Van het voetbalveld naar het ziekenhuis

In juli pakte Tech United twee titels op de Robocup in Thailand. Zowel de Eindhovense voetbalrobots als de zorgrobot werden wereldkampioen. In de schaduw van dat succes werken Eindhovense studenten en onderzoekers hard aan robotapplicaties waarmee ze reële problemen proberen op te lossen. De Cura is zo’n robot, bedoeld voor de logistiek in ziekenhuizen. Zoals alle robots van Tech United leunt ook dit systeem op Beckhoff-technologie.

Alexander Pil

Het begint bijna gewoonte te worden. Ook dit jaar in Thailand pakten de autonome voetbalrobots van Tech United de wereldtitel. Hoewel in de voorronde nog van een ander Nederlands team, Falcons, werd verloren, was er in de finale geen twijfel wie van de twee het sterkste was: het werd 15-0 voor Tech United.

Voetbalrobots vormen een aansprekend platform, maar het doel om tegen 2050 te kunnen winnen van de beste menselijke voetballers heeft weinig maatschappelijke waarde. Het is daarom mooi dat Tech United de kennis en ervaring die het opdoet op het voetbalveld ook toepast in andere robotapplicaties. Zijn eigen zorgrobot is daar het bekendste voorbeeld van.

Niet geheel toevallig legde ook dat systeem beslag op goud in Bangkok. ‘Natuurlijk willen we winnen; dat staat op de eerste plaats’, zegt César López, jarenlang onderdeel van Tech United, en als parttime assistant professor nog altijd nauw betrokken bij de robotontwikkelingen op de TU Eindhoven. ‘Maar we proberen de dingen altijd op een generieke wijze op te lossen. De technologie die we bedenken voor de robotvoetballers moet ook bruikbaar zijn in andere toepassingen.’ Een voorbeeld is het wereldmodel dat de spelers gebruiken. ‘Het hoeft niet per se een exacte kopie te zijn, maar zo’n concept kunnen we ook inzetten in de zorgrobot.’

Ropod

De robots van Tech United zijn bij lange na niet de enige robotplatforms waar de TUE aan sleutelt. Van 2017 tot 2019 was de universiteit onderdeel van het Europese Ropod-project. Het doel was om een autonomous mobile robot (amr) te ontwikkelen die geschikt is voor logistieke operaties in ziekenhuizen. Binnen ziekenhuizen en zorginstellingen is er immers een steeds nijpender personeelstekort. Niet alleen onder verpleegkundigen en verzorgers maar ook in de logistiek. Het verplaatsen van bedden, karren en zware diagnosemachines is lichamelijk behoorlijk belastend voor medewerkers. Ropod heeft een eerste stap gezet om technologie te ontwikkelen om dat soort werkzaamheden te verlichten of zelfs helemaal te automatiseren.

‘Bestaande agv’s hebben een aantal eigenschappen waardoor ze niet aan de eisen voldoen’, weet López. Om te beginnen, zijn ze behoorlijk duur; een prijs van boven de dertigduizend euro per agv is niet uitzonderlijk. ‘Dat is te hoog voor ziekenhuizen, helemaal als je bedenkt hoeveel systemen ze nodig gaan hebben. Dat maakt de businesscase ingewikkeld want het is bovendien niet direct inzichtelijk hoeveel die agv’s gaan opleveren.’

Een bijkomend probleem is dat agv’s typisch in een gecontroleerde omgeving rondrijden. Ze hebben een statische kaart in hun geheugen en kunnen daarop hun routes plannen. De mensen die ze in bijvoorbeeld een magazijn tegenkomen, zijn getraind; die weten wat ze moeten doen als ze in de buurt van een robot komen.

‘In een ziekenhuis zijn er veel variaties: de robots komen steeds andere obstakels tegen want de plattegrond verandert vrijwel continu’, aldus López. ‘En er zijn veel meer interacties met mensen die het bovendien totaal niet gewend zijn om met een robot om te gaan. Dat stelt heel andere eisen aan de intelligentie van die systemen.’

Betere wielen

Nadat het Ropod-project was afgerond, zijn Eindhovense onderzoekers verdergegaan met de ontwikkeling van zo’n flexibele, logistieke robot. Inmiddels staat er een systeem, de Cura, dat niet alleen esthetisch is verbeterd. Ook in de hardware en software zijn grote stappen gezet.

‘De oude voetbal- en zorgrobots werkten oorspronkelijk met omnidirectionele wielen’, vertelt López. Zulke wielen bestaan uit kleine rollertjes zodat ze niet tegenwerken als de beweging niet in lijn is met de oriëntatie van de wielen. ‘Dat werkt prima, maar het heeft ook een paar tekortkomingen. Omdat ze gefixeerd zijn, kunnen ze niet in alle richtingen kracht leveren. Daardoor zijn ze niet superefficiënt. En bij hoge snelheden kantelt de robot iets waardoor hij zijn grip verliest.’

