Beste bezoeker, Van harte welkom in het departement Werktuigkunde van de Faculteit Ingenieurswetenschappen aan de K.U.Leuven. Samen met Sirris, het collectieve onderzoekscentrum van Agoria, en het Flanders Mechatronics Technology Centre (FMTC) stellen wij onze deuren open. Wij zijn niet alleen met deze beide instellingen in hetzelfde gebouw gehuisvest, wij hebben ook heel wat samenwerking op het gebied van onderzoek en transfer van onderzoeksresultaten naar de industrie. Het departement telt 250 medewerkers en 400 studenten en is daarmee één van de grotere departementen van de universiteit. Naast het verstrekken van onderwijs wordt aan het departement ook intensief onderzoek verricht en dit op velerlei domeinen. Werktuigkunde of mechanica is weliswaar een oude wetenschap, maar toch vitaler dan ooit en erg dynamisch. Grote uitdagingen voor onze maatschappij, zoals energievoorziening, milieu, mobiliteit en gezondheidszorg, zijn in belangrijke mate ook uitdagingen voor de werktuigkundig ingenieur van vandaag en morgen. Dit zijn geen holle woorden: zoals u zal vaststellen tijdens uw rondgang door het departement hebben heel wat van onze onderzoeken onderwijsprogramma s een duidelijke link met deze grote thema s. Industriële en maatschappelijke relevantie is trouwens een zeer voornaam criterium bij de keuze en de ontwikkeling van onze onderzoeksprojecten en onderwijsprogramma s. Tijdens uw bezoek aan het departement krijgt u een overzicht van ons recent onderzoek en ons onderwijsaanbod. Om u niet te overladen met informatie hebben wij bewust gekozen om niet alles te tonen, we hebben het onderzoek gegroepeerd rond een beperkt aantal themastanden, waar telkens enkele onderzoekstopics toegelicht worden. Een volledig en gedetailleerd overzicht van onderzoek, onderwijs en dienstverlening vindt u op onze website http://www.mech.kuleuven.be. Neem uw tijd, kijk rustig rond, laat u meeslepen door het enthousiasme van onze onderzoekers en aarzel niet om vragen te stellen. Wij zullen u zeer graag en naar best vermogen te woord staan. Alvast van harte dank voor uw bezoek en interesse. Met vriendelijke groeten Namens de stafleden, de wetenschappelijke, technische en administratieve medewerkers en studenten. Prof. dr. ir. J. De Schutter Voorzitter Departement Werktuigkunde K.U.Leuven Departement Werktuigkunde Celestijnenlaan 300B, bus 2420 B-3001 Heverlee 016/32.24.80 www.mech.kuleuven.be 1
Inhoudstafel 1. Technische bedrijfskunde... 3 2. CAD/CAM, productieprocessen... 5 3. Fijnmechanica en meettechniek... 9 4. Structuurdynamica en vibro-akoestiek... 12 5. Biomechanica en biomedische engineering... 14 6. Mechatronica en robotica... 18 7. Energie, milieu en veiligheid... 22 8. Stromingsmechanica, thermisch ontwerp en verbranding... 25 9. Automobieltechnologie... 26 10. Onderwijs... 28 11. Sirris... 30 12. FMTC... 30 2
1. Technische bedrijfskunde Veel hedendaagse bedrijven, zowel lokaal als internationaal, steunen op een aantal cruciale maar complexe processen. Denk hierbij aan voorraadbeheer, logistieke planning, onderhoud, kennisbeheer, e.d. Het falen van deze onderliggende processen kost veel geld en kunnen een bedrijf zelfs in ernstige moeilijkheden brengen. Aan het Centrum voor Industrieel Beleid wordt onderzoek verricht naar technieken die ondersteuning bieden voor efficiënt bedrijfsbeheer. Deze technieken worden aangewend om inzicht te verwerven in complexe omgevingen, en ter onderbouwing van beslissingen die moeten worden genomen op zowel strategisch, tactisch als operationeel niveau. De onderbouwing van deze beslissingen wordt gegarandeerd doordat er steeds wordt vertrokken van meetbare gegevens. In deze demonstratiestand worden een aantal lopende onderzoekslijnen voorgesteld aan de hand van posters. Logistiek, operationele planning en onderhoud In de geglobaliseerde wereld worden goederen doorgaans niet op dezelfde plaats geproduceerd als dat ze worden geconsumeerd. Deze locaties liggen zelfs dikwijls aan de andere kant van de aardbol. Logistiek legt zich toe op het bestuderen en beheren van goederenstromen, vertrekkende van ruwe materialen over tussentijdse tot afgewerkte producten. Daarbij worden problemen aangepakt zoals het bepalen van de optimale vestigingsplaats voor een nieuw magazijn, het vastleggen van de voorwaarden voor een zekere dienstverlening (bvb. levering binnen 24 uren), of de keuze om een transport al dan niet over land, zee of lucht te sturen. Operationele planning omvat alle beslissingen die moeten worden genomen op het niveau van een individuele goederenstroom, zoals het vastleggen van de route die een vrachtwagen moet volgen, de bestelling van ruwe materialen en de opstelling van een productieschema voor een product (lotgrootte, volgorde van bewerkingen, etc.) Onderhoudsmanagement bestudeert de optimale strategie om de productie-installaties in goede staat te houden. Een politiek bestaat uit een mix van pannes herstellen, inspecties, preventieve interventies en gesofisticeerde monitoringstechnieken. Wat de beste politiek is hangt van de installatie zelf, de bedrijfsomgeving en eventuele logistieke overwegingen zoals de voorraad aan wisselstukken. Planning in de publieke sector Wetenschappelijke planningstechnieken zijn niet alleen van toepassing in de industriële sector. Ook de publieke sector heeft baat bij een efficiënte uitvoering van cruciale processen. Bovendien hebben beslissingen in de publieke sector vaak een economische impact. Een eerste voorbeeld van een belangrijke publieke toepassing is het plannen van vuilnisophaling. De hoeveelheid aan te bedienen straten, de verschillende soorten vuilnis, 3
