Human Machine Interfaces for Teleoperators and Virtual Environments

In Mar. 1990, a meeting organized around the general theme of teleoperation research into virtual environment display technology was conducted. This is a collection of conference-related fragments that will give a glimpse of the potential of the following fields and how they interplay: sensorimotor performance; human-machine interfaces; teleoperation; virtual environments; performance measurement and evaluation methods; and design principles and predictive models

Expressive social exchange between humans and robots

Thesis (Sc.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2000.Includes bibliographical references (p. 253-264).Sociable humanoid robots are natural and intuitive for people to communicate with and to teach. We present recent advances in building an autonomous humanoid robot, Kismet, that can engage humans in expressive social interaction. We outline a set of design issues and a framework that we have found to be of particular importance for sociable robots. Having a human-in-the-loop places significant social constraints on how the robot aesthetically appears, how its sensors are configured, its quality of movement, and its behavior. Inspired by infant social development, psychology, ethology, and evolutionary perspectives, this work integrates theories and concepts from these diverse viewpoints to enable Kismet to enter into natural and intuitive social interaction with a human caregiver, reminiscent of parent-infant exchanges. Kismet perceives a variety of natural social cues from visual and auditory channels, and delivers social signals to people through gaze direction, facial expression, body posture, and vocalizations. We present the implementation of Kismet's social competencies and evaluate each with respect to: 1) the ability of naive subjects to read and interpret the robot's social cues, 2) the robot's ability to perceive and appropriately respond to naturally offered social cues, 3) the robot's ability to elicit interaction scenarios that afford rich learning potential, and 4) how this produces a rich, flexible, dynamic interaction that is physical, affective, and social. Numerous studies with naive human subjects are described that provide the data upon which we base our evaluations.by Cynthia L. Breazeal.Sc.D

Gaze and Peripheral Vision Analysis for Human-Environment Interaction: Applications in Automotive and Mixed-Reality Scenarios

This thesis studies eye-based user interfaces which integrate information about the user’s perceptual focus-of-attention into multimodal systems to enrich the interaction with the surrounding environment. We examine two new modalities: gaze input and output in the peripheral field of view. All modalities are considered in the whole spectrum of the mixed-reality continuum. We show the added value of these new forms of multimodal interaction in two important application domains: Automotive User Interfaces and Human-Robot Collaboration. We present experiments that analyze gaze under various conditions and help to design a 3D model for peripheral vision. Furthermore, this work presents several new algorithms for eye-based interaction, like deictic reference in mobile scenarios, for non-intrusive user identification, or exploiting the peripheral field view for advanced multimodal presentations. These algorithms have been integrated into a number of software tools for eye-based interaction, which are used to implement 15 use cases for intelligent environment applications. These use cases cover a wide spectrum of applications, from spatial interactions with a rapidly changing environment from within a moving vehicle, to mixed-reality interaction between teams of human and robots.In dieser Arbeit werden blickbasierte Benutzerschnittstellen untersucht, die Infor- mationen ¨uber das Blickfeld des Benutzers in multimodale Systeme integrieren, um neuartige Interaktionen mit der Umgebung zu erm¨oglichen. Wir untersuchen zwei neue Modalit¨aten: Blickeingabe und Ausgaben im peripheren Sichtfeld. Alle Modalit¨aten werden im gesamten Spektrum des Mixed-Reality-Kontinuums betra- chtet. Wir zeigen die Anwendung dieser neuen Formen der multimodalen Interak- tion in zwei wichtigen Dom¨anen auf: Fahrerassistenzsysteme und Werkerassistenz bei Mensch-Roboter-Kollaboration. Wir pr¨asentieren Experimente, die blickbasierte Benutzereingaben unter verschiedenen Bedingungen analysieren und helfen, ein 3D- Modell f¨ur das periphere Sehen zu entwerfen. Dar¨uber hinaus stellt diese Arbeit mehrere neue Algorithmen f¨ur die blickbasierte Interaktion vor, wie die deiktis- che Referenz in mobilen Szenarien, die nicht-intrusive Benutzeridentifikation, oder die Nutzung des peripheren Sichtfeldes f¨ur neuartige multimodale Pr¨asentationen. Diese Algorithmen sind in eine Reihe von Software-Werkzeuge integriert, mit de- nen 15 Anwendungsf¨alle f¨ur intelligente Umgebungen implementiert wurden. Diese Demonstratoren decken ein breites Anwendungsspektrum ab: von der r¨aumlichen In- teraktionen aus einem fahrenden Auto heraus bis hin zu Mixed-Reality-Interaktionen zwischen Mensch-Roboter-Teams