Speciaal Machinefabriek Ketels ontwierp een wielconfiguratie waarbij motoren in de wielen zijn geïntegreerd. ‘Dat betekent dat je geen versnellingskast nodig hebt, wat ervoor zorgt dat je de robot altijd achteruit kunt duwen, ook als de stroom is weggevallen’, legt López uit.

Een tweede voordeel is dat de ophanging is aangedreven en kan worden geroteerd. De wielen kunnen dus in de richting van de beweging worden gezet en daarmee altijd volle kracht leveren. De overstap van drie vaste naar vier keer twee roteerbare wielen heeft ook meer vrijheid gebracht. ‘We hebben het systeem gemodelleerd zodat we op basis van de snelheid en de massaverdeling precies weten welk koppel we alle wielen moeten geven’, zegt López. Het is een van de features die Tech United wereldkampioen heeft gemaakt.

Toch kon en moest het nog beter. Een probleem was namelijk dat de rotatie van de wielen om de verticale as precies rond het middelpunt van de wielen was. Dat klinkt logisch, maar het zorgt ervoor dat ze niet uit zichzelf draaien als je een stilgevallen robot in een willekeurige richting wilt wegduwen. Hij rijdt alleen naar voren en naar achteren, niet meer opzij. Op het voetbalveld is dat geen issue maar in een ziekenhuis wel.

‘De Cura heeft weer nieuwe wielen’, laat López zien. ‘Er is een kleine offset van de verticale as. Vergelijk het met de achterste wielen van een winkelwagentje, alleen iets minder extreem. Een kleine offset is al genoeg om de robot altijd te kunnen wegduwen in de richting die je wilt. ‘Bij noodgevallen in een ziekenhuis zijn al die aanpassingen cruciaal. Een stilgevallen robot mag in geen geval een deur of nooduitgang blokkeren.’

Beckhoff

Qua besturing hebben de ontwikkelaars van de Cura goed naar Tech United en Ropod gekregen. ‘We werken al heel lang met Beckhoff-technologie’, vertelt López. ‘Dat begon in de eerste voetbalrobots met Beckhoff-i/o om de sensoren uit te lezen en motoren aan te sturen. Dat vormde het zenuwstelsel van de robots.’ De nieuwere generaties hebben ook een C692-ipc van Beckhoff en gebruiken Ethercat als communicatieprotocol. ‘Dat maakt het makkelijk om bijvoorbeeld met de wieleenheden te praten, wat zeer complexe systemen zijn die allerlei sensoren en encoders bevatten.’

Stijn de Bruin, salesengineer bij Beckhoff, vult aan: ‘Tech United werkt met verschillende protocollen op zijn robots. Vanwege de openheid en snelheid van Ethercat is dit het ideale protocol voor de toepassing.’

In de Cura zitten opnieuw veel Beckhoff-componenten, vrijwel identiek aan de voetbalrobots. ‘De technologie is heel veelzijdig’, heeft López ervaren. ‘En ze is efficiënt; ze gebruikt alleen het toegewezen geheugen. We laten de communicatie draaien op een frequentie van 1 kHz, wat voor de wielen perfect werkt. Voor onze toepassing heeft het zich bewezen.’

Voorspellende robot

Zoals gezegd, is de ongecontroleerde ziekenhuisomgeving een flinke uitdaging voor een standaard agv. Een simpele plattegrond is niet voldoende. ‘Voor de Cura hebben we het wereldmodel uitgebreid met semantiek’, zegt López. ‘Zo weet hij niet alleen of er al dan niet een obstakel staat, maar de robot kan er betekenis aan toekennen. Het is een deur, of een muur, of een mens. Zo begrijpt hij zijn wereldmodel beter en kan hij erop inspelen.’

‘Sterker nog, de Cura kan een situatie voorspellen’, gaat López verder. ‘Als de robot weet dat hij een kruising nadert waar hij mogelijk moet stoppen, is hij slim genoeg om te weten dat hij dat beter niet voor een deur kan doen. En misschien komt hij een onbekend obstakel tegen. Hij kan er dan voor kiezen om eromheen te rijden, te wachten tot het obstakel weggaat of zich te melden bij de centrale. Hoe dan ook, het systeem zal veel robuuster zijn.’

Hoewel López en zijn collega’s contact hebben met veel ziekenhuizen, is het nog niet van een praktijktest gekomen. ‘We hebben dat wel gedaan als onderdeel van het Ropod-project’, vertelt López. ‘Toen zagen we heel snel hoeveel er nog moest worden gedaan om zo’n robot op het niveau te brengen dat hij in een echte omgeving kan functioneren. Met alle verbeteringen in de Cura zijn we een stap dichterbij gekomen.’

Dit artikel is tot stand gekomen in nauwe samenwerking met Beckhoff.