Development of an arm system for a gesturing system for the social robot Probo

Emoties omarmen

Ledematen van robots als communicatiemiddel

Robots zullen meer en meer in ons dagelijks leven verschijnen, in tal van toepassingen. Er is dus een sociaal aspect in de ontwikkeling nodig om intuïtief met hen te kunnen communiceren. Sociale robots worden dan ook uitgerust met typisch menselijke communicatiesystemen zoals spraak en het tonen van emoties. De robot Probo van de Vrije Universiteit Brussel kan al heel wat gelaatsuitdrukkingen nabootsen, maar zal nu ook een paar werkende armen krijgen.

De robot Probo wordt momenteel ontwikkeld aan de Vrije Universiteit Brussel. De groene knuffelrobot wordt getest met autistische kinderen om hen sociale vaardigheden aan te leren door spelletjes te spelen en te reageren op wat ze zeggen en doen. Met behulp van een 20-tal motoren in het hoofd, kan Probo allerlei gelaatsuitdrukkingen zoals blij, boos of droevig uitbeelden. Deze gelaatsuitdrukkingen werden vervolgens gebruikt in studies waarin kinderen moesten aangeven of ze herkenden welke emoties Probo nabootste. Een vergelijkbare werkwijze zal gebruikt worden bij de ontwikkeling van een prototype voor de armen. Hierbij is het doel om na te gaan of Probo’s robotische ledematen op dezelfde manieren moeten kunnen bewegen als onze menselijke armen.

Er is in de roboticawereld nog geen duidelijke consensus over hoe men best een menselijke arm nabouwt. De reden hiervoor is dat het perfect nabootsen van de complexiteit van spierweefsel en ligamenten nog niet voor vandaag is. Dit is tot voor kort nooit echt een probleem geweest, aangezien robots enkel voor industriële taken (zoals lassen of lasten hijsen in een fabriek) werden gebruikt. Van sociale robots zoals Probo wordt daarentegen wel verwacht dat ze op een menselijke manier bewegen. Dit is de reden waarom het onderzoek begint met een menselijke arm en de bewegingen later worden aangepast zodat ze door een robotische arm met een klein aantal motoren kunnen worden uitgebeeld.

Deze bewegingen werden vastgelegd aan de hand van een techniek die door de opkomst van goedkope 3D camera’s (zoals de Microsoft Kinect) bij onderzoekers erg populair is geworden: motion capturing. Een persoon beeldt de emoties zoals blijheid of afkeer uit voor de camera, waarna deze in een programma kunnen aangepast worden. Vervolgens wordt een visuele voorstelling van Probo gemaakt en hierin de bewegingen geschaald naar Probo’s skelet, dat door zijn grote hoofd en korte beentjes andere proporties heeft dan een menselijk skelet. Deze virtuele voorstelling bestaat enkel uit de huid van Probo en wordt gebruikt om met het oog de bewegingen te beoordelen. Hieruit werd beslist om het eerste prototype van de armen met maar twee bewegende gewrichten te bouwen: de schouders en de ellebogen. Het doel is om dit prototype te gebruiken in een studie waarin deelnemers aangeven of ze de bewegingen herkennen en te kunnen oordelen of Probo ook bewegende polsen en handen nodig heeft.

In de volgende stap wordt een virtueel model getekend in de computer. Dit wordt gebruikt om een ruwe schatting te maken van het nodige vermogen, de afmetingen en de gewichten van de motoren. Deze motoren moeten klein genoeg zijn om in de armen te passen, maar toch sterk genoeg zijn om de bewegingen te kunnen uitvoeren. Hiervoor worden een aantal simulaties met het virtueel model gedaan. Met de keuze van de motoren vastgelegd, worden er technische 3D-tekeningen gemaakt om de armen voor het eerst in het echt te bouwen. Met behulp van een lasersnijder worden de vormen uit pershout gesneden en gelijmd, om tot een lichte maar tegelijk stevige constructie te komen.

Indien de kans bestaat dat een robot tijdens het bewegen in aanraking komt met een mens (in dit geval de kinderen waarmee Probo moet kunnen omgaan), moeten er ook veiligheidssystemen worden ingebouwd. Deze systemen kunnen preventief werken (bijvoorbeeld met sensoren detecteren of de armen iemand kunnen raken tijdens het bewegen) of ingrijpen terwijl het contact plaatsvindt. In het eerste prototype van de armen werden geen preventieve systemen ingebouwd, maar wel een botsingsdetectie (waarnemen of er een botsing is geweest en hierop reageren) en mechanismes om de impact van de klap te verminderen, zodat een botsing nooit pijnlijk is. De botsingsdetectie wordt gerealiseerd door na te gaan of de arm afwijkt van het geplande traject tijdens het bewegen en zo nodig de motoren te stoppen. Deze controle gebeurt elke honderdste van een seconde. De impact wordt verminderd door veren tussen de motoren te plaatsen. Zo worden tijdens het contact de veren uitgerekt om de schok op te vangen en de energie wordt hierin geabsorbeerd, terwijl het computerprogramma voor de botsingsdetectie in werking treedt.  

Met dit prototype van de armen werd een volledig robotisch bovenlichaam (zonder Probo’s echte hoofd maar met een knuffelversie in de plaats) gebouwd dat ook naar voor en achteren kan leunen, om de menselijke bewegingen nog beter te benaderen. Tijdens de studie probeerden 77 anonieme deelnemers aan de hand van videofragmenten zes uitgebeelde emoties te herkennen. Gemiddeld werd in 56% van de testen de beweging correct herkend en voor alle emoties was de herkenningsgraad hoger dan de willekeurige kans van 1 op 6. Deze resultaten werden vergeleken met die van een studie met de sociale robot Nao, die niet alleen werkende schouders en ellebogen heeft, maar ook polsen en handen. De vergelijking van de studies wees uit dat de toevoeging van bewegende polsen en handen op zich nauwelijks bijdraagt tot de herkenning van de emoties. Er zijn wel nog duidelijke verbeteringen voor Probo’s armen mogelijk, zoals het verfijnen van de houdingen en de snelheid van de bewegingen. Sommige van de emoties zijn ook gewoon te moeilijk om enkel met armen uit te beelden. Hierbij spelen de gelaatsuitdrukkingen een grotere rol. 

Het eerste prototype van de armen voor Probo slaagt erin om met zo weinig mogelijk motoren emoties zoals blijheid en boosheid uit te beelden. In een volgende fase moeten de ledematen samenwerken met het robotische hoofd van Probo om een goede herkenning van de uitgebeelde emotie te garanderen. Wanneer de veiligheidssystemen op punt staan en een behouden interactie verzekerd is, zal Probo eindelijk een nieuwe thuis krijgen tussen zijn nieuwe jonge speelkameraden.