An enactive approach to perceptual augmentation in mobility

Event predictions are an important constituent of situation awareness, which is a key objective for many applications in human-machine interaction, in particular in driver assistance. This work focuses on facilitating event predictions in dynamic environments. Its primary contributions are 1) the theoretical development of an approach for enabling people to expand their sampling and understanding of spatiotemporal information, 2) the introduction of exemplary systems that are guided by this approach, 3) the empirical investigation of effects functional prototypes of these systems have on human behavior and safety in a range of simulated road traffic scenarios, and 4) a connection of the investigated approach to work on cooperative human-machine systems. More specific contents of this work are summarized as follows: The first part introduces several challenges for the formation of situation awareness as a requirement for safe traffic participation. It reviews existing work on these challenges in the domain of driver assistance, resulting in an identification of the need to better inform drivers about dynamically changing aspects of a scene, including event probabilities, spatial and temporal distances, as well as a suggestion to expand the scope of assistance systems to start informing drivers about relevant scene elements at an early stage. Novel forms of assistance can be guided by different fundamental approaches that target either replacement, distribution, or augmentation of driver competencies. A subsequent differentiation of these approaches concludes that an augmentation-guided paradigm, characterized by an integration of machine capabilities into human feedback loops, can be advantageous for tasks that rely on active user engagement, the preservation of awareness and competence, and the minimization of complexity in human- machine interaction. Consequently, findings and theories about human sensorimotor processes are connected to develop an enactive approach that is consistent with an augmentation perspective on human-machine interaction. The approach is characterized by enabling drivers to exercise new sensorimotor processes through which safety-relevant spatiotemporal information may be sampled. In the second part of this work, a concept and functional prototype for augmenting the perception of traffic dynamics is introduced as a first example for applying principles of this enactive approach. As a loose expression of functional biomimicry, the prototype utilizes a tactile inter- face that communicates temporal distances to potential hazards continuously through stimulus intensity. In a driving simulator study, participants quickly gained an intuitive understanding of the assistance without instructions and demonstrated higher driving safety in safety-critical highway scenarios. But this study also raised new questions such as whether benefits are due to a continuous time-intensity encoding and whether utility generalizes to intersection scenarios or highway driving with low criticality events. Effects of an expanded assistance prototype with lane-independent risk assessment and an option for binary signaling were thus investigated in a separate driving simulator study. Subjective responses confirmed quick signal understanding and a perception of spatial and temporal stimulus characteristics. Surprisingly, even for a binary assistance variant with a constant intensity level, participants reported perceiving a danger-dependent variation in stimulus intensity. They further felt supported by the system in the driving task, especially in difficult situations. But in contrast to the first study, this support was not expressed by changes in driving safety, suggesting that perceptual demands of the low criticality scenarios could be satisfied by existing driver capabilities. But what happens if such basic capabilities are impaired, e.g., due to poor visibility conditions or other situations that introduce perceptual uncertainty? In a third driving simulator study, the driver assistance was employed specifically in such ambiguous situations and produced substantial safety advantages over unassisted driving. Additionally, an assistance variant that adds an encoding of spatial uncertainty was investigated in these scenarios. Participants had no difficulties to understand and utilize this added signal dimension to improve safety. Despite being inherently less informative than spatially precise signals, users rated uncertainty-encoding signals as equally useful and satisfying. This appreciation for transparency of variable assistance reliability is a promising indicator for the feasibility of an adaptive trust calibration in human-machine interaction and marks one step towards a closer integration of driver and vehicle capabilities. A complementary step on the driver side would be to increase transparency about the driver’s mental states and thus allow for mutual adaptation. The final part of this work discusses how such prerequisites of cooperation may be achieved by monitoring mental state correlates observable in human behavior, especially in eye movements. Furthermore, the outlook for an addition of cooperative features also raises new questions about the bounds of identity as well as practical consequences of human-machine systems in which co-adapting agents may exercise sensorimotor processes through one another.Die Vorhersage von Ereignissen ist ein Bestandteil des Situationsbewusstseins, dessen Unterstützung ein wesentliches Ziel diverser Anwendungen im Bereich Mensch-Maschine Interaktion ist, insbesondere in der Fahrerassistenz. Diese Arbeit zeigt Möglichkeiten auf, Menschen bei Vorhersagen in dynamischen Situationen im Straßenverkehr zu unterstützen. Zentrale Beiträge der Arbeit sind 