Взаимодействие человека и робота ( HRI ) — это изучение взаимодействия между людьми и роботами. Взаимодействие человека и робота — это междисциплинарная область, в которую входят взаимодействие человека и компьютера , искусственный интеллект , робототехника , обработка естественного языка , дизайн , психология и философия . Подобласть, известная как физическое взаимодействие человека и робота (pHRI), имеет тенденцию фокусироваться на проектировании устройств, позволяющих людям безопасно взаимодействовать с роботизированными системами. [1]
Взаимодействие человека и робота было темой как научной фантастики, так и академических спекуляций еще до того, как появились роботы. Поскольку большая часть активной разработки HRI зависит от обработки естественного языка , многие аспекты HRI являются продолжением человеческих коммуникаций , области исследований, которая намного старше робототехники.
Происхождение HRI как дискретной проблемы было изложено писателем 20-го века Айзеком Азимовым в 1941 году в его романе « Я, робот» . Азимов сформулировал Три закона робототехники , а именно:
Эти три закона дают обзор целей, которые инженеры и исследователи ставят перед безопасностью в области HRI, хотя области этики роботов и этики машин сложнее, чем эти три принципа. Однако, как правило, взаимодействие человека и робота ставит в приоритет безопасность людей, которые взаимодействуют с потенциально опасным робототехническим оборудованием. Решения этой проблемы варьируются от философского подхода, рассматривающего роботов как этических агентов (индивидов с моральной свободой действий ), до практического подхода к созданию зон безопасности. Эти зоны безопасности используют такие технологии, как лидар, для обнаружения присутствия человека или физические барьеры для защиты людей путем предотвращения любого контакта между машиной и оператором. [3]
Хотя изначально роботы в области взаимодействия человека и робота требовали некоторого человеческого вмешательства для функционирования, исследования расширили это до такой степени, что полностью автономные системы теперь гораздо более распространены, чем в начале 2000-х годов. [4] Автономные системы включают в себя системы одновременной локализации и картирования , которые обеспечивают интеллектуальное движение робота, а также системы обработки и генерации естественного языка , которые обеспечивают естественное, человеческое взаимодействие, которое соответствует четко определенным психологическим критериям. [5]
Антропоморфные роботы (машины, имитирующие структуру человеческого тела) лучше описываются областью биомиметики , но пересекаются с HRI во многих исследовательских приложениях. Примерами роботов, демонстрирующих эту тенденцию, являются робот PR2 Willow Garage , NASA Robonaut и Honda ASIMO . Однако роботы в области взаимодействия человека и робота не ограничиваются человекоподобными роботами: Paro и Kismet — оба роботы, разработанные для того, чтобы вызывать эмоциональный отклик у людей, и поэтому попадают в категорию взаимодействия человека и робота. [6]
Цели в HRI варьируются от промышленного производства до коботов , от медицинских технологий до реабилитации, вмешательства при аутизме и устройств по уходу за пожилыми людьми, развлечений, расширения возможностей человека и удобства для человека. [7] Поэтому будущие исследования охватывают широкий спектр областей, большая часть которых сосредоточена на вспомогательной робототехнике, поисково-спасательных операциях с использованием роботов и исследовании космоса. [8]
Роботы — это искусственные агенты , обладающие способностью восприятия и действия в физическом мире, который исследователи часто называют рабочим пространством. Их использование было обобщено на заводах, но в настоящее время они, как правило, встречаются в наиболее технологически развитых обществах в таких критических областях, как поиск и спасение, военные действия, обнаружение мин и бомб, научные исследования, обеспечение правопорядка, развлечения и больничный уход.
Эти новые области применения подразумевают более тесное взаимодействие с пользователем. Понятие близости следует понимать в полном смысле: роботы и люди разделяют рабочее пространство, но также разделяют цели с точки зрения достижения задач. Это тесное взаимодействие требует новых теоретических моделей, с одной стороны, для ученых-робототехников, которые работают над повышением полезности и безопасности роботов, а с другой стороны, для оценки рисков и преимуществ этого нового «друга» для нашего современного общества. Подотрасль физического взаимодействия человека и робота (pHRI) в основном сосредоточена на проектировании устройств, позволяющих людям безопасно взаимодействовать с роботизированными системами, но все больше разрабатывает алгоритмические подходы в попытке поддержать свободное и выразительное взаимодействие между людьми и роботизированными системами. [1]
С развитием ИИ исследования фокусируются на одной части, направленной на максимально безопасное физическое взаимодействие, а также на социально корректное взаимодействие, зависящее от культурных критериев. Цель состоит в том, чтобы построить интуитивное и простое общение с роботом посредством речи, жестов и мимики.
