Real-time generation and adaptation of social companion robot behaviors

Social robots will be part of our future homes. They will assist us in everyday tasks, entertain us, and provide helpful advice. However, the technology still faces challenges that must be overcome to equip the machine with social competencies and make it a socially intelligent and accepted housemate. An essential skill of every social robot is verbal and non-verbal communication. In contrast to voice assistants, smartphones, and smart home technology, which are already part of many people's lives today, social robots have an embodiment that raises expectations towards the machine. Their anthropomorphic or zoomorphic appearance suggests they can communicate naturally with speech, gestures, or facial expressions and understand corresponding human behaviors. In addition, robots also need to consider individual users' preferences: everybody is shaped by their culture, social norms, and life experiences, resulting in different expectations towards communication with a robot. However, robots do not have human intuition - they must be equipped with the corresponding algorithmic solutions to these problems. This thesis investigates the use of reinforcement learning to adapt the robot's verbal and non-verbal communication to the user's needs and preferences. Such non-functional adaptation of the robot's behaviors primarily aims to improve the user experience and the robot's perceived social intelligence. The literature has not yet provided a holistic view of the overall challenge: real-time adaptation requires control over the robot's multimodal behavior generation, an understanding of human feedback, and an algorithmic basis for machine learning. Thus, this thesis develops a conceptual framework for designing real-time non-functional social robot behavior adaptation with reinforcement learning. It provides a higher-level view from the system designer's perspective and guidance from the start to the end. It illustrates the process of modeling, simulating, and evaluating such adaptation processes. Specifically, it guides the integration of human feedback and social signals to equip the machine with social awareness. The conceptual framework is put into practice for several use cases, resulting in technical proofs of concept and research prototypes. They are evaluated in the lab and in in-situ studies. These approaches address typical activities in domestic environments, focussing on the robot's expression of personality, persona, politeness, and humor. Within this scope, the robot adapts its spoken utterances, prosody, and animations based on human explicit or implicit feedback.Soziale Roboter werden Teil unseres zukünftigen Zuhauses sein. Sie werden uns bei alltäglichen Aufgaben unterstützen, uns unterhalten und uns mit hilfreichen Ratschlägen versorgen. Noch gibt es allerdings technische Herausforderungen, die zunächst überwunden werden müssen, um die Maschine mit sozialen Kompetenzen auszustatten und zu einem sozial intelligenten und akzeptierten Mitbewohner zu machen. Eine wesentliche Fähigkeit eines jeden sozialen Roboters ist die verbale und nonverbale Kommunikation. Im Gegensatz zu Sprachