L18 ons lichaam door een regeltechnische bril david abbink

PowerPoint Presentation

Ons lichaam door een regeltechnische bril

Dames en heren, ik ga u vertellen over mensen en de werktuigen die we maken. Onze evolutie is nauw verbonden met onze werktuigen, waarmee we onze wereld hebben vormgegeven. - Vroegahh hadden we onze werktuigen letterlijk in de hand, - nu maken we complexe machines zoals vliegtuigen, schepen en autos. - En sinds kort maken we ook robots. Wie heeft er wel eens eentje ontmoet? Voor robots voelen we fascinatie en angst: wat brengt de toekomst?

David AbbinkDr. ir. David Abbink Universitair Hoofddocent Werktuigbouwkunde (3mE)Technische Universiteit Delft

Delft Haptics Lab visiting prof.: 1 (Erwin Boer)postdoc: 1 (Tricia Gibo) (+1)PhDs:5 PhDs (+2)MSc students: 10 / year

Financiering voor mijn onderzoek:Nissan (2002 present), Boeing (2007 2011), STW VENI (2010), VIDI (2015), STW Perspective H-Haptics (2011)

TU Delft

www.DelftHapticsLab.nl

Wie ben ik?

Werktuigbouwkunde?


Mensen en de werktuigen die we maken


Ray Kurzweil & de wet van Moore

Nou dat kan Kurzweil je vertellen. Kijk, de rekenkracht neemt al decennia lang exponentieel toe. U heeft een telefoon met de rekenkracht waar vroeger een kamervullende computer voor nodig was. Nou, volgens de wet van Moore verdubbelt de rekenkracht elke anderhalf jaar. Dus nu kunnen we de rekenkracht van een muizenbrein maken, en in een paar jaar die van de mens, en over een jaar of twintig die van alle mensen op aarde. Computers gaan dus steeds meer kunnen, meer dan een mens binnenkort!5

Artificial Intelligence verslaat ons al!

Binnenkort? Zie hier een foto uit 1997, van een treurig kijkende Kasparov die hier door de computer Deep Blue in de pan gehakt wordt. Schaken, daar moet je heel slim voor zijn! En dat ouwe kreng versloeg de grootmeester al! Kan je nagaan wat computers nu kunnen, of over vijf jaar! Ik bedoel, geef die dingen een lichaam, en een pistool enne

Simulation

Robots gaan ons vermoorden!

BAM! De terminator! Slimmer, sterker efficienter en niet kapot te krijgen. 7

De menselijke evolutieDe robot evolutie

Dus die menselijke evolutie zit nu op een cruciaal punt! De robots van nu staan nog in de kinderschoenen, maar over een paar jaar streven de robots ons voorbij! Hop! En die vernietigen hun meestersEn dan hopHop hopZijn we in de minderheidEn loopt de menselijke evolutie dood, iets waar kleine robots later over moeten leren als de robot evolutie bestuderen.

Ah joh, maak je niet druk!

Darpa Robotics Challenge, 2015

Nou nou David, dat zeggen de pessimisten hoor! Zon vaart loopt het niet, de mens is uniek, en rekenkracht is nog geen bewustzijn, en trouwens, die robots kunnen helemaal niets, ze kunnen niet eens lopen! Ze zijn nog klunziger dan een kleuter die zijn veters probeert te strikken nadat ie met zijn handen in een bak ijs heeft gezeten!

Veel neurale regelingen BewegingsturingTemperatuur regelingCardio-vasculair systeem

Ook Hormonale regelingen!Mensen zijn een ingenieus regelsysteem!

10

Wat is regeltechniek?


Wat is regeltechniek?Gewenste situatieEchtesituatieregelaarsysteem


Gewenste temperatuurEchte temperatuurWaargenomen temperatuurMenselijke regelaarRegelen van watertemperatuur-

Gewenste temperatuurEchte temperatuurWaargenomen temperatuur

SysteemMenselijke regelaarRegelen van watertemperatuur-

Gewenste temperatuurEchte temperatuurWaargenomen temperatuur

SysteemVerstoringen

Menselijke regelaarRegelen van watertemperatuur-

Regelen van watertemperatuur

Gewenste temperatuurWaargenomen temperatuur

Menselijke regelaarSysteem

Verstoringen

Echte temperatuur--

Terugkoppelings regeling (feedback control)Nodig: sensor informatieNuttig bij:verstoringen, leren

Voorwaarts regeling (feed-forward control) Nodig:Goede voorspelling (inter model) Nuttig bij:Snelle bewegingen zonder verstoringen

Twee regelingen

Auto

Bestuurder

Veranderendesnelheid voorligger

gas pedaalpositie

eigensnelheid

relatievesnelheid

-+

Wens = 0

Autovolgen op de snelweg

Plaatje van quasi-lineaire multi-loop modelModel uitleggen, transfer functies besprekenHdriver, Hcar (gelineariseerd van simulator model)Cross-over modelCross-over frequenties / phase marginsPaper

Hoe gedraagt een systeem zich?


Proefje: massa-veer-demper gedrag

Simple Modeling of the Neuromuscular SystemLangzaam bewegen

Kracht

F [N]

mvd

X [m]

position

X/F [m/N]Frequency [Hz]

phase [deg]

0-180

Simple Modeling of the Neuromuscular Systemmvd

kracht

X [m]

position


phase [deg]

0-180

F [N]

Snel bewegen

Kracht

X [m]

position


phase [deg]

0-180

F [N]

Opslingeringmvd

Simple Modeling of the Neuromuscular SystemSysteem gedrag


phase [deg]

0-180

Schommelen: hoe werkt dat?

Langzame en snelle systemen / processen

Langzame en snelle systemen / processen

Proefje: tijdsvertraging

Regeltechiek in het lichaam: bewegingssturing


Waarom een brein?

Onze zintuigen (sensoren)Traditioneel: vijf zintuigen

Aristoteles: De Sensu et Sensibilibus

Wat is op je gevoel..?

Het belang van gevoel

Proefje: Zesde Zintuig!

Golgi Tendon Organ: force Muscle Spindles: position and velocityAnatomie: propriocepsis

The Golgi Tendon Organs and the muscle spindles are proprioceptors. They provide information regarding muscle force, muscle stretch and stretch velocity.

Wat als je geen propriocepsis hebt?

Er is nog een ander zintuig essentieel bij het besturen van ons lichaam. Onze zesde zintuig heet dat. Niets paranormaals aan, we hebben het allemaal! Doet u maar even mee. [TEST]Dat heet propriocepsis, sensoren in onze spieren die kracht en positie meten, en ons continue feedback geven zonder dat we daarbij hoeven te denken of te kijken of het wel goed gaat. Dat zintuig is gekoppeld aan onze reflexen, snel, robuust en intuitief. Het is heel raar om je voor te stellen hoe het is om dat niet te hebben! In heel zeldzame gevallen gebeurd dat, en wordt die link verbrokenDeze man Ian Waterman, loopt raar. Hij heeft geen propriocepsis meer, en moet dus telkens kijken waar hij zijn voeten neer zet! Als je het licht uit doet, valt hij om.

Hoe zouden we nou robots kunnen besturen net zo inuitief als ons lichaam? Dat ze echt een extensie van ons lichaam worden? Dat is onderzoek waar ik me mee bezig hou, en ik geef u een voorbeeld van een robot waar we zelf in kunnen zitten. 35

Ian Waterman: The man without a body

Er is nog een ander zintuig essentieel bij het besturen van ons lichaam. Onze zesde zintuig heet dat. Niets paranormaals aan, we hebben het allemaal! Doet u maar even mee. [TEST]Dat heet propriocepsis, sensoren in onze spieren die kracht en positie meten, en ons continue feedback geven zonder dat we daarbij hoeven te denken of te kijken of het wel goed gaat. Dat zintuig is gekoppeld aan onze reflexen, snel, robuust en intuitief. Het is heel raar om je voor te stellen hoe het is om dat niet te hebben! In heel zeldzame gevallen gebeurd dat, en wordt die link verbrokenDeze man Ian Waterman, loopt raar. Hij heeft geen propriocepsis meer, en moet dus telkens kijken waar hij zijn voeten neer zet! Als je het licht uit doet, valt hij om.

Hoe zouden we nou robots kunnen besturen net zo inuitief als ons lichaam? Dat ze echt een extensie van ons lichaam worden? Dat is onderzoek waar ik me mee bezig hou, en ik geef u een voorbeeld van een robot waar we zelf in kunnen zitten. 36

Standing was impossibleunless she looked down at her feet. She could hold nothing in her hands, and they wanderedunless she kept an eye on them. When she reached out for something, or tried to feed herself, her hands would miss, or overshoot wildly, as if some essential control or coordination was gone. Something awfuls happened, she mouthed, in a ghostly flat voice. I cant feel my body. I feel weirddisembodied.

The sense of the body, I told her, is given by three things: vision, balance organs (the vestibular system), and proprioceptionwhich shed lost. Normally all of these worked together. If one failed, others could compensate, or substituteto a degree.Oliver Sacks: De man die zijn vrouw voor een hoed hield

Sensor

processing

decision

motorprogram

muscle

zenuwpulsen

zenuwpulsen

brein

signalsignal

Perceptie theorie: open-loop

http://www.kyb.tuebingen.mpg.de/research/former-research-groups/ernstgroup.html

Perceptie-in-actie: closed-loop!

perturbationHoe meet je hier aan?

40

September 2, 2008

thermalpaincardiovascularmuscularRegeltechiek overal!

41

temperatuurpijncardiovasculairbeweging

Regeltechiek overal!

42

Regeltechiek in het menselijk lichaam


Wat moet er allemaal nog meer geregeld worden?Schildklier regelingLichaams temperatuurBloeddrukBloedsuikerspiegel

Schildklier regeling

Verstoorde Schildklier regeling: Ziekte van Graves: hyperthyreoidie

Probleem:Schildklier maakt te veel schildklier hormonen aan (T4 & T3), wordt niet meer afgeremd

Verstoorde Schildklier regeling

Oplossing: verwijder de schildklier, dan knip je de lus open, en moet je schildklier hormoon (T4 of T3) dagelijks suppleren.

Temperatuur regelingGewenste temperatuur: schommelt rond 37 gradenVerstoringen: van buitenafSensoren: thermoceptoren in huid

Terugkoppel mechanismen Te koud: perifere bloedvaten vernauwen (minder temperatuurverlies in torso)Te heet: zweten, rooie kop

Defensie mechanismeGewenste temperatuur veranderen (koorts)

Bloeddruk regelingGewenste bloeddruk: constantVerstoringen (wonden/bloedverlies, te zout eten)

Terugkoppel mechanisme (neuraal): gedetecteerd door baroreceptoren in nek en hart snel systeem (seconden)

Terugkoppel mechanisme (hormonaal): via de nieren langzaam systeem (uren)

Toename glucose (bv door eten)pancreas maakt insuline dat spierweefsel stimuleert om glucose op te nemen (als je spieren het niet gebruiken wordt het vet / opslag in je lever)bij verbruiken van energie gaat je lichaam glucose opmakenDiabeten hebben storing in insuline productie (type I, oplossing insuline injectie) of glucose opname (type II, perifere insulineresistentie, ouderdomszuikerziekte, of bij obesitas : oplossing pilletjes). Suikerziekte

Conclusie: regeltechniek is overal!


Even weer terug naar bewegen


Botvinick & Cohen, 1999Rubbere hand illusie

Uit: Universiteit van NederlandRubbere hand illusie

Uit: Universiteit van Nederland

Wat kunnen we hiermee?

Da Vinci robot

Geen gevoel

Is dat erg?

Lichaams illusies

Wat kunnen we hiermee?

Exoskeletten: ook in ons project: Andres Schiele, Jack Schorsch.

De toekomst van mens-machine interactie?


Of toch maar zorgen maken?

Of toch maar zorgen maken? Want waarom zetten we er geen vier poten op? Dit is een robot ontwikkeld met Amerikaans defensie geld door Boston Dynamics, een militair robot bedrijf net overgekocht door Google, u weet wel, dat bedrijf dat alles van u weet. En vliegen we niet al rond met drones om op afstand, of zelfs autonoom eh targets te neutraliseren? Nogal wiedes dat het zo hard gaat, elke techniek is groot geworden door oorlog. Nou ja en door seks.

