zodat de gebruiker weerstand en textuur via het apparaat kan voelen.
Hoe ver is de techniek?
Backdrijfbare actuatoren en transmissies zijn inmiddels gangbaar in onderzoekslabs en in commerciële cobots. In de zware industriële robotica, waar hoge overbrengingsverhoudingen en stijfheid vaak belangrijker worden gevonden dan backdrijfbaarheid, is het nog geen standaard.
Het belangrijkste obstakel is een fundamentele afweging in het ontwerp. Hoge overbrengingsverhoudingen leveren veel koppel (draaikracht) met een kleine, zuinige motor, maar gaan doorgaans ten koste van backdrijfbaarheid en gevoeligheid. Lage overbrengingsverhoudingen zijn wel backdrijfbaar en gevoelig, maar vereisen grotere en zwaardere motoren om hetzelfde koppel te leveren. Deze spanning tussen kracht, gewicht, efficiëntie, kosten en backdrijfbaarheid is nog steeds een actief onderzoeksvraagstuk; er bestaat geen universele oplossing die alle eisen tegelijk optimaliseert.
Vooruitgang verloopt dan ook geleidelijk, via steeds betere actuatorontwerpen - zoals quasi-direct-drive systemen, nieuwe typen reductoren en varianten op series elastic actuators - in plaats van via één doorbraak die het probleem in één klap oplost.
Wie werken eraan?
Belangrijke spelers op dit gebied zijn het MIT Biomimetic Robotics Lab (onder leiding van Sangbae Kim), bekend van de Cheetah-pootrobots met quasi-direct-drive actuatoren, en de Duitse bedrijven Franka Emika en KUKA, die beide lichtgewicht cobot-armen met backdrijfbare, koppel-gevoelige gewrichten ontwikkelen. Het Amerikaanse Rethink Robotics speelde historisch een belangrijke rol met zijn SEA-gebaseerde cobots Baxter en Sawyer, al is dat bedrijf gestopt. Daarnaast werken diverse universitaire robotica-labs wereldwijd, onder meer in de Verenigde Staten, Duitsland en Zwitserland, aan actuatorontwerp voor exoskeletten, prothetiek en haptische toepassingen.