Керстин Даутенхан называет дружественное взаимодействие человека и робота «Роботикет», определяя его как «социальные правила поведения робота («роботикет»), которые удобны и приемлемы для людей» [9] . Робот должен адаптироваться к нашему способу выражения желаний и приказов, а не наоборот. Но повседневные среды, такие как дома, имеют гораздо более сложные социальные правила, чем те, которые подразумеваются на заводах или даже в военных условиях. Таким образом, роботу необходимы способности восприятия и понимания для построения динамических моделей своего окружения. Ему необходимо классифицировать объекты , распознавать и определять местоположение людей и далее распознавать их эмоции . Потребность в динамических способностях толкает вперед каждую подобласть робототехники.
Кроме того, понимая и воспринимая социальные сигналы, роботы могут обеспечивать сценарии сотрудничества с людьми. Например, с быстрым ростом числа персональных производственных машин, таких как настольные 3D-принтеры , лазерные резаки и т. д., которые проникают в наши дома, могут возникнуть сценарии, в которых роботы могут совместно делиться контролем, координировать и выполнять задачи вместе. Промышленные роботы уже интегрированы в промышленные сборочные линии и работают совместно с людьми. Социальное воздействие таких роботов было изучено [10] и показало, что работники по-прежнему обращаются с роботами и социальными сущностями, полагаются на социальные сигналы для понимания и совместной работы.
С другой стороны, исследования HRI, когнитивное моделирование «отношений» между человеком и роботом приносит пользу психологам и исследователям робототехники, изучение пользователя часто представляет интерес для обеих сторон. Это исследование стремится к части человеческого общества. Для эффективного взаимодействия человека и гуманоидного робота [11] многочисленные навыки общения [12] и связанные с ними функции должны быть реализованы в разработке таких искусственных агентов/систем.
Исследования в области гуманитарных наук охватывают широкий спектр областей, некоторые из которых имеют общее отношение к природе гуманитарных наук.
Методы восприятия людей в окружающей среде основаны на информации от датчиков. Исследования сенсорных компонентов и программного обеспечения, проводимые Microsoft, дают полезные результаты для извлечения кинематики человека (см. Kinect ). Примером более старой техники является использование цветовой информации, например, тот факт, что у светлокожих людей руки светлее, чем одежда. В любом случае априорно смоделированный человек может быть затем подогнан к данным датчиков. Робот строит или имеет (в зависимости от уровня автономии робота) трехмерную карту своего окружения , на которой назначаются местоположения людей.
Большинство методов направлены на построение 3D-модели посредством видения окружающей среды. Датчики проприоцепции позволяют роботу иметь информацию о своем собственном состоянии. Эта информация относится к эталону. Теории проксемики могут использоваться для восприятия и планирования вокруг личного пространства человека.
Система распознавания речи используется для интерпретации человеческих желаний или команд. Объединяя информацию, выведенную проприоцепцией, сенсором и речью, человеческое положение и состояние (стоя, сидя). В этом вопросе обработка естественного языка связана с взаимодействием между компьютерами и человеческими (естественными) языками, в частности, с тем, как программировать компьютеры для обработки и анализа больших объемов данных на естественном языке . Например, архитектуры нейронных сетей и алгоритмы обучения, которые могут применяться к различным задачам обработки естественного языка, включая разметку частей речи, фрагментацию, распознавание именованных сущностей и маркировку семантических ролей . [13]
Планирование движения в динамических средах — это задача, которая на данный момент может быть решена только для роботов с 3–10 степенями свободы . Гуманоидные роботы или даже 2-рукие роботы, которые могут иметь до 40 степеней свободы, не подходят для динамических сред с сегодняшними технологиями. Однако роботы с меньшими размерами могут использовать метод потенциального поля для вычисления траекторий, которые позволяют избежать столкновений с людьми.
