Felix, the robot

Menschen neigen dazu, auch unbelebten Objekten wesenshafte Eigenschaften wie Charakter, Emotionen oder Verhalten zuzusprechen. Damit spielt das interaktive Exponat Felix, the Robot: Auf der einen Seite sehen die Besucher einen demonstrativ technologischen Aufbau (Drehteile, Frästeile, Bowdenzüge, Zahnräder).

Auf der anderen Seite werten sie die Gesichtsausdrücke von Felix als „emotionales Verhalten“. Sie reagieren auf ihn wie auf ein menschliches Gegenüber und beginnen sofort mit einer Interaktion. In der Wahrnehmung entsteht so ein spannendes Pendeln zwischen diesen beiden Ebenen, denn Felix kann in Echtzeit die wichtigsten Emotionen, mit denen Menschen interagieren, ausdrücken: Freude, Trauer, Ärger und Erstaunen.

Die Interaktion zwischen Felix, the Robot, und dem Besucher wird möglich durch eine Kombination hoch entwickelter Softwarelösungen und einer damit verbundenen ausgeklügelten Antriebsmechanik. Die Herausforderung war, ein Gesicht zu entwerfen, das einerseits Emotionen zeigen und andrerseits in klare mechanische Einheiten gegliedert werden kann. Die Mechanik selbst sollte viel Spielraum für die Mimik geben sowie reaktionsschnell und dauerhaft funktionieren.

Die zuverlässigsten Antriebe/Motoren für die mechanischen Elemente, die es auf dem Markt gibt, waren jedoch zu groß, um sie im Kopf zu integrieren. Es musste also die Distanz vom Motor (im Vitrinensockel) zum Gelenk im Kopf (auf dem Sockel) überwunden werden. Dies wurde nach einer Phase des Experimentierens schließlich über Bowdenzüge und entsprechende Hebel und Übersetzungen gelöst. Zudem wurden verschleißarme Gleitlager verwendet, um die gewünschte wartungsfreie Betriebsdauer zu erreichen.

ABLAUF

Die im Kopf des Roboters eingebaute Kamera erfasst zunächst das Gesicht des realen Besuchers. Mit Hilfe der so genannten SHORE™ Library – kurz für Sophisticated Highspeed Object Recognition Engine – des Fraunhofer Instituts IIS wird der Gesichtsausdruck analysiert und als eine Emotion wie fröhlich, erstaunt, grimmig oder traurig gewertet. Mittels der Open Scource Software libavg werden die so erhaltenen Daten in Echtzeit weiterverarbeitet und in Anweisungen für elf Schrittmotoren umgewandelt. So „reagiert“ Felix mit seinen Gesichtszügen direkt auf den Gesichtsausdruck seines Gegenübers.

Das Herzstück von Felix befindet sich im Inneren des Vitrinensockels:
Hier werden die digital generierten Daten an die Antriebsmechanik des Roboterkopfes weitergeleitet. Die Schrittmotoren in den Antriebseinheiten wandeln die Drehbewegung mittels Zahnstange in Linearbewegung um. Bowdenzüge sorgen für die Übermittlung der realen „Gesichtszüge“ zu den beweglichen Teilen des Roboterkopfes, der so die elementaren Emotionen widerspiegeln kann.

HARDWARE

Der technische Aufbau beinhaltet:

• Steuerungsrechner
• Live-Videokamera
• Elf Schrittmotor-gesteuerte Antriebseinheiten
• 10m-Präzisions-Bowdenzüge zur Kraftübertragung
• anspruchsvolle Konstruktion des Kopfes mit 11 Freiheitsgraden
• mehr als 20 Lager für die beweglichen Teile
• mehr als 50 speziell gefertigte Einzelteile

Alle Komponenten des technischen Aufbaus (von Motoren über Züge, bewegliche Teile) sind auf Dauerbetrieb ausgelegt. Das Exponat wurde komplett (von der ersten bis zur letzen Schraube) digital entworfen, konstruiert und simuliert.

Dieser Entwurfsprozess wurde durch zahlreiche Versuchs-, Funktions- und Designmodelle begleitet, denn ohne physische Prototypen ist eine solche Entwicklung schwer möglich. Die Herausforderung bestand darin, eine Vielzahl von beweglichen Elementen auf engstem Raum unterzubringen.

Hergestellt wurden fast alle Bauteile entweder im:

– generativen Rapid-Prototyping-Verfahren (Selektives Lasersintern)

– CNC-Fräs-Verfahren

Mit RP-Verfahren lassen sich mit bisher ungekannter Gestaltungsfreiheit Bauteile realisieren. Zudem ist das Verfahren inzwischen sehr attraktiv geworden, was die Produktionskosten betrifft. Das Grundgerüst des Kopfes ist aus Teflon (PTFE) gefertigt.

SOFTWARE

Auf Basis einer Gesichts-Erkennungssoftware von Fraunhofer IIS werden verschiedene Gesichtsausdrücke dargestellt. Die Adaption der Software beinhaltete eine Experimentierphase, in deren Verlauf der größte Teil der umfangreichen Software von Archimedes selbst programmiert wurde.

• Design und Konstruktion
• Materialrecherche
• Produktion Hardware
• Programmierung Software
• Montage
• Evaluation Fokusgruppen

• Auftraggeber: Copernicus Science Center, Warschau
• Ausstellung: RE: generation; 2011
• Zielgruppe: 17- bis 25-Jährige und darüberhinaus