Humanoid robot for sign language
- StijnHuys
- JasperSlaets
Gebarentolk in je rugzak
Sinds 1 september 2015 werken de Vlaamse scholen volgens het M-decreet. Dit decreet biedt kinderen met een beperking de kans om zo veel mogelijk deel te nemen aan het gewone onderwijs. Laptops, rekenmachines of langere toetstijden zijn voorbeelden van mogelijke middelen die kinderen met een beperking kunnen helpen om zo het standaardniveau na te streven. Zo kunnen kinderen met lichte verstandelijke beperkingen en ernstige leerstoornissen een plaats vinden in het gewone onderwijs. Andere kinderen, die bijvoorbeeld doof of blind zijn, vallen echter nog vaak uit de boot en zitten vandaag de dag nog steeds in het buitengewoon onderwijs. In onze thesis leggen we de basis voor een oplossing die dove kinderen in staat stelt deel te nemen aan het gewone onderwijs.
Gehoorverlies in de 21e eeuw
Wereldwijd zijn 360 miljoen mensen doof. Dit is ongeveer 5% van de totale bevolking. Het overgrote deel van deze groep leeft in ontwikkelingslanden, waar medische zorg vaak ontbreekt. Dit maakt dat de bevolking vaak niet kan genieten van preventieve maatregelen tegen gehoorverlies of eventuele hulpmiddelen zoals implantaten. Het gehoorverlies kan aangeboren zijn, maar ontstaat vaak ook door chronische oorontstekingen of hersenvliesontstekingen.
Dankzij de goede zorgverlening in Europa kunnen mensen hier in veel gevallen geholpen worden. Zowel huisartsen als specialisten in ziekenhuizen zorgen ervoor dat het aantal doven afneemt. Daar met de huidige middelen nog niet iedereen geholpen kan worden, trachten we zelf naar een oplossing te zoeken die tegemoet kan komen aan dit probleem.
Project ASLAN
Voor ons afstudeerproject legden we de basis voor een menselijke robot. Eens afgewerkt zal hij gesproken taal kunnen omzetten in gebarentaal. Deze robot kan vervolgens gebruikt worden als gebarentolk in de klas, waardoor dove kinderen eenvoudiger lessen kunnen volgen in het gewone onderwijs. Onze thesis beschrijft het ontwerp van een enkelvoudige robotarm, die in staat is het handalfabet uit te voeren en te tellen. Zo kunnen we nu al succesvol elk woord spellen.
Om volledige woorden en zinnen te vertalen is echter nog meer nodig dan één arm. Naast de beide armen speelt ook de gelaatsuitdrukking een grote rol binnen de gebarentaal. Doven gebruiken namelijk hun gezicht en mimiek voor de intonatie in hun boodschap.
Al snel werd ons duidelijk dat het ontwerp van een volledige robot een doel op lange termijn is. Daarom is er naast het ontwerp en de realisatie van een eerste prototype, een volledig project opgezet om dit idee te ondersteunen. Het project heeft, net als de robot, de naam Aslan meegekregen. Het is een afkorting die staat voor “Antwerp Sign Language Actuator Node”, wat zoveel betekent als “een communicatiemiddel dat in staat is gebarentaal uit te voeren”.
Het ontwerp van een robot die gebarentaal kan, neemt natuurlijk de nood aan menselijke gebarentolken niet weg. Het is voor dove kinderen namelijk niet mogelijk om de Vlaamse Gebarentaal volledig onder de knie te krijgen zonder interactie met andere gebarentaligen of het volgen van cursussen. De robot zal met andere woorden een aanvulling worden op het werk van de menselijke gebarentolken, en niet een vervanging.
Goedkoop en toegankelijk
Door het ontwerp van de arm eenvoudig en goedkoop te houden, en bovendien alle niet-elektrische onderdelen te vervaardigen zijn met een 3D-printer, kunnen mensen over heel de wereld op termijn onze ontwerpen downloaden en de robot zelf thuis monteren.