gecombineerd met het beperkte aantal vuilniswagens, maakt het opstellen van een efficiënt schema bijzonder moeilijk. Routeringsalgoritmen kunnen ingezet worden om snel een goede planning te bekomen. Een tweede voorbeeld is het indelen van politiezones in districten op basis van risicofactoren, en het sturen van patrouilles binnen deze districten opdat het politieapparaat zo efficiënt mogelijk wordt ingezet. Planningsmethodes kunnen ook gebruikt worden bij het opstellen van realistische tijdsschema s voor het openbaar vervoer. Zo heeft de NMBS op dit ogenblik tijdsschema s die de ideale situatie weergeven, namelijk als alle treinen altijd op tijd zouden rijden. Door gebruik te maken van historische data, en het invoeren van variabele buffers tussen verschillende treinaankomsten kan een schema opgesteld worden dat veel nuttiger is voor de treinreiziger. Ten slotte zijn er andere toepassingsmogelijkheden in totaal andere domeinen. Zo worden de hierboven beschreven technieken gebruikt in de ontwikkeling van een elektronische toeristengids die de toerist rondleidt langs voor hem interessante bezienswaardigheden. Levenscyclus engineering en ontwerpmethodologieën Gedurende de laatste decennia is het ontwerpen van nieuwe producten geëvolueerd van een veeleer ad-hoc uitdaging naar een systematisch beheerde activiteit. Daarbij vormen methodologieën die de geschiktheid van een product gedurende zijn levenscyclus inschatten, een belangrijke input. De levenscyclus van een product omvat een aantal voor de hand liggende fasen zoals de productie, assemblage en vervoer, maar ook aan onderhoud en disassemblage wordt veel aandacht geschonken. Levenscyclus engineering tracht de belangrijkste aandachtspunten van iedere levensfase te integreren om tot een optimale productspecificatie te komen. Hierbij wordt rekening gehouden met de totale kost die een product gedurende zijn levenscyclus genereert, alsook de globale impact op het milieu. Omdat productontwerp en -ontwikkeling zeer kennisintensieve processen zijn, wordt binnen dit kader ook veel aandacht besteed aan kennisbeheer, door de ontwikkeling van IT systemen die de binnen een bedrijf aanwezige kennis in kaart brengt en aanreikt aan de productontwikkelaars. Het belangrijkste opzet van efficiënt kennisbeheer is het verminderen van de tijd die een productontwikkelaar nodig heeft om relevante kennis en informatie te vergaren, en het vermijden van herontwikkeling binnen hetzelfde bedrijf, met als doel de kosten te drukken die gepaard gaan met deze activiteiten. Verkeer en infrastructuur Door de sterke groei van individuele mobiliteit en economische activiteit worden files en vertragingen binnen transportnetwerken onvermijdelijk. Zolang ze niet te groot zijn, kunnen gebruikers van het transportnetwerk nog om met deze vertragingen. Drukke verkeersstromen 4
zijn echter zeer gevoelig voor verstoringen zoals ongevallen, slecht weer of uitzonderlijk georganiseerde evenementen zoals muziekfestivals die een extra verkeersstroom aantrekken. Een hoge variabiliteit van reistijden maakt een transportnetwerk onbetrouwbaar, waardoor verplaatsingen moeilijk te plannen zijn, en extra duur worden wegens tijdverlies. Om deze problematiek te begrijpen en tegen te gaan wordt onderzoek verricht naar verschillende aspecten zoals: o het inschatten van variabiliteit binnen een transportnetwerk en de factoren die deze beïnvloeden, o het voorspellen van de toestand van een transportnetwerk, o het beheren van verkeer op belangrijke verkeersknooppunten en kruispunten, o het analyseren van potentieel netwerkverlammende verkeerssituaties zoals ronde punten zonder voorrang. On-line besturen van productie Vandaag bestaan er systemen die de productie voorbereiden (operationele planningssystemen) en systemen die de productie opvolgen. De realiteit leert ons dat gemaakte plannen vaak onuitvoerbaar zijn omwille van storingen en onvoorziene situaties. Hierdoor is het permanent bijsturen van de productie (bv. het opvangen van een late levering van grondstoffen) noodzakelijk. Het on-line bijsturen van de productie wordt op dit moment meestal door mensen uitgevoerd. On-line productiebesturingen ondersteunen en automatiseren dit proces. On-line productiebesturingen ondersteunen het productieproces door op elk moment een upto-date overzicht te geven van de huidige toestand van de werkvloer. Geavanceerde systemen bieden eveneens een korte-termijnvoorspelling van de werkvloer aan. Daarnaast biedt de on-line productiebesturing een lijst met alternatieven aan voor elk productieorder. Deze alternatieven kunnen benut worden om eventuele storingen (bv. tijdelijke beschadiging van een machine) op te vangen. 2. CAD/CAM, productieprocessen Een reeks standen toont het onderzoek dat verricht wordt in het domein van productiemethodes voor mechanische componenten (bvb. componenten die een wagen samenstellen: motorblok, dashboard, tandwielen van versnellingsbak, enz.). De productiemachines die getoond worden zijn computergestuurd. Hierdoor zijn de machines zeer veelzijdig en kunnen ze ingezet worden voor de aanmaak van allerlei soorten vormen. Het bewerkingsprogramma wordt gegenereerd op een desktop of laptop en via een netwerkverbinding naar de machinecomputer gestuurd. Het programma dat op de desktopcomputer draait is een CAD/CAM systeem dat toelaat om een werkstuk te tekenen (CAD = Computer Aided Design) en op basis van dit model wordt het programma voor de machine aangemaakt (CAM = Computer Aided Manufacturing). 5
Rapid prototyping en rapid manufacturing Rapid Prototyping (RP) en Rapid Manufacturing (RM) zijn nieuwe productietechnieken waarbij prototypes of producten aangemaakt worden door geleidelijk materiaal toe te voegen (bij traditionele productietechnieken neemt men meestal progressief materiaal weg). Het toevoegen van materiaal gebeurt laag na laag. Het onderzoek richt zich vooral naar het Selectief Laser Sinteren (SLS) en Selectief Laser Smelten (SLM). Bij het Selectief Laser Sinteren worden voorwerpen geproduceerd door opeenvolgende lagen kunststof- of metaalpoeder te deponeren en uit te harden door de poederdeeltjes aan elkaar te sinteren. Op de tafel ziet u enkele realisaties: beeldjes van een schaakspel in nylon, een spuitgietmatrijs in staal voor het spuiten van een connectorbehuizing. Bij het Selectief Laser Smelten is het de bedoeling om stukken met hoge densiteit te produceren in velerlei materialen (staal, aluminium, titaan, ). Via deze techniek kunnen functionele componenten gemaakt worden welke toepassingen vinden in allerhande sectoren (matrijzenbouw, medische sector, ). Het onderzoek gebeurt in nauwe relatie met de spin-off bedrijven Materialise en LayerWise. Metaalcomponent met interne Heupimplantaat holtes Onderdelen aangemaakt via Selectief Laser Smelten Scaffoldstructuur Vonkerosie Vonkerosie of Electrical discharge machining (EDM) zijn productietechnieken waarbij de hitte van elektrische vonken gebruikt wordt om werkstukmateriaal weg te smelten. In tegenstelling tot het wegsnijden van materiaal (bvb. frezen of zagen) vereist het wegsmelten geen mechanische krachten en kunnen geharde stukken en harde materiaalsoorten