1) eine theoretische Auseinandersetzung mit der Aufgabe, die menschliche Wahrnehmung und das Verständnis von raum-zeitlichen Informationen im Straßenverkehr zu erweitern, 2) die Einführung beispielhafter Systeme, die aus dieser Betrachtung hervorgehen, 3) die empirische Untersuchung der Auswirkungen dieser Systeme auf das Nutzerverhalten und die Fahrsicherheit in simulierten Verkehrssituationen und 4) die Verknüpfung der untersuchten Ansätze mit Arbeiten an kooperativen Mensch-Maschine Systemen. Die Arbeit ist in drei Teile gegliedert: Der erste Teil stellt einige Herausforderungen bei der Bildung von Situationsbewusstsein vor, welches für die sichere Teilnahme am Straßenverkehr notwendig ist. Aus einem Vergleich dieses Überblicks mit früheren Arbeiten zeigt sich, dass eine Notwendigkeit besteht, Fahrer besser über dynamische Aspekte von Fahrsituationen zu informieren. Dies umfasst unter anderem Ereigniswahrscheinlichkeiten, räumliche und zeitliche Distanzen, sowie eine frühere Signalisierung relevanter Elemente in der Umgebung. Neue Formen der Assistenz können sich an verschiedenen grundlegenden Ansätzen der Mensch-Maschine Interaktion orientieren, die entweder auf einen Ersatz, eine Verteilung oder eine Erweiterung von Fahrerkompetenzen abzielen. Die Differenzierung dieser Ansätze legt den Schluss nahe, dass ein von Kompetenzerweiterung geleiteter Ansatz für die Bewältigung jener Aufgaben von Vorteil ist, bei denen aktiver Nutzereinsatz, die Erhaltung bestehender Kompetenzen und Situationsbewusstsein gefordert sind. Im Anschluss werden Erkenntnisse und Theorien über menschliche sensomotorische Prozesse verknüpft, um einen enaktiven Ansatz der Mensch-Maschine Interaktion zu entwickeln, der einer erweiterungsgeleiteten Perspektive Rechnung trägt. Dieser Ansatz soll es Fahrern ermöglichen, sicherheitsrelevante raum-zeitliche Informationen über neue sensomotorische Prozesse zu erfassen. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Konzept und funktioneller Prototyp zur Erweiterung der Wahrnehmung von Verkehrsdynamik als ein erstes Beispiel zur Anwendung der Prinzipien dieses enaktiven Ansatzes vorgestellt. Dieser Prototyp nutzt vibrotaktile Aktuatoren zur Kommunikation von Richtungen und zeitlichen Distanzen zu möglichen Gefahrenquellen über die Aktuatorposition und -intensität. Teilnehmer einer Fahrsimulationsstudie waren in der Lage, in kurzer Zeit ein intuitives Verständnis dieser Assistenz zu entwickeln, ohne vorher über die Funktionalität unterrichtet worden zu sein. Sie zeigten zudem ein erhöhtes Maß an Fahrsicherheit in kritischen Verkehrssituationen. Doch diese Studie wirft auch neue Fragen auf, beispielsweise, ob der Sicherheitsgewinn auf kontinuierliche Distanzkodierung zurückzuführen ist und ob ein Nutzen auch in weiteren Szenarien vorliegen würde, etwa bei Kreuzungen und weniger kritischem longitudinalen Verkehr. Um diesen Fragen nachzugehen, wurden Effekte eines erweiterten Prototypen mit spurunabhängiger Kollisionsprädiktion, sowie einer Option zur binären Kommunikation möglicher Kollisionsrichtungen in einer weiteren Fahrsimulatorstudie untersucht. Auch in dieser Studie bestätigen die subjektiven Bewertungen ein schnelles Verständnis der Signale und eine Wahrnehmung räumlicher und zeitlicher Signalkomponenten. Überraschenderweise berichteten Teilnehmer größtenteils auch nach der Nutzung einer binären Assistenzvariante, dass sie eine gefahrabhängige Variation in der Intensität von taktilen Stimuli wahrgenommen hätten. Die Teilnehmer fühlten sich mit beiden Varianten in der Fahraufgabe unterstützt, besonders in Situationen, die von ihnen als kritisch eingeschätzt wurden. Im Gegensatz zur ersten Studie hat sich diese gefühlte Unterstützung nur geringfügig in einer messbaren Sicherheitsveränderung widergespiegelt. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Wahrnehmungsanforderungen der Szenarien mit geringer Kritikalität mit den vorhandenen Fahrerkapazitäten erfüllt werden konnten. Doch was passiert, wenn diese Fähigkeiten eingeschränkt werden, beispielsweise durch schlechte Sichtbedingungen oder Situationen mit erhöhter Ambiguität? In einer dritten Fahrsimulatorstudie wurde das Assistenzsystem in speziell solchen Situationen eingesetzt, was zu substantiellen Sicherheitsvorteilen gegenüber unassistiertem Fahren geführt hat. Zusätzlich zu der vorher eingeführten Form wurde eine neue Variante des Prototyps untersucht, welche räumliche Unsicherheiten der Fahrzeugwahrnehmung in taktilen Signalen kodiert. Studienteilnehmer hatten keine Schwierigkeiten, diese zusätzliche Signaldimension zu verstehen und die Information zur Verbesserung der Fahrsicherheit zu nutzen. Obwohl sie inherent weniger informativ sind als räumlich präzise Signale, bewerteten die Teilnehmer die Signale, die die Unsicherheit übermitteln, als ebenso nützlich und zufriedenstellend. Solch eine Wertschätzung für die Transparenz variabler Informationsreliabilität ist ein vielversprechendes Indiz für die Möglichkeit einer adaptiven Vertrauenskalibrierung in der Mensch-Maschine Interaktion. Dies ist ein Schritt hin zur einer engeren Integration der Fähigkeiten von Fahrer und Fahrzeug. Ein komplementärer Schritt wäre eine Erweiterung der Transparenz mentaler Zustände des Fahrers, wodurch eine wechselseitige Anpassung von Mensch und Maschine möglich wäre. Der letzte Teil dieser Arbeit diskutiert, wie diese Transparenz und weitere Voraussetzungen von Mensch-Maschine Kooperation erfüllt werden könnten, indem etwa Korrelate mentaler Zustände, insbesondere über das Blickverhalten, überwacht werden. Des Weiteren ergeben sich mit Blick auf zusätzliche kooperative Fähigkeiten neue Fragen über die Definition von Identität, sowie über die praktischen Konsequenzen von Mensch-Maschine Systemen, in denen ko-adaptive Agenten sensomotorische Prozesse vermittels einander ausüben können

