L’interazione uomo-robot è lo studio delle interazioni tra uomo e robot. Viene spesso definito come HRI dai ricercatori. L’interazione uomo-robot è un campo multidisciplinare con contributi dell’interazione uomo-computer, intelligenza artificiale, robotica, comprensione del linguaggio naturale, design e scienze sociali.

Definizione
Formata dall’assemblaggio delle due parole “inter” e “azione”, il termine interazione, nella sua stessa etimologia, suggerisce l’idea di un’azione reciproca, in reciprocità, di diversi elementi. Nel campo delle relazioni umane, “interazione” interviene come una contrazione dell’espressione “interazione sociale” definita come relazione interpersonale, tra due individui (qui uomo / robot), in cui le informazioni sono condivise.

L’interazione uomo-robot è organizzata attorno a diversi pannelli tecnologici. Infatti, al fine di sviluppare robot con la capacità di collaborare ma anche di “vivere” a contatto con gli esseri umani, i ricercatori stanno lavorando per sviluppare algoritmi di apprendimento, studiano l’aspetto meccanico e conducono ricerche sui materiali.

origini
L’interazione uomo-robot è stata argomento di fantascienza e speculazione accademica ancor prima che esistessero robot. Poiché l’HRI dipende dalla conoscenza della comunicazione umana (a volte naturale), molti aspetti dell’HRI sono continuazioni di argomenti di comunicazione umana che sono molto più antichi della robotica in sé.

L’origine di HRI come un problema discreto è stata affermata dall’autore del 20 ° secolo Isaac Asimov nel 1941, nel suo romanzo I, Robot. Dichiara le Tre Leggi della Robotica come,

Un robot non può ferire un essere umano o, attraverso l’inazione, permettere a un essere umano di venire a fare del male.
Un robot deve obbedire a qualsiasi ordine impartitogli dagli esseri umani, a meno che tali ordini non siano in conflitto con la Prima Legge.
Un robot deve proteggere la propria esistenza finché tale protezione non è in conflitto con la prima o la seconda legge.

Queste tre leggi della robotica determinano l’idea di interazione sicura. Più si avvicina l’uomo e il robot e più diventa complessa la relazione, più aumenta il rischio di un essere umano ferito. Oggigiorno nelle società avanzate, i produttori che impiegano robot risolvono questo problema non consentendo a uomini e robot di condividere lo spazio di lavoro in qualsiasi momento. Ciò si ottiene definendo zone sicure usando sensori lidar o gabbie fisiche. Quindi la presenza di esseri umani è completamente vietata nell’area di lavoro del robot mentre sta funzionando.

Con i progressi dell’intelligenza artificiale, i robot autonomi potrebbero alla fine avere comportamenti più proattivi, pianificando il loro movimento in ambienti complessi e sconosciuti. Queste nuove funzionalità mantengono la sicurezza come il problema principale e l’efficienza come secondaria. Per consentire questa nuova generazione di robot, sono in corso ricerche sulla rilevazione umana, la pianificazione del movimento, la ricostruzione delle scene, il comportamento intelligente attraverso la pianificazione delle attività e il comportamento conforme utilizzando il controllo della forza (schemi di controllo di impedenza o ammettenza).

L’obiettivo della ricerca HRI è quello di definire modelli di aspettative degli esseri umani riguardo all’interazione del robot per guidare la progettazione del robot e lo sviluppo algoritmico che consentirebbe un’interazione più naturale ed efficace tra uomo e robot. La ricerca spazia dal modo in cui gli esseri umani lavorano con veicoli remoti, telecomandati e senza equipaggio, alla collaborazione peer-to-peer con robot antropomorfi.

Molti nel campo dell’HRI studiano come gli umani collaborano e interagiscono e usano questi studi per motivare il modo in cui i robot devono interagire con gli umani.

L’obiettivo delle interazioni amichevoli uomo-robot
I robot sono agenti artificiali con capacità di percezione e azione nel mondo fisico spesso definiti dai ricercatori come aree di lavoro. Il loro uso è stato generalizzato nelle fabbriche, ma oggigiorno si trovano nelle società tecnologicamente più avanzate in settori critici come ricerca e soccorso, battaglia militare, rilevamento di mine e bombe, esplorazione scientifica, applicazione della legge, intrattenimento e cure ospedaliere.

