Krachtregeling: hoe robots leren voelen wat ze aanraken
Stel je voor dat je met je ogen dicht een ei in een eierdoosje moet leggen. Je tast, voelt lichte weerstand, en past de druk van je vingers voortdurend aan zodat het ei niet breekt maar wel goed vastzit. Dat 'voelen en bijsturen' is precies wat krachtregeling een robot leert doen. In plaats van alleen naar een vaste positie te bewegen, meet de robot voortdurend hoeveel kracht hij op een voorwerp uitoefent en past hij zijn beweging daarop aan.
Traditionele industriële robots zijn vooral goed in het exact volgen van een vooraf ingeprogrammeerde route: punt A naar punt B, met millimeterprecisie. Dat werkt uitstekend in een vaste, voorspelbare omgeving, zoals het lassen van een auto-onderdeel. Maar zodra een robot iets moet aanraken waarvan de precieze positie niet honderd procent vaststaat, of iets breekbaars of buigzaams moet hanteren, schiet pure positieregeling tekort. Krachtregeling is het antwoord daarop: een besturingstechniek waarmee een robot niet alleen weet wáár hij moet zijn, maar ook hóé hard hij mag duwen, trekken of drukken.
Wat is het precies?
Krachtregeling begint met meten. Robots die deze techniek gebruiken, zijn uitgerust met kracht-momentsensoren: kleine sensoren die de druk- en trekkrachten registreren die op de robotarm of het gereedschap aan het uiteinde werken. Deze sensoren zitten vaak in de 'pols' van de robot, vlak bij de grijper, of zelfs in elk gewricht van de arm.
De meetgegevens gaan razendsnel naar de besturingscomputer, die honderden keren per seconde de beweging bijstelt. Er bestaan grofweg twee benaderingen. Bij impedantieregeling gedraagt de robotarm zich softwarematig als een systeem van veren en dempers: hij geeft mee als er weerstand wordt gevoeld, ongeveer zoals een menselijke arm ontspant wanneer die tegen iets aanbotst. Bij admittantieregeling wordt precies andersom geredeneerd: de sensor meet de kracht en de software berekent daaruit welke beweging daar logisch bij past, waarna de robot die beweging uitvoert.
Een derde, verwante aanpak is hybride krachtpositieregeling, waarbij de robot in de ene richting strak op positie stuurt (bijvoorbeeld links-rechts) en in een andere richting op kracht (bijvoorbeeld het indrukken van een oppervlak). Denk aan het schoonvegen van een raam: zijwaarts wil je een nauwkeurige baan volgen, maar loodrecht op het glas wil je een constante, zachte druk houden in plaats van een vaste positie, omdat het glas nooit exact even ver weg staat.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is dat robots kunnen samenwerken met de fysieke wereld op een manier die tot nu toe voorbehouden was aan mensen. Mensen hanteren voortdurend, vaak onbewust, de juiste hoeveelheid kracht: een handdruk geven, een glas vastpakken zonder het te verpletteren, een schroef net genoeg aandraaien. Voor robots is dat allesbehalve vanzelfsprekend, en krachtregeling probeert die kloof te dichten.
Concreet levert dat een aantal beloften op. Ten eerste veiligheid: robots die voelen wanneer ze tegen iets of iemand aanbotsen, kunnen direct afremmen of meegeven in plaats van door te duwen met volle kracht. Dat maakt samenwerking tussen mens en robot op dezelfde werkplek, de zogeheten cobots, een stuk veiliger. Ten tweede precisie in onzekere situaties: bij assemblage passen onderdelen zelden tot op de micrometer, en een robot die kan 'voelen' waar een pen in een gat glijdt, hoeft niet exact geprogrammeerd te worden op elke afwijking. Ten derde flexibiliteit: dezelfde robot kan met krachtregeling omgaan met wisselende materialen, van stug metaal tot een zachte kabel, zonder dat het programma helemaal opnieuw geschreven hoeft te worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Duitse ruimtevaart- en robotica-instituut DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) ontwikkelde vanaf de jaren negentig de Light-Weight Robot-serie, met in elk gewricht een momentsensor. Deze technologie vormde de basis voor de humanoïde robot Justin en werd later commercieel doorontwikkeld door het bedrijf KUKA onder de naam LBR iiwa, een van de eerste in de industrie op grote schaal gebruikte krachtgevoelige robotarmen.
Het Deense bedrijf Universal Robots bracht in 2008 zijn eerste collaboratieve robotarm op de markt, die met ingebouwde krachtdetectie stopt zodra hij onverwachte weerstand voelt, bijvoorbeeld het aanraken van een mens. Dit maakte het mogelijk om robots zonder afscherming naast fabrieksmedewerkers te laten werken, iets wat daarvoor vanwege veiligheidsvoorschriften vrijwel ondenkbaar was.
Het Duitse bedrijf Franka Emika lanceerde in 2017 de onderzoeks- en industrierobot Panda, met torsiesensoren in alle zeven gewrichten. De robot wordt sindsdien wereldwijd veel gebruikt door universiteiten om nieuwe krachtregeltechnieken te testen, onder meer voor taken als het inpluggen van kabels en het monteren van fijne onderdelen.
In de vliegtuigbouw gebruikt Airbus sinds het midden van de jaren 2010 krachtgeregelde robotarmen voor het boren en klinken van rompsecties, waarbij de robot de aandrukkracht op het oppervlak van het vliegtuig constant houdt, ook als de romp licht bolt of oneffenheden vertoont.
Ook in de chirurgie wint krachtterugkoppeling terrein: nieuwere generaties operatierobots, zoals uitbreidingen op het da Vinci-systeem van Intuitive Surgical, experimenteren met het teruggeven van tastgevoel aan de chirurg, zodat die voelt hoeveel weerstand weefsel biedt in plaats van alleen op beeld te vertrouwen.
Hoe ver is de techniek?
Krachtregeling is geen nieuwe wetenschap: de theoretische basis, met name het concept impedantieregeling, werd al in de vroege jaren tachtig beschreven door de Amerikaanse onderzoeker Neville Hogan aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Wat de afgelopen twintig jaar veranderde, is dat de benodigde sensoren goedkoper, kleiner en nauwkeuriger werden, en dat rekenkracht het mogelijk maakte om de regeling honderden keren per seconde uit te voeren.
In industriële toepassingen met voorspelbare taken, zoals kabels inpluggen of oppervlakken polijsten, is de techniek inmiddels volwassen en op de markt beschikbaar bij grote robotfabrikanten. Lastiger blijft het combineren van krachtregeling met kunstmatig intelligente waarneming: een robot die niet alleen voelt hoeveel weerstand een voorwerp biedt, maar ook op basis daarvan herkent wát voor voorwerp het is en hoe hij moet reageren, staat nog volop in onderzoeksfase. Ook het overbrengen van krachtregeling naar zachte, vervormbare materialen, zoals textiel of voedsel, is technisch nog een uitdaging omdat de wiskundige modellen die de regeling aansturen minder goed werken bij materialen zonder vaste vorm.
Een ander obstakel is kostprijs: kracht-momentsensoren van hoge kwaliteit blijven relatief duur, wat de bredere toepassing in goedkopere robots vertraagt. Onderzoekers werken daarom ook aan alternatieven, zoals het schatten van kracht via de stroom die door de motoren van de robot loopt, zonder aparte sensor, al is dat doorgaans minder nauwkeurig.
Wie werken eraan?
Op onderzoeksgebied speelt het Duitse DLR een voortrekkersrol, samen met technische universiteiten als de TU Delft en de TU München, die onderzoek doen naar zowel de regeltechniek als de toepassing in robothanden en prothesen. In de Verenigde Staten blijft MIT, waar het vakgebied ooit begon, een belangrijk centrum, naast instituten als Carnegie Mellon University.
Op de commerciële markt zijn KUKA (Duitsland), Universal Robots (Denemarken, onderdeel van het Amerikaanse Teradyne) en Franka Emika (Duitsland) de bekendste namen voor krachtgevoelige robotarmen, terwijl bedrijven als ABB (Zwitserland/Zweden) en FANUC (Japan) de techniek eveneens in hun industriële robots hebben geïntegreerd. Voor de kracht-momentsensoren zelf is het Amerikaanse ATI Industrial Automation een van de belangrijkste leveranciers wereldwijd. In de luchtvaartindustrie past onder meer Airbus (Europa) de techniek toe in productielijnen, en in de medische sector werkt Intuitive Surgical (Verenigde Staten) aan krachtterugkoppeling in chirurgische robots.