zoals elektrisch geleidend keramiek ook bewerkt worden. Drie technieken worden gedemonstreerd: Bij draadvonkerosie gebruikt men een constant vernieuwde draadelektrode om een computergestuurde geometrie uit een blok materiaal te snijden zoals een figuurzaag een stuk uitzaagt. Door de mogelijkheid complexe bewegingen te programmeren kunnen 3D stukken vervaardigd worden zolang dit omloopslichamen (regeloppervlakken) zijn. Anders dan bij draadvonkerosie wordt bij zinkvonkerosie een massieve elektrode gebruikt die afgebeeld wordt in het te bewerken stuk. Hierdoor ontstaat een holte in het werkstuk die bijvoorbeeld kan gebruikt worden als spuitgietvorm voor het vervaardigen van kunststofonderdelen. Het vonkfrezen kan net zoals het zinkvonken caviteiten in een blok materiaal vervaardigen. Waar voor zinkvonken echter complexe elektrodes nodig zijn wordt bij vonkfrezen een standaard buisvormige elektrode gebruikt. De caviteit ontstaat door de buisvormige elektrode een voorgeprogrammeerd pad te laten uitvoeren. Het onderzoek heeft aangetoond dat keramische onderdelen snel en efficiënt via vonkfrezen kunnen bewerkt worden. 6
Het vonkfrezen vindt vandaag ook zijn toepassingen in de vervaardiging van kleine onderdelen (micro-edm). Het onderzoek hierop wordt meer in detail toegelicht in de onderzoeksstand Fijnmechanica en meettechniek. Vonkfrezen Aanmaak van keramische onderdelen door vonkerosie Persen van lichtgewichtproducten De grote HACO machine is een diepduwpers speciaal omgebouwd om composietplaten in vorm te brengen door die voor te verwarmen en in een matrijs te persen. Op basis hiervan kunnen allerhande producten (bv. spatborden voor motorfietsen, ) op een snelle en economische manier vervaardigd worden. Verspanende bewerkingen (frezen, slijpen, draaien) Het laboratorium bevat een gevarieerd gamma aan computergestuurde bewerkingsmachines voor het draaien, frezen en slijpen. Met het multi-assig bewerkingscentrum (SAUER Ultrasonic) kunnen zowel frees als slijpbewerkingen uitgevoerd worden. Het slijpen wordt al dan niet ondersteund door een ultrasone beweging van het gereedschap. Bij het ultrasoon ondersteund slijpen trilt het gereedschap op een ultrasone frequentie (15 25kHz, amplitudo: 3 25µm). Door deze ultrasone trilling kunnen op een efficiënte manier keramische onderdelen bewerkt worden. Toepassingen situeren zich in de aanmaak van keramische onderdelen voor de matrijzenbouw, automobielindustrie, medische sector (bv. implantaten) en algemene machinebouw. Met ditzelfde bewerkingscentrum kunnen dus ook freesbewerkingen uitgevoerd worden. Deze bewerkingen kunnen eveneens uitgevoerd worden op de multi-assige freesmachine (MAHO). Het onderzoek op het gebied van multi-assig frezen situeert zich vooral op de ontwikkeling van CAD/CAM functionaliteit om complexe vormen (bv. een impeller) sneller en nauwkeuriger te bewerken. Net zoals bij vonkerosie wordt het multi-assig frezen ingezet voor de vervaardiging van microonderdelen. Meer informatie vindt u ook op de onderzoeksstand Fijnmechanica en meettechniek. Met het 4-assig draaifreescentrum (Mori Seiki) kunnen complex gevormde rotatiesymmetrische werkstukken vervaardigd worden. Naast een draaibewerking kan deze machine, met zijn roterende gereedschappen, ook freesbewerkingen uitvoeren en nietaxisymmetrische details aan een draaistuk toevoegen. 7
Slijpgereedschap gemonteerd op een gereedschapshouder welk trilt op ultrasone frequentie Multi-assig frezen van een impeller Plaatbewerking Aan het departement worden verscheidene technieken bestudeerd voor plaatbewerking. Deze onderzoeksactiviteiten zijn terug te vinden op 2 locaties: Lokaal kleine werkplaats PMA Principe van Incrementeel Omvormen (Uni-dent N.V) Fabricage van Titaanplaat voor schedeldakreconstructie 8
Bij een eerste proces wordt met behulp van een 4-assige computergestuurde bewerkingsmachine op een stapsgewijze en progressieve manier dunne plaat omgevormd (= Incrementeel omvormen). Daarbij beweegt een drukstift of drukgereedschap op gelijkaardige wijze als een frees bij het frezen, maar het gereedschap heeft geen snijtanden. Op die manier kunnen op een snelle manier, zonder te moeten beschikken over een vormmal of matrijs, prototype plaatonderdelen (bv. een onderdeel van een carrosserie van een wagen) of functionele plaatstukken (bv: Titaanplaat voor schedeldakreconstructie) aangemaakt worden. Lokaal Sirris Voor de aanmaak van grotere plaatonderdelen via incrementeel omvormen kan een robot gebruikt worden, i.p.v. een freesmachine. Hiervoor werd een robotcel ontwikkeld. Om het lokaal vervormen van het plaatonderdeel te vergemakkelijken en beter te beheersen wordt de plaat lokaal verwarmd via een laserstraal. Deze straal beweegt synchroon (de achterkant van de plaat wordt bestraald) met de beweging van het drukstift-gereedschap. Met het lasersnijden kan op een contactloze manier plaatmateriaal (staal, aluminium,...) gesneden worden. Het vermogen van deze 3-assige machine is 4 kw en de maximale snelheid is 100 m/min. Het onderzoek in verband met lasersnijden omvat het bewaken (monitoring) en adaptief bijsturen van het snijden van dikke platen. Met een buigpers kunnen plaatstukken (eventueel uitgesneden met de lasersnijmachine) gebogen worden tot de gewenste vorm. Stukken tot 2,5 meter kunnen gebogen worden, waarbij de maximaal uitoefenbare kracht tot 50 ton kan bedragen. De buigpersmachine is eveneens computergestuurd en kan gebruikt worden voor het vrijbuigen en het matrijsbuigen (weliswaar enkel voor kortere stukken). 3. Fijnmechanica en meettechniek Het streven naar miniaturisatie en precisie is steeds een essentiële component van de technologische evolutie geweest. De ontwikkelingen in de horlogebouw (van torenklok tot polshorloge), in de audiovisuele apparatuur (van grammofoon tot CD-walkman) en in de computerindustrie (van mainframe tot wearable polscomputer) illustreren deze evolutie. Fijnmechanica staat voor het ontwerp en de productie van geminiaturiseerde producten. Dit vereist ook het ontwerp van uiterst nauwkeurige productiemachines en meetinstrumenten. 9
