Een arm op afstand

Het is een spookachtig gezicht. Je beweegt je arm en strekt je hand uit, en een paar meter verder kopieert een robotarm met een minieme vertraging al je bewegingen. De opdracht is om een pluche popje op te pakken, dat bovenop een zuil te zetten en dan los te laten. Na enige tijd oefenen, volbrengen de meeste proefpersonen deze opdracht geheel intuïtief.

Schiele heeft het gebruik van zijn Exarm vergeleken met de gebruikelijke bediening van robots via joysticks. Daaruit bleek dat de taak via Exarm gemiddeld twee maal sneller ging en dat de beweging een stuk ‘gladder’ verliep.

Het lijkt erop dat Schiele iets gebouwd heeft waar de ruimtevaartwereld al bijna veertig jaar naar op zoek is: een draagbaar, universeel exoskelet dat geschikt is om een ruimterobot te besturen. Eerdere pogingen kwamen niet verder dan constructies die vastzitten aan de muur, slechts een gedeelte van de armbeweging registreerden, en dan doorgaans op maat gemaakt en dus niet uitwisselbaar. Opmerkelijk genoeg gaat het Schiele niet om het apparaat – hoe uniek ook – maar om de achterliggende ontwerprichtlijnen. Hij promoveerde er afgelopen week cum laude op bij prof.dr. Frans van der Helm, biomechatronica & biorobotica, bij de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE).

Bij alle voorafgaande pogingen probeerden onderzoekers simpelweg de menselijke arm op te sluiten in een robotmanipulator, die precies pas moest zitten en nauwkeurig uitgelijnd diende te worden met de gewrichten van de gebruiker.

Schiele durft met de traditie te breken om met de techniek het menselijk lichaam zoveel mogelijk te benaderen. Zijn eerste stelling luidt: ‘Om echt ergonomisch te zijn, moet een exoskelet echt niet antropomorf zijn’. De beweging van de schouder bijvoorbeeld wordt niet aan de schouder gemeten – de schouderkop rolt centimeters van zijn plaats tijdens grote bewegingen – maar door de verplaatsing van een (opblaasbare) band rond de biceps ten opzichte van een vast harnas. Maar liefst vijf hoeken plus een verschuiving zijn nodig om de natuurlijke beweging te beschrijven. In totaal telt het systeem zestien vrijheidsgraden (een vrijheidsgraad is een draaiing rond een as of een verschuiving langs een bepaalde richting). Het eerste prototype exoskelet dat Schiele bouwde, werd door proefpersonen niet als hinderlijk ervaren. De bewegingsruimte bedroeg ongeveer negentig procent van de vrije armbeweging.

De Exarm die Schiele bij ESA testte met verschillende astronauten had eveneens zestien vrijheidsgraden en was voorzien van gewichtscompensatie (takels die het apparaat lieten zweven), omdat het uiteindelijk voor gebruik in de ruimte ontworpen is. Overigens was het apparaat met een kleine vijf kilo relatief erg licht. Astronaut Frank de Winne was enthousiast en vond de bediening vlot en intuïtief. Zijn collega Claude Nicollier vond het vooral van belang dat er niks van te voren ingeregeld hoefde te worden. Men zoekt bij ESA naar een geschikte bediening voor de zogenaamde Eurobot. Dit is een drie-armige robot die eenvoudige reparaties aan de buitenkant van het ruimtestation moet kunnen uitvoeren om ruimtewandelingen overbodig te maken. Een combinatie van twee exoskeletten zou gecoördineerde tweehandige bewegingen mogelijk maken, terwijl de Eurobot zich met zijn derde arm aan het ruimteschip vastklemt.

Nog vóór zijn promotie is Schiele bij ESA met het volgende exoskelet bezig: de X-Arm-II. Dit type is een kilo zwaarder maar heeft ingebouwde krachtterugkoppeling waardoor een astronaut kan voelen hoeveel kracht de robot uitoefent. Een aantal van die krachten worden door slimme kabelsystemen overgebracht, de rest met elektromotoren. Zijn droom is om een systeem te bouwen dat aan alle ruimte-eisen voldoet en meegaat met ESA en/of Nasa als afstandsbediening voor ruimtebots. ESA beslist daar in november over. En deze week zit Schiele bij de Nasa in Pasadena.

@01 infoblokje:André Schiele: ‘Fundamentals of Ergonomic Exoskeleton Robots’, 14 mei 2008

Exoskelet Exarm wordt beproefd door ESA-astronaut Christer Fuglesang. Rechts: André Schiele. (Foto: ESA)

Het is een spookachtig gezicht. Je beweegt je arm en strekt je hand uit, en een paar meter verder kopieert een robotarm met een minieme vertraging al je bewegingen. De opdracht is om een pluche popje op te pakken, dat bovenop een zuil te zetten en dan los te laten. Na enige tijd oefenen, volbrengen de meeste proefpersonen deze opdracht geheel intuïtief.

Schiele heeft het gebruik van zijn Exarm vergeleken met de gebruikelijke bediening van robots via joysticks. Daaruit bleek dat de taak via Exarm gemiddeld twee maal sneller ging en dat de beweging een stuk ‘gladder’ verliep.

Het lijkt erop dat Schiele iets gebouwd heeft waar de ruimtevaartwereld al bijna veertig jaar naar op zoek is: een draagbaar, universeel exoskelet dat geschikt is om een ruimterobot te besturen. Eerdere pogingen kwamen niet verder dan constructies die vastzitten aan de muur, slechts een gedeelte van de armbeweging registreerden, en dan doorgaans op maat gemaakt en dus niet uitwisselbaar. Opmerkelijk genoeg gaat het Schiele niet om het apparaat – hoe uniek ook – maar om de achterliggende ontwerprichtlijnen. Hij promoveerde er afgelopen week cum laude op bij prof.dr. Frans van der Helm, biomechatronica & biorobotica, bij de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE).

Bij alle voorafgaande pogingen probeerden onderzoekers simpelweg de menselijke arm op te sluiten in een robotmanipulator, die precies pas moest zitten en nauwkeurig uitgelijnd diende te worden met de gewrichten van de gebruiker.

Schiele durft met de traditie te breken om met de techniek het menselijk lichaam zoveel mogelijk te benaderen. Zijn eerste stelling luidt: ‘Om echt ergonomisch te zijn, moet een exoskelet echt niet antropomorf zijn’. De beweging van de schouder bijvoorbeeld wordt niet aan de schouder gemeten – de schouderkop rolt centimeters van zijn plaats tijdens grote bewegingen – maar door de verplaatsing van een (opblaasbare) band rond de biceps ten opzichte van een vast harnas. Maar liefst vijf hoeken plus een verschuiving zijn nodig om de natuurlijke beweging te beschrijven. In totaal telt het systeem zestien vrijheidsgraden (een vrijheidsgraad is een draaiing rond een as of een verschuiving langs een bepaalde richting). Het eerste prototype exoskelet dat Schiele bouwde, werd door proefpersonen niet als hinderlijk ervaren. De bewegingsruimte bedroeg ongeveer negentig procent van de vrije armbeweging.

De Exarm die Schiele bij ESA testte met verschillende astronauten had eveneens zestien vrijheidsgraden en was voorzien van gewichtscompensatie (takels die het apparaat lieten zweven), omdat het uiteindelijk voor gebruik in de ruimte ontworpen is. Overigens was het apparaat met een kleine vijf kilo relatief erg licht. Astronaut Frank de Winne was enthousiast en vond de bediening vlot en intuïtief. Zijn collega Claude Nicollier vond het vooral van belang dat er niks van te voren ingeregeld hoefde te worden. Men zoekt bij ESA naar een geschikte bediening voor de zogenaamde Eurobot. Dit is een drie-armige robot die eenvoudige reparaties aan de buitenkant van het ruimtestation moet kunnen uitvoeren om ruimtewandelingen overbodig te maken. Een combinatie van twee exoskeletten zou gecoördineerde tweehandige bewegingen mogelijk maken, terwijl de Eurobot zich met zijn derde arm aan het ruimteschip vastklemt.

Nog vóór zijn promotie is Schiele bij ESA met het volgende exoskelet bezig: de X-Arm-II. Dit type is een kilo zwaarder maar heeft ingebouwde krachtterugkoppeling waardoor een astronaut kan voelen hoeveel kracht de robot uitoefent. Een aantal van die krachten worden door slimme kabelsystemen overgebracht, de rest met elektromotoren. Zijn droom is om een systeem te bouwen dat aan alle ruimte-eisen voldoet en meegaat met ESA en/of Nasa als afstandsbediening voor ruimtebots. ESA beslist daar in november over. En deze week zit Schiele bij de Nasa in Pasadena.

@01 infoblokje:André Schiele: ‘Fundamentals of Ergonomic Exoskeleton Robots’, 14 mei 2008

Exoskelet Exarm wordt beproefd door ESA-astronaut Christer Fuglesang. Rechts: André Schiele. (Foto: ESA)