Questi nuovi domini di applicazioni implicano una più stretta interazione con l’utente. Il concetto di vicinanza deve essere preso nel suo pieno significato, i robot e gli esseri umani condividono lo spazio di lavoro, ma condividono anche gli obiettivi in ​​termini di raggiungimento dei compiti. Questa stretta interazione richiede nuovi modelli teorici, da una parte per gli scienziati di robotica che lavorano per migliorare l’utilità dei robot e dall’altra per valutare i rischi ei benefici di questo nuovo “amico” per la nostra società moderna.

Con il progresso nell’IA, la ricerca si concentra su una parte verso l’interazione fisica più sicura, ma anche su un’interazione socialmente corretta, dipendente da criteri culturali. L’obiettivo è quello di costruire una comunicazione intuitiva e facile con il robot attraverso la parola, i gesti e le espressioni facciali.

Dautenhahn si riferisce all’interazione uomo-robot amichevole come “Robotica” definendola come “le regole sociali per il comportamento dei robot (una” robotiquette “) che è confortevole e accettabile per gli umani” Il robot deve adattarsi al nostro modo di esprimere desideri e ordini e non il contrario. Ma ogni giorno gli ambienti come le case hanno regole sociali molto più complesse di quelle implicite dalle fabbriche o persino dagli ambienti militari. Pertanto, il robot ha bisogno di percepire e comprendere le capacità per costruire modelli dinamici dei suoi dintorni. Ha bisogno di categorizzare oggetti, riconoscere e localizzare gli umani e migliorare le loro emozioni. Il bisogno di capacità dinamiche spinge in avanti ogni sotto-campo della robotica.

Inoltre, attraverso la comprensione e la percezione dei segnali sociali, i robot possono abilitare scenari collaborativi con gli umani. Ad esempio, con la rapida crescita di macchine per la fabbricazione personale come stampanti desktop 3d, taglierine laser, ecc., Che entrano nelle nostre case, possono sorgere scenari in cui i robot possono condividere il controllo, coordinare e raggiungere insieme i compiti in modo collaborativo. I robot industriali sono già stati integrati nelle linee di assemblaggio industriali e lavorano in collaborazione con gli esseri umani. L’impatto sociale di tali robot è stato studiato e ha indicato che i lavoratori trattano ancora robot e entità sociali, fanno affidamento su segnali sociali per capire e lavorare insieme.

Dall’altro lato della ricerca HRI, la modellizzazione cognitiva della “relazione” tra uomo e robot avvantaggia gli psicologi e i ricercatori robotici; lo studio degli utenti è spesso di interesse da entrambe le parti. Questa ricerca si sforza parte della società umana. Per un’efficace interazione tra robot umanoide e umanoide, numerose abilità di comunicazione e relative caratteristiche dovrebbero essere implementate nella progettazione di tali agenti / sistemi artificiali.

Semplificazione delle interazioni
umanizzazione
Non solo l’aspetto è importante, ma anche i gesti hanno un ruolo primario. Più umano è l’aspetto del robot, più facile sarà per l’uomo accettare la sua compagnia.

Per rendere più semplice l’accettazione del robot da parte dell’uomo e garantire un’interazione naturale e sicura, nulla è lasciato al caso, a cominciare dall’aspetto del robot. Pertanto, il materiale flessibile scelto come “pelle” dal robot Robopec contribuisce a rendere espressivo il loro robot: “Reeti ci consente di aggiungere l’interazione tra l’uomo e il robot, attraverso un pannello di emozioni.La pelle di Reeti è elastica e deformabile, quindi può imitare certe emozioni “, spiega Christophe Rousset, fondatore di Robopec. Oltre a un viso espressivo, i materiali morbidi e intelligenti consentono anche un tocco più sensibile.

Inoltre, la riproduzione delle capacità sensomotorie umane su un robot rimane una sfida essenziale per la robotica. Questo vuoto è chiamato tra intelligenza artificiale e intelligenza sensibile: Paradosso di Moravec.

Autonomia
L’AIST (Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia Industriali Avanzate di Tsukuba) in collaborazione con il CNRS, lavora da 10 anni per sviluppare la comunicazione tra umani e robot, incluso il tentativo di creare un robot totalmente autonomo che capisca e obbedisca all’uomo. Per rendere ciò possibile, gli scienziati optano per un approccio mirato alla percezione tri-sensoriale. Attraverso iCub, un piccolo robot open source con tre sensi (vista, udito, tocco), i ricercatori dell’Istituto Italiano di Tecnologia lavorano per migliorare il senso del tatto. iCub è un robot umanoide in grado di interagire con il suo ambiente e gli esseri umani. Coperto di sensori sensoriali, può riconoscere vari oggetti, afferrarli senza schiacciarli e mantenere il loro nome.

Ad Akka Technologies, gli ingegneri hanno incorporato uno strato di intelligenza artificiale nella macchina robotica Link and Go: “L’auto è in grado di riconoscere il passeggero e, a seconda del momento e del contesto, suggerire percorsi. Il robot diventa una forza di proposizione. non importa il livello di intelligenza, l’uomo deve essere sempre in grado di riprendersi la mano, in particolare sui robot collaborativi dedicati al servizio. Lontano dalle finzioni del robot capace di prendere il controllo della nostra vita, Rodolphe Hasselvander, direttore di il Centro di Robotica Integrata dell’Ile-de-France (CRIIF) ci riporta alla realtà: “Non siamo al punto di avere robot autonomi. L’idea è di avere un robot controllato a distanza.

Sfide tecnologiche
– Materiali intelligenti: per migliorare il senso del tatto.
– Sensori sensoriali: per meglio percepire l’ambiente.
– Potenza di calcolo: per definire in tempo reale le traiettorie.
– Intelligenza artificiale: imparare a riconoscere l’ambiente ed eseguire nuovi compiti.
– Meccanica: in modo che i movimenti del robot appaiano naturali per l’uomo. 3

Ricerca HRI generale
La ricerca HRI si estende su una vasta gamma di campi, alcuni in generale sulla natura dell’HRI.

Metodi per percepire gli umani
La maggior parte dei metodi intende costruire un modello 3D attraverso la visione dell’ambiente. I sensori di propriocezione consentono al robot di avere informazioni sul proprio stato. Questa informazione è relativa a un riferimento.

I metodi per percepire gli esseri umani nell’ambiente si basano sulle informazioni del sensore. La ricerca sui componenti e sul software di rilevamento guidati da Microsoft fornisce risultati utili per l’estrazione della cinematica umana. Un esempio di tecnica più vecchia consiste nell’utilizzare le informazioni sul colore, ad esempio il fatto che per le persone dalla pelle chiara le mani sono più leggere degli abiti indossati. In ogni caso un modello umano a priori può quindi essere adattato ai dati del sensore. Il robot costruisce o ha (a seconda del livello di autonomia del robot) una mappatura 3D dei suoi dintorni a cui sono assegnati i luoghi umani.

Un sistema di riconoscimento vocale viene utilizzato per interpretare desideri o comandi umani. Combinando l’informazione derivata dalla propriocezione, dal sensore e dal discorso, la posizione e lo stato umani (in piedi, seduti).

Metodi per la pianificazione del movimento
La pianificazione del movimento in ambiente dinamico è una sfida che per il momento viene raggiunta solo per i robot da 3 a 10 gradi di libertà. I robot umanoidi o anche 2 robot armati che possono avere fino a 40 gradi di libertà non sono adatti agli ambienti dinamici con la tecnologia odierna. Tuttavia, i robot di dimensioni inferiori possono utilizzare il potenziale metodo di campo per calcolare le traiettorie evitando collisioni con umani.

Modelli cognitivi e teoria della mente
Gli esseri umani esibiscono risposte sociali ed emotive negative e diminuiscono la fiducia nei confronti di alcuni robot che, da vicino, ma imperfettamente, assomigliano agli umani; questo fenomeno è stato definito “Valle incosciente”. Tuttavia, ricerche recenti sui robot di telepresenza hanno dimostrato che mimare le posture del corpo umano e i gesti espressivi ha reso i robot simpatici e coinvolgenti in un ambiente remoto. Inoltre, la presenza di un operatore umano è stata avvertita con più forza quando testata con un robot di telepresenza Android o umanoide rispetto alla normale comunicazione video attraverso un monitor.

Mentre c’è un crescente corpo di ricerca sulle percezioni degli utenti e le emozioni nei confronti dei robot, siamo ancora lontani da una comprensione completa. Solo ulteriori esperimenti determineranno un modello più preciso.

Sulla base delle ricerche precedenti abbiamo alcune indicazioni sul sentimento e sul comportamento degli utenti nei confronti dei robot:

Durante le interazioni iniziali, le persone sono più incerte, anticipano una minore presenza sociale e hanno meno sentimenti positivi quando pensano di interagire con i robot. Questo risultato è stato chiamato lo script di interazione da uomo a uomo.
È stato osservato che quando il robot esegue un comportamento proattivo e non rispetta una “distanza di sicurezza” (penetrando nello spazio dell’utente) l’utente a volte esprime paura. Questa risposta alla paura è dipendente dalla persona.
È stato anche dimostrato che quando un robot non ha un uso particolare, i sentimenti negativi sono spesso espressi. Il robot è percepito come inutile e la sua presenza diventa fastidiosa.
È stato anche dimostrato che le persone attribuiscono caratteristiche di personalità al robot che non sono state implementate nel software.

Metodi per il coordinamento uomo-robot
Una grande quantità di lavoro nel campo dell’interazione uomo-robot ha esaminato come gli esseri umani ei robot possano collaborare meglio. Il principale suggerimento sociale per gli esseri umani durante la collaborazione è la percezione condivisa di un’attività, a tal fine i ricercatori hanno studiato il controllo anticipatorio del robot attraverso vari metodi, tra cui: monitorare i comportamenti dei partner umani utilizzando il tracciamento oculare, fare inferenze sull’intento dei compiti umani e azioni proattive da parte del robot. Gli studi hanno rivelato che il controllo preventivo ha aiutato gli utenti a eseguire le attività più velocemente rispetto al solo controllo reattivo.

Un approccio comune per programmare i segnali sociali nei robot è studiare prima i comportamenti umano-umani e poi trasferire l’apprendimento. Ad esempio, i meccanismi di coordinamento nella collaborazione uomo-robot sono basati sul lavoro nelle neuroscienze che ha esaminato come consentire l’azione congiunta nella configurazione uomo-umana studiando la percezione e l’azione in un contesto sociale piuttosto che in isolamento. Questi studi hanno rivelato che il mantenimento di una rappresentazione condivisa dell’attività è cruciale per svolgere compiti in gruppo. Ad esempio, gli autori hanno esaminato il compito di guidare insieme separando le responsabilità dell’accelerazione e della frenata, cioè una persona è responsabile dell’accelerazione e l’altra della frenata; lo studio ha rivelato che le coppie hanno raggiunto lo stesso livello di prestazioni degli individui solo quando hanno ricevuto feedback sul tempo delle azioni di ciascuno. Allo stesso modo, i ricercatori hanno studiato l’aspetto dei passaggi umani-umani con scenari domestici come passare piatti da pranzo al fine di consentire un controllo adattivo degli stessi nei passaggi uomo-robot. Più di recente, i ricercatori hanno studiato un sistema che distribuisce automaticamente compiti di assemblaggio tra i lavoratori co-localizzati per migliorare il coordinamento.

Ricerca HRI orientata all’applicazione
Oltre alla ricerca generale sull’HRI, i ricercatori stanno attualmente esplorando aree di applicazione per sistemi di interazione uomo-robot. La ricerca orientata alle applicazioni viene utilizzata per aiutare a portare le attuali tecnologie di robotica a sopportare i problemi che esistono nella società di oggi. Mentre l’interazione uomo-robot è ancora un’area di interesse piuttosto giovane, vi è uno sviluppo e una ricerca attivi in ​​molte aree.

Ricerca HRI / OS
Il sistema operativo di interazione uomo-robot (HRI / OS), “fornisce una struttura software strutturata per la costruzione di team uomo-robot, supporta una varietà di interfacce utente, consente agli esseri umani e ai robot di impegnarsi in un dialogo orientato ai compiti e facilita l’integrazione dei robot attraverso un’API estensibile “.

Cerca e salva
I primi soccorritori affrontano grandi rischi nelle impostazioni di ricerca e soccorso (SAR), che in genere coinvolgono ambienti non sicuri per il viaggio umano. Inoltre, la tecnologia offre strumenti per l’osservazione che possono notevolmente accelerare e migliorare l’accuratezza della percezione umana. I robot possono essere utilizzati per risolvere questi problemi. La ricerca in questo settore comprende gli sforzi per affrontare il rilevamento del robot, la mobilità, la navigazione, la pianificazione, l’integrazione e il controllo a distanza.

I robot SAR sono già stati implementati in ambienti come il Crollo del World Trade Center.

Altre aree di applicazione includono:

Divertimento
Formazione scolastica
Robotica di campo
Robotica domestica e compagna
Ospitalità
Riabilitazione e cura degli anziani
Robot Assisted Therapy (RAT)