Dimensionele meettechniek waakt over de nauwkeurigheid van gemaakte producten, gaande van uiterst kleine micro-onderdelen tot heel grote voorwerpen zoals auto s, treinen en vliegtuigen. Binnen dit thema wandelt u langs volgende standen: Microsystemen voor vermogenopwekking (powermems) Deze geminiaturiseerde gasturbines ( vliegtuigmotoren ) kunnen kleine hoeveelheden elektrisch vermogen leveren bijvoorbeeld voor het voeden van een computer, onbemande vliegtuigjes, draagbare elektronica,... Ze bestaan in hoofdzaak uit een compressor, een verbrandingskamer, een turbine en een generator. Het systeem dat wij ontwikkelen, heeft een afmeting van ongeveer 1 dm 3 en moet 1000 W elektrisch vermogen leveren. Een grote uitdaging hierbij is het vereiste toerental: 500.000 toeren per minuut (100 keer zo snel als een automotor). De demonstratie toont een kleine turbine-as die snelheden haalt tot 500.000 toeren per minuut. Microvonken van geminiaturiseerde onderdelen De productie van micromechanische componenten vereist een totaal nieuwe technologische aanpak. Hier zie je hoe we materialen zeer nauwkeurig bewerken via elektrische vonken. De materiaalafname gebeurt door vonken die overspringen tussen een elektrode en het werkstuk. De vonken beeldhouwen dus het onderdeel in de juiste vorm. Niet alleen metalen maar ook sommige van de hardste keramische materialen kunnen we op die manier bewerken. Wij maken voor jou een micro-souvenir! 5-assig microfrezen van complexe micro-onderdelen Met de Kern microfreesmachine kunnen we kleine complexe onderdelen maken met nauwkeurigheden van enkele micrometer (1/1000 ste van een millimeter). Deze machine heeft 3 translatie-assen met een resolutie van 0,1 micrometer, 2 rotatie-assen met een resolutie van 1/10.000 ste graad, en een freesspil tot 40.000 toeren per minuut. Hierdoor kunnen we boortjes en freesjes gebruiken met een diameter tot 0.1 millimeter. De demonstratie toont 5-assig microfrezen van een geminiaturiseerde compressor. Ultra-nauwkeurige piëzo-aandrijvingen Nauwkeurige machines vragen zeer precieze bewegingen. Daarom worden nieuwe soorten motoren ontwikkeld op basis van piëzoelektrische kristallen. Deze kristallen genereren micrometerverplaatsingen (een mensenhaar meet typisch 70 micrometer) onder invloed van een elektrisch veld. De demonstratie toont een motor die zowel in resonante mode (zeer snel) als in stapmode (zeer nauwkeurig) kan bewegen. Luchtlagers voor nauwkeurige machines Een luchtlager lijkt op een hovercraft. De last zweeft op een luchtlaag van enkele micrometers, waardoor er geen wrijving en sleet is. Dit belet echter niet dat de draagkracht en 10
stijfheid van een luchtlager ook bijzonder hoog kunnen zijn. Eén vlak lager met diameter 30 cm tilt met gemak een kleine auto in de lucht. Precisiemachines en hogesnelheidsmachines vormen de belangrijkste toepassingsgebieden. Hier zie je hoe de afdeling PMA voortdurend betere luchtlagers ontwikkelt en nieuwe toepassingen onderzoekt. Zo laten we u een rotatietafel zien die ronddraait met een nauwkeurigheid van 50 nanometer (= 1/20.000ste van een millimeter). Chirurgische instrumenten en microhydraulica Bij minimaal invasieve chirurgie (endoscopie of sleutelgatchirurgie) worden de inwendige organen via kleine insnijdingen of openingen geopereerd. Om nauwkeuriger te kunnen opereren op moeilijk te bereiken plaatsen, ontwikkelen wij afstandsbediende microrobots. Om deze robots aan te drijven, gebruiken we zeer kleine maar krachtige hydraulische en pneumatische spieren. We demonstreren een endoscopische robotarm aangedreven door een hydraulische spier. Zie ook hoe we met een micropiston een munt wegschieten. 3D coördinatenmeetmachines en laserscannen Met een computergestuurde 3D coördinatenmeetmachine bepalen we de positie van punten op het oppervlak van een product. Zo kunnen we nauwkeurig de vorm en afmetingen van complexe producten nameten. Klassiek worden de punten op het oppervlak gemeten met nauwkeurige meettasters die het product aanraken. Tegenwoordig kunnen 3D coördinatenmeetmachines echter ook uitgerust worden met optische laserscanners. Met zulke laserscanners kunnen heel snel heel veel punten gemeten worden (tot 20.000 punten per seconde) zonder het product aan te raken. Deze technologie is uitermate geschikt voor inspectie van producten met complexe vrije vorm oppervlakken. Ook flexibele of zachte onderdelen kunnen zo nagemeten worden, zonder deze te vervormen. We demonstreren een 3D coördinatenmeetmachine met laserscanner van spin-off bedrijf Metris en tonen aan hoe deze de kwaliteitscontrole aanzienlijk kan versnellen. Mobiel meten Soms willen we producten nameten of scannen waarvoor het onmogelijk is om deze naar een meetkamer of naar een vaste meetmachine te transporteren. Denken we maar aan heel grote of heel zware voorwerpen, zoals treinen, vliegtuigonderdelen, grote gietstukken voor windturbines, enz. In deze gevallen kunnen nieuwe mobiele meettoestellen een oplossing bieden. In een gezamenlijk project onderzochten hogeschool De Nayer en K.U.Leuven afdeling PMA verschillende mobiele meettechnologieën aan de hand van praktische cases bij een aantal Vlaamse bedrijven. Spin-off bedrijf Metris is actief in dit domein en ontwikkelde verschillende technologieën voor mobiel meten. Metris demonstreert hier de nieuwste 11
generatie draagbare laserscanner in combinatie met een optisch camerameetsysteem. De gebruiker kan hiermee mobiel een product scannen en inspecteren door een laserscanner handmatig in de ruimte te bewegen, en dit zonder mechanische beperkingen. Meten van micro-onderdelen en oppervlakteprofielen Kwaliteitscontrole van micro-onderdelen met kleine afmetingen vergt aangepaste meetinstrumenten. Een computergestuurde optische meetmicroscoop met digitale CCD camera laat ons toe om micrometernauwkeurig zulke kleine onderdelen na te meten. We demonstreren ook hoe een dergelijk meettoestel kan geprogrammeerd worden om heel snel en nauwkeurig de contour van grotere voorwerpen te meten. Naast de afmetingen van een product, moet ook vaak het oppervlak aan bepaalde eisen voldoen. Dit wordt gemeten met een ruwheidsmeter of profielmeter. Een meetstift met een heel fijne diamanten punt beweegt over het oppervlak en het op en neer bewegen van deze punt wordt gemeten met een laser, met een resolutie van 10 nanometer (= 1/100.000ste van een millimeter). Door lijn na lijn een oppervlak af te tasten, kunnen niet enkel de 2D ruwheid maar ook een volledig 3D oppervlakteprofiel gemeten worden. 