Robot loopt als een spin over het water om drenkelingen te redden

Een boot die zich gedraagt als een vierpotige robot. Daar hebben onderzoekers van het Shenzhen Institute of Artificial Intelligence and Robotics for Society en The Chinese University of Hong Kong een werkend prototype van gebouwd. De QuadBoat is een onbemande oppervlakteboot met vier verstelbare poten, die niet alleen kan manoeuvreren, maar ook objecten uit het water kan tillen.

De onderzoekers beschrijven hun ontwerp in het onlangs verschenen preprint Design and Control of the “QuadBoat”: A Quadruped Surface Vehicle for Drowning Rescue. Het doel is nadrukkelijk niet alleen om een robot naar een drenkeling te laten varen. De QuadBoat moet het slachtoffer ook kunnen benaderen, uit het water tillen en naar een veilige plek brengen.

Vier poten in plaats van één romp

De QuadBoat is geïnspireerd op de manier waarop onder meer visspinnen zich over het wateroppervlak bewegen. In plaats van een conventionele romp heeft de robot een centrale body met vier uitgestrekte poten. Aan het uiteinde van iedere poot bevindt zich een kleine drijvende romp met een eigen stuwmotor.

Het resultaat is in feite een soort vierpotige trimaran of ‘quad-maran’. Door de vier drijvers onafhankelijk te positioneren, kan de robot zijn vorm aanpassen terwijl hij op het water blijft drijven.

Dat levert een belangrijk voordeel op bij reddingswerk. Een conventionele boot heeft een min of meer vaste geometrie. De QuadBoat kan zijn poten naar binnen of buiten bewegen en zijn centrale lichaam omhoog of omlaag brengen. Daarmee kan hij zich aanpassen aan obstakels en krappe doorgangen.

In de experimenten bleek dat verschil daadwerkelijk relevant. In een nagebouwde doorgang van 1,1 meter breed was de robot in zijn normale configuratie te breed. Door de vier poten 15 graden naar binnen te draaien, nam de breedte af van 1,29 naar 0,97 meter. De robot kon de doorgang vervolgens wel passeren.

Ook in verticale richting kan de robot zijn afmetingen veranderen. Bij een obstakel op 0,4 meter boven het water kon de QuadBoat zijn hoogte reduceren van ongeveer 0,45 naar 0,37 meter. Bij een laag obstakel van 0,2 meter kon het centrale lichaam juist worden opgetild van circa 0,16 naar 0,25 meter.

Elke poot heeft meerdere vrijheidsgraden

De poten zijn technisch gezien meer dan eenvoudige uitklapmechanismen. Iedere poot beschikt over meerdere actuatoren waarmee de positie van de drijver in drie dimensies kan worden aangepast. Daarnaast kan de drijver zelf worden gedraaid om de richting van de stuwkracht te veranderen.

De poten zijn opgebouwd rond twee parallellogrammechanismen. Volgens de onderzoekers zorgt deze constructie voor een relatief groot werkgebied zonder dat daarvoor een groot aantal actieve vrijheidsgraden nodig is.

De vier onderliggende thrusters zorgen voor de voortstuwing. Door de richting en grootte van de stuwkracht te combineren, kan de robot zich omnidirectioneel over het water bewegen. Er zijn daarbij twee bewegingsmodi: een volledig aangedreven configuratie voor nauwkeurige bewegingen en een eenvoudiger, onderactuated regime voor efficiëntere verplaatsing.

De totale robot weegt ongeveer 25 kilogram. De breedte kan variëren van circa 1,19 tot 1,85 meter en de hoogte van ongeveer 0,43 tot 0,64 meter. De maximale snelheid bedraagt volgens de onderzoekers 0,8 meter per seconde. De opgegeven draagcapaciteit is 20 kilogram en de accuduur bedraagt bij normaal gebruik ongeveer twee uur.

MPC en PID regelen de beweging

Voor de besturing combineren de onderzoekers inverse kinematica met PID-regelaars voor de afzonderlijke gewrichten en een model predictive controller (MPC) voor de beweging van het totale vaartuig. De MPC voorspelt daarbij hoe de boot zich de komende tijd zal gedragen en berekent op basis daarvan welke snelheden en stuwkrachten nodig zijn om de gewenste positie en oriëntatie te bereiken. Een lager gelegen PID-regelsysteem zorgt vervolgens dat de gewenste beweging daadwerkelijk wordt uitgevoerd.

