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

Multi-robot cooperative platform : a task-oriented teleoperation paradigm

This thesis proposes the study and development of a teleoperation system based on multi-robot cooperation under the task oriented teleoperation paradigm: Multi-Robot Cooperative Paradigm, MRCP. In standard teleoperation, the operator uses the master devices to control the remote slave robot arms. These arms reproduce the desired movements and perform the task. With the developed work, the operator can virtually manipulate an object. MRCP automatically generates the arms orders to perform the task. The operator does not have to solve situations arising from possible restrictions that the slave arms may have. The research carried out is therefore aimed at improving the accuracy teleoperation tasks in complex environments, particularly in the field of robot assisted minimally invasive surgery. This field requires patient safety and the workspace entails many restrictions to teleoperation. MRCP can be defined as a platform composed of several robots that cooperate automatically to perform a teleoperated task, creating a robotic system with increased capacity (workspace volume, accessibility, dexterity ...). The cooperation is based on transferring the task between robots when necessary to enable a smooth task execution. The MRCP control evaluates the suitability of each robot to continue with the ongoing task and the optimal time to execute a task transfer between the current selected robot and the best candidate to continue with the task. From the operator¿s point of view, MRCP provides an interface that enables the teleoperation though the task-oriented paradigm: operator orders are translated into task actions instead of robot orders. This thesis is structured as follows: The first part is dedicated to review the current solutions in the teleoperation of complex tasks and compare them with those proposed in this research. The second part of the thesis presents and reviews in depth the different evaluation criteria to determine the suitability of each robot to continue with the execution of a task, considering the configuration of the robots and emphasizing the criterion of dexterity and manipulability. The study reviews the different required control algorithms to enable the task oriented telemanipulation. This proposed teleoperation paradigm is transparent to the operator. Then, the Thesis presents and analyses several experimental results using MRCP in the field of minimally invasive surgery. These experiments study the effectiveness of MRCP in various tasks requiring the cooperation of two hands. A type task is used: a suture using minimally invasive surgery technique. The analysis is done in terms of execution time, economy of movement, quality and patient safety (potential damage produced by undesired interaction between the tools and the vital tissues of the patient). The final part of the thesis proposes the implementation of different virtual aids and restrictions (guided teleoperation based on haptic visual and audio feedback, protection of restricted workspace regions, etc.) using the task oriented teleoperation paradigm. A framework is defined for implementing and applying a basic set of virtual aids and constraints within the framework of a virtual simulator for laparoscopic abdominal surgery. The set of experiments have allowed to validate the developed work. The study revealed the influence of virtual aids in the learning process of laparoscopic techniques. It has also demonstrated the improvement of learning curves, which paves the way for its implementation as a methodology for training new surgeons.Aquesta tesi doctoral proposa l'estudi i desenvolupament d'un sistema de teleoperació basat en la cooperació multi-robot sota el paradigma de la teleoperació orientada a tasca: Multi-Robot Cooperative Paradigm, MRCP. En la teleoperació clàssica, l'operador utilitza els telecomandaments perquè els braços robots reprodueixin els seus moviments i es realitzi la tasca desitjada. Amb el treball realitzat, l'operador pot manipular virtualment un objecte i és mitjançant el MRCP que s'adjudica a cada braç les ordres necessàries per realitzar la tasca, sense que l'operador hagi de resoldre les situacions derivades de possibles restriccions que puguin tenir els braços executors. La recerca desenvolupada està doncs orientada a millorar la teleoperació en tasques de precisió en entorns complexos i, en particular, en el camp de la cirurgia mínimament invasiva assistida per robots. Aquest camp imposa condicions de seguretat del pacient i l'espai de treball comporta moltes restriccions a la teleoperació. MRCP es pot definir com a una plataforma formada per diversos robots que cooperen de forma automàtica per dur a terme una tasca teleoperada, generant un sistema robòtic amb capacitats augmentades (volums de treball, accessibilitat, destresa,...). La cooperació es basa en transferir la tasca entre robots a partir de determinar quin és aquell que és més adequat per continuar amb la seva execució i el moment òptim per realitzar la transferència de la tasca entre el robot actiu i el millor candidat a continuar-la. Des del punt de vista de l'operari, MRCP ofereix una interfície de teleoperació que permet la realització de la teleoperació mitjançant el paradigma d'ordres orientades a la tasca: les ordres es tradueixen en accions sobre la tasca en comptes d'estar dirigides als robots. Aquesta tesi està estructurada de la següent manera: Primerament es fa una revisió de l'estat actual de les diverses solucions desenvolupades actualment en el camp de la teleoperació de tasques complexes, comparant-les amb les proposades en aquest treball de recerca. En el segon bloc de la tesi es presenten i s'analitzen a fons els diversos criteris per determinar la capacitat de cada robot per continuar l'execució d'una tasca, segons la configuració del conjunt de robots i fent especial èmfasi en el criteri de destresa i manipulabilitat. Seguint aquest estudi, es presenten els diferents processos de control emprats per tal d'assolir la telemanipulació orientada a tasca de forma transparent a l'operari. Seguidament es presenten diversos resultats experimentals aplicant MRCP al camp de la cirurgia mínimament invasiva. En aquests experiments s'estudia l'eficàcia de MRCP en diverses tasques que requereixen de la cooperació de dues mans. S'ha escollit una tasca tipus: sutura amb tècnica de cirurgia mínimament invasiva. L'anàlisi es fa en termes de temps d'execució, economia de moviment, qualitat i seguretat del pacient (potencials danys causats per la interacció no desitjada entre les eines i els teixits vitals del pacient). Finalment s'ha estudiat l'ús de diferents ajudes i restriccions virtuals (guiat de la teleoperació via retorn hàptic, visual o auditiu, protecció de regions de l'espai de treball, etc) dins el paradigma de teleoperació orientada a tasca. S'ha definint un marc d'aplicació base i implementant un conjunt de restriccions virtuals dins el marc d'un simulador de cirurgia laparoscòpia abdominal. El conjunt d'experiments realitzats han permès validar el treball realitzat. Aquest estudi ha permès determinar la influencia de les ajudes virtuals en el procés d'aprenentatge de les tècniques laparoscòpiques. S'ha evidenciat una millora en les corbes d'aprenentatge i obre el camí a la seva implantació com a metodologia d'entrenament de nous cirurgians.Postprint (published version