4. Structuurdynamica en vibro-akoestiek Trillingen in mechanische constructies zijn vaak ongewenst. Bovendien geven ze niet zelden aanleiding tot storende geluidsemissie. Voorbeelden van storende trillingen of geluid zijn legio: stuurtrillingen in je wagen, rammelende onderdelen aan je fiets, het gezoem van je PC, het lawaai van overvliegende vliegtuigen of passerende wagens en treinen, Trillingen kunnen niet enkel leiden tot het falen van constructies door vermoeiingsbreuk. Menselijke blootstelling aan trillingen en geluid kan vaak schadelijke gevolgen hebben voor de gezondheid. Anderzijds kunnen we genieten van het harmonieuze geluid van een viool, of de harde ritmische klank van een rocknummer. In de meeste gevallen echter moeten we trillingen en geluid vermijden of onderdrukken om het comfort van de gebruikers of mensen in de omgeving te verhogen of schade te vermijden. Daartoe kunnen we passieve middelen gebruiken zoals dempers of geluidsisolatie. Voor sommige toepassingen hebben deze middelen echter een onvoldoende effect. In die gevallen kunnen de trillingen en het geluid onderdrukt worden door het toepassen van zogenaamde actieve dempingsmechanismen, waarbij op een gerichte en gecontroleerde manier trillingen en/of geluid opgewekt worden. Deze zorgen dan via destructieve interferentie voor het (gedeeltelijk) opheffen van de oorspronkelijke trillings- en geluidsvelden. In deze themastand vind je volgende voorbeelden van trillings- en geluidsengineering: 12
Modale analyse In het kader van de opleiding leren studenten de technieken om trillingen en geluid op te meten en te analyseren. Het trillingsgedrag van constructies wordt bepaald door hun resonantiefrequenties en vervormingen. Kijk zelf eens naar een structurele eigenmode! Experimentele modale analyse is een testmethode om deze resonanties te bepalen, wat in deze proefstand geïllustreerd wordt met de modale analyse van een motorsteun van een F16. Virtuele modellering van trillings- en geluidsproblemen Het gebruik van computersimulaties laat toe om al in een pril ontwerpstadium inzicht te verkrijgen in het trillings- en/of akoestische gedrag van constructies. Op deze manier kunnen er bepaalde wijzigingen aangebracht worden en kan het gebruik van vaak dure en tijdsintensieve prototypetesten tot een minimum herleid worden. Deze demostand illustreert het gebruik van dergelijke numerieke simulaties voor verschillende ingenieurstoepassingen. Synthese van vliegtuiggeluid Geluidshinder afkomstig van vliegtuigen vormt de laatste jaren een steeds groter maatschappelijk probleem. Hoewel tegenwoordig een vermindering van de totale geluidsemissie dikwijls te duur of technisch onmogelijk is, kan een afname van de hinder ook gebeuren door het verbeteren van de geluidskwaliteit. De ontwikkelde synthesetechnieken voor vliegtuiggeluiden maken, via het afnemen van jurytesten, grondig onderzoek naar de meest hinderlijke aspecten uit vliegtuiggeluiden mogelijk. Een gerichte verbetering van slechts één (of een zeer beperkt aantal) vliegtuigcomponent(en), kan de kwaliteit van het geproduceerde geluid sterk doen toenemen. Ter illustratie wordt, in deze demostand, een opgenomen vliegtuiggeluid ontleed in zijn componenten, waarbij de impact van het bijzonder storende buzzsaw fenomeen op de kwaliteit van het geluid wordt aangetoond. Uitlaatgeluid Deze proefopstelling simuleert het gedrag van een klassieke benzinemotor, zonder dat de lucht wordt opgewarmd. Dit laat toe allerhande sensoren te gebruiken zonder gehinderd te worden door te hoge temperaturen. Het uitlaatgeluid wordt hier sterk gereduceerd door de onregelmatigheden in de uitlaatstroom weg te nemen. Een expansievolume en een intelligent geregelde klep zorgen hiervoor. Stromingsgeluid Eén van de bronnen van geluidoverlast is het stromingsgeluid (aero-akoestiek) dat veroorzaakt wordt door de aanwezigheid van een turbulente stroming. Voorbeelden van stromingsgeluid vinden we bijvoorbeeld terug in het landingsgeluid van vliegtuigen, het geluid in een auto door een open (dak)raam of het geluid van de kleine ventilatoren die veelvuldig geïnstalleerd worden in ijskasten en computers. Deze proefopstelling illustreert dit type van geluidsopwekking voor een vrije gasstraal en voor een vereenvoudigd model van een bagagedrager voor auto s en toont aan hoe bronnen van stromingsgeluid ontstaan en verminderd kunnen worden. 13
Repetitieve regeling van een actief gelagerde spindel Repetitieve regelaars zijn regelaars specifiek ontworpen voor het onderdrukken van periodische storingen, die typisch voorkomen in ronddraaiende systemen. Voor verschillende industriële toepassingen, zoals bijvoorbeeld in de harde schijf van een computer, zijn deze regelaars essentieel voor het behalen van de strenge trillingsspecificaties. Een nieuwe ontwerpmethodologie is ontwikkeld voor repetitieve regelaars die toelaat om op een systematische manier de verschillende ontwerpspecificaties ten opzichte van elkaar af te wegen. Deze proefopstelling illustreert de werking van een repetitieve regelaar voor het onderdrukken van de periodische onbalanskrachten op een actief gelagerde spindel. Balanceren van nokkenmechanismen Sneldraaiende nokkenmechanismen zorgen voor een sterk fluctuerende belasting op hun omgeving, wat trillingen kan veroorzaken van zowel het ondersteunende machineframe als van de fabrieksvloer en zelfs gebouwen in de onmiddellijke omgeving. Deze testopstelling demonstreert een nieuw principe om de fluctuerende belasting te verminderen door het toevoegen van tegengewichten. De proefopstelling bestaat uit een nokkenas met oscillerende nokvolger aangedreven door een asynchrone motor en is dynamisch equivalent met de ladeaandrijving van een weefmachine. Om een maximaal balanceerresultaat te bereiken is de oscillerende nokvolger verbonden met een twee-stangenmechanisme waaraan tegengewichten bevestigd zijn. bij mechatronica ). Nauwkeurige bewegingscontrole van werktuigmachines met lineaire motoren Lineaire motoren worden in toenemende mate ingezet in voedingsaandrijvingen van werktuigmachines. Naast veel voordelen vertonen deze systemen het nadeel dat stoorkrachten (snijkrachten, wrijving) rechtstreeks inwerken op de motor wat een negatieve invloed heeft op het volggedrag. Het onderzoek is gericht op het ontwikkelen van regelaars waarbij de stoorkrachten gecompenseerd worden op basis van een schatting van de krachten uit versnellingsmetingen (zie ook 5. Biomechanica en biomedische engineering In de biomechanica passen we mechanische principes toe op biologische systemen. Biologische systemen moeten hierbij heel breed opgevat worden, en gaan van het menselijk lichaam over organen en weefsels tot cellen en moleculen. Uiteraard zullen de mechanische principes en methodes die hierbij gehanteerd worden, sterk verschillen naar gelang het systeem dat bestudeerd wordt. De afdeling Biomechanica en Grafisch Ontwerpen (BMGO) laat je kennis maken met een brede waaier aan biomechanisch onderzoek van het muskulo-skeletale systeem, met toepassingen die gesitueerd zijn in de geneeskunde en de ergonomie. Je vindt er 14
verschillende demonstraties die het belang van biomechanica tonen voor onze gezondheid, ons comfort en bij ziekte. Biomechanica van bot en implantaten Bot is een fascinerend materiaal. Van baby tot volwassene maken botten een enorme groei door. Maar ook op volwassen leeftijd blijft het zich vernieuwen, om zo microscheurtjes te herstellen. Het past zich tevens aan veranderende belastingscondities aan; zo hebben tennisspelers dikkere botten in hun armen. Echter, op oudere leeftijd is deze aanpassing vaak niet meer geheel adequaat en kan dan leiden tot osteoporose, met botbreuken als uiteindelijk gevolg. Maar liefst één op twee vrouwen en één op vier mannen zullen ooit te maken krijgen met een breuk ten gevolge van osteoporose. Door de vergrijzing van de wereldbevolking zal deze ziekte een toenemend gezondheidsprobleem worden, met grote sociale en financiële gevolgen. De structuur en sterkte van botten Osteoporose wordt gekenmerkt door een afname van de botmassa, vandaar ook de veelgebruikte naam botontkalking. Niet alleen de bothoeveelheid neemt af, ook de structuur verandert. Botten bezitten een complexe interne architectuur die verschilt van persoon tot persoon. De sponsachtige structuur speelt een belangrijke rol in de mechanische kwaliteit van de botten. Om het risico op een botbreuk te kunnen bepalen moet je weten hoe sterk je botten zijn. Hiervoor maken wij gebruik van moderne beeldvormende technieken en de rekencapaciteit van supercomputers. Deze methoden worden nu in een ziekenhuis getest. Ultrasone bepaling van botkwaliteit De manier waarop een (ultrasone) geluidsgolf zich voortplant door een materiaal is in hoge mate afhankelijk van de eigenschappen van dat materiaal. Ook voor bot geldt dat. Het ligt dus voor de hand dat met behulp van geluidsgolven informatie kan worden verkregen over de microstructuur en kwaliteit van het bot. Deze testopstelling toont de meting van ultrasone geluidsgolven in het bot. Eén sensor stuurt ultrasoongolven uit terwijl een gelijkaardige sensor de golven na voortplanting doorheen het bot ontvangt. Uit dit ontvangen signaal worden de voortplantingskarakteristieken bepaald. Gewrichtsvervangende prothesen Wanneer het gewrichtskraakbeen versleten raakt, kan het bewegen pijnlijk worden. Een gewrichtsprothese (bv. een heup- of knieprothese) kan dan uitkomst bieden. Ook bij een breuk van de dijbeenhals is het vaak makkelijker en voor een snel herstel beter de heup te vervangen dan de gebroken heup te repareren. Stabiliteit van prothesen De operatie waarbij een heupprothese wordt geplaatst bij een patiënt bestaat uit een aantal stappen. Eén van deze stappen is het in het bot kloppen van de prothese, om zo een goede stabiliteit te verkrijgen. Wanneer daarbij te weinig kracht gebruikt wordt, zit de prothese niet goed vast. Wanneer echter te veel kracht gebruikt wordt, dan bestaat de kans dat het bot breekt. Wij hebben een methode ontwikkeld om tijdens de operatie door middel van trillingsanalyse te bepalen of voldoende stabiliteit bereikt is. Deze opstelling laat het principe van deze methode zien. 15
Regeneratie en engineering van bot Ons botweefsel heeft de capaciteit om zichzelf te regenereren na bijvoorbeeld een botbreuk. Soms echter gaat het mis, zoals bij zeer grote botdefecten, die van nature niet meer helen. De bestaande behandelingswijzen schieten hier vaak tekort, zodat er een grote nood is aan innovatieve oplossingen voor dergelijke klinische probleemgevallen. Vermits het reeds lang geweten is dat botherstel beïnvloed wordt door mechanische invloeden (zoals t.g.v. spierwerking) kan biomechanica hier een belangrijke rol spelen. Deze themastand laat je kennis maken met de klinische problematiek van grote botdefecten en pseudoartrose (niethelende botbreuken), alsook (uiteraard) met onderzoek naar innovatieve behandelingswijzen. Computersimulatie van botherstel: science fiction of klinische realiteit? Stel je voor: bij een patiënt met een botbreuk wordt na verloop van tijd vastgesteld dat de breuk niet heelt, en dat het nodig is om de botvorming te stimuleren. Om de optimale dosis en toedieningswijze van de botstimulerende middelen te bepalen maakt de chirurg gebruik van een computermodel. Uiteraard behoort dit scenario nog niet tot de dagelijkse klinische realiteit, maar er worden wel belangrijke stappen gezet om de voorspellende waarde van dergelijke computermodellen te verbeteren. We illustreren hier de ontwikkeling en toepassing van deze modellen. Botengineering voor het herstel van grote botdefecten Weefselengineering is een veelbelovend alternatief voor de behandeling van grote botdefecten en combineert biologische en engineering principes om op basis van de juiste combinatie van lichaamseigen cellen, signalen en draagstructuren weefsels te regenereren. Op deze stand worden zowel experimentele opstellingen als computermodellen getoond die het belang van de biomechanica voor de weefselengineering illustreren. Zo zal je kennismaken met bioreactoren waarin botweefsel gekweekt en mechanisch gestimuleerd wordt. Daarnaast zie je een demonstratie van computermodellen (CFD modellen) die in staat zijn om biofysische en biochemische stimuli te berekenen in draagstructuren. Botstimulatie in de ruimte: de zoektocht naar good vibrations Astronauten verliezen tijdens lange ruimteverblijven botmassa omdat het bot te weinig mechanisch gestimuleerd wordt tijdens gewichtsloosheid. Hoogfrequente mechanische trillingen lijken een veelbelovende manier om dit botverlies tegen te gaan. BMGO maakt deel uit van een door de ESA gefinancierd onderzoeksconsortium dat hierrond onderzoek verricht. Hier kan je de proefopstelling bewonderen die in november 2007 terugkeerde van de Foton M3 ruimtevlucht. Computer ondersteunde biomedische engineering Dankzij de vooruitgang op het gebied van medische beeldverwerking is het nu mogelijk om driedimensionale modellen op te bouwen van weefsels zoals bot, zenuwen en spieren. Een chirurg kan met behulp van computerprogramma s deze modellen gebruiken om op voorhand een operatie te plannen. Dit maakt bestaande ingrepen veiliger en sneller, en maakt nieuwe ingrepen mogelijk. De afdeling BMGO creëert geïndividualiseerde biomechanische modellen en ontwerpen, en spitst zich hierbij toe op drie deeldomeinen: patiëntspecifieke implantaten, schedeldakreconstructies en heupchirurgie. 16
Schedeldakreconstructies Chirurgen worden soms geconfronteerd met misvormingen van het schedeldak bij pasgeborenen. Een typische oorzaak daarvan is een al dan niet aangeboren afwijking van de normale schedelgroei. Medische complicaties en een negatieve psychologische impact op latere leeftijd blijven niet uit. Daarom werd een planningsomgeving ontwikkeld die toelaat om de misvormde schedel automatisch, maar patiëntspecifiek, te reconstrueren op basis van gezonde referentiedata. De simulatie van de ingreep wordt overgebracht naar de operatiezaal aan de hand van metalen sjablonen, zodat de ingreep sneller verloopt en met minder bloedverlies en risico s gepaard gaat. Geïndividualiseerde implantaten Complexe reconstructieve bekkenchirurgie vereist een goed driedimensioneel, CT-gebaseerd operatieplan. Helaas is het opstellen van een dergelijk plan met conventionele computerondersteunde technieken belastend en tijdsintensief. Daarom werd een programma ontwikkeld dat de chirurg een voorstel tot correctie van het botdefect aanbiedt. Uit dit voorstel volgt op eenvoudige wijze de vorm van een gepersonaliseerd, defectvullend implantaat, en een volledig patiëntspecifiek eindige elementenmodel. De sleutel tot het realiseren van dit concept is het samenbrengen van chirurgie, biomechanische modelvorming en beeldverwerking van zowel hard als zacht weefsel. Orthopedische heupchirurgie Aangeboren afwijkingen en slijtage door ouderdom kunnen ernstige pijn veroorzaken in het heupgewricht. Orthopedische chirurgie is dan nodig om het gewricht te herstellen: het doorsnijden en heroriënteren van botdelen (osteotomie) of de plaatsing van een heupprothese die het gewricht vervangt. Een dergelijke ingreep verandert echter de biomechanische eigenschappen van de heup en de krachtwerking errond. Ons onderzoek heeft tot doel deze effecten op voorhand in te schatten. Functionele biomechanische analyse en design Onder deze noemer groeperen we een gevarieerd aanbod aan onderzoeksprojecten die een grondige analyse maken van en oplossingen trachten aan te reiken voor biomechanicagerelateerde problemen van gezondheid, comfort en preventie. Een matras op maat Essentieel tijdens het slapen is een goede ondersteuning van de wervelkolom. BMGO, in samenwerking met haar spin-off bedrijf Custom8, ontwikkelde een aantal meet- en simulatietechnieken om een bed beter te kunnen ontwerpen, op maat van de gebruiker. Je wandelt hier langs een instelbaar meetbed dat voor iedere persoon optimaal kan ingesteld worden en waarvan de matrasindrukking gemeten wordt. Daarnaast wordt een meettechniek (op basis van gewoon licht) gedemonstreerd voor het opmeten van skeletale structuren, zoals de wervelkolom, als alternatief voor radiologische opnames. 17
Vibratietraining Vibratietraining is een alternatieve vorm van krachttraining die gebruikt wordt door sporters en in de revalidatie. Ons onderzoek (i.s.m. de faculteiten Geneeskunde, Bio-ingenieurswetenschappen en Bewegings- en revalidatiewetenschappen) gaat na wat de invloed van vibratietraining is op o.a. spierkracht en botdensiteit. Dit gebeurt aan de hand van computersimulaties en metingen op de mens. Biomechanische analyse van cervicale implantaten Bij beschadiging van de tussenwervelschijf of wervels is het vaak nodig om de tussenwervelschijf te vervangen door een discus prothese of de wervels te immobiliseren met een fixatieplaat. Een demo toont je hoe dergelijke implantaten in vitro geëvalueerd worden via een opstelling die gebruik maakt van een robot. Simulatie van de kinematica van de voetbeentjes Hier kan je een demo aanschouwen van een nieuw ontwikkelde gangsimulator die toelaat de driedimensionale beweging van de beentjes in de achtervoet te simuleren tijdens de standfase van de gangcyclus. Analyse van deze beweging is belangrijk om na te gaan wat het effect is van de werking van de verschillende spiergroepen, en om na te gaan welke spierafwijkingen aan de basis liggen van bepaalde ziektebeelden. Tegelijkertijd is het de bedoeling om een meetsysteem te ontwikkelen dat de reconstructie van de beweging van de voetbeentjes toelaat op een contactloze, en dus niet invasieve manier. Tijdens de demonstratie merk je hoe een beweging aan een prothesevoet wordt opgelegd door actuatie van verschillende pneumatische zuigers die de spierkrachten simuleren. Eveneens wordt een real-time afrolbeweging van de voet getoond. Gangsimulatie en enkel-voet-orthesen Hier kan je een demo aanschouwen van een nieuw ontwikkelde gangsimulator die toelaat de beweging van de beentjes in de achtervoet te simuleren, wat o.a. van belang is bij de studie van gangafwijkingen. Daarnaast wordt een proefstand getoond om de stijfheids- en vermoeiingseigenschappen van enkel-voet-orthesen te meten (Mobilab, K.H.Kempen), die toelaten om gangafwijkingen te compenseren. Fietsvalhelmonderzoek Ongeveer 80% van de dodelijke fietsongevallen is te wijten aan een hoofdletsel. Fietsvalhelmen kunnen al een groot deel van deze letsels voorkomen, maar er is nog ruimte voor verbetering. Op deze demostand zie je computeranalyses gemaakt van reële fietsongevallen, en eindige elementen modellen ter voorspelling van schedelbreuken en hersenletsels. Je ziet ook nieuwe schuimmaterialen die zullen gebruikt worden in een verbeterde helm en je kan een menselijke schedel ook eens langs de binnenkant bekijken. 6. Mechatronica en robotica Iteratief lerende controle voor hydraulische trillingssimulatoren Vaak moeten mechanische systemen herhaaldelijk dezelfde opdracht uitvoeren. Voorbeelden zijn industriële productiesystemen waar massaproductie herhaling met zich mee brengt. Een ander belangrijk toepassingsdomein is de vermoeiingsanalyse van bijvoorbeeld prototypes van wagens of wagenonderdelen met behulp van hydraulische trillingssimulatoren. Deze 18
simulatoren moeten de testobjecten zodanig exciteren dat kracht- en/of versnellingstrajecten, afgeleid uit signalen opgemeten tijdens een testrit, nauwkeurig nagebootst worden. Deze excitatie wordt herhaald totdat vermoeiing optreedt. Voor dergelijke toepassingen is iteratief lerende controle (ILC) een waardevol alternatief voor de klassieke regeling op basis van terugkoppeling. Iteratief lerende regelaars zijn gebaseerd op de notie dat de performantie van een systeem dat één bepaalde taak meerdere malen moet uitvoeren, kan verbeterd worden door te leren uit het systeemgedrag tijdens een vorige uitvoering van die taak. Aan de afdeling PMA worden ILC technieken ontwikkeld die een snel en monotoon leergedrag garanderen voor complexe systemen zoals hydraulische trillingssimulatoren. Ingenieurstechnieken voor betere klinische bewegingsanalyse Klinische bewegingsanalyses, waarbij een diepgaande analyse gebeurt van gewrichtsbewegingen, spierkrachten,..., zijn een belangrijk hulpmiddel bij de behandeling van orthopedische en motorische stoornissen. Bewegingsanalyses zijn eveneens nuttig voor het opstellen van revalidatie- en trainingsprogramma's, bij het ontwerp van gewrichtsprotheses en in de ergonomie. Een bewegingsanalyse heeft twee luiken. In het experimentele luik registreren we alle meetbare signalen tijdens de beweging. Het verwerkingsluik, waarin we de meetgegevens verwerken, leidt tot informatie over de gewrichtsbeweging, de belasting van de gewrichten tijdens de beweging en de individuele bijdrages van de verschillende spieren aan de beweging. De demonstratie toont zowel het experimentele luik als het verwerkingsluik met bijzondere aandacht voor onze onderzoeksbijdrages aan de verbeterde verwerking van de meetgegevens. Optimale bewegingstrajecten Voor vele mechanische toepassingen is het realiseren van snelle verplaatsingen zonder dat er trillingen optreden een erg belangrijk probleem. Denk bijvoorbeeld aan het gebruik van een kraan om goederen te verplaatsen: hoe sneller dit kan gebeuren, hoe beter. De last mag echter niet beginnen slingeren, want dit kan leiden tot gevaarlijke situaties. Recent zijn er aan de afdeling PMA twee methodes ontwikkeld om optimale bewegingen te genereren die deze trillingen vermijden. Beide methodes zijn geformuleerd als een convex optimalisatieprobleem dat rekening houdt met een lineair dynamisch model van het flexibele systeem. Dit zorgt ervoor dat optimale bewegingen op een snelle en efficiënte manier kunnen gevonden worden voor alle toepassingen waarvoor een dergelijk model bestaat. Een eerste methode genereert optimale trajecten als veeltermsplines, die gekenmerkt zijn door een zacht verloop. De tweede methode genereert een prefilter die bestaande trajecten filtert en zo mogelijke trillingscomponenten elimineert. Robots leren werken met mensen Het traditionele industriële tijdperk, waarbij robots werken in kooien, komt stilaan ten einde. Recente ontwikkelingen vereisen een grotere flexibiliteit van de robots, waarbij de veilige samenwerking met de mens in een veranderende omgeving centraal staat. Om de samenwerking tussen verschillende robots en tussen de mens en de robots te realiseren zijn de robots uitgerust met verschillende sensoren: camera's, kracht-, positie- en afstandssensoren. De sensorinformatie wordt online verwerkt om op veranderingen in de omgeving, mogelijk veroorzaakt door de mens, te reageren. De demo toont hoe twee industriële robots de aanwezigheid van mensen in hun onmiddellijke omgeving kunnen detecteren en daarop kunnen reageren, om (op termijn) op een veilige 19
manier echt te kunnen gaan samenwerken met de mens. Omdat de robot moet werken in een niet-gestructureerde omgeving is de integratie van sensoren en sensorverwerking in de realtime-sturing van de robot erg belangrijk. Bovendien vereist de combinatie van een veelheid aan gelijktijdige taken een veel hogere modulariteit en flexibiliteit van de controle- en programmatiesoftware. Deze laatste aandachtspunten zijn belangrijke componenten van het onderzoek dat achter deze demonstraties schuilt. Robot leert mee bewegen met de mens Robots beginnen stilletjesaan hun intrede te doen als onderzoeksinstrument in de zachte wetenschappen waar 3D bewegingen nodig zijn. Tezamen met de Faculteit Bewegings- en Revalidatiewetenschappen (FABER) ontwikkelen wij een testopstelling waarbij een mens een reikbeweging aan een robot aanleert: de robot voelt via een krachtsensor de beweging van de mens, en past zijn traject aan; door de beweging enige malen te herhalen voelt de mens de invloed van de robot steeds minder, omdat de robot iteratief de menselijke reikbeweging steeds beter kan benaderen. Eenmaal de robot perfect de beweging van de mens volgt gebruikt de bewegingsonderzoeker hem om onverwachte maar gekende storingen op de bewegende mens op te leggen. De verwachting is dat dit nieuwe inzichten verschaft over de neurologische controle van de menselijke beweging. Intuïtief bruikbare machines dankzij fysische mens-machine-interactie Er zijn tegenwoordig talloze aangedreven machines zoals robots, rolbruggen en heftoestellen op de markt die de mens tijdens het uitvoeren van een manuele taak kunnen bijstaan met kracht, uithoudingsvermogen of precisie. De bediening van deze toestellen gebeurt met knoppen en hendels, of met geavanceerde besturingsalgoritmen. Tijdens het gebruik van een dergelijk toestel voelt de mens echter niet welke krachten het toestel uitoefent, waardoor hij als het ware het contact met de werkelijkheid verliest. De technologie die getoond wordt in deze demo transformeert een bestaande 2-assige robot in een nieuw hulpmiddel dat voor de mens op een intuïtieve en niet-vermoeiende manier bruikbaar is tijdens het uitvoeren van een brede waaier van taken. Robotgesteunde chirurgie ZEUS: een systeem voor robotgesteunde minimaal invasieve chirurgie (MIC) Met de master-slave ZEUS-robot kun je de mogelijkheden van gerobotiseerde minimaal invasieve chirurgie ervaren. Door de master te besturen kan je de slave laten interageren met een gesimuleerde operatieomgeving. Hierdoor zul je ook ervaren dat de afwezigheid van krachtterugkoppeling in de huidige laparoscopierobots een belangrijke beperking inhoudt voor de chirurg. PHANToM: een joystick met krachtterugkoppeling De PHANToM is een joystick met krachtterugkoppeling in zes vrijheidsgraden. In deze opstelling kun je interageren met een virtuele omgeving waarbij je de interactiekrachten kunt voelen, bijvoorbeeld als je tegen een muur aanloopt. 20