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

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

Die automatische Interpretation menschlicher Bewegungsabläufe auf Basis von Videos ist ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen im Bereich des Maschinellen Sehens, wie zum Beispiel Mensch-Roboter Interaktion, Videoüberwachung, und inhaltsbasierte Analyse von Multimedia Daten. Anders als die meisten Ansätze auf diesem Gebiet, die hauptsächlich auf die Klassifikation von einfachen Aktionen, wie Aufstehen, oder Gehen ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Erkennung menschlicher Aktivitäten, d.h. komplexer Aktionssequenzen, die meist Interaktionen des Menschen mit Objekten beinhalten. Gemäß der Aktionsidentifikationstheorie leiten menschliche Aktivitäten ihre Bedeutung nicht nur von den involvierten Bewegungsmustern ab, sondern vor allem vom generellen Kontext, in dem sie stattfinden. Zu diesen kontextuellen Informationen gehören unter anderem die Gesamtheit aller vorher furchgeführter Aktionen, der Ort an dem sich die aktive Person befindet, sowie die Menge der Objekte, die von ihr manipuliert werden. Es ist zum Beispiel nicht möglich auf alleiniger Basis von Bewegungsmustern und ohne jeglicher Miteinbeziehung von Objektwissen zu entschieden ob eine Person, die ihre Hand zum Mund führt gerade etwas isst oder trinkt, raucht, oder bloß die Lippen abwischt. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der computergestützten Aktons- und Aktivitätserkennung ignorieren allerdings jegliche durch den Kontext bedingte Informationen und beschränken sich auf die Identifikation menschlicher Aktivitäten auf Basis der beobachteten Bewegung. Wird jedoch Objektwissen für die Klassifikation miteinbezogen, so geschieht dies meist unter Zuhilfenahme von überwachten Detektoren, für deren Einrichtung widerum eine erhebliche Menge an Trainingsdaten erforderlich ist. Bedingt durch die hohen zeitlichen Kosten, die die Annotation dieser Trainingsdaten mit sich bringt, wird das Erweitern solcher Systeme, zum Beispiel durch das Hinzufügen neuer Typen von Aktionen, zum eigentlichen Flaschenhals. Ein weiterer Nachteil des Hinzuziehens von überwacht trainierten Objektdetektoren, ist deren Fehleranfälligkeit, selbst wenn die verwendeten Algorithmen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Basierend auf dieser Beobachtung ist das Ziel dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit computergestützter Aktivitätserkennung zu verbessern mit Hilfe der Hinzunahme von Objektwissen, welches im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ohne überwachten Trainings gewonnen werden kann. Wir Menschen haben die bemerkenswerte Fähigkeit selektiv die Aufmerksamkeit auf bestimmte Regionen im Blickfeld zu fokussieren und gleichzeitig nicht relevante Regionen auszublenden. Dieser kognitive Prozess erlaubt es uns unsere beschränkten Bewusstseinsressourcen unbewusst auf Inhalte zu richten, die anschließend durch das Gehirn ausgewertet werden. Zum Beispiel zur Interpretation visueller Muster als Objekte eines bestimmten Typs. Die Regionen im Blickfeld, die unsere Aufmerksamkeit unbewusst anziehen werden als Proto-Objekte bezeichnet. Sie sind definiert als unbestimmte Teile des visuellen Informationsspektrums, die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Menschen als tatsächliche Objekte wahrgenommen werden können, wenn er seine Aufmerksamkeit auf diese richtet. Einfacher ausgedrückt: Proto-Objekte sind Kandidaten für Objekte, oder deren Bestandteile, die zwar lokalisiert aber noch nicht identifiziert wurden. Angeregt durch die menschliche Fähigkeit solche visuell hervorstechenden (salienten) Regionen zuverlässig vom Hintergrund zu unterscheiden, haben viele Wissenschaftler