Aerospace Medicine and Biology: A continuing bibliography with indexes (supplement 245)

This bibliography lists 363 reports, articles and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in April 1983

Human Machine Interfaces for Teleoperators and Virtual Environments Conference

In a teleoperator system the human operator senses, moves within, and operates upon a remote or hazardous environment by means of a slave mechanism (a mechanism often referred to as a teleoperator). In a virtual environment system the interactive human machine interface is retained but the slave mechanism and its environment are replaced by a computer simulation. Video is replaced by computer graphics. The auditory and force sensations imparted to the human operator are similarly computer generated. In contrast to a teleoperator system, where the purpose is to extend the operator's sensorimotor system in a manner that facilitates exploration and manipulation of the physical environment, in a virtual environment system, the purpose is to train, inform, alter, or study the human operator to modify the state of the computer and the information environment. A major application in which the human operator is the target is that of flight simulation. Although flight simulators have been around for more than a decade, they had little impact outside aviation presumably because the application was so specialized and so expensive

Seventh Annual Workshop on Space Operations Applications and Research (SOAR 1993), volume 2

This document contains papers presented at the Space Operations, Applications and Research Symposium (SOAR) Symposium hosted by NASA/Johnson Space Center (JSC) and cosponsored by NASA/JSC and U.S. Air Force Materiel Command. SOAR included NASA and USAF programmatic overviews, plenary session, panel discussions, panel sessions, and exhibits. It invited technical papers in support of U.S. Army, U.S. Navy, Department of Energy, NASA, and USAF programs in the following areas: robotics and telepresence, automation and intelligent systems, human factors, life support, and space maintenance and servicing. SOAR was concerned with Government-sponsored research and development relevant to aerospace operations

The Future of Humanoid Robots

This book provides state of the art scientific and engineering research findings and developments in the field of humanoid robotics and its applications. It is expected that humanoids will change the way we interact with machines, and will have the ability to blend perfectly into an environment already designed for humans. The book contains chapters that aim to discover the future abilities of humanoid robots by presenting a variety of integrated research in various scientific and engineering fields, such as locomotion, perception, adaptive behavior, human-robot interaction, neuroscience and machine learning. The book is designed to be accessible and practical, with an emphasis on useful information to those working in the fields of robotics, cognitive science, artificial intelligence, computational methods and other fields of science directly or indirectly related to the development and usage of future humanoid robots. The editor of the book has extensive R&D experience, patents, and publications in the area of humanoid robotics, and his experience is reflected in editing the content of the book

Aerospace medicine and biology: A cumulative index to a continuing bibliography (supplement 345)

This publication is a cumulative index to the abstracts contained in Supplements 333 through 344 of Aerospace Medicine and Biology: A Continuing Bibliography. Seven indexes are included -- subject, personal author, corporate source, foreign technology, contract number, report number, and accession number