Ontwerp van een mensachtig robotoog

Door: Hans van Eerden

Vijftien jaar geleden was Philips actief op het gebied van ‘home robotics’. Robots werden voorzien van menselijke trekjes en ‘oogcontact’ was er daar één van. Erik Manders’ opdracht was een mechanische oogbol te ontwikkelen die vergelijkbare prestaties als de menselijke versie kon leveren. De menselijke oogbol (2,5 cm in diameter) kent drie vrijheidsgraden: rotaties om de drie assen die door zes spieren paarsgewijs worden aangestuurd. Voor het robotoog kan de rotatie om de kijkrichting (+/- 7°) softwarematig worden opgelost, door in de beeldverwerking het camerabeeld te kantelen. Voor de andere twee rotaties luiden de specificaties een bereik van +/-35° en een maximale acceleratie van 2.500°/s2. Manders ontwierp de oogbol als een camera in een oogschil, met actuatoren, sensoren voor hoekpositiemeting en regellussen voor de besturing. Elke oogbal wordt mechanisch apart aangedreven en de coördinatie voor stereovisie moet elektronisch worden geregeld. De gebruikte miniatuur CCD-camera’s meten 8 mm x 8 mm x 6 mm, met pixels van 5 μm x 5 μm, hetgeen hier overeenkomt met een hoekresolutie van 0,04°.

 Ontwerp van het 2×1-DoF elektromechanische actuatieconcept voor de oogbol, met een cardanlagering waarin de eerste as is opgehangen aan de tweede as.

2×1-DoF actuatie

Voor het aandrijven van de camerabeweging onderzocht Manders twee concepten. Het eerste bestaat uit twee gestapelde systemen die zijn gelagerd in een cardanscharnier, voor het ontkoppelen van de twee bewegingsrichtingen. Elk systeem actueert één vrijheidsgraad (degree of freedom – DoF), met een borstelloze miniatuurmotor in combinatie met een wrijvingswieltransmissie. De aandrukkracht van de motoras op het wrijvingswiel wordt ingesteld met het verdraaien van een excentrische bus. Voor de precieze lagering van beide assen zijn compacte saffierlagers, bekend uit de horloge-industrie, gebruikt. Daarbij is de rotatieas spelingsvrij gemaakt met behulp van een bladveer die het lager aandrukt.

Capacitieve sensoren (aangegeven met dikke zwarte lijnen) voor de twee rotatieassen. Links de twee condensatorvlakken (cirkelsegmenten) van de sensor voor de as die loodrecht op het vlak van tekening staat. Als de camera (het blokje links beneden) naar boven roteert, dan beweegt het daarmee verbonden linker cirkelsegment naar beneden. Het rechter cirkelsegment is in tweeën gedeeld: op het bovenste deel neemt de capaciteit dan af en op het onderste deel juist toe. Door differentieel de capaciteit te meten, kan de hoekpositie worden bepaald. 

Capacitief meetprincipe

Voor de aansturing van snelle oogbewegingen is een positiesensor nodig die een bandbreedte van 1 kHz kan leveren. Een elektrisch (capacitief) meetprincipe levert daarvoor de oplossing. Manders ontwierp capacitieve sensoren die de positie van beide rotatieassen meten met behulp van condensatorvlakken die langs elkaar bewegen en daardoor een capaciteitsverandering genereren. Voor een betrouwbare meting moet de cirkelvormige spleet tussen de twee condensatorvlakken constant zijn. Dat vereist een nauwkeurige fabricage van de cirkelsegmenten en een nauwkeurige lagering van de rotatieassen.

Model van het 2-DoF magnetische actuatieconcept voor de oogbol. 

2-DoF actuatie

Het tweede concept bestaat uit een actuator die magnetisch twee graden van vrijheid (2-DoF) tegelijk kan aandrijven. Vier magnetische spoeltjes verzorgen paarsgewijs de rotaties rond de twee assen. De rotor, een sferisch magneetje waaraan de camera is bevestigd, is cardanisch gelagerd in een cardanring. Het zwaartepunt van deze constructie is geplaatst in het centrum van de oogbol om stoorkrachten te verminderen/voorkomen. Hoekpositiemeting vindt ook hier capacitief plaats en is voor beide assen in één sensor verenigd. De twee condensatorvlakken zijn nu geen cirkelsegmenten maar bolsegmenten (een hol en een bol deel) die in elkaar passen met een nauwe spleet. Voor differentiële meting in twee richtingen is een van beide vlakken (het holle deel op de vaste wereld) in vier kwadranten verdeeld.

Manders concludeerde dat dit tweede, meer vernieuwende concept complexer is qua ontwerp van de hardware en de besturing. Wel kan er, na optimalisatie, een betere prestatie van de dynamica worden verwacht. Tevens is de levensduur naar verwachting hoger, onder meer vanwege het contactloze (magnetische) actuatieprincipe, waarvoor geen slijtagegevoelige wrijvingstransmissie nodig is. Hij werkte de twee ontwerpen uit, bouwde en testte een aantal proto’s en een daarvan werd in een speelgoedbeer ingebouwd. Op beurzen trok die door z’n interactie met bezoekers veel aandacht.

Spin-off

Erik Manders kijkt met veel plezier op zijn afstudeerproject terug. "Ik heb er geleerd een echt mechatronisch ontwerp te maken en dat netjes te doen, door de constructieprincipes toe te passen en goed te kijken naar de vrijheidsgraden, de lagering en de dynamica. Het lijkt op wat ik nu doe, alleen werk ik nu in grotere teams. Ik heb er nog steeds profijt van, bijvoorbeeld dat ik toen in detail heb uitgezocht hoe een capacitieve sensor werkt; toevallig zit die ook in een ontwerp waar ik nu aan werk. Als constructeur zie je van alles en als het past kun je dat weer aan elkaar knopen."

Na zijn afstuderen zette Philips het onderzoek aan robottechnologie nog enige tijd voort en bleef Manders daar zijdelings bij betrokken. In 2009 verkreeg Philips zelfs een patent (US 2009/0207239 A1, "Artificial Eye System with Drive Means Inside the Eye-Ball"), op naam van de uitvinders Thom Warmerdam, Bart Dirkx en Erik Manders. Het inspireerde Bart Dirkx, Manders’ afstudeerbegeleider bij Philips en later werkzaam bij TMC, om in 2011 samen met Ruud van der Aalst een eigen bedrijf te starten, WittyWorX. Dat legde zich toe op het ontwikkelen van een speelgoedrobotje, IXI-Play.

"Het ontwerp van Erik was heel elegant, maar ook fragiel. Daarnaast moest onze oplossing spotgoedkoop zijn, reden waarom wij hebben gekozen voor een LCD/OLED-oplossing. Hiermee heb je veel meer vrijheid voor gezichtsuitdrukkingen met enkel de ogen. Dit is later onder meer ook gedaan bij de nieuwste Aibo van Sony. Daar zaten wij dus op hetzelfde spoor", vertelt Dirkx.

Voor IXI-Play zijn de functies ‘expressie’ en ‘kijken’ ontkoppeld. De ogenschijnlijke ‘ogen’ zijn slechts displays, voor het kijken is een enkele camera tussen de ogen geplaatst. De camera zit vast in het hoofd en beweegt dus mee met de hoofdbewegingen. Dirkx:"De oogunits van Erik hebben een groter dynamisch bereik omdat ze sneller kunnen bewegen; ze zijn veel lichter dan het hoofd waarin ze zitten. Doordat de ogen ten opzichte van het hoofd kunnen bewegen, is met een kleinere kijkhoek toch een grote slag te bereiken. Dat is bij IXI beperkt tot de draaihoek van het hoofd. Erik’s concept gaat uit van twee ogen. Hiermee is in principe stereovisie te doen, maar in de praktijk is dat bijzonder moeilijk omdat het veel dataprocessing en een sublieme uitlijning van de ogen vergt. Daar kun je beter een 3D-camera zoals de Xbox Kinect voor gebruiken."

Speelgoedrobotje IXI-Play van WittyWorX met simpeler ‘ogen’. 

Hardware

Vanuit start-up WittyWorX heeft IXI-Play de markt niet weten te bereiken. Net als Erik Manders werkt Bart Dirkx nu als systeemarchitect aan hightech (en medische) projecten, en wel bij VDL ETG USA. Inmiddels is alle Philips-gerelateerde onderzoek aan ‘menselijke’ robots gestopt. Manders betreurt dat: "Onze competenties rond motoren, sensoren en beweging passen daar goed bij."

Meer algemeen bepleit hij voldoende aandacht voor hardware, ook bij Philips. "Tegenwoordig speelt software vaak de hoofdrol. Big data is alweer een oud begrip, vandaag is alles artificial intelligence. Dat snap ik, zeker ook voor healthcare. Maar hardware blijft belangrijk. Je kunt het vak van constructeur niet zomaar aan de kant schuiven, want daar krijg je ellende in je systeem voor terug." Beheersing van de constructieprincipes blijft cruciaal, aldus de eerste winnaar van de Wim van der Hoek Award.

De IXI-Play heeft door de LCD/OLED-oplossing meer mogelijkheden voor expressie met alleen de ‘ogen’. 

Dit artikel komt uit Constructeur 1 – 2020. In dit magazine staat ook een interview met Erik Manders.