A interação homem-robô é o estudo das interações entre humanos e robôs. É frequentemente referido como HRI pelos pesquisadores. A interação homem-robô é um campo multidisciplinar com contribuições da interação humano-computador, inteligência artificial, robótica, compreensão da linguagem natural, design e ciências sociais.

Definição
Formado pela montagem das duas palavras “inter” e “ação”, o termo interação, em sua própria etimologia, sugere a idéia de uma ação mútua, em reciprocidade, de vários elementos. No campo das relações humanas, a “interação” intervém como uma contração da expressão “interação social” definida como um relacionamento interpessoal, entre dois indivíduos (aqui homem / robô), em que a informação é compartilhada.

A interação humano-robô é organizada em torno de vários painéis tecnológicos. De fato, para desenvolver robôs com a capacidade de colaborar, mas também para “viver” em contato com humanos, os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver algoritmos de aprendizado, estudam o aspecto mecânico e conduzem pesquisas sobre materiais.

Origens
Interação homem-robô tem sido um tópico de ficção científica e especulação acadêmica antes mesmo de existir qualquer robô. Como o HRI depende do conhecimento da comunicação humana (às vezes natural), muitos aspectos do HRI são continuações de tópicos de comunicação humana muito mais antigos que a robótica em si.

A origem do HRI como um problema discreto foi declarado pelo autor do século XX Isaac Asimov em 1941, em seu romance I, Robot. Ele afirma as três leis da robótica como,

Um robô não pode ferir um ser humano ou, por inação, permitir que um ser humano se machuque.
Um robô deve obedecer a qualquer ordem dada a ele por seres humanos, exceto quando tais ordens entrem em conflito com a Primeira Lei.
Um robô deve proteger sua própria existência, desde que tal proteção não entre em conflito com a primeira ou segunda lei.

Essas três leis da robótica determinam a ideia de interação segura. Quanto mais o humano e o robô se aproximarem e quanto mais complexo o relacionamento se torna, mais aumenta o risco de um ser humano ferido. Hoje em dia, em sociedades avançadas, os fabricantes que empregam robôs resolvem esse problema deixando que humanos e robôs compartilhem o espaço de trabalho a qualquer momento. Isto é conseguido através da definição de zonas seguras usando sensores de guiamento ou gaiolas físicas. Assim, a presença de seres humanos é completamente proibida no espaço de trabalho do robô enquanto ele está funcionando.

Com os avanços da inteligência artificial, os robôs autônomos poderiam, eventualmente, ter comportamentos mais proativos, planejando seu movimento em ambientes complexos e desconhecidos. Esses novos recursos mantêm a segurança como a principal questão e a eficiência como secundária. Para permitir essa nova geração de robôs, estão sendo conduzidas pesquisas sobre detecção humana, planejamento de movimento, reconstrução de cenas, comportamento inteligente através de planejamento de tarefas e comportamento compatível usando o controle de força (esquemas de controle de impedância ou admitância).

O objetivo da pesquisa da HRI é definir modelos de expectativas dos seres humanos em relação à interação do robô para orientar o projeto do robô e o desenvolvimento algorítmico que permitiria uma interação mais natural e efetiva entre humanos e robôs. A pesquisa abrange desde como os seres humanos trabalham com veículos não tripulados remotos e teleoperados, até a colaboração entre pares com robôs antropomórficos.

Muitos no campo da HRI estudam como os humanos colaboram e interagem e usam esses estudos para motivar como os robôs devem interagir com os seres humanos.

O objetivo das interações amigáveis ​​entre humanos e robôs
Os robôs são agentes artificiais com capacidades de percepção e ação no mundo físico, muitas vezes referidos pelos pesquisadores como espaço de trabalho. Seu uso tem sido generalizado em fábricas, mas hoje em dia elas tendem a ser encontradas nas sociedades tecnologicamente mais avançadas em domínios críticos como busca e salvamento, batalha militar, detecção de minas e bombas, exploração científica, aplicação da lei, entretenimento e assistência hospitalar.

