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Lorenz, Tamara (2015): Emergent coordination between humans and robots: utilizing movement synchronization to improve human-robot interaction. Dissertation, LMU München: Graduate School of Systemic Neurosciences (GSN)
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Abstract

Emergent coordination or movement synchronization is an often observed phenomenon in human behavior. Humans synchronize their gait when walking next to each other, they synchronize their postural sway when standing closely, and they also synchronize their movement behavior in many other situations of daily life. Why humans are doing this is an important question of ongoing research in many disciplines: apparently movement synchronization plays a role in children’s development and learning; it is related to our social and emotional behavior in interaction with others; it is an underlying principle in the organization of communication by means of language and gesture; and finally, models explaining movement synchronization between two individuals can also be extended to group behavior. Overall, one can say that movement synchronization is an important principle of human interaction behavior. Besides interacting with other humans, in recent years humans do more and more interact with technology. This was first expressed in the interaction with machines in industrial settings, was taken further to human-computer interaction and is now facing a new challenge: the interaction with active and autonomous machines, the interaction with robots. If the vision of today’s robot developers comes true, in the near future robots will be fully integrated not only in our workplace, but also in our private lives. They are supposed to support humans in activities of daily living and even care for them. These circumstances however require the development of interactional principles which the robot can apply to the direct interaction with humans. In this dissertation the problem of robots entering the human society will be outlined and the need for the exploration of human interaction principles that are transferable to human-robot interaction will be emphasized. Furthermore, an overview on human movement synchronization as a very important phenomenon in human interaction will be given, ranging from neural correlates to social behavior. The argument of this dissertation is that human movement synchronization is a simple but striking human interaction principle that can be applied in human-robot interaction to support human activity of daily living, demonstrated on the example of pick-and-place tasks. This argument is based on five publications. In the first publication, human movement synchronization is explored in goal-directed tasks which bare similar requirements as pick-and-place tasks in activities of daily living. In order to explore if a merely repetitive action of the robot is sufficient to encourage human movement synchronization, the second publication reports a human-robot interaction study in which a human interacts with a non-adaptive robot. Here however, movement synchronization between human and robot does not emerge, which underlines the need for adaptive mechanisms. Therefore, in the third publication, human adaptive behavior in goal-directed movement synchronization is explored. In order to make the findings from the previous studies applicable to human-robot interaction, in the fourth publication the development of an interaction model based on dynamical systems theory is outlined which is ready for implementation on a robotic platform. Following this, a brief overview on a first human-robot interaction study based on the developed interaction model is provided. The last publication describes an extension of the previous approach which also includes the human tendency to make use of events to adapt their movements to. Here, also a first human-robot interaction study is reported which confirms the applicability of the model. The dissertation concludes with a discussion on the presented findings in the light of human-robot interaction and psychological aspects of joint action research as well as the problem of mutual adaptation.