Люди демонстрируют негативные социальные и эмоциональные реакции, а также снижение доверия к некоторым роботам, которые очень, но несовершенно напоминают людей; это явление было названо «Зловещей долиной». [14] Однако недавние исследования роботов телеприсутствия установили, что имитация поз человеческого тела и выразительных жестов сделала роботов симпатичными и интересными в удаленной обстановке. [15] Кроме того, присутствие человека-оператора ощущалось сильнее при тестировании с андроидом или гуманоидным роботом телеприсутствия, чем при обычной видеосвязи через монитор. [16]
Хотя растет объем исследований восприятия и эмоций пользователей по отношению к роботам, мы все еще далеки от полного понимания. Только дополнительные эксперименты определят более точную модель.
На основе прошлых исследований у нас есть некоторые данные о текущих настроениях и поведении пользователей в отношении роботов: [17] [18]
Большая часть работы в области взаимодействия человека и робота рассматривала, как люди и роботы могут лучше сотрудничать. Основным социальным сигналом для людей во время сотрудничества является общее восприятие деятельности, с этой целью исследователи исследовали упреждающее управление роботом с помощью различных методов, включая: мониторинг поведения партнеров-людей с помощью отслеживания глаз , выводы о намерении человека выполнять задачу и проактивные действия со стороны робота. [23] Исследования показали, что упреждающее управление помогает пользователям выполнять задачи быстрее, чем при использовании только реактивного управления.
Распространенный подход к программированию социальных сигналов в роботах заключается в том, чтобы сначала изучить поведение человека-человека, а затем передать обучение. [24] Например, механизмы координации в сотрудничестве человека и робота [25] основаны на работе в области нейронауки [26], которая изучала, как обеспечить совместные действия в конфигурации человек-человек, изучая восприятие и действие в социальном контексте, а не в изоляции. Эти исследования показали, что поддержание общего представления задачи имеет решающее значение для выполнения задач в группах. Например, авторы исследовали задачу совместного вождения, разделив обязанности по ускорению и торможению, т. е. один человек отвечает за ускорение, а другой за торможение; исследование показало, что пары достигли того же уровня производительности, что и отдельные лица, только когда они получили обратную связь о времени действий друг друга. Аналогичным образом исследователи изучали аспект передачи управления человеком-человеком с помощью бытовых сценариев, таких как передача обеденных тарелок, чтобы обеспечить адаптивный контроль того же при передаче управления человеком-роботом. [27] Другое исследование в области человеческого фактора и эргономики передачи дел между людьми на складах и в супермаркетах показало, что дающие и получающие воспринимают задачи передачи дел по-разному, что имеет значительные последствия для проектирования систем взаимодействия человека и робота , ориентированных на пользователя. [28] Совсем недавно исследователи изучали систему, которая автоматически распределяет задачи по сборке среди совместно работающих рабочих для улучшения координации. [29]
Некоторые исследования включали проектирование нового робота, в то время как другие использовали имеющихся роботов для проведения исследований. Некоторые часто используемые роботы — это Nao , гуманоидный и программируемый робот. Pepper , другой социальный гуманоидный робот, и Misty, программируемый робот-компаньон.
Большинство роботов имеют белый цвет, что является следствием предубеждения против роботов других цветов. [30] [31] [32] [33] [34]
Области применения взаимодействия человека и робота включают робототехнические технологии, которые люди используют в промышленности, медицине и общении, а также в других целях.
Промышленные роботы были внедрены для сотрудничества с людьми для выполнения задач промышленного производства. В то время как люди обладают гибкостью и интеллектом, чтобы рассматривать различные подходы к решению проблемы, выбирать лучший вариант среди всех вариантов, а затем командовать роботами для выполнения поставленных задач, роботы способны быть более точными и последовательными при выполнении повторяющейся и опасной работы. [35] Вместе, сотрудничество промышленных роботов и людей показывает, что роботы обладают возможностями для обеспечения эффективности производства и сборки. [35] Однако существуют постоянные опасения по поводу безопасности сотрудничества человека и робота, поскольку промышленные роботы способны перемещать тяжелые предметы и часто использовать опасные и острые инструменты, быстро и с силой. В результате это представляет потенциальную угрозу для людей, которые работают в одном рабочем пространстве. [35] Поэтому планирование безопасных и эффективных макетов для совместных рабочих мест является одной из самых сложных тем, с которыми сталкиваются исследования. [36]
Реабилитационный робот является примером роботизированной системы, внедренной в здравоохранение . Этот тип робота поможет людям, пережившим инсульт , или людям с неврологическими нарушениями восстановить движения рук и пальцев. [37] [38] В последние несколько десятилетий идея о том, как человек и робот взаимодействуют друг с другом, является одним из факторов, который широко рассматривался при проектировании реабилитационных роботов. [38] Например, взаимодействие человека и робота играет важную роль в проектировании экзоскелетных реабилитационных роботов, поскольку экзоскелетная система напрямую контактирует с телом человека. [37]