Esses novos domínios de aplicativos implicam uma interação mais próxima com o usuário. O conceito de proximidade deve ser tomado em seu significado completo, robôs e seres humanos compartilham o espaço de trabalho, mas também compartilham metas em termos de realização de tarefas. Essa interação precisa de novos modelos teóricos, de um lado, para os cientistas da robótica que trabalham para melhorar a utilidade do robô e, de outro, para avaliar os riscos e benefícios desse novo “amigo” para a sociedade moderna.

Com o avanço da IA, a pesquisa está focada em uma parte para a interação física mais segura, mas também em uma interação socialmente correta, dependente de critérios culturais. O objetivo é criar uma comunicação intuitiva e fácil com o robô por meio de fala, gestos e expressões faciais.

Dautenhahn refere-se à interação amigável humano-robô como “Robotiquette” definindo-o como “regras sociais para o comportamento do robô (uma ‘robotiqueta’) que é confortável e aceitável para os seres humanos” O robô tem que se adaptar à nossa maneira de expressar desejos e ordens e não o contrário. Mas, a cada dia, ambientes como casas têm regras sociais muito mais complexas do que aquelas implícitas em fábricas ou mesmo em ambientes militares. Assim, o robô precisa perceber e entender as capacidades para construir modelos dinâmicos de seu entorno. Ele precisa categorizar objetos, reconhecer e localizar humanos e promover suas emoções. A necessidade de capacidades dinâmicas impulsiona cada sub-campo da robótica.

Além disso, ao entender e perceber as sugestões sociais, os robôs podem possibilitar cenários colaborativos com humanos. Por exemplo, com a rápida ascensão de máquinas de fabricação pessoal, como impressoras 3D de mesa, cortadores a laser, etc., entrando em nossas casas, podem surgir cenários em que robôs podem compartilhar, controlar, coordenar e realizar tarefas em conjunto. Robôs industriais já foram integrados em linhas de montagem industrial e estão colaborando com humanos. O impacto social de tais robôs foi estudado e indicou que os trabalhadores ainda tratam robôs e entidades sociais, dependem de pistas sociais para entender e trabalhar juntos.

No outro extremo da pesquisa da HRI, a modelagem cognitiva da “relação” entre o humano e o robô beneficia os psicólogos e os pesquisadores robóticos. O estudo do usuário costuma ter interesses de ambos os lados. Esta pesquisa esforça-se por parte da sociedade humana. Para uma interação eficaz entre humanos e humanóides, várias habilidades de comunicação e recursos relacionados devem ser implementados no projeto desses agentes / sistemas artificiais.

Simplificação de interações
Humanização
Não apenas a aparência é importante, mas os gestos também têm um papel primordial. Quanto mais humanóide for a aparência do robô, mais fácil será para o homem aceitar sua empresa.

Para facilitar a aceitação do robô pelo homem e garantir uma interação natural e segura, nada é deixado ao acaso, começando pela aparência do robô. Assim, o material flexível escolhido como “pele” pelo Robopec robótico ajuda a tornar o robô expressivo: “Reeti nos permite adicionar interação entre o homem e o robô, através de um painel de emoções. A pele de Reeti é flexível e deformável, então pode imitar certas emoções “, explica Christophe Rousset, fundador da Robopec. Além de um rosto expressivo, materiais suaves e inteligentes também permitem um toque mais sensível.

Além disso, a reprodução de habilidades sensorimotoras humanas em um robô continua sendo um desafio essencial para a robótica. Essa lacuna é chamada entre inteligência artificial e inteligência sensível: paradoxo de Moravec.

Autonomia
O AIST (Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada de Tsukuba), em colaboração com o CNRS, trabalha há 10 anos para desenvolver a comunicação entre humanos e robôs, incluindo a tentativa de criar um robô totalmente autônomo que entende e obedece ao homem. Para tornar isso possível, os cientistas optam por uma abordagem focada na percepção tri-sensorial. Através do iCub, um pequeno robô de código aberto com três sentidos (visão, audição, toque), pesquisadores do Instituto Italiano de Tecnologia trabalham para melhorar o sentido do tato. O iCub é um robô humanóide que pode interagir com o ambiente e com os seres humanos. Coberto com sensores sensoriais, ele pode reconhecer vários objetos, agarrá-los sem esmagá-los e manter seu nome.