Robots worden onze minnaars

Dus tja, dit is misschien ook geen verre toekomst meer. Misschien wel beter dan mensenhandel en prostitutie? Hoho wacht eens even! Gaat dit niet te ver allemaal? Willen we dit wel? En nog erger: zoals Lodewijk Asscher waarschuwde, gaan ze niet onze banen overnemen?! Nou dan heb je de nederlanders echt op de kast! 60

Luddieten (1811) - Engeland

Vergeet de Luddieten niet!

Dan zeg ik altijd: vergeet de luddieten niet! Wie weet wie de luddieten zijn? Een hint: 1811 Engeland. Nee? Hier heb je hem hoor, generaal Ludd, hun leider. En hier heb je de luddieten. Zij maken hier weefgetouwen een kopje kleiner. Waarom? Engeland had een bloeiende textiel industrie, die veel mensen werk verschafte. Maar met de komst van de weefgetouwen kon elke sukkel perfect weven, in veel grotere hoeveelheden! Het personeel kwam in opstand tegen de techniek.

Zonder succes, de techniek liet zich niet stoppen, en wie weet nu nog wie de luddieten zijn?

Robots de baas?

OK David wat moeten we dan doen? Moeten we net als Frankenstein materie leven inblazen, en dan in angst wegrennen voor onze creatie? Nee, dat denk ik niet. Je zou twee dingen kunnen doen.

Kijk naar samenwerking in natuur

zwermen schuwe, kleine, domme robots!

Kijk naar samenwerking in de natuur! Daar gaan we al millenia lang prima mee om. De meeste dieren zijn klein of schuw, dus zo moeten we robots ook maken, dat ze gewoon geen zin hebben om bij ons in de buurt te zijn. En op zich is een vogel, een insect of een vis niet bepaaldelijk slim. Meestal doen ze niet veel anders dan het dichtsbijzijnde collega volgen (net mensen). Maar samen vertonen ze zeer complex gedrag, dat helpt om zich te verplaatsen, te waarschuwen voor gevaar, of vijanden te vermijden. Dat gedrag dat opborrelt in zwermen of kuddes noemt men dat emergent gedrag, klik - dat overigens ook tot onvoorspelbare resultaten kan leiden.

Dat soort robotjes maken we in Delft, voor in de lucht, of op het land, of onderwater. Alleen stellen ze niet zoveel voor, maar een kudde van die dingen is samen een gedistribueerd sensor netwerk, robuust, mobiel, goedkoop, en inherent schuw voor mensen te maken.

Maar ja, wat nou als we juist niet mensen willen verrmijden?63

Samenwerking tussen mens en robot!

Dit is een van de grote uitdagingen van de toekomst: hoe maken we een intuitieve en wederzijds lerende samenwerking tussen mens en robot? Daarbij moet je veel begrijpen van hoe mensen omgaan in deze onvoorspelbare wereld, en hoe mensen samenwerken. Niet alleen met hun brein, maar ook met hun lichaam.

Robots die samenwerken met mensen

Daarbij zijn veel voorbeelden al realiteit. Robots die om onze arm zitten om te helpen met tillen, of om op afstand robot armen te bestuderen. Robots die chirurgen helpen om ons te opereren, of robot armen of benen die missende ledematen vervangen. Bij al deze toepassingen is het zaak om de mens een goed gevoel te geven van wat de robot fysiek doet. Dat is mijn specialisatie: de fysieke interactie tussen mens en robot.

Onze tastzin is essentieel bij veel taken, zoals lopen, objecten vasthouden, en al heleaal tijdens zoiets fijn-motorisch als veters strikken of een muziekinstrument bespelen. Ondertussen is mijn tastzin wel verpest, dat zal ik eens even demonstreren.

{DRUM SOLO SLECHT}

Tja dat kan ik dus niet meer. WAT HOOR IK DAAR?! IK KAN SOWIESO NIET DRUMMEN?!! JIM DAT KAN IK NIET OVER MIJN KANT LATEN GAAN! Mag ik later nog even laten zien dat ik het echt wel kan?