Zoals hierboven reeds vermeld, worden in Europa al veel doven medisch geholpen terwijl op andere plekken in de wereld de doven vaak geen gepaste hulp kunnen krijgen. Daarom is het belangrijk een product te ontwerpen dat overal ter wereld gebruikt kan worden.
Zo hebben we bewust gekozen voor componenten die makkelijk te verkrijgen zijn via grote webshops, en wordt de software zo gebruiksvriendelijk mogelijk geschreven. Het moet namelijk mogelijk zijn voor iedereen om onze robot te gaan gebruiken voor zijn of haar plaatselijke gebarentaal.
Dankzij de makkelijk verkrijgbare onderdelen en het feit dat we het ontwerp zo veel mogelijk open-source[1] zullen houden, hebben we een robotarm ontworpen die je voor minder dan €900 in huis kan halen in zijn huidige versie. Vergelijking met andere robotarmen leert ons dat dit type robot goedkoper is dan eventuele concurrenten, waarvan de prijs vaak varieert van €1.500 tot €30.000 of meer.
Toekomstmuziek
Ook al zullen we op het afgewerkte product nog een aantal jaren moeten wachten, toch wordt er in onze thesis reeds een stevige basis gelegd voor de verdere integratie van dove kinderen in het gewone onderwijs. Dankzij een goedkope menselijke robot die in elk klaslokaal gebruikt kan worden voor het vertalen van spreektaal, zal elk doof kind de mogelijkheid krijgen om in elke Vlaamse klas les te kunnen volgen.
[1] Door een technologie open-source te houden, kan iedereen de ontwerpen ervan downloaden en zelf gebruiken voor projecten.
Deze scriptie werd ook opgepikt door de pers:
Fragment van het Journaal op één op 02/07/2015: http://mediasite.ua.ac.be/mediasite/Play/775b022848e84fedb8b4307f268a0fa71d
Artikel in De Standaard op 02/07/2015: http://www.standaard.be/cnt/dmf20150702_01759539
Artikel in Flanders Today op 15/07/2015: http://www.flanderstoday.eu/education/antwerp-students-design-robotic-interpreter-deaf
Bibliografie
[1] A. Waugh, "Anatomie en fysiologie in gezondheid en ziekte," Edinburgh, Churchill-Livingstone
Elsevier, 2006, pp. 383-425.
[2] F. Waschke, Atlas van de menselijke anatomie, München: Elsevier GmbH, 2011.
[3] M. Ferre, First prototype of hand model sufficient for mimicking realistic hand motions,
Immersence, 2007.
[4] W. Platzer, Atlas v an de anatomie: bewegingsapparaat, Schoten: Uitgeverij Westland nv., 1988.
[5] C. Welman, "Inverse kinematics and geometric constraints for articulated figure manipulation,"
British Columbia, Canada, Simon Fraser University, 1993, pp. 17-25.
[6] R. Penne, "Projectieve meetkunde en mechanische toepassingen in het vlak," Antwerpen,
Universiteit Antwerpen, 2013, pp. 2-12.
[7] L. Barinka, Inverse kinematics - Basic methods, Praag: Czech Technical University.
[8] S. Buss, "Introduction to inverse kinematics with jacobian transpose, pseudoinverse and
damped least square methods," San Diego, University of California, 2009, pp. 3-6.
[9] Caltech University, "The Moore-Penrose Pseudo Inverse," Caltech University, p. 3.
[10] K. E. Siciliano, in Springer handbook of robotics, Berlin, Springer-Verlag, 2008, pp. 187-204.
[11] K. J. De Laurentis and C. Mavroidis, "Mechanical design of a shape memory alloy actuated
prosthetic hand".
[12] K. J. Kim and S. Tadokoro, "Electroactive polymers for robotic applications," pp. 49-90, 2007.
[13] F. Ficuciello, "Modelling and control for soft finger manipulation and human-robot interaction,"
November 2010.
[14] W. Storr, "Basic Electronics Tutorials," 14 April 2015. [Online]. Available:
http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_7.html. [Accessed 16 April 2015].
[15] R. Catthoor, Steppermotors, Hoboken: Universiteit Antwerpen, 2014.
[16] T. Engdahl, "ePanorama.net," 2009. [Online]. Available:
http://www.epanorama.net/links/motorcontrol.html#related.
[17] D. W. Jones, "Control of Stepping Motors," 1998. [Online]. Available:
http://homepage.cs.uiowa.edu/~jones/step/.
[18] A. De Winter, Direct current machines, Hoboken: University of Antwerp, 2013.
[19] P. Cools, Direct current motor, Hoboken: University of Antwerp, 2014.
[20] Futaba, Digital FET servos, Futaba.
[21] Adafruit, "RC servo motors," [Online]. Available: www.adafruit.com.
[22] R. C. Hibbeler, Statica 12th edition, United States: Pearson Education, 2010.
[23] J. Smet, Chemics and materials: Sythetic materials, Hoboken: Karel de Grote-Hogeschool, 2012.
[24] W. Six, Research visco-elastic properties, Oostende, 2011.
[25] Goodfellow, "Stainless steel," [Online]. Available: http://www.goodfellow.com/E/Stainless-
Steel-AISI-316.html.
[26] Goodfellow, "Nylon 6," [Online]. Available: http://www.goodfellow.com/E/Polyamide-Nylon-
6.html.
[27] Pelicanrope, "Dyneema," [Online]. Available:
http://www.pelicanrope.com/pdfs2010/DYNEEMA_factsheet_UHMWPE.pdf.
[28] R. C. Hibbeler, Mechanics of Materials, 8th edition, United States: Pearson Education, 2011.
[29] C. S. Sava, "Mechanical cable construction," 2006. [Online]. Available:
http://www.savacable.com/pages/wire_rope_construction.html.
[30] NXP Semiconductors, I²C-bus specification and user manual, NXP Semiconductors N.V., 2014.
[31] Philips Semiconductor, Philips Semiconductors I²C handbook, 2004.
[32] Baldor Motors and Drives, Servo control facts, Arkansas, USA: Baldor Electric Company.
[33] STMicroelectronics, AN2591 Microcontroller input/output expander, Switserland:
STMicroelectronics, 2007.
[34] EMCO group, EMCO, [Online]. Available: http://www.emcoworld.
com/en/products/industry/milling/cat/25/pr/linearmill-600.html.
[35] Materialise, "Stereolithography materials & datasheets," [Online]. Available:
http://manufacturing.materialise.com/stereolithography-materials-datash…. [Accessed 17
03 2015].
[36] Solidsmack. [Online]. Available: http://www.solidsmack.com/fabrication/stereolithogrphy-
110-micron-old-world-laboratories-nano-3d-printer/.
[37] Materialise, "Polyjet materials & datasheets," [Online]. Available:
http://manufacturing.materialise.com/materials-datasheets-polyjet. [Accessed 17 03 2015].
[38] CustomPartNet. [Online]. Available: http://www.custompartnet.com/wu/jettedphotopolymer.
[39] LiveScience. [Online]. Available: http://www.livescience.com/38862-selective-lasersintering.
html.
[40] CustomPartNet. [Online]. Available: http://www.custompartnet.com/wu/fused-depositionmodeling.
[41] Ultimaker. [Online]. Available: https://ultimaker.com/en/products/ultimaker-2-
family/ultimaker-2.
[42] B. BEECREATIVE. [Online]. Available: https://beeverycreative.com/beethefirst/.
[43] Biohazard Deltabot, [Online]. Available: http://3dtiskanje.si/.
[44] Cubify. [Online]. Available: http://cubify.com/cube.
[45] Makerbot. [Online]. Available: https://www.makerbot.com/replicator.
