Quadruped-robot: wat zijn robots op vier poten en waarom lopen ze in plaats van rijden?
Een quadruped-robot is een machine die zich, net als een hond, paard of geit, voortbeweegt op vier poten in plaats van op wielen of rupsbanden. Het woord komt van het Latijnse "quadrupes", oftewel viervoeter. Waar een klassieke robot vaak een kastje op wieltjes is, proberen ingenieurs met deze machines de manier waarop dieren lopen na te bootsen, compleet met knieën, gewrichten en een balancerend lichaam.
Het idee lijkt misschien overbodig — wielen zijn tenslotte al eeuwenlang efficiënt — maar op oneffen terrein schieten wielen tekort. Denk aan een bouwplaats vol puin, een trap in een verwoest gebouw, of de dekvloer van een olieplatform met drempels en leidingen. Een quadruped-robot kan daar overheen stappen, net zoals een hond moeiteloos over een stoeprand loopt terwijl een rolstoel daar vastloopt. Bekende voorbeelden zijn de gele robothond Spot van Boston Dynamics, die inmiddels bij honderden bedrijven wordt ingezet, en de goedkopere modellen van het Chinese Unitree, die je zelfs als hobbyist kunt aanschaffen.
Wat is het precies?
De basis van elke quadruped-robot is een romp met daaraan vier poten, elk meestal met twee tot drie gewrichten die worden aangedreven door elektromotoren met tandwielkasten. Vroege exemplaren, zoals BigDog van Boston Dynamics uit 2005, gebruikten hydraulische aandrijving — vergelijkbaar met de hefarmen van een graafmachine — maar dat maakte de robots zwaar, luid en lekgevoelig. Moderne robots zijn vrijwel allemaal elektrisch, wat ze stiller en efficiënter maakt.
Het lastigste onderdeel is niet het bouwen van de poten, maar het aansturen ervan. Een robot met vier poten heeft geen vast steunpunt zoals een tafel met vier stevige poten; hij moet voortdurend zijn evenwicht bewaren terwijl hij beweegt, iets wat "dynamische balans" heet. Daarvoor gebruikt de besturingscomputer een wiskundig model dat continu, tientallen keren per seconde, berekent waar elke poot moet landen om niet om te vallen. Deze aanpak heet model predictive control: de computer voorspelt steeds een fractie van een seconde vooruit en past de bewegingen bij.
Recentere robots combineren dit met kunstmatige intelligentie, met name reinforcement learning (versterkend leren). Daarbij oefent een virtuele versie van de robot miljoenen keren in een computersimulatie hoe hij overeind moet blijven op wisselend terrein — zand, ijs, trappen — voordat die geleerde vaardigheid op de echte robot wordt gezet. Onderzoekers van de ETH Zürich in Zwitserland lieten hiermee zien dat hun robot ANYmal ook kon overeind krabbelen na een val, zonder dat een programmeur dat gedrag met de hand had voorgeschreven.
Om te weten waar hij is en wat er om hem heen gebeurt, gebruikt een quadruped-robot een combinatie van sensoren: camera's (vaak in stereo, voor dieptezicht), soms een lidar-scanner die met laserlicht een 3D-kaart van de omgeving maakt, en een inertiële meeteenheid (IMU) die kanteling en versnelling meet — vergelijkbaar met het evenwichtsorgaan in ons binnenoor.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van quadruped-robots is toegang tot plekken die te gevaarlijk, te smal of te oneffen zijn voor mensen of wielvoertuigen. Denk aan inspecties in een fabriek met giftige dampen, een instortingsgevaarlijk gebouw na een aardbeving, of een besmette ruimte in een kerncentrale. In plaats van een mens risico te laten lopen, stuurt een operator de robot erheen, of laat hij die zelfstandig een vaste inspectieronde lopen.
Een tweede doel is kostenbesparing door herhaalbare, saaie taken te automatiseren: elke nacht dezelfde meterstanden aflezen op een industrieterrein, of met een warmtebeeldcamera controleren of een machine oververhit raakt. Zulk werk is voor mensen vervelend en foutgevoelig, maar voor een robot met vaste route en consistente metingen juist geschikt.
Daarnaast is er een puur wetenschappelijk doel: begrijpen hoe lopen op poten werkt, wat weer kennis oplevert voor bijvoorbeeld prothesen en exoskeletten voor mensen. Ten slotte spelen defensie-toepassingen mee, zoals verkenning van gevaarlijk terrein door het leger, al ligt dat gebruik gevoelig en ligt het onder een vergrootglas van critici.
Voorbeelden uit de praktijk
Spot van Boston Dynamics is sinds 2019 commercieel verkrijgbaar en wordt onder meer gebruikt door energiebedrijven om olie- en gasinstallaties te inspecteren, en door bouwbedrijven om de voortgang op bouwplaatsen in 3D vast te leggen. Boston Dynamics is sinds 2021 grotendeels in handen van het Zuid-Koreaanse Hyundai.
ANYmal van ANYbotics, een spin-off van de ETH Zürich opgericht in 2016, wordt ingezet op onbemande offshore platforms en in chemische fabrieken om lekkages, corrosie en abnormale geluiden te detecteren.
Mini Cheetah van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) is een onderzoeksrobot uit 2019 die vooral bekend werd doordat hij als een van de eerste viervoeters een salto achterwaarts kon maken — een demonstratie van hoe krachtig en snel elektrische aandrijving inmiddels kan zijn.
Go1 en Go2 van Unitree Robotics, een Chinees bedrijf opgericht in 2016 door Wang Xingxing, brachten de prijs van een quadruped-robot terug van tonnen naar enkele duizenden euro's, waardoor ook universiteiten, hobbyisten en kleinere bedrijven ermee kunnen experimenteren.
Vision 60 van Ghost Robotics wordt getest door het Amerikaanse leger voor bewaking van terreinen. De robot kwam in opspraak toen op een defensiebeurs in 2021 een versie met een opzetbaar geweer werd getoond, wat een fel ethisch debat opriep over bewapende robots.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkeling ging de afgelopen twintig jaar van log en experimenteel naar commercieel bruikbaar. BigDog uit 2005 kon nog nauwelijks zelfstandig navigeren en was zo luid dat het onbruikbaar was voor stille observatie. De huidige generatie loopt stabiel op gras, kiezels, sneeuw en trappen, en kan met minimale hulp van een mens zelfstandig een vaste route afleggen.
Toch zijn er duidelijke beperkingen. De actieradius blijft beperkt: de meeste industriële modellen houden het na één tot twee uur voor gezien op een acculading. Volledige autonomie — een robot die zelf beslist wat te doen zonder enige menselijke sturing — bestaat in de praktijk nauwelijks; meestal volgt de robot vooraf ingestelde routes of wordt hij op afstand bestuurd voor complexere taken. Ook blijft de aanschafprijs voor industriële, robuuste modellen hoog, al is die de laatste jaren wel flink gedaald.
Een ander obstakel is robuustheid in extreme omstandigheden: hevige regen, modder of gladheid kunnen nog altijd tot valpartijen leiden. Onderzoekers werken daarom hard aan betere val-herstelalgoritmes en aan langere batterijduur, twee gebieden waarop de komende jaren nog duidelijke vooruitgang wordt verwacht.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten en China zijn de twee landen waar de meeste commerciële ontwikkeling plaatsvindt. In de VS is Boston Dynamics (nu eigendom van het Zuid-Koreaanse Hyundai) de bekendste naam, samen met onderzoeksgroepen aan het MIT en Ghost Robotics, dat zich richt op defensietoepassingen. In China heeft Unitree Robotics de markt voor betaalbare quadruped-robots opengebroken, en werkt ook Xiaomi aan een eigen model (CyberDog).
In Europa is de ETH Zürich in Zwitserland een centrale speler, zowel via academisch onderzoek als via de spin-off ANYbotics. Ook diverse Europese onderzoeksinstellingen en universiteiten, onder meer in Italië (Istituto Italiano di Tecnologia, bekend van de robot HyQ), dragen bij aan fundamenteel onderzoek naar loopalgoritmes.