Haptiek komt van het Grieks = 'Ik grijp, raak aan)

Haptiek herkennen van en interacteren met objecten en omgeving.Haptische technologie haptiek creeeren in apparaten

Haptiek: fysieke interactie!

De toekomst van auto rijden?

19552015

Zestig jaar geleden hadden we al een bekende visie: automatisch rijden zonder files of ongelukken, terwijl jij lekker met je familie een potje mens-erger-je-niet kan spelen.

2) Toch is dit onze realiteit. Onacceptable veel files en ongelukken. Er is dus een hoop te winnen, en de pijlen zijn gericht op zelfrijdende autos. Weg met de mens! Waarom is die droom nog niet werkelijkheid?

Samenwerken met intelligente autos!

bestuurder blijft essentile component!2014: Indrukwekkende techniek..

automatische auto heeft grenzenOnmenselijke taak!met hopeloos ouderwetse interactie!

www.DelftHapticsLab.nl

Uitleg.

Stel je voor dat er een versmelting was tussen bestuurder en auto, waardoor je zou kunnen aanvoelen wat je intelligente auto wil, hoe die wil sturen?

Samenwerken op je gevoel!

Pedaal IndrukkingPedaal Kracht

Haptisch GaspedaalOwn car

Een nuttige metafoor wellicht: die van de ruiter te paard, die met elkaar communiceren via krachten op de teugels, waarbij het paard voelt dat je linksaf wil, en met je meewerkt. Waarbij je ook voelt dat het paard het geen prettig idee vindt om dicht langs een afgrond te lopen, maar die je fysiek kan overtuigen, omdat jij iets ziet wat het paard niet snapt.

Dat is de toekomst, en dat wil ik gaan realiseren: een interface waarbij mens en auto als in een symbiose van elkaar konden voelen wat de ander wil, en daar ook meteen op kon ingrijpen. Iets heel anders dan deze starre interactie, zonder vloeiende wederzijdse interactie.

De wetenschappelijke uitdagingen zijn fors, en vereisen een diep inzicht in de mens en de techniek... We hebben al de eerste stappen gemaakt, bijvoorbeeld een alternatief voor adapative cruise control, dat al door Nissan op de markt is gebracht. Hierbij voel je nu de afstand tot je voorlegger, via je snelle reflexen van propriocepsis. Dat kan ik u vandaag niet laten zien, maar wel andere robots.

Fysieke Interactie

Visuele feedbackSensor feedbackStuur inputKracht feedbackVENI: One-size-fits-all & One-size-fits-always: - bestuurder voelt stuurgedrag systeem (mismatches!)VIDI: Symbiotische interactie: systeem adapteert als een mens, en past zich aan aan bestuurder

Symbiotisch rijden

Mijn doel is dus een revolutie te maken in interactie met de intelligente auto, en te zorgen dat de automische systeem kan leren van de mens. Hoe wil die bochten afsnijden? Hoe past die zijn snelheid aan, wat voor afstanden accepteer je bij inhaalmaneavres?

De mens als voorspellende cognitieve sensor erbij, werkt alleen goed als die mens actief betrokken is, EN als het systeem goed snapt wat de mens wil.

Haptiek is een natuurlijke manier om mens en systeem adaptief te koppelen. Daarmee losik twee problemen op: onesize fits everydriver, and onesize fits everywhere.Dat gaat eenvoudiger als het zich gedraagt als een jouzelf, en als het zich ka naanpassen aan situaties en aan verschillende menselijk gedrag. Als het natuurlijk voelt, ben je ook gevoelig voor afwijkingen daarvan. Holding hands voorbeeld.

Symbiotisch betkent hier dus: de , de mens helpt het systeem, de mens kan ook direct aan het systeem vertellen waar het niet mee eens is.

Het realiseren van deze interactie vraagt een unieke mix van achtergronden..

David AbbinkDr. ir. David Abbink Universitair Hoofddocent Werktuigbouwkunde (3mE)Technische Universiteit Delft

www.DelftHapticsLab.nlBedankt!

L18 ons lichaam door een regeltechnische bril david abbink

Science

Transcript of L18 ons lichaam door een regeltechnische bril david abbink