Interacción humano-robot

La Interacción humano-robot (HRI) es el estudio de las interacciones entre humanos y robots. La interacción persona-robot es un campo multidisciplinario con contribuciones de la interacción persona-computadora, inteligencia artificial, robótica, procesamiento del lenguaje natural, diseño, psicología y filosofía. Un subcampo conocido como interacción física entre humanos y robots (pHRI) ha tendido a centrarse en el diseño de dispositivos para permitir a las personas interactuar de forma segura con sistemas robóticos.

Orígenes

La interacción entre humanos y robots ha sido un tema tanto de ciencia ficción como de especulación académica incluso antes de que existieran los robots. Debido a que gran parte del desarrollo activo de HRI depende del procesamiento del lenguaje natural, muchos aspectos de HRI son continuaciones de las comunicaciones humanas, un campo de investigación mucho más antiguo que la robótica.

El origen de la HRI como un problema discreto fue afirmado por el autor del siglo XX Isaac Asimov en 1941, en su novela Yo, robot. Asimov acuñó las Tres Leyes de la Robótica, a saber:

1. Un robot no puede herir a un ser humano o, a través de la inacción, permitir que un ser humano venga a perjudicar.
2. Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, excepto cuando tales órdenes entrarían en conflicto con la Primera Ley.
3. Un robot debe proteger su propia existencia siempre y cuando tal protección no contravenga las Leyes Primera o Segunda.

Estas tres leyes proporcionan una visión general de los objetivos que los ingenieros e investigadores tienen para la seguridad en el campo de HRI, aunque los campos de la ética de los robots y la ética de las máquinas son más complejos que estos tres principios. Sin embargo, en general, la interacción entre humanos y robots prioriza la seguridad de los humanos que interactúan con equipos robóticos potencialmente peligrosos. Las soluciones a este problema van desde el enfoque filosófico de tratar a los robots como agentes éticos (individuos con agencia moral) hasta el enfoque práctico de crear zonas de seguridad. Estas zonas de seguridad utilizan tecnologías como lidar para detectar la presencia humana o barreras físicas para proteger a las personas evitando cualquier contacto entre la máquina y el operador.

Aunque inicialmente los robots en el campo de la interacción entre humanos y robots requerían cierta intervención humana para funcionar, la investigación ha ampliado esto hasta el punto de que los sistemas totalmente autónomos son ahora mucho más comunes que a principios de la década de 2000. Los sistemas autónomos incluyen desde sistemas simultáneos de localización y mapeo que proporcionan movimiento inteligente de robots hasta sistemas de procesamiento y generación de lenguaje natural que permiten una interacción natural y humana que cumple con puntos de referencia psicológicos bien definidos.

Los robots antropomórficos (máquinas que imitan la estructura del cuerpo humano) se describen mejor en el campo de la biomimética, pero se superponen con el HRI en muchas aplicaciones de investigación. Ejemplos de robots que demuestran esta tendencia incluyen el robot PR2 de Willow Garage, el Robonaut de la NASA y el Honda ASIMO. Sin embargo, los robots en el campo de la interacción entre humanos y robots no se limitan a robots parecidos a los humanos: Paro y Kismet son robots diseñados para provocar respuestas emocionales de los humanos y, por lo tanto, entran en la categoría de interacción entre humanos y robots.

Los objetivos de HRI van desde la fabricación industrial hasta los Cobots, la tecnología médica y la rehabilitación, la intervención en el autismo y los dispositivos para el cuidado de personas mayores, el entretenimiento, el aumento humano y la comodidad humana. Por lo tanto, las investigaciones futuras cubren una amplia gama de campos, muchos de los cuales se centran en la robótica de asistencia, la búsqueda y rescate asistidos por robots y la exploración espacial.

El objetivo de las interacciones amigables entre humanos y robots

Los robots son agentes artificiales con capacidades de percepción y acción en el mundo físico, a menudo denominados por los investigadores como espacio de trabajo. Su uso se ha generalizado en las fábricas, pero hoy en día tienden a encontrarse en las sociedades tecnológicamente más avanzadas en dominios tan críticos como la búsqueda y el rescate, las batallas militares, la detección de minas y bombas, la exploración científica, la aplicación de la ley, el entretenimiento y la atención hospitalaria.