Methoden entwickelt, die es erlauben Proto-Objekte zu lokalisieren. Allen diesen Algorithmen ist gemein, dass möglichst wenig statistisches Wissens über tatsächliche Objekte vorausgesetzt wird. Visuelle Aufmerksamkeit und Objekterkennung sind sehr eng miteinander vernküpfte Prozesse im visuellen System des Menschen. Aus diesem Grund herrscht auf dem Gebiet des Maschinellen Sehens ein reges Interesse an der Integration beider Konzepte zur Erhöhung der Leistung aktueller Bilderkennungssysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden gehen in eine ähnliche Richtung: wir demonstrieren, dass die Lokalisation von Proto-Objekten es erlaubt Objektkandidaten zu finden, die geeignet sind als zusätzliche Modalität zu dienen für die bewegungsbasierte Erkennung menschlicher Aktivitäten. Die Grundlage dieser Arbeit bildet dabei ein sehr effizienter Algorithmus, der die visuelle Salienz mit Hilfe von quaternionenbasierten DCT Bildsignaturen approximiert. Zur Extraktion einer Menge geeigneter Objektkandidaten (d.h. Proto-Objekten) aus den resultierenden Salienzkarten, haben wir eine Methode entwickelt, die den kognitiven Mechanismus des Inhibition of Return implementiert. Die auf diese Weise gewonnenen Objektkandidaten nutzen wir anschliessend in Kombination mit state-of-the-art Bag-of-Words Methoden zur Merkmalsbeschreibung von Bewegungsmustern um komplexe Aktivitäten des täglichen Lebens zu klassifizieren. Wir evaluieren das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System auf diversen häufig genutzten Benchmark-Datensätzen und zeigen experimentell, dass das Miteinbeziehen von Proto-Objekten für die Aktivitätserkennung zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt im Vergleich zu rein bewegungsbasierten Ansätzen. Zudem demonstrieren wir, dass das vorgestellte System bei der Erkennung menschlicher Aktivitäten deutlich weniger Fehler macht als eine Vielzahl von Methoden, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Überraschenderweise übertrifft unser System leistungsmäßig sogar Verfahren, die auf Objektwissen aufbauen, welches von überwacht trainierten Detektoren, oder manuell erstellten Annotationen stammt. Benchmark-Datensätze sind ein sehr wichtiges Mittel zum quantitativen Vergleich von computergestützten Mustererkennungsverfahren. Nach einer Überprüfung aller öffentlich verfügbaren, relevanten Benchmarks, haben wir jedoch festgestellt, dass keiner davon geeignet war für eine detaillierte Evaluation von Methoden zur Erkennung komplexer, menschlicher Aktivitäten. Aus diesem Grund bestand ein Teil dieser Arbeit aus der Konzeption und Aufnahme eines solchen Datensatzes, des KIT Robo-kitchen Benchmarks. Wie der Name vermuten lässt haben wir uns dabei für ein Küchenszenario entschieden, da es ermöglicht einen großen Umfang an Aktivitäten des täglichen Lebens einzufangen, von denen viele Objektmanipulationen enthalten. Um eine möglichst umfangreiche Menge natürlicher Bewegungen zu erhalten, wurden die Teilnehmer während der Aufnahmen kaum eingeschränkt in der Art und Weise wie die diversen Aktivitäten auszuführen sind. Zu diesem Zweck haben wir den Probanden nur die Art der auszuführenden Aktivität mitgeteilt, sowie wo die benötigten Gegenstände zu finden sind, und ob die jeweilige Tätigkeit am Küchentisch oder auf der Arbeitsplatte auszuführen ist. Dies hebt KIT Robo-kitchen deutlich hervor gegenüber den meisten existierenden Datensätzen, die sehr unrealistisch gespielte Aktivitäten enthalten, welche unter Laborbedingungen aufgenommen wurden. Seit seiner Veröffentlichung wurde der resultierende Benchmark mehrfach verwendet zur Evaluation von Algorithmen, die darauf abzielen lang andauerne, realistische, komplexe, und quasi-periodische menschliche Aktivitäten zu erkennen

