Interview met Gerd Hirzinger
Duits mechatronica- en robotica-instituut innovatiemotor miljardenmarkten
12 oktober 2009
Hij is een van de drijvende krachten achter de mechatronica- en robotresearch in Duitsland. Gerd Hirzinger maakte naam in de ruimterobotica, maar boekte ook grote commerciële successen. Zijn Institute of Robotics and Mechatronics heeft doorbraken op zijn naam als de Spacemouse en brake-by-wedge. Mechatronica Magazine praatte na zijn keynote op het TValley-event in Twente met hem bij.
Tijdens het afgelopen mechatronicaevent TValley op de Universiteit Twente kreeg Mechatronica Magazine de mogelijkheid om Gerd Hirzinger te spreken. Een buitenkansje, want Hirzinger is directeur van het Institute of Robotics and Mechatronics (RM), onderdeel van het Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in München. Hij hoort tot de wereldwijde crème de la crème van de mechatronica en robotica. Sinds Hirzinger - van oorsprong mechanicus - in 1992 de leiding kreeg over het DLR-RM, stootte het instituut door naar de absolute wereldtop. DLR telt in totaal zo’n vijfduizend researchers, van wie er momenteel 220 op het RM-instituut werken. Een gesprek met Hirzinger is ook interessant, omdat de Twentse mechatronicaprof Stefano Stramigioli steeds benadrukt dat hij zich voor de vorming van de Nederlandse robotresearch laat inspireren door het DLR-RM.
Gerd Hirzinger ging in 1969 na zijn studie aan de technische universiteit München meteen werken bij het DLR. Hij ontwierp er snelle digitale regelingen, een onderwerp waarop hij in 1974 ook promoveerde. Twee jaar later kreeg hij de leiding over het automatiserings- en roboticalaboratorium. Sinds 1991 bezet Hirzinger een gedeelde leerstoel aan de technische universiteit van München. Aan het Institute of Robotics and Mechatronics op het DLR geeft hij intussen zeventien jaar leiding.
Hirzinger (1945) is een onopvallende, rustige man. Zijn droge humor en soms venijnige kritiek lanceert hij nuchter, zonder enige emotie. We praten in het studentenrumoer op de benedenverdieping van de Horst, het gebouw waar de Twentse faculteit Construerende Technische Wetenschappen is gehuisvest.
Fout
Mechatronica en robotica waren in Duitsland niet altijd geliefd. Hirzinger moest vooral eind jaren negentig vechten tegen de hype van de informatiemaatschappij. ‘Ineens was daar de nieuwe economie. Mechanica werd in de hoek gezet als oude economie. Dat zouden we niet meer nodig hebben’, vertelt Hirzinger. Marktanalisten van het Amerikaanse McKinsey en ook de consultants van het Duitse Roland Berger adviseerden Edmund Stoiber, de toenmalige president van Beieren, om vooral in te zetten op IT. Hirzinger venijnig: ‘Die marktonderzoekbureaus sturen een paar jonge broekies op pad en verpakken het in leuke rapportjes. Er was slechts informatie- en communicatietechnologie nodig, plus wat materiaal- en biotechnologie.’ Tot grote ergernis van Hirzinger wilde Stoiber het advies omzetten in beleid. De minister-president wilde Beieren op de wereldkaart zetten als centrum van hightech IT.
In 2000 greep Hirzinger de kans om Stoiber met beide benen op de grond te zetten. De deelstaatpresident was net terug uit Californië, waar hij de zegeningen van de informatietechnologie met eigen ogen had aanschouwd. Hirzinger benaderde de minister-president op een medische conferentie, waar Stoiber vertelde over zijn toekomstplannen. Tijdens de discussie zat Hirzinger bij hem op het podium. De aanwezige journalisten vroegen de DLR-directeur om commentaar. ‘Ik zei dat Stoiber een grote fout ging maken. In die tijd ging het over oude en nieuwe economie. Het was goed tegen slecht. Ik heb Stoiber verteld over sensoren en actuatoren die in vliegtuigen veel betere landingen mogelijk maken op de automatische piloot. Ik heb hem ook uitgelegd wat mechatronica is en verhaald over auto’s die weigeren een ongeluk te maken. Nu kun je nog zelfmoord plegen door bij honderd kilometer per uur het stuur om te gooien naar de andere weghelft, maar straks niet meer. Dat had hij nog nooit gehoord.’
Enkele weken nadat Hirzinger met Stoiber had gediscussieerd, herstelde de laatste zijn fout. ‘Stoiber schreef me een mooie brief waarin hij zei dat hij het nogmaals had gecheckt. Ze hadden niet het juiste advies ontvangen.’ Toen de internetbel het jaar daarop barstte, spraken de twee elkaar weer. ‘Stoiber zei me toen dat hij blij was met mijn waarschuwing. Hij gaf toe dat alles op IT zetten verkeerd zou zijn geweest. Software wordt belangrijk, maar vervangt alle andere technologie niet.’
Ruimtemuis
DLR’s RM verwierf wereldfaam met de eerste ruimterobot die op afstand vanaf de aarde kon worden bestuurd. ‘Nasa is verder in planetaire robots, zoals de Marslander. Wij zijn het verst in robotbesturingen op afstand voor satellieten in een baan om de aarde.’ Het ruimtevaartinstituut begon in 1993 aan het project Rotex om een remotely controlled space robot te maken die buiten het ruimteschip Columbia klusjes zou moeten uitvoeren. Hirzinger: ‘De robot werd vanaf de aarde bestuurd en dat gaf bijna zeven seconden vertraging. De enige manier waarop we dat konden compenseren, was door voorspellen. Niemand had ooit een regellus voor ruimtevaartdoeleinden ontworpen, dus we konden het niet testen voordat de shuttle echt boven was. Er zat zo veel risico aan, dat ik zelf eerlijk gezegd niet had gedacht dat het zou werken.’
DLR-RM krijgt een jaarlijkse staatsfinanciering van 12 miljoen euro. Daarnaast verdient het nogmaals 12 miljoen met contractresearch. Onlangs werd bekend dat de Duitse regering DLR’s budget voor robot- en mechatronicaonderzoek bijna zal verdubbelen. Een injectie van 100 miljoen euro voor de komende vijf jaar moet een groei mogelijk maken van 220 naar 300 onderzoekers.
Opvallend genoeg zegt Hirzinger dat hij de onderliggende details van deze politieke beslissing niet precies kent. ‘Het is een speciaal initiatief waarvan de achtergrond zelfs voor mij niet voor honderd procent duidelijk is. We hebben natuurlijk een reputatie. Als researchcentrum zijn we direct verantwoordelijk voor de creatie van duizend hightech-arbeidsplaatsen in de industrie en bij spin-offbedrijven.’
Wat dat betreft, is DLR-RM’s grootste succes de samenwerking met robotfabrikant Kuka, waar het ontstaan van vijfhonderd hoogwaardige werkplaatsen direct zijn terug te voeren op de inspanningen van het instituut. De andere vijfhonderd zitten in spin-offs.
Kuka ging met de robotonderzoekers van DLR in zee, kort nadat Hirzinger de leiding had gekregen over het instituut. ‘Voor Kuka waren twee ontwikkelingen belangrijk. Het stapte met zijn industriële robots over van VME- naar pc-gebaseerde systemen. Daarnaast is er de ontwikkeling van dynamische optimalisatie die wij voor hen zijn gestart.’ Kuka introduceerde in 1996 zijn eerste pc-gebaseerde controller met Microsoft Windows Embedded NT 4.0 en de DLR-algoritmes. ‘Kuka won het daarna van vrijwel elke concurrent en steeg wereldwijd van plaats veertien naar een derde positie in de wereldwijde top van robotfabrikanten.’
Bij Kuka, dat vooral lasrobots maakt, was in de jaren negentig een nieuw management aangetreden dat bereid was om grote risico’s te nemen. Hirzinger: ‘De nieuwe directeur Bernd Lippert was een wiskundige. Zijn voorganger keek ook naar commercieel verkrijgbare hardware, maar nam pc’s nog niet serieus voor industriële toepassingen. Lippert besloot van VME af te stappen en voortaan pc-gebaseerde controllerplatforms te kopen bij Siemens. In 1993, ik was toen al directeur van DLR-RM, besloot hij ook om zelf geen groot lab voor simulatie- en besturingstheorie op te zetten, maar de technologie bij ons te ontwikkelen en erop te vertrouwen dat wij ze niet in de steek zouden laten. Aanvankelijk maakte Siemens er grapjes over, want Kuka kocht daar alleen de hardware en niet de software. Wij beloofden Kuka dat we het dynamische gedag van hun robots zouden uitrekenen. Dat is gecompliceerde wiskunde die we destijds realtime op een Pentium draaiden. Die chip was toen net beschikbaar. We hebben dit inderdaad voor elkaar gekregen.’
DLR-RM was in staat om het dynamische gedrag realtime (in milliseconden) te berekenen. Hirzinger kan zich nog herinneren dat Kuka voorzichtig was en hem voorstelde om de besturing bij BMW te testen. ‘Het resultaat was overtuigend. Kuka’s robots konden zelf berekenen op welke momenten ze konden versnellen zonder de verbindingen te overbelasten. Ze berekenden zelf hoe snel ze konden bewegen langs het voorgeprogrammeerde pad. Voor die tijd moesten ze dat met trial and error uitvinden en hadden ze weken nodig om de bewegingen te optimaliseren.’
Na het experiment bij BMW besloot Kuka om alle software voor zijn robots te vervangen. ‘We gingen zelfs naar de fabrieken om het te integreren in de bestaande robotcontrollers’, zegt Hirzinger. Rond 2000 ging het DLR-RM ook elastische compensatie doen. ‘Door het dynamische model eerst te berekenen, krijg je een nauwkeurigere, preciezere robot. In 2003 waren we ook in staat om alle elastische vibraties te berekenen, boven op het dynamische gedrag, om daar vervolgens voor te kunnen compenseren.’
Tot de spin-offs van het DLR-RM-robotonderzoek behoren Intec, een leverancier van simulatiegereedschappen die leidinggevend is in de wereld van de spoorwegen, en Amatech, een specialist in sensorintegratie en robotkalibratie die uiteindelijk werd overgenomen door Kuka. Een andere spin-off, Robodrive, produceert lichtgewicht motoren. Verder kennen game-enthousiasten de Spacemouse, de ruimtemuis ontwikkeld door DLR-RM-spin-off 3DConnexion. 3Dconnexion is intussen onderdeel van Logitec. Een van de grote beloftes waaraan het DLR-RM momenteel werkt, is een robot voor endoscopische chirurgie, de Mirosurge.
WigremTot de spin-offs van het DLR-RM-robotonderzoek behoren Intec, een leverancier van simulatiegereedschappen die leidinggevend is in de wereld van de spoorwegen, en Amatech, een specialist in sensorintegratie en robotkalibratie die uiteindelijk werd overgenomen door Kuka. Een andere spin-off, Robodrive, produceert lichtgewicht motoren. Verder kennen game-enthousiasten de Spacemouse, de ruimtemuis ontwikkeld door DLR-RM-spin-off 3DConnexion. 3Dconnexion is intussen onderdeel van Logitec. Een van de grote beloftes waaraan het DLR-RM momenteel werkt, is een robot voor endoscopische chirurgie, de Mirosurge.
Wigrem
DLR zette zich met ruimtevaarttechnologie op de kaart, maar wat harde euro’s betreft, valt dit verhaal in het niet bij de miljardenstrijd die zich ontketende rondom een revolutionair remsysteem voor auto’s dat het instituut ontwikkelde. DLR-RM’s mechatronici bedachten eind jaren negentig een eenvoudig elektronisch remprincipe. Ze kwamen op het idee om wielen met een wig af te remmen, net zoals de koetsier dat vroeger op de postkoets deed. Dit brake-by-wedge-systeem was geheel elektronisch - er kwam geen hydraulica aan te pas. Vacuümbooster, hydraulische leidingen, vloeistofreservoir, cilinders en mechanisch pedaal, het kon in de toekomst allemaal naar de schroothoop. Brake-by-wedge beloofde een volumebesparing van 22 liter en een gewichtsbesparing van 19 kilo.
Het wigremprincipe is eenvoudig. Het indrukken van het rempedaal zorgt voor een elektronisch signaal naar vier remmodules. Twee motoren drijven daar een spindel aan die een wig tussen een V-vormige structuur duwt. De openende V duwt vervolgens een remblok tegen de remschijf. Het systeem maakt daarbij handig gebruik van de krachten die vrijkomen. De wrijving tussen remblok en -schijf duwt de wig naar binnen, waardoor de hele remactie met weinig energie toe kan. Een voedingsspanning van 12 volt is voldoende om de boel in gang te zetten.
Bernd Gombert, de man die de grijperarm van DLR’s ruimterobot had ontworpen, was verantwoordelijk voor de productontwikkeling van de Electronic Wedge Brake (EWB). Hij stapte daarna in Estop, de spin-off die de technologie vanuit DLR ging commercialiseren. Dat de technologie veelbelovend was, bleek uit de overname door Siemens VDO in januari van 2005. De automotivetoeleverancier plaatste Gombert vervolgens meteen aan het hoofd van zijn R&D.