Estos nuevos dominios de aplicaciones implican una interacción más estrecha con el usuario. El concepto de cercanía debe tomarse en todo su significado: robots y humanos comparten el espacio de trabajo pero también comparten objetivos en términos de realización de tareas. Esta estrecha interacción necesita nuevos modelos teóricos, por un lado para los científicos en robótica que trabajan para mejorar la utilidad y seguridad de los robots y, por otro lado, para evaluar los riesgos y beneficios de este nuevo "amigo" para nuestra sociedad moderna. El subcampo de la interacción física entre humanos y robots (pHRI) se ha centrado en gran medida en el diseño de dispositivos para permitir que las personas interactúen de forma segura con sistemas robóticos, pero está desarrollando cada vez más enfoques algorítmicos en un intento de respaldar interacciones fluidas y expresivas entre humanos y sistemas robóticos.

Con el avance de la IA, la investigación se centra, por un lado, en la interacción física más segura, pero también en una interacción socialmente correcta, dependiendo de criterios culturales. El objetivo es construir una comunicación intuitiva y sencilla con el robot a través del habla, gestos y expresiones faciales.

Kerstin Dautenhahn se refiere a la interacción amistosa entre humanos y robots como "Robotiqueta" definirlo como las "reglas sociales para el comportamiento de los robots (una 'robotiqueta') que sea cómoda y aceptable para los humanos" El robot tiene que adaptarse a nuestra forma de expresar deseos y órdenes y no al contrario. Pero los entornos cotidianos, como los hogares, tienen reglas sociales mucho más complejas que las que implican las fábricas o incluso los entornos militares. Por tanto, el robot necesita capacidades de percepción y comprensión para construir modelos dinámicos de su entorno. Necesita categorizar objetos, reconocer y localizar a los humanos y reconocer aún más sus emociones. La necesidad de capacidades dinámicas impulsa todos los subcampos de la robótica.

Además, al comprender y percibir señales sociales, los robots pueden permitir escenarios de colaboración con los humanos. Por ejemplo, con el rápido aumento de las máquinas de fabricación personal, como impresoras 3D de escritorio, cortadoras láser, etc., que ingresan a nuestros hogares, pueden surgir escenarios en los que los robots puedan compartir el control, coordinarse y realizar tareas de forma colaborativa. Los robots industriales ya se han integrado en líneas de montaje industriales y trabajan en colaboración con los humanos. Se ha estudiado el impacto social de dichos robots y se ha indicado que los trabajadores todavía tratan a los robots y a las entidades sociales y dependen de señales sociales para comprender y trabajar juntos.

En el otro extremo de la investigación HRI, el modelado cognitivo de la "relación" La relación entre los humanos y los robots beneficia a los psicólogos y a los investigadores en robótica. El estudio de los usuarios suele ser de interés para ambas partes. Esta investigación emprende parte de la sociedad humana. Para una interacción humano-robot humanoide eficaz se deben implementar numerosas habilidades de comunicación y características relacionadas en el diseño de dichos agentes/sistemas artificiales.

Investigación general sobre HRI

La investigación de HRI abarca una amplia gama de campos, algunos de ellos generales a la naturaleza de HRI.

Métodos para percibir a los humanos

Los métodos para percibir a los seres humanos en el entorno se basan en información de sensores. La investigación sobre componentes y software de detección dirigida por Microsoft proporciona resultados útiles para extraer la cinemática humana (ver Kinect). Un ejemplo de una técnica más antigua es utilizar información de color, por ejemplo el hecho de que, para las personas de piel clara, las manos son más claras que la ropa que usan. En cualquier caso, a los datos del sensor se le puede adaptar un ser humano modelado a priori. El robot construye o tiene (dependiendo del nivel de autonomía que tenga) un mapeo 3D de su entorno al que se le asignan las ubicaciones de los humanos.

La mayoría de los métodos pretenden construir un modelo 3D a través de la visión del entorno. Los sensores de propiocepción permiten que el robot tenga información sobre su propio estado. Esta información es relativa a una referencia. Las teorías de la proxémica pueden utilizarse para percibir y planificar el espacio personal de una persona.

Se utiliza un sistema de reconocimiento de voz para interpretar deseos u órdenes humanas. Combinando la información inferida por propiocepción, sensor y habla, se determina la posición y el estado humano (de pie, sentado). En esta materia, el procesamiento del lenguaje natural se ocupa de las interacciones entre las computadoras y los lenguajes humanos (naturales), en particular cómo programar las computadoras para procesar y analizar grandes cantidades de datos del lenguaje natural. Por ejemplo, arquitecturas de redes neuronales y algoritmos de aprendizaje que se pueden aplicar a diversas tareas de procesamiento del lenguaje natural, incluido el etiquetado de partes del discurso, la fragmentación, el reconocimiento de entidades nombradas y el etiquetado de roles semánticos.