Роботы-медсестры предназначены для оказания помощи пожилым людям, которые могли столкнуться со снижением физических и когнитивных функций и, как следствие, с развитием психосоциальных проблем. [39] Помогая в повседневной физической деятельности, физическая помощь со стороны роботов позволит пожилым людям обрести чувство автономии и почувствовать, что они все еще способны заботиться о себе и оставаться в своих собственных домах. [39]
Долгосрочное исследование взаимодействия человека и робота может показать, что жители дома престарелых готовы взаимодействовать с гуманоидными роботами и получать пользу от когнитивной и физической активации, которой руководит робот Пеппер. [40] Другое долгосрочное исследование в доме престарелых может показать, что люди, работающие в сфере ухода, готовы использовать роботов в своей повседневной работе с жителями. [41] Но оно также показало, что, хотя роботы готовы к использованию, им нужны помощники-люди, они не могут заменить человеческую рабочую силу, но они могут помогать им и давать им новые возможности. [41]
За последнее десятилетие взаимодействие человека и робота показало многообещающие результаты в лечении аутизма. [43] Дети с расстройствами аутистического спектра (РАС) более склонны общаться с роботами, чем с людьми, и использование социальных роботов считается полезным подходом для помощи этим детям с РАС. [43]
Однако социальные роботы, которые используются для вмешательства в РАС у детей, не рассматриваются клиническими сообществами как жизнеспособное лечение, поскольку исследование использования социальных роботов в вмешательстве РАС часто не следует стандартному протоколу исследования. [43] Кроме того, результаты исследования не смогли продемонстрировать последовательного положительного эффекта, который можно было бы считать основанной на доказательствах практикой (EBP) на основе клинической систематической оценки. [43] В результате исследователи начали разрабатывать руководящие принципы, которые предлагают, как проводить исследования с вмешательством, опосредованным роботами, и, следовательно, получать надежные данные, которые можно было бы рассматривать как EBP, что позволило бы врачам выбирать использование роботов в вмешательстве РАС. [43]
Образовательные роботы
Роботы могут стать репетиторами или сверстниками в классе. [44] Выступая в роли репетитора, робот может предоставлять инструкции, информацию, а также индивидуальное внимание к ученику. Выступая в роли сверстника-ученика, робот может обеспечить «обучение через обучение» для учеников. [45]
Роботы могут быть сконфигурированы как коллаборативные роботы и могут использоваться для реабилитации пользователей с двигательными нарушениями. Используя различные интерактивные технологии, такие как автоматическое распознавание речи , отслеживание взгляда и т. д., пользователи с двигательными нарушениями могут управлять роботизированными агентами и использовать их для реабилитационных мероприятий, таких как управление моторизованной инвалидной коляской, манипуляция предметами и т. д.
Конкретным примером взаимодействия человека и робота является взаимодействие человека и транспортного средства в автоматизированном вождении. Целью сотрудничества человека и транспортного средства является обеспечение безопасности, надежности и комфорта в автоматизированных системах вождения . [46] Постоянное совершенствование этой системы и прогресс в направлении высоко и полностью автоматизированных транспортных средств направлены на то, чтобы сделать процесс вождения более безопасным и эффективным, в котором людям не нужно вмешиваться в процесс вождения, когда возникает непредвиденная ситуация вождения, например, пешеход переходит улицу, когда этого не должно быть. [46]
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и беспилотные подводные аппараты (БПЛА) могут помочь в поисково-спасательных работах в диких районах , например, в удаленном поиске пропавшего человека по оставленным им в близлежащих районах уликам. [47] [48] Система объединяет автономность и информацию, такую как карты покрытия , информацию GPS и качественное видео поиска, для поддержки людей, эффективно выполняющих поисково-спасательные работы в заданное ограниченное время. [47] [48]
Люди работают над достижением следующего прорыва в исследовании космоса, например, пилотируемой миссии на Марс. [49] Эта задача выявила необходимость разработки планетарных вездеходов, которые могут помогать астронавтам и поддерживать их операции во время миссии. [49] Сотрудничество между вездеходами, БПЛА и людьми позволяет использовать возможности всех сторон и оптимизировать выполнение задач. [49]
Человеческий труд широко использовался в сельском хозяйстве, но сельскохозяйственные роботы , такие как доильные роботы, были приняты в крупномасштабном фермерстве. Гигиена является основной проблемой в агропродовольственном секторе, и изобретение этой технологии оказало широкое влияние на сельское хозяйство. Роботы также могут использоваться в задачах, которые могут быть опасны для здоровья человека, например, при нанесении химикатов на растения. [50]
Бартнек и Окада [51] предполагают, что роботизированный пользовательский интерфейс можно описать следующими четырьмя свойствами:
Международная конференция по будущим применениям ИИ, датчиков и робототехники в обществе изучает современные исследования, подчеркивая будущие проблемы, а также скрытый потенциал технологий. Принятые доклады на этой конференции будут ежегодно публиковаться в специальном выпуске журнала «Жизнь будущего робота».