In september van datzelfde jaar lanceerde Siemens VDO de elektronische remtechnologie op een autoshow in Frankfurt. Het zwoor daar dat het op termijn de markt voor autoremsystemen zou domineren - ambitieus voor een bedrijf dat niet in remsystemen zat, op elektrische handremmen en antiblokkeersystemen na. Bosch, Delphi, TRW, Continental en het Japanse Advics verdeelden de markt, destijds 25 miljard euro groot.
Siemens VDO mikte op serieproductie in 2010. Maar al in 2007 toonde het Duitse bedrijf spectaculaire resultaten aan de autowereld. In het Zweedse Arjeplog, nabij de poolcirkel, werd op ijs een ruim tien meter kortere remweg gehaald met een auto die tachtig kilometer per uur reed. Een topmodel uit de middenklasse met hydraulische remmen, modern ABS en winterbanden gleed 75 meter door, terwijl een auto met een EWB-prototype een remweg van slechts 64 meter had. ‘Bijna twee autolengtes’, schreef Siemens VDO april 2007 opgewekt in een persbericht. Hirzinger nu: ‘De tests in Zweden waren zeer overtuigend. De aanwezige journalisten schreven er juichende verhalen over. Experts verklaarden dat hydraulica niet kon tippen aan de hoge dynamica, antiblokkeereigenschappen en efficiëntie van de droge wigsystemen.’
Aan het succesverhaal kwam een einde toen Continental een spaak in het wiel stak. De Amerikaanse gigant telde juli 2007 11,4 miljard euro neer voor Siemens’ automotivedivisie. Hirzinger zegt dat het evident is dat Continental met de deal zijn lucratieve handel in remsystemen wilde veiligstellen. ‘Ik weet dat Bernd Gombert al drie contracten van grote automobielfabrikanten op zak had, al mag ik ze niet met name noemen. Voor Conti was het vijf minuten voor twaalf. Het gerucht gaat dat er van die 11,4 miljard euro 5 miljard waren gereserveerd voor de wigrem.’
Nadat Continental de koop had doorgezet, verliet Gombert het bedrijf onmiddellijk. ‘Hij had met het bestuur van Conti al onenigheid gehad over het op de plank leggen van EWB om de hydraulische business te beschermen.’ Ook voor het DLR was het nadelig. Hirzinger neemt zelfs het woord ‘catastrofe’ in de mond. ‘We hadden gehoopt op honderden miljoenen euro’s aan licenties. Wij hebben de technologie immers uitgevonden en hebben alle basispatenten. Bij mijn weten heeft tot nu toe geen enkel bedrijf een goede oplossing.’
De overnamepogingen van Continental die Schaeffler vorig jaar startte, geven het verhaal een interessante wending. In 2008 ketste eerst een overnamebod van het Duitse familiebedrijf op de Amerikaanse bandengigant af. Dat resulteerde er in augustus 2008 in dat Schaeffler - voorlopig voor vier jaar - een belang van 49,99 procent nam in Continental.
De interessante wending zit ’m erin dat Bernd Gombert, oud-DLR-researcher en oud-CTO van Siemens VDO, sinds januari van dit jaar de mechatronicaontwikkeling bij Schaeffler leidt. Hirzinger: ‘Hij kreeg van meneer Schaeffler persoonlijk het aanbod om mister mechatronica te worden bij de mechanicagigant. Gombert moet Schaeffler in het mechatronicatijdperk brengen. Ik moet toegeven: tot Bernd Gombert naar Schaeffler ging, was het nog niet tot me doorgedrongen dat Schaeffler zo hard een bedrijf met mechatronicakennis als Continental nodig had. Hoe het ook met Conti en Siemens VDO is gelopen, ik denk dat het perfect past. De Duitse pers schilderde Schaeffler af als een bedrijf dat roulette speelt, maar de mechanica van Schaeffler past perfect bij de mechatronica die Conti in huis heeft.’
Schaeffler werkt nog steeds aan de deal met Conti, maar als alles is afgerond, krijgt Gombert opnieuw de leiding van het team dat de wigrem ontwikkelde. ‘De mensen bij Conti hopen dat Gombert terugkomt om van de wedge een wereldsucces te maken. Maar alles is nog vers.’ Als de DLR-RM-vinding uiteindelijk op de markt komt, dan zal ook het researchinstituut de vruchten van dit onderzoek kunnen plukken.
Volgende maand in Mechatronica Magazine meer over het endoscopieonderzoek van het DLR-RM in een artikel over robotchirurgie.