Humanoïde robots: AI is er klaar voor, de hardware in de gewrichten nog niet

Een humanoïde robot die een kopje thee aangeeft, klinkt eenvoudig. Toch schuilt daarin een van de grootste technische uitdagingen van de robotica. Terwijl AI-modellen steeds beter worden in het herkennen van objecten en het plannen van taken, blijft de fysieke uitvoering ervan een apart en hardnekkig probleem. Dat stelt Andreas Friedrich, technisch directeur bij chipmaker Allegro MicroSystems, die in oktober spreekt op de vakbeurs RoboBusiness in Santa Clara.

Het verschil met traditionele industriële robots is groot. Een robotarm op een fabrieksvloer heeft zes of zeven bewegingsassen en blijft zijn hele werkzame leven op dezelfde plek staan. Gewicht speelt nauwelijks een rol: dikke stroomkabels voeren energie aan, en de actuatoren worden aangestuurd vanuit kasten die naast de robot staan. Een humanoïde robot heeft die luxe niet. Met dertig of meer graden van vrijheid moet alle elektronica gewoon meereizen: in armen, benen, handen en vingers. Elke gram weegt mee in het energieverbruik, en elke millimeter ruimte is schaars, vooral in vingers en handen waar meerdere motoren en sensoren in een piepklein volume moeten passen.

Waarom de stroomvoorziening bepaalt hoe soepel een robot beweegt

De manier waarop stroom door een robot wordt geleid, blijkt bepalend voor hoe licht en efficiënt het geheel kan worden. Vroege robotsystemen werkten vaak met relatief lage spanning, maar de nieuwste generatie humanoïden stapt over op 48 volt gelijkstroom. De natuurkunde verklaart waarom: bij gelijk vermogen daalt de benodigde stroomsterkte met een factor vier als de spanning van 12 naar 48 volt gaat. Dat betekent dunnere, lichtere bekabeling. Omdat warmteverlies kwadratisch meeschaalt met de stroomsterkte, dalen de verliezen in de bedrading zelfs met een factor zestien. Minder gewicht aan kabels betekent minder energie nodig om te bewegen, en minder warmteontwikkeling maakt het makkelijker om elektronica in gewrichten te proppen die geen ruimte hebben voor uitgebreide koeling. Toch heeft hogere spanning ook een keerzijde: bij snel afremmen gaan motoren zich als generator gedragen en kunnen ze kortstondig spanningspieken opwekken die veel hoger liggen dan normaal. De elektronica moet daartegen bestand zijn zonder schade of verlies van controle.

Voelen, corrigeren en veilig blijven in de besturingslus

Een AI-systeem kan besluiten dat een robot een voorwerp moet oppakken, maar die opdracht levert op zichzelf nog geen bruikbare beweging op. Elk gewricht moet voortdurend bijhouden waar het zich bevindt, hoe het beweegt en hoeveel kracht het uitoefent. Positie-, stroom- en krachtgegevens voeden een gesloten regelkring die de werkelijke beweging vergelijkt met de gewenste beweging en het motorgedrag continu bijstuurt. Dat vraagt om verfijnde krachtregeling: een schouder en een vinger hebben compleet verschillende mechanische eisen, en grote motoren kunnen elektromagnetische storing veroorzaken waar gevoelige sensoren tegen bestand moeten zijn.

Naarmate humanoïden dichter bij mensen gaan werken, wordt veiligheid onderdeel van het besturingssysteem zelf in plaats van een aparte laag. Waar fabrieksrobots vaak achter hekken staan, moet een robot die in een huis of naast een fabrieksmedewerker werkt zelf voortdurend fouten en afwijkend gedrag detecteren en op tijd naar een veilige toestand schakelen. Ontwerpers kunnen daarbij leren van de auto-industrie, waar elektronische stuur- en remsystemen al decennia met vergelijkbare combinaties van vermogenselektronica, sensoren en veiligheidsdiagnostiek werken.

Ook tastzin wordt cruciaal. Huidige robots zien en herkennen objecten goed dankzij camera's en AI, maar missen vaak het directe gevoel dat mensen gebruiken om hun grip tijdens het vastpakken bij te sturen. Tactiele sensoren in vingertoppen en andere oppervlakken moeten robots vertellen wat er gebeurt zodra ze iets aanraken, zodat ze hun beweging razendsnel kunnen aanpassen. Volgens Friedrich ligt de volgende grote doorbraak in de robotica niet zozeer bij slimmere algoritmes, maar bij de vraag of de fysieke systemen die beslissingen ook efficiënt, precies en veilig kunnen uitvoeren.