[46] A. e. S. O. Federale Overheidsdienst Werkgelegenheid. [Online]. Available:
http://www.werk.belgie.be/defaultTab.aspx?id=609#AutoAncher0.
[47] A. Meshmixer. [Online]. Available: http://www.meshmixer.com.
[48] V. K. a. E. T. Zhe Xu, "A Low-cost and Modular, 20-DOF Anthropomorphic Robotic Hand: Design,
Actuation and Modeling,"
http://homes.cs.washington.edu/~vikash/Projects/Finger/AnthromorphicRob…
manoids13%29.pdf.
[49] W. C. S. N. N. Dechev, "Toronto Bloorview Macmillan (TBM) Hand (Multi-Fingered, Adaptive
Grasp Prosthetic Hand: Better Function and Cosmesis),"
http://www.engr.uvic.ca/~mech350/Core-Files/SAMPLE-Presentation-%28TBM-….
[50] DLR: Robotics and Mechatronics Center, [Online]. Available:
http://www.dlr.de/rm/en/desktopdefault.aspx/tabid-5486/8995_read-16713/.
[51] T. A. R. D. a. S. T. Naoki Fukaya, "Development of a Five-Finger Dexterous Hand without
Feedback control: the TUAT/Karlsruhe Humanoid Hand,"
http://h2t.anthropomatik.kit.edu/pdf/Fukaya2013.pdf.
[52] H. K. K. Y. J. T. a. S. I. Tetsuya Mouri, "Anthropomorphic Robot Hand: Gifu Hand III,"
http://mindtrans.narod.ru/pdfs/Gifu_Hand_III.pdf.
[53] Prensilia s.r.l.: Grasping Innovation, [Online]. Available:
http://www.prensilia.com/index.php?q=en/node/40.
[54] Open Hand Project, [Online]. Available: http://www.openhandproject.org/.
[55] Inmoov, [Online]. Available: http://www.inmoov.fr/.
[56] Raúl Suárez and Patrick Grosch , "DEXTEROUS ROBOTIC HAND MA-I,"
https://iocnet.upc.edu/usuaris/raulsuarez/papers/img04-sg.pdf.
[57] Bebionic, [Online]. Available: http://bebionic.com/.
[58] Robugtix, "T8X Robotic Spider," [Online]. Available: http://www.robugtix.com/t8x/.
[59] Georgia Tech Research Institute, [Online]. Available:
http://usability.gtri.gatech.edu/eou_info/hand_anthro.php.
[60] Ticona, "Design calculations for snap fit joints in plastic parts," [Online]. Available:
http://files.engineering.com/download.aspx?folder=7fd183bb-7ac8-4891-93…-
a8badd6a102d&file=Design_for_Snapfit_revi-10.pdf.
[61] Kettenfabrik Unna, "Ball Chains DIN 5280," [Online]. Available: http://www.kettenfabrikunna.
de/kugelketten-din-5280-p-442.html. [Accessed 07 04 2015].
[62] S. V. D. Donck, Interviewee, VGT Sign Language Translator. [Interview]. August 2014.
[63] Arduino, "http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardDue," Arduino, [Online]. Available:
http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardDue. [Accessed 24 03 2015].
[64] TDK Lambda, "www.tdk-lambda.com," TDK-Lambda, [Online]. Available: http://www.tdklambda.
com/products/sps/catalog/eng/ls.pdf. [Accessed 29 03 2015].
[65] F. D. Smedt, Hydraulica, Brussel: Vrije Universiteit Brussel, 2010.
[66] J.-P. Smet, Granta CES Material Selector.
[67] D. Sawicz, Hobby Servo Fundamentals, Princeton : Princeton University.
[68] A. Colomé, Redundant inverse kinematics: experimental comparative review and two
enhancements, Barcelona: Institut de Robotica i Informàtica Industrial.
[69] J. Burdick, The Moore-Penrose Pseudoinverse, Pasadena, CA: Caltech Institute of tecnhology,
2010.