Abstract

Spontan auftretende Koordination oder Bewegungssynchronisierung ist ein häufig zu beobachtendes Phänomen im Verhalten von Menschen. Menschen synchronisieren ihre Schritte beim nebeneinander hergehen, sie synchronisieren die Schwingbewegung zum Ausgleich der Körperbalance wenn sie nahe beieinander stehen und sie synchronisieren ihr Bewegungsverhalten generell in vielen weiteren Handlungen des täglichen Lebens. Die Frage nach dem warum ist eine Frage mit der sich die Forschung in der Psychologie, Neuro- und Bewegungswissenschaft aber auch in der Sozialwissenschaft nach wie vor beschäftigt: offenbar spielt die Bewegungssynchronisierung eine Rolle in der kindlichen Entwicklung und beim Erlernen von Fähigkeiten und Verhaltensmustern; sie steht in direktem Bezug zu unserem sozialen Verhalten und unserer emotionalen Wahrnehmung in der Interaktion mit Anderen; sie ist ein grundlegendes Prinzip in der Organisation von Kommunikation durch Sprache oder Gesten; außerdem können Modelle, die Bewegungssynchronisierung zwischen zwei Individuen erklären, auch auf das Verhalten innerhalb von Gruppen ausgedehnt werden. Insgesamt kann man also sagen, dass Bewegungssynchronisierung ein wichtiges Prinzip im menschlichen Interaktionsverhalten darstellt. Neben der Interaktion mit anderen Menschen interagieren wir in den letzten Jahren auch zunehmend mit der uns umgebenden Technik. Hier fand zunächst die Interaktion mit Maschinen im industriellen Umfeld Beachtung, später die Mensch-Computer-Interaktion. Seit kurzem sind wir jedoch mit einer neuen Herausforderung konfrontiert: der Interaktion mit aktiven und autonomen Maschinen, Maschinen die sich bewegen und aktiv mit Menschen interagieren, mit Robotern. Sollte die Vision der heutigen Roboterentwickler Wirklichkeit werde, so werden Roboter in der nahen Zukunft nicht nur voll in unser Arbeitsumfeld integriert sein, sondern auch in unser privates Leben. Roboter sollen den Menschen in ihren täglichen Aktivitäten unterstützen und sich sogar um sie kümmern. Diese Umstände erfordern die Entwicklung von neuen Interaktionsprinzipien, welche Roboter in der direkten Koordination mit dem Menschen anwenden können. In dieser Dissertation wird zunächst das Problem umrissen, welches sich daraus ergibt, dass Roboter zunehmend Einzug in die menschliche Gesellschaft finden. Außerdem wird die Notwendigkeit der Untersuchung menschlicher Interaktionsprinzipien, die auf die Mensch-Roboter-Interaktion transferierbar sind, hervorgehoben. Die Argumentation der Dissertation ist, dass die menschliche Bewegungssynchronisierung ein einfaches aber bemerkenswertes menschliches Interaktionsprinzip ist, welches in der Mensch-Roboter-Interaktion angewendet werden kann um menschliche Aktivitäten des täglichen Lebens, z.B. Aufnahme-und-Ablege-Aufgaben (pick-and-place tasks), zu unterstützen. Diese Argumentation wird auf fünf Publikationen gestützt. In der ersten Publikation wird die menschliche Bewegungssynchronisierung in einer zielgerichteten Aufgabe untersucht, welche die gleichen Anforderungen erfüllt wie die Aufnahme- und Ablageaufgaben des täglichen Lebens. Um zu untersuchen ob eine rein repetitive Bewegung des Roboters ausreichend ist um den Menschen zur Etablierung von Bewegungssynchronisierung zu ermutigen, wird in der zweiten Publikation eine Mensch-Roboter-Interaktionsstudie vorgestellt in welcher ein Mensch mit einem nicht-adaptiven Roboter interagiert. In dieser Studie wird jedoch keine Bewegungssynchronisierung zwischen Mensch und Roboter etabliert, was die Notwendigkeit von adaptiven Mechanismen unterstreicht. Daher wird in der dritten Publikation menschliches Adaptationsverhalten in der Bewegungssynchronisierung in zielgerichteten Aufgaben untersucht. Um die so gefundenen Mechanismen für die Mensch-Roboter Interaktion nutzbar zu machen, wird in der vierten Publikation die Entwicklung eines Interaktionsmodells basierend auf Dynamischer Systemtheorie behandelt. Dieses Modell kann direkt in eine Roboterplattform implementiert werden. Anschließend wird kurz auf eine erste Studie zur Mensch- Roboter Interaktion basierend auf dem entwickelten Modell eingegangen. Die letzte Publikation beschreibt eine Weiterentwicklung des bisherigen Vorgehens welche der Tendenz im menschlichen Verhalten Rechnung trägt, die Bewegungen an Ereignissen auszurichten. Hier wird außerdem eine erste Mensch-Roboter- Interaktionsstudie vorgestellt, die die Anwendbarkeit des Modells bestätigt. Die Dissertation wird mit einer Diskussion der präsentierten Ergebnisse im Kontext der Mensch-Roboter-Interaktion und psychologischer Aspekte der Interaktionsforschung sowie der Problematik von beiderseitiger Adaptivität abgeschlossen.