Международная конференция по социальной робототехнике — это конференция, на которой ученые, исследователи и практики могут представить и обсудить последние достижения своих передовых исследований и открытий в области социальной робототехники, а также взаимодействия с людьми и интеграции в наше общество.
Международный конгресс по любви и сексу с роботами — это ежегодный конгресс, который приглашает и поощряет обсуждение широкого круга тем, таких как искусственный интеллект, философия, этика, социология, инженерия, компьютерные науки, биоэтика.
Самые ранние научные работы по этой теме были представлены на конференции EC Euron Robotethics Atelier 2006 года, организованной Школой робототехники в Генуе, а год спустя вышла первая книга — «Любовь и секс с роботами», опубликованная издательством Harper Collins в Нью-Йорке. После этого первоначального всплеска академической активности в этой области тема значительно расширилась и приобрела всемирный интерес. В период с 2008 по 2010 год в Нидерландах состоялись три конференции по личным отношениям между человеком и роботом, и в каждом случае материалы публиковались уважаемыми академическими издательствами, включая Springer-Verlag. После перерыва до 2014 года конференции были переименованы в «Международный конгресс по любви и сексу с роботами», которые ранее проводились в Университете Мадейры в 2014 году; в Лондоне в 2016 и 2017 годах; и в Брюсселе в 2019 году. Кроме того, Springer-Verlag "International Journal of Social Robotics" к 2016 году опубликовал статьи, в которых упоминалась эта тема, а в 2012 году был запущен журнал открытого доступа под названием "Lovotics", полностью посвященный этой теме. В последние несколько лет также наблюдался сильный всплеск интереса за счет более широкого освещения этой темы в печатных СМИ, телевизионных документальных и художественных фильмах, а также в академическом сообществе.
Международный конгресс по любви и сексу с роботами предоставляет прекрасную возможность ученым и профессионалам отрасли представить и обсудить свои инновационные работы и идеи на академическом симпозиуме.
Симпозиум организован совместно с Ежегодным съездом Общества по изучению искусственного интеллекта и моделирования поведения.
Международный симпозиум IEEE по интерактивной коммуникации роботов и людей (RO-MAN) был основан в 1992 году профессорами Тошио Фукудой, Хисато Кобаяши, Хироши Харашимой и Фумио Харой. Первыми участниками семинара были в основном японцы, и первые семь семинаров были проведены в Японии. С 1999 года семинары проводились в Европе и Соединенных Штатах, а также в Японии, и участие носило международный характер.
Эта конференция входит в число лучших конференций в области HRI и имеет очень избирательный процесс рецензирования. Средний уровень принятия составляет 26%, а средняя посещаемость — 187. Около 65% вкладов в конференцию поступают из США, и высокий уровень качества представленных на конференцию материалов становится очевидным по среднему числу цитирований, которые статьи HRI привлекли до сих пор. [52]
Существует множество конференций, которые посвящены не только вопросам HRI, но и широким аспектам HRI, и на них часто представляются доклады по HRI.
В настоящее время существуют два специализированных журнала HRI
и есть еще несколько общих журналов, в которых можно найти статьи HRI.
Есть несколько книг, которые специализируются на взаимодействии человека и робота. Хотя есть несколько отредактированных книг, доступны только несколько специализированных текстов:
Многие университеты предлагают курсы по взаимодействию человека и робота.
Также доступны онлайн-курсы, такие как Mooc :
Это точная транскрипция законов. Они также появляются в начале книги, и в обоих местах нет " to" во 2-м законе. Обратите внимание, что этот фрагмент был скопирован из Three Laws of Robotics
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite news}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )