Peesaandrijving: hoe robots leren bewegen als een mensenhand
Als je met je vinger buigt, zie je aan de binnenkant van je pols en onderarm iets bewegen: pezen die door je spieren worden aangetrokken. De spier zelf zit niet in je vinger, maar veel hoger in je arm. Een dunne, sterke pees loopt vanaf die spier, door je pols, naar het botje in je vingertop. Trekt de spier samen, dan trekt de pees mee en buigt de vinger. Dit principe – kracht opwekken op één plek en die via een kabel doorgeven aan een gewricht ergens anders – noemen ingenieurs peesaandrijving, in het Engels tendon-driven actuation.
In de robotica wordt dit principe steeds vaker nagebootst. In plaats van in elk gewricht een eigen, zware motor te bouwen, plaatsen ontwerpers de motor elders in het lichaam van de robot en verbinden ze die met een dun, sterk kabeltje – de kunstmatige "pees" – aan het gewricht dat moet bewegen. Dat levert lichtere, compactere handen, vingers en poten op die bovendien soepeler bewegen dan met stijve tandwielen. Je vindt het principe terug in onderzoekshanden, in geavanceerde prothesen en steeds vaker ook in de vingers van humanoïde robots.
Wat is het precies?
Bij peesaandrijving zit de motor (de "spier") niet in het gewricht zelf, maar op afstand daarvan, bijvoorbeeld in de pols, onderarm of romp van een robot. Een dunne kabel – vaak van staaldraad of van sterke kunststofvezels zoals Dyneema of Kevlar – loopt vanaf die motor, via kleine geleiders of katrolletjes, naar het gewricht.
Draait de motor de kabel op een trommeltje op, dan wordt er aan de pees getrokken en buigt het gewricht, net als bij een mens. Omdat een pees alleen kan trekken en niet kan duwen, is meestal een tweede pees nodig die de tegenovergestelde beweging maakt: een zogeheten antagonistisch paar, vergelijkbaar met de buig- en strekspieren in je eigen arm. Soms wordt in plaats daarvan een simpele veer gebruikt die het gewricht automatisch terugtrekt zodra de motor loslaat.
Een belangrijk voordeel is dat je met minder motoren dan gewrichten toe kunt: één motor kan via slim gerouteerde pezen meerdere vingerkootjes tegelijk laten buigen, in een volgorde die lijkt op hoe een mens grijpt. Dit heet onderactuatie. Het maakt het systeem lichter en eenvoudiger, maar wel lastiger nauwkeurig aan te sturen, omdat de besturing niet elk gewricht apart kan controleren.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is gewicht en traagheid verminderen op de plek waar dat het meest telt: aan het uiteinde van een arm, been of vinger. Een zware motor in een vingerkootje maakt de hele hand log en traag; dezelfde motor verplaatst naar de pols, met alleen een lichte pees naar de vinger, levert een sneller en gevoeliger bewegend uiteinde op.
Daarnaast maakt peesaandrijving compacte gewrichten met meerdere bewegingsvrijheidsgraden mogelijk. Een vingerkootje is simpelweg te klein om er een motor met tandwielkast in te bouwen; een pees die er dwars doorheen loopt, past wel.
Er is ook een zachtere, veiligere beweging: pezen en kabels hebben van nature enige souplesse en elasticiteit, wat schokken opvangt en het contact met mensen of breekbare voorwerpen minder hard maakt dan bij stijve, direct aangedreven gewrichten. Voor prothesen is dit extra belangrijk, omdat de constructie qua gewicht en beweging zo dicht mogelijk bij de natuurlijke ledemaat moet komen.
Tot slot spelen kosten en eenvoud mee: minder motoren betekent minder elektronica, minder gewicht aan batterijvermogen en vaak een lagere prijs. Dat is vooral voor prothesen relevant, omdat die door patiënten zelf gedragen en soms zelf bekostigd worden.
Voorbeelden uit de praktijk
De Shadow Dexterous Hand van het Britse Shadow Robot Company, in ontwikkeling sinds begin jaren 2000, is misschien wel het bekendste voorbeeld. Deze robothand met 24 gewrichten wordt aangedreven door pezen die vanuit de onderarm naar elke vingerkoot lopen. OpenAI gebruikte deze hand in 2019 in het spraakmakende Dactyl-project, waarbij een computer met zelflerende algoritmes (reinforcement learning) leerde om met één hand een Rubiks kubus te draaien.
Aan Yale University ontwikkelde de onderzoeksgroep van hoogleraar Aaron Dollar de ACT Hand (Anatomically Correct Testbed Hand), een robothand die de pezen, botten en gewrichten van een menselijke hand zo precies mogelijk nabootst. Deze hand is geen eindproduct, maar een onderzoeksinstrument om te begrijpen hoe de menselijke hand werkt en welke pezen welke bewegingen aansturen.
In de prothesewereld is de Hero Arm van het Britse bedrijf Open Bionics een voorbeeld dat sinds 2018 daadwerkelijk bij patiënten wordt gebruikt. Deze betaalbare, 3D-geprinte myo-elektrische armprothese gebruikt peesachtige kabels om de vingers te buigen, aangestuurd door spiersignalen uit de resterende arm van de drager.
Ook de Hannes-hand, ontwikkeld door het Italiaanse Scuola Superiore Sant'Anna in samenwerking met arbeidsongeschiktheidsverzekeraar INAIL en sinds enkele jaren klinisch beschikbaar, gebruikt een ondergeactueerd peessysteem: één motor stuurt via kabels een gripbeweging aan die zich aanpast aan de vorm van het voorwerp dat wordt vastgepakt.
Bij het Duitse ruimtevaartcentrum DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) is met de DLR Hand II en later het zogeheten Hand-Arm System (ook wel Awiwi Hand genoemd) jarenlang onderzoek gedaan naar peesaangedreven grijpers voor ruimtevaart en industriële robotica, waarbij motoren buiten de hand zelf zitten en via lange pezen kracht doorgeven.
Hoe ver is de techniek?
Peesaandrijving is geen nieuwe uitvinding meer: onderzoekshanden als de Shadow Hand bestaan al ruim twintig jaar, en er zijn al langer prothesen op de markt die op dit principe draaien. In die zin is de techniek volwassen en bewezen.
Toch blijven er reële technische knelpunten. Kabels van kunststofvezel kunnen na verloop van tijd iets uitrekken, waardoor de besturing minder precies wordt en er onderhoud nodig is. Wrijving in de geleiders kost energie en maakt de kracht die uiteindelijk bij het gewricht aankomt lastig te voorspellen. Bij lange pezen – bijvoorbeeld van een motor in de romp naar een teen – neemt deze onzekerheid toe. Ook is het meten van de exacte spanning op een pees, vergelijkbaar met de gevoelszin die mensen in hun spieren hebben, technisch lastig, terwijl die informatie juist nodig is voor een fijne, gevoelige besturing.
De laatste jaren wordt vooral gewerkt aan betere kabelmaterialen, aan sensoren die spanning en positie beter kunnen meten, en aan slimmere regelalgoritmes – waaronder machinaal leren, zoals bij het genoemde Dactyl-project – om met de onvoorspelbaarheid van pezen om te gaan. Ook bij de huidige golf van humanoïde robots wordt voor de handen deels teruggegrepen op peesaandrijving, al zijn die systemen nog volop in ontwikkeling en is er publiekelijk nog weinig gedetailleerde, onafhankelijk geverifieerde informatie over beschikbaar. Harde uitspraken over de prestaties van dat soort recente commerciële toepassingen zijn daarom nu nog niet goed te doen.
Wie werken eraan?
Shadow Robot Company (Verenigd Koninkrijk) blijft een centrale speler in onderzoekshanden met peesaandrijving. Het Duitse DLR onderzoekt het principe al decennia voor ruimtevaart- en industriële toepassingen. Aan Amerikaanse universiteiten, met name Yale University, wordt fundamenteel onderzoek gedaan naar de mechanica van pezen en grijpen.
In de prothesemarkt zijn Open Bionics (Verenigd Koninkrijk) en het Italiaanse Scuola Superiore Sant'Anna, samen met INAIL, voorbeelden van partijen die peesaangedreven prothesehanden daadwerkelijk bij patiënten brengen. Ook Ottobock, een van de grootste prothesefabrikanten wereldwijd en gevestigd in Duitsland, past kabelaandrijving toe in delen van zijn producten.
Daarnaast experimenteert een nieuwe generatie bedrijven die humanoïde robots bouwen met peesaangedreven vingers, al is hierover, zoals gezegd, nog relatief weinig onafhankelijk gepubliceerd technisch onderzoek beschikbaar.