Métodos para la planificación del movimiento

La planificación del movimiento en entornos dinámicos es un desafío que por el momento sólo puede lograrse para robots con entre 3 y 10 grados de libertad. Los robots humanoides o incluso los robots con dos brazos, que pueden tener hasta 40 grados de libertad, no son adecuados para entornos dinámicos con la tecnología actual. Sin embargo, los robots de dimensiones inferiores pueden utilizar el método del campo potencial para calcular trayectorias que eviten colisiones con humanos.

Modelos cognitivos y teoría de la mente

Los humanos exhiben respuestas sociales y emocionales negativas, así como una menor confianza hacia algunos robots que se parecen mucho, pero de manera imperfecta, a los humanos; este fenómeno ha sido denominado el "Valle Uncanny". Sin embargo, investigaciones recientes sobre robots de telepresencia han establecido que imitar posturas del cuerpo humano y gestos expresivos ha hecho que los robots sean simpáticos y atractivos en un entorno remoto. Además, la presencia de un operador humano se sintió con más fuerza cuando se probó con un robot de telepresencia android o humanoide que con una comunicación de video normal a través de un monitor.

Aunque existe un creciente conjunto de investigaciones sobre la calidad de vida de los usuarios. percepciones y emociones hacia los robots, todavía estamos lejos de una comprensión completa. Sólo experimentos adicionales determinarán un modelo más preciso.

Basándonos en investigaciones anteriores, tenemos algunos indicios sobre el sentimiento y el comportamiento actual de los usuarios en torno a los robots:

• Durante las interacciones iniciales, las personas son más inciertas, anticipan menos presencia social, y tienen menos sentimientos positivos al pensar en interactuar con robots, y prefieren comunicarse con un humano. Este hallazgo ha sido llamado el script de interacción humano-a-humano.
• Se ha observado que cuando el robot realiza un comportamiento proactivo y no respeta una "distancia de seguridad" ( penetrando el espacio del usuario) el usuario a veces expresa miedo. Esta respuesta al miedo depende de la persona.
• También se ha demostrado que cuando un robot no tiene ningún uso particular, los sentimientos negativos se expresan a menudo. El robot es percibido como inútil y su presencia se vuelve molesto.
• También se ha demostrado que las personas atribuyen características de personalidad al robot que no se implementó en software.
• La gente infiere igualmente los estados mentales de los seres humanos y los robots, excepto cuando los robots y los humanos usan lenguaje no literal (como sarcasmo o mentiras blancas).
• De acuerdo con la hipótesis de contacto, la exposición supervisada a un robot social puede disminuir la incertidumbre y aumentar la voluntad de interactuar con el robot, en comparación con las actitudes pre-exposure hacia los robots como una clase de agentes.
• Interactuar con un robot mirando o tocando el robot puede reducir los sentimientos negativos que algunas personas tienen sobre los robots antes de interactuar con ellos. Incluso la interacción imaginada puede reducir los sentimientos negativos. Sin embargo, en algunos casos, interactuar con un robot puede aumentar los sentimientos negativos para las personas con fuertes sentimientos negativos preexistentes hacia los robots.

Métodos para la coordinación humano-robot

Una gran cantidad de trabajos en el campo de la interacción entre humanos y robots han analizado cómo los humanos y los robots pueden colaborar mejor. La principal señal social para los humanos mientras colaboran es la percepción compartida de una actividad; para este fin, los investigadores han investigado el control anticipado del robot a través de varios métodos que incluyen: monitorear el comportamiento de los compañeros humanos mediante el seguimiento ocular, hacer inferencias sobre la intención de la tarea humana y acción proactiva. por parte del robot. Los estudios revelaron que el control anticipatorio ayudó a los usuarios a realizar tareas más rápido que con el control reactivo solo.

Un enfoque común para programar señales sociales en robots es estudiar primero los comportamientos entre humanos y luego transferir el aprendizaje. Por ejemplo, los mecanismos de coordinación en la colaboración entre humanos y robots se basan en trabajos en neurociencia que examinaron cómo permitir la acción conjunta en la configuración entre humanos mediante el estudio de la percepción y la acción en un contexto social en lugar de de forma aislada. Estos estudios han revelado que mantener una representación compartida de la tarea es crucial para realizar tareas en grupos. Por ejemplo, los autores han examinado la tarea de conducir juntos separando las responsabilidades de aceleración y frenado, es decir, una persona es responsable de acelerar y la otra de frenar; El estudio reveló que las parejas alcanzaban el mismo nivel de desempeño que los individuos sólo cuando recibían retroalimentación sobre el momento de las acciones de cada uno. De manera similar, los investigadores han estudiado el aspecto de los traspasos entre humanos en escenarios domésticos, como pasar platos, para permitir un control adaptativo de los mismos en los traspasos entre humanos y robots. Otro estudio en el ámbito de los factores humanos y la ergonomía de los traspasos entre humanos en almacenes y supermercados revela que los donantes y los receptores perciben las tareas de traspaso de manera diferente, lo que tiene implicaciones importantes para el diseño de sistemas colaborativos entre humanos y robots centrados en el usuario. Más recientemente, los investigadores han estudiado un sistema que distribuye automáticamente las tareas de montaje entre trabajadores ubicados en el mismo lugar para mejorar la coordinación.

Robots utilizados para la investigación en HRI

Algunas investigaciones implicaron el diseño de un nuevo robot, mientras que otras utilizan robots disponibles para realizar estudios. Algunos robots de uso común son Nao, un robot humanoide y programable. Pepper, otro robot humanoide social, y Misty, un robot compañero programable.

Áreas de aplicación

Las áreas de aplicación de la interacción entre humanos y robots incluyen tecnologías robóticas que los humanos utilizan para la industria, la medicina y el compañerismo, entre otros fines.

Robots industriales

Se han implementado robots industriales para colaborar con los humanos en la realización de tareas de fabricación industrial. Si bien los humanos tienen la flexibilidad y la inteligencia para considerar diferentes enfoques para resolver el problema, elegir la mejor opción entre todas las opciones y luego ordenar a los robots que realicen las tareas asignadas, los robots pueden ser más precisos y consistentes al realizar trabajos repetitivos y peligrosos. . Juntos, la colaboración de robots industriales y humanos demuestra que los robots tienen la capacidad de garantizar la eficiencia de la fabricación y el montaje. Sin embargo, persisten preocupaciones sobre la seguridad de la colaboración entre humanos y robots, ya que los robots industriales tienen la capacidad de mover objetos pesados y operar herramientas a menudo peligrosas y afiladas, rápidamente y con fuerza. Como resultado, esto presenta una amenaza potencial para las personas que trabajan en el mismo espacio de trabajo. Por lo tanto, la planificación de diseños seguros y eficaces para lugares de trabajo colaborativos es uno de los temas más desafiantes que enfrenta la investigación.

Robots médicos

Rehabilitación

Un robot de rehabilitación es un ejemplo de un sistema asistido por robot implementado en el cuidado de la salud. Este tipo de robot ayudaría a los supervivientes de un accidente cerebrovascular o a personas con deterioro neurológico a recuperar los movimientos de las manos y los dedos. En las últimas décadas, la idea de cómo interactúan entre sí los humanos y los robots es un factor que se ha considerado ampliamente en el diseño de robots de rehabilitación. Por ejemplo, la interacción entre humanos y robots juega un papel importante en el diseño de robots de rehabilitación de exoesqueletos, ya que el sistema de exoesqueleto hace contacto directo con los seres humanos. cuerpo.

Robot de cuidado y compañía de personas mayores

Los robots de enfermería tienen como objetivo brindar asistencia a personas mayores que pueden haber enfrentado una disminución en la función física y cognitiva y, en consecuencia, desarrollar problemas psicosociales. Al ayudar en las actividades físicas diarias, la asistencia física de los robots permitiría a las personas mayores tener una sensación de autonomía y sentir que todavía pueden cuidar de sí mismos y permanecer en sus propios hogares.

La investigación a largo plazo sobre la interacción entre humanos y robots podría mostrar que los residentes de residencias de ancianos están dispuestos a interactuar con robots humanoides y beneficiarse de la activación cognitiva y física dirigida por el robot Pepper. Otro estudio a largo plazo en una residencia de ancianos podría mostrar que las personas que trabajan en el sector asistencial están dispuestas a utilizar robots en su trabajo diario con los residentes. Pero también reveló que aunque los robots están listos para ser utilizados, necesitan asistentes humanos, no pueden reemplazar la fuerza laboral humana pero sí pueden ayudarlos y brindarles nuevas posibilidades.