Na Akka Technologies, os engenheiros incorporaram uma camada de inteligência artificial ao carro robótico Link and Go: “O carro é capaz de reconhecer o passageiro e, dependendo do tempo e do contexto, sugerir rotas. O robô se torna uma força de proposição. Mas não importa o nível de inteligência, o homem deve sempre ser capaz de recuperar a mão, em particular dos robôs colaborativos dedicados ao serviço Longe das ficções do robô capaz de assumir o controle de nossas vidas, Rodolphe Hasselvander, diretor de O Centro de Robótica Integrada de Ile-de-France (CRIIF) nos traz de volta à realidade: “Nós não estamos no ponto de ter robôs autônomos. A ideia é ter um robô controlado remotamente.

Desafios tecnológicos
– Materiais inteligentes: para melhorar o sentido do tato.
Sensores sensoriais: para melhor perceber o ambiente.
– Potência de cálculo: definir em tempo real as trajetórias.
– Inteligência Artificial: aprender a reconhecer o ambiente e realizar novas tarefas.
– Mecânica: para que os movimentos do robô pareçam naturais para o homem. 3

Pesquisa geral de HRI
Pesquisa de HRI abrange uma ampla gama de campos, alguns gerais para a natureza do HRI.

Métodos para perceber os humanos
A maioria dos métodos pretende construir um modelo 3D através da visão do ambiente. Os sensores de propriocepção permitem que o robô tenha informações sobre seu próprio estado. Esta informação é relativa a uma referência.

Os métodos para perceber os humanos no ambiente são baseados em informações do sensor. Pesquisas sobre componentes de sensoriamento e software liderados pela Microsoft fornecem resultados úteis para a extração da cinemática humana. Um exemplo de técnica mais antiga é usar informações de cores, por exemplo, o fato de que, para pessoas de pele clara, as mãos são mais leves do que as roupas usadas. Em qualquer caso, um humano modelado a priori pode ser ajustado aos dados do sensor. O robô constrói ou tem (dependendo do nível de autonomia que o robô possui) um mapeamento em 3D do ambiente ao qual é atribuído os locais humanos.

Um sistema de reconhecimento de fala é usado para interpretar os desejos ou comandos humanos. Combinando as informações inferidas por propriocepção, sensor e fala, a posição e estado humanos (em pé, sentados).

Métodos para planejamento de movimento
O planejamento de movimento em ambiente dinâmico é um desafio que, no momento, só é alcançado para robôs de 3 a 10 graus de liberdade. Robôs humanóides ou até mesmo dois robôs armados que podem ter até 40 graus de liberdade são inadequados para ambientes dinâmicos com a tecnologia atual. No entanto, robôs de dimensões menores podem usar o método de campo potencial para calcular trajetórias evitando colisões com humanos.

Modelos cognitivos e teoria da mente
Os seres humanos exibem respostas sociais e emocionais negativas, assim como diminuem a confiança em relação a alguns robôs que, de maneira próxima, imperfeita, lembram humanos; esse fenômeno foi chamado de “Vale do Inquietante”. No entanto pesquisas recentes em robôs de telepresença estabeleceram que imitar posturas corporais humanas e gestos expressivos tornou os robôs simpáticos e envolventes em um ambiente remoto. Além disso, a presença de um operador humano foi sentida mais fortemente quando testado com um robô de telepresença android ou humanóide do que com uma comunicação de vídeo normal através de um monitor.

Embora haja um corpo crescente de pesquisas sobre as percepções e emoções dos usuários em relação aos robôs, ainda estamos longe de uma compreensão completa. Somente experimentos adicionais determinarão um modelo mais preciso.