Detecting human engagement propensity in human-robot interaction

Elaborazione di immagini ricavate dal flusso di una semplice videocamera RGB di un robot al fine di stimare la propensione all'interazione di una persona in situazioni di interazione uomo-robot. Per calcolare la stima finale, tecniche basate su deep learning sono usate per estrarre alcune informazioni ausiliarie come: stima della posa di una persona, quale tipo di posa, orientamento del corpo, orientamento della testa, come appaiono le mani.Processing of images retrieved from a simple robot RGB camera stream in order to estimate the engagement propensity of a person in human-robot interaction scenarios. To compute the final estimation, deep learning based technique are used to extract some auxiliary information as: estimation of the pose of a person, which type of pose, body orientation, head orientation, how hands appear

Task Focused Robotic Imitation Learning

For many years, successful applications of robotics were the domain of controlled environments, such as industrial assembly lines. Such environments are custom designed for the convenience of the robot and separated from human operators. In recent years, advances in artificial intelligence, in particular, deep learning and computer vision, allowed researchers to successfully demonstrate robots that operate in unstructured environments and directly interact with humans. One of the major applications of such robots is in assistive robotics. For instance, a wheelchair mounted robotic arm can help disabled users in the performance of activities of daily living (ADLs) such as feeding and personal grooming. Early systems relied entirely on the control of the human operator, something that is difficult to accomplish by a user with motor and/or cognitive disabilities. In this dissertation, we are describing research results that advance the field of assistive robotics. The overall goal is to improve the ability of the wheelchair / robotic arm assembly to help the user with the performance of the ADLs by requiring only high-level commands from the user. Let us consider an ADL involving the manipulation of an object in the user\u27s home. This task can be naturally decomposed into two components: the movement of the wheelchair in such a way that the manipulator can conveniently grasp the object and the movement of the manipulator itself. This dissertation we provide an approach for addressing the challenge of finding the position appropriate for the required manipulation. We introduce the ease-of-reach score (ERS), a metric that quantifies the preferences for the positioning of the base while taking into consideration the shape and position of obstacles and clutter in the environment. As the brute force computation of ERS is computationally expensive, we propose a machine learning approach to estimate the ERS based on features and characteristics of the obstacles. This dissertation addresses the second component as well, the ability of the robotic arm to manipulate objects. Recent work in end-to-end learning of robotic manipulation had demonstrated that a deep learning-based controller of vision-enabled robotic arms can be thought to manipulate objects from a moderate number of demonstrations. However, the current state of the art systems are limited in robustness to physical and visual disturbances and do not generalize well to new objects. We describe new techniques based on task-focused attention that show significant improvement in the robustness of manipulation and performance in clutter

A Comprehensive Review of Data-Driven Co-Speech Gesture Generation

Gestures that accompany speech are an essential part of natural and efficient embodied human communication. The automatic generation of such co-speech gestures is a long-standing problem in computer animation and is considered an enabling technology in film, games, virtual social spaces, and for interaction with social robots. The problem is made challenging by the idiosyncratic and non-periodic nature of human co-speech gesture motion, and by the great diversity of communicative functions that gestures encompass. Gesture generation has seen surging interest recently, owing to the emergence of more and larger datasets of human gesture motion, combined with strides in deep-learning-based generative models, that benefit from the growing availability of data. This review article summarizes co-speech gesture generation research, with a particular focus on deep generative models. First, we articulate the theory describing human gesticulation and how it complements speech. Next, we briefly discuss rule-based and classical statistical gesture synthesis, before delving into deep learning approaches. We employ the choice of input modalities as an organizing principle, examining systems that generate gestures from audio, text, and non-linguistic input. We also chronicle the evolution of the related training data sets in terms of size, diversity, motion quality, and collection method. Finally, we identify key research challenges in gesture generation, including data availability and quality; producing human-like motion; grounding the gesture in the co-occurring speech in interaction with other speakers, and in the environment; performing gesture evaluation; and integration of gesture synthesis into applications. We highlight recent approaches to tackling the various key challenges, as well as the limitations of these approaches, and point toward areas of future development.Comment: Accepted for EUROGRAPHICS 202

Affective Computing

This book provides an overview of state of the art research in Affective Computing. It presents new ideas, original results and practical experiences in this increasingly important research field. The book consists of 23 chapters categorized into four sections. Since one of the most important means of human communication is facial expression, the first section of this book (Chapters 1 to 7) presents a research on synthesis and recognition of facial expressions. Given that we not only use the face but also body movements to express ourselves, in the second section (Chapters 8 to 11) we present a research on perception and generation of emotional expressions by using full-body motions. The third section of the book (Chapters 12 to 16) presents computational models on emotion, as well as findings from neuroscience research. In the last section of the book (Chapters 17 to 22) we present applications related to affective computing

Humanoid Robots

For many years, the human being has been trying, in all ways, to recreate the complex mechanisms that form the human body. Such task is extremely complicated and the results are not totally satisfactory. However, with increasing technological advances based on theoretical and experimental researches, man gets, in a way, to copy or to imitate some systems of the human body. These researches not only intended to create humanoid robots, great part of them constituting autonomous systems, but also, in some way, to offer a higher knowledge of the systems that form the human body, objectifying possible applications in the technology of rehabilitation of human beings, gathering in a whole studies related not only to Robotics, but also to Biomechanics, Biomimmetics, Cybernetics, among other areas. This book presents a series of researches inspired by this ideal, carried through by various researchers worldwide, looking for to analyze and to discuss diverse subjects related to humanoid robots. The presented contributions explore aspects about robotic hands, learning, language, vision and locomotion