Robots sociales

Intervención en autismo

Durante la última década, la interacción entre humanos y robots ha mostrado resultados prometedores en la intervención contra el autismo. Los niños con trastornos del espectro autista (TEA) tienen más probabilidades de conectarse con robots que con humanos, y el uso de robots sociales se considera un enfoque beneficioso para ayudar a estos niños con TEA.

Sin embargo, las comunidades clínicas no consideran que los robots sociales que se utilizan para intervenir en el TEA de los niños sean un tratamiento viable porque el estudio del uso de robots sociales en la intervención del TEA, a menudo, no sigue el protocolo de investigación estándar. Además, el resultado de la investigación no pudo demostrar un efecto positivo consistente que pudiera considerarse una práctica basada en evidencia (PBE) basada en la evaluación clínica sistemática. Como resultado, los investigadores han comenzado a establecer pautas que sugieren cómo realizar estudios con intervención mediada por robots y, por lo tanto, producir datos confiables que podrían tratarse como PBE que permitirían a los médicos optar por utilizar robots en la intervención del TEA.

Robots educativos

Los robots pueden convertirse en tutores o compañeros en el aula. Cuando actúa como tutor, el robot puede proporcionar instrucción, información y también atención individual al estudiante. Cuando actúa como un compañero que aprende, el robot puede permitir "aprender enseñando" para estudiantes.

Rehabilitación

Los robots se pueden configurar como robots colaborativos y se pueden utilizar para la rehabilitación de usuarios con discapacidad motora. Utilizando diversas tecnologías interactivas, como el reconocimiento automático del habla, el seguimiento de la mirada, etc., los usuarios con discapacidad motora pueden controlar agentes robóticos y utilizarlos para actividades de rehabilitación como el control de sillas de ruedas eléctricas, manipulación de objetos, etc.

Conducción automática

Un ejemplo específico de interacción entre humanos y robots es la interacción entre humanos y vehículos en la conducción automatizada. El objetivo de la cooperación entre personas y vehículos es garantizar la seguridad y la comodidad en los sistemas de conducción automatizados. La mejora continua de este sistema y el progreso en los avances hacia vehículos altamente automatizados tienen como objetivo hacer que la experiencia de conducción sea más segura y eficiente en la que los humanos no necesiten intervenir en el proceso de conducción cuando hay una condición de conducción inesperada, como un peatón. cruzar la calle cuando no se supone que debe hacerlo.

Búsqueda y rescate

Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) y los vehículos submarinos no tripulados (UUV) tienen el potencial de ayudar en las tareas de búsqueda y rescate en áreas silvestres, como localizar a una persona desaparecida de forma remota a partir de la evidencia que dejaron en las áreas circundantes. El sistema integra autonomía e información, como mapas de cobertura, información de GPS y videos de búsqueda de calidad, para ayudar a los humanos a realizar el trabajo de búsqueda y rescate de manera eficiente en un tiempo limitado.

Exploración espacial

Los seres humanos han estado trabajando para lograr el próximo avance en la exploración espacial, como una misión tripulada a Marte. Este desafío identificó la necesidad de desarrollar rovers planetarios que sean capaces de ayudar a los astronautas y apoyar sus operaciones durante su misión. La colaboración entre rovers, vehículos aéreos no tripulados y humanos permite aprovechar las capacidades de todos los lados y optimizar el desempeño de las tareas.

Robots agrícolas

La mano de obra humana se ha utilizado mucho en la agricultura, pero los robots agrícolas, como los robots de ordeño, se han adoptado en la agricultura a gran escala. La higiene es el principal problema en el sector agroalimentario y la invención de esta tecnología ha tenido un gran impacto en la agricultura. Los robots también se pueden utilizar en tareas que pueden ser peligrosas para la salud humana, como la aplicación de productos químicos a las plantas.

Recursos externos

• "Interacción humana con el robot J2B2". hakenberg.de. Algoritmos, gráficos y material de vídeo.
• Hottelet, Ulrich (junio de 2009). "Albert no es feliz – Cómo los robots aprenden a vivir con la gente". African Times. Archivado desde el original el 2012-01-12.