Com base em pesquisas anteriores, temos algumas indicações sobre o sentimento atual do usuário e o comportamento em torno dos robôs:

Durante as interações iniciais, as pessoas são mais incertas, antecipam menos presença social e têm menos sentimentos positivos quando pensam em interagir com robôs. Esse achado foi chamado de roteiro de interação humano para humano.
Foi observado que quando o robô executa um comportamento proativo e não respeita uma “distância de segurança” (penetrando no espaço do usuário), o usuário às vezes expressa medo. Essa resposta do medo é dependente da pessoa.
Também foi demonstrado que quando um robô não tem um uso particular, sentimentos negativos são frequentemente expressos. O robô é percebido como inútil e sua presença se torna irritante.
Também se mostrou que as pessoas atribuem características de personalidade ao robô que não foram implementadas no software.

Métodos para coordenação entre humanos e robôs
Um grande corpo de trabalho no campo da interação homem-robô analisou como humanos e robôs podem colaborar melhor. A principal sugestão social para os humanos enquanto colaboram é a percepção compartilhada de uma atividade. Para isso, pesquisadores investigaram o controle antecipado de robôs através de vários métodos, incluindo: monitorar os comportamentos de parceiros humanos usando rastreamento ocular, fazer inferências sobre a intenção da tarefa humana e ação proativa. por parte do robô. Os estudos revelaram que o controle antecipatório ajudou os usuários a executar tarefas mais rapidamente do que com o controle reativo sozinho.

Uma abordagem comum para programar pistas sociais em robôs é primeiro estudar comportamentos humano-humanos e depois transferir o aprendizado. Por exemplo, os mecanismos de coordenação na colaboração homem-robô baseiam-se no trabalho em neurociência que examinou como possibilitar a ação conjunta na configuração humano-humana, estudando a percepção e a ação em um contexto social e não isoladamente. Esses estudos revelaram que a manutenção de uma representação compartilhada da tarefa é crucial para a realização de tarefas em grupos. Por exemplo, os autores examinaram a tarefa de conduzir juntos separando as responsabilidades de aceleração e frenagem, ou seja, uma pessoa é responsável pela aceleração e a outra pela frenagem; O estudo revelou que os pares atingiram o mesmo nível de desempenho que os indivíduos apenas quando receberam feedback sobre o tempo das ações um do outro. Da mesma forma, os pesquisadores estudaram o aspecto das transferências humano-humanas com cenários domésticos, como a passagem de pratos de jantar, a fim de permitir um controle adaptativo dos mesmos em transferências de robô humano. Mais recentemente, pesquisadores estudaram um sistema que distribui automaticamente tarefas de montagem entre trabalhadores co-localizados para melhorar a coordenação.

Pesquisa de HRI orientada para aplicação
Além da pesquisa geral de HRI, os pesquisadores estão atualmente explorando áreas de aplicação para sistemas de interação homem-robô. A pesquisa orientada para a aplicação é usada para ajudar a trazer as tecnologias robóticas atuais contra os problemas que existem na sociedade atual. Embora a interação homem-robô ainda seja uma área bastante jovem de interesse, há desenvolvimento ativo e pesquisa em muitas áreas.

Pesquisa HRI / OS
O Sistema Operacional de Interação Humano-Robô (HRI / OS), “fornece uma estrutura de software estruturada para construir equipes de humanos-robôs, suporta uma variedade de interfaces de usuário, permite que humanos e robôs se envolvam em diálogo orientado a tarefas e facilita a integração de robôs através de uma API extensível “.

Busca e resgate
Os socorristas enfrentam grandes riscos em configurações de busca e salvamento (SAR), que normalmente envolvem ambientes que não são seguros para um ser humano viajar. Além disso, a tecnologia oferece ferramentas para observação que podem acelerar bastante e melhorar a precisão da percepção humana. Os robôs podem ser usados ​​para resolver esses problemas. Pesquisas nesta área incluem esforços para endereçar sensores robóticos, mobilidade, navegação, planejamento, integração e controle teleoperado.

Os robôs SAR já foram implantados em ambientes como o Collapse of the World Trade Center.

Outras áreas de aplicação incluem:

Entretenimento
Educação
Robótica de campo
Robótica doméstica e companheira
Hospitalidade
Reabilitação e cuidados com idosos
Terapia Assistida por Robô (RAT)