Asymmetrische of publieke-sleutelcryptografie kan een zware wissel trekken op de processor, zowel op het vlak van berekeningen als qua geheugenverkeer. Barco Silex legt uit hoe zijn...
Het waren pijnlijke jaren, maar het gaat weer de goede kant op met zijn bedrijf, vertelt CTO René Penning de Vries van NXP. Een gesprek...
Beveiliging is een onderwerp van extremen. Dat is precies wat het spannend maakt. Versleutelen is een kant van beveiliging die het meest tot de verbeelding spreekt. Ik herinner me het geheimschrift...
11 juni 2008
Toegegeven, rechtop staan lukt nog niet. Laat staan voetballen. Armen missen nog, de kop is slechts een schedel. Toch hebben de bouwers van de Nederlandse tweebenige voetbalrobots er alle vertrouwen in dat ze deze zomer in China hun debuutwedstrijd kunnen spelen op de wereldkampioenschappen. Tomas de Boer van de TU Delft presenteerde na anderhalf jaar ontwerpen en bouwen de Tulip-robot op de vierdaagse Dynamic Walking-conferentie in Delft.
Het Dutch Robotics-team is een initiatief van de drie technische universiteiten. Ook Philips Applied Technologies doet mee – de ‘Tu’ in de naam komt van de drie TU’s, ‘lip’ van Philips. Tot nu toe komt het leeuwendeel van het werk uit Delft en Twente. De deelnemers hebben de robots in Zuid-Holland geassembleerd. Deze twee universiteiten hebben allebei veel ervaring met lopende robots. Eindhoven is grotendeels verantwoordelijk voor de embedded software. Tot nog toe richtte de Brabanders hun aandacht echter vooral op het eigen robotvoetbaltem Tech United. En met succes, in april wist dat het officieuze Europese kampioenschap in de wacht te slepen. De Eindhovenaren brengen dus een berg ervaring in robotvoetbal in.
Het was de vierde editie van Dynamic Walking, een conferentie gewijd aan loopbewegingen. Zowel robotbouwers als bewegingsonderzoekers die met mensen werken, waren goed vertegenwoordigd.
De twee Tulip-robots zijn de eerste Nederlandse creaties die meespelen in de humanoid league, misschien wel de meest ambitieuze klasse binnen het robotvoetbal. Waar anderen karretjes gebruiken of het standaard Aibo-platform, moeten de humanoids zich op twee benen voortbewegen om de bal in het doel te krijgen.
De nationaliteit van de Tulips is echter niet de enige primeur. Belangrijker nog is dat ze het principe van dynamische stabiliteit gebruiken om te lopen. De robots die tot nog toe met het leer aan de haal probeerden te gaan, zijn gedurende de hele beweging stabiel. Worden ze halverwege een stap stilgezet, dan blijven ze gewoon staan. Dit staat bekend als de zero moment point-methode (ZMP).
De Tulips zijn 1,2 meter hoog en de eerste voetbalrobots die de menselijke methoden van lopen moeten benaderen. Deze zomer spelen ze in China hun debuutwedstrijd op de wereldkampioenschappen.
Lopende mensen daarentegen zijn een gedeelte van de beweging instabiel. Als ze tijdens een stap zouden worden stilgezet, zouden ze omvallen. Sterker nog, de valbeweging is een essentieel onderdeel van de beweging. Het menselijk lichaam werkt meer als een soort slingerende pendule. Dit is een stuk energiezuiniger dan ZMP. Jason Cortell van de Cornell-universiteit deed op de conferentie bijvoorbeeld verslag van de Cornell Ranger, een robot die dynamische instabiliteit gebruikt. De Ranger vestigde in april een wereldrecord door in de sporthal dik negen kilometer te wandelen op een enkele batterijlading en zonder menselijk ingrijpen. Het gemiddelde verbruik lag daarbij op 25 watt, waarvan een vijfde naar de elektronica ging. De hele exercitie duurde 5 uur en 12 minuten - gruwelijk lang als je er al die tijd achteraan moet blijven lopen, aldus Cortell.
Dynamisch lopen kan ook sneller dan ZMP en oogt natuurlijk. Vooralsnog zitten er nog wel wat haken en ogen aan om dit in robots te implementeren. Alleen op een nagenoeg vlakke vloer gaat het goed. Een enkel hobbeltje kan de robot al uit balans brengen. En het zijdelings stabiliseren van de beweging vergt nog wat jaartjes onderzoek. De Cornell Ranger is wat de onderzoekers beschrijven als een tweedimensionale robot: vier naast elkaar geplaatste benen waarbij steeds de binnenste of de buitenste twee gelijktijdig een stap zetten. Daardoor kan de robot niet opzij vallen.
Bij ZMP speelt dat probleem niet. De bots gebaseerd op dit principe zijn vaak een stuk stabieler en daardoor veelzijdiger. Voor bochtenwerk, achteruitlopen of tegen een voetbal schoppen draaien ze hun hand niet om. Davide Faconti van Pal Robotics liet bijvoorbeeld indrukwekkende resultaten zien van de ZMP-gebaseerde Reem-B-robot. Faconti wist de benodigde berekeningen te vereenvoudigen, waardoor Reem-B met een enkel controlealgoritme elke willekeurige route kan lopen: rechtdoor, in bochtjes, de trap op, zelfs het in volle vaart omgooien van de looprichting is geen probleem. Reem-B haalt 1,5 km per uur en doet dat nog best zuinig ook, met een verbruik van 48 watt.