Voor de berekeningen gebruikt het prototype onder meer een Raspberry Pi 4B. De afzonderlijke motorregelingen zijn verdeeld over Arduino-besturingen. Encoders leveren terugkoppeling over de posities van de gewrichten. Een camera kan worden gebruikt om een doel visueel te volgen.

De MPC-berekening kan volgens de onderzoekers binnen ongeveer 0,1 seconde worden uitgevoerd. Voor het experiment werd onder meer gebruikgemaakt van een motion-capturesysteem en van visuele feedback. In een praktijktoepassing zou die afhankelijkheid van externe positionering uiteraard moeten worden vervangen door geschikte sensoren aan boord.

Van vaarrichting naar reddingsactie

In een zwembad van 6 bij 6 meter testten de onderzoekers achtereenvolgens de beweeglijkheid, de bewegingen van de poten, trajectvolging, visuele doelvolging en het daadwerkelijk oppakken van objecten.

Bij trajectvolging kon de robot cirkel- en achtvormige banen volgen. Voor cirkelvormige trajecten lag de gemiddelde afstandsfout in drie proeven rond 12,5 tot 12,8 millimeter. Bij figuur-achtbanen liep de gemiddelde fout op tot maximaal 16,5 millimeter.

De onderzoekers benadrukken dat de tests primair gericht waren op nauwkeurigheid en niet op maximale snelheid. Tijdens deze experimenten voer de robot ongeveer 0,06 meter per seconde, terwijl de maximale snelheid van het prototype volgens de specificaties 0,8 meter per seconde bedraagt.

Nog interessanter is de visuele besturing. De robot kreeg een drijvend doel met een AprilTag in beeld. De QuadBoat moest het doel met zijn camera volgen en zijn positie en oriëntatie corrigeren. Bij deze test bedroegen de gemiddelde absolute fouten ongeveer 16,1 millimeter in de ene richting, 17,9 millimeter in de andere richting en 0,0849 radiaal in de oriëntatie. De onderzoekers rapporteerden een uitregeltijd van ongeveer 11 tot 16 seconden, wat betekent dat de robot na een positieverandering eerst tot rust moet komen voordat een betrouwbare oppak-actie kan worden uitgevoerd.

De echte test: een ‘slachtoffer’ oppakken

Uiteindelijk draait het ontwerp natuurlijk om één vraag: kan de robot daadwerkelijk iets uit het water halen? Daarvoor voerden de onderzoekers zowel binnen- als buitentests uit. Binnen werd een schuimblok gebruikt als doelobject. Buiten werd een paspop gebruikt, voorzien van AprilTags om de visuele herkenning te vereenvoudigen.

De volledige procedure bestond uit drie stappen: naar het doel bewegen, het doel oppakken en het doel naar de kant transporteren. Het varen naar en transporteren van het doel werden op afstand bestuurd; het volgen en optillen van het object gebeurden automatisch op basis van visuele feedback.

De resultaten laten zien hoe ver het prototype nog van operationele inzet verwijderd is. Bij de binnentests slaagde 70 procent van de pogingen. Buiten was dat 50 procent. Een geslaagde binnenproef duurde gemiddeld 116 seconden, tegenover 132 seconden buiten. Volgens de onderzoekers waren wind, golven en reflecties van zonlicht belangrijke oorzaken van de slechtere prestaties buiten.

Dat laatste is een belangrijk detail. Een zwembad met een duidelijk herkenningsteken is iets heel anders dan een echte drenkeling in een rivier, meer of zee. In een daadwerkelijke reddingssituatie moet een robot bovendien omgaan met bewegend water, slecht zicht, kleding en lichaamsdelen die deels onder water verdwijnen en een slachtoffer dat mogelijk zelf niet stil kan blijven liggen.

Nog geen autonome reddingsrobot

De QuadBoat laat dus vooral zien dat het technisch mogelijk is om een zeer wendbare oppervlakteboot te combineren met een mechanisme om objecten uit het water te tillen. Het onderzoek bewijst nog niet dat de robot zelfstandig een echte drenkeling kan herkennen en redden.

De volgende stap ligt voor de hand: betere object- en persoonsherkenning zonder kunstmatige markeringen, gecombineerd met robuuste navigatie in wind en golven. De onderzoekers noemen zelf bovendien een aantal belangrijke vervolgstappen. Zo moet de QuadBoat uiteindelijk een overgang van water naar land kunnen maken. Ook is snellere bewegingsregeling nodig voor echte zoek- en reddingssituaties. Tot slot moet de visuele herkenning worden verbeterd zodat het systeem daadwerkelijk drenkelingen op het wateroppervlak kan identificeren.