Het ZMP-kamp reageerde dan ook sceptisch op de presentatie van de Tulips. ‘Is het wel zo belangrijk om energie te besparen bij robotvoetbal?’, klonk het uit de zaal. De rondes duren immers slechts een kwartier, daarna krijgen ze een verse set batterijen. En bovendien, tijdens een robotvoetbalwedstrijd hoeft de machine steeds maar een paar stappen te doen voor hij weer met de bal aan de slag moet. En daar heb je toch weer ZMP voor nodig - dynamisch de bal schoppen zit er voorlopig nog niet in. Is het dus wel nuttig om dynamische instabiliteit te gebruiken, en is het niet verschrikkelijk lastig om over te gaan naar ZMP?
Het streven van robosoccer is echter om in 2050 op gelijk niveau te staan met de regerend wereldkampioen van vlees en bloed. Dat betekent grotere velden waar veel meer moet worden gelopen en veel langere speelduren, waarbij energiebesparing welkom is. Bovendien is het robotvoetbal slechts een kapstok voor wetenschappelijk onderzoek. Behalve tot toepassingen in robotica leidt al dat academische freewheelen bijvoorbeeld ook tot mogelijkheden voor revalidatie en prothesen. Ernesto Martinez-Villalpando van het MIT toonde bijvoorbeeld een prototype van een kunstmatig onderbeen. Eentje die meebeweegt met de drager volgens het principe van dynamisch lopen. Dat geeft een beter resultaat dan een statische prothese. Bovendien is het apparaat relatief zuinig in vergelijking met de meebewegende prothesen op de markt: de batterij kan bij normaal gebruik de hele dag meegaan.
De missie van de Tulips is ook niet beperkt tot het balspel. Ze vormen ook het platform waarop De Boer zijn promotieonderzoek naar menselijke loopbewegingen uitvoert. Afgelopen maand onthulde de Delftse universiteit de Flame-robot, die dynamisch instabiel kan wandelen op twee benen en zelfs kleine afstapjes van een halve centimeter kan nemen. Een kunstmatig evenwichtsorgaan, gebaseerd op de sensoren van het Twentse XSens, biedt de nodige informatie om de voet strategisch opzij te zetten zodat de robot niet omvalt. De Boer gaat dit onderzoek verder uitbouwen.
De Tulips beschikken met hun lengte van 1,2 meter over in totaal veertien vrijheidsgraden. Meer denken de robotbouwers niet nodig te hebben. Per been gebruiken de Tulips vier 60 watt DC-motoren, twee in de heup en twee op het bovenbeen. De motoren in het bovenbeen sturen de knie en de enkel aan via Bowden-kabels, een soort remkabels van fietsen. De motoren in de heup duwen het been naar voren of naar achteren, respectievelijk opzij. Door de motoren niet op het onderbeen te plaatsen, blijven die licht en blijft de traagheid laag. Daarmee gaan de robots als het goed is een halve meter per seconde lopen. Mochten ze komen te vallen, dan zullen ze de armen nodig hebben om zich weer op te richten.
In totaal verstoken de Tulips gemiddeld zo’n 25 watt voor de motoren en de elektronica samen. Het brein van de robots, een 1 GHz PC/104-bordje van Via met 256 Mbyte Ram draaiend op Linux/Xenomai, zit weggewerkt in de borst. Het gedrag op hoog niveau is geďmplementeerd in Roboframe, een raamwerk ontwikkeld aan de universiteit van Darmstadt. Het Dutch Robotics-team kijkt ook naar Orocos.
Wat de Tulips op het moment nog missen, is gezichtsvermogen. Ook hiervoor wil het Dutch Robotics-team uiteindelijk een gewaagd principe gebruiken, namelijk stereovisie. Twee kleine cameraatjes in de kop moeten de beelden leveren die een computerplatform vervolgens combineert tot een driedimensionaal model van de omgeving. Daar is nog wel een hoop sleutelwerk voor nodig. Een normale processor is niet krachtig genoeg om dat realtime te doen, schat het team. Daarvoor is gespecialiseerde hardware nodig.
De robots zijn opgetrokken uit aluminium. De ontwerpers keken ook naar koolstof als materiaal, maar dat bleek geen extra gewicht te besparen. De constructie was al zo licht – door de dynamische instabiliteit hoeven ze niet zo robuust te zijn - dat de laterale verstevigingen nodig bij gebruik van koolstof de gewichtsbesparing teniet zouden doen.
Op dit moment hebben de bouwers bijna twee robots af. Daarmee zullen ze aantreden in China. Uiteindelijk moet het Dutch Robotics-team echter uit vier robots gaan bestaan.
En gaan de robots ook rennen? Dat is in principe niet veel anders dan wandelen, claimen de makers. Maar je komt steeds los van de grond en krijgt daarmee grotere klappen te verwerken. Daar zijn de Tulips niet op gebouwd.
Lopen zoals mensen dat doen, benadert een slingerbeweging. Met dat principe in het achterhoofd toonde Tad McGeer van de Canadese Simon Fraser University eind jaren tachtig aan dat je ‘robots’ kunt bouwen die zonder actuatie van een hellinkje aflopen. Op het moment dat het apparaat steunend op het dragende been naar voren valt, slingert het andere been naar voren. Vervolgens dient dat als dragende been voor de volgende cyclus. Parameters als beenlengte en massa moeten uiteraard wel goed op elkaar worden afgesteld. Op de Dynamic Walking-conferentie mochten de deelnemers zelf proberen een passief wandelend robotje af te stellen. Met wisselend succes.
© Bits & Chips | Deze pagina op internet: http://www.bits-chips.nl/nieuws/bekijk/artikel/tus-laten-voetbalrobots-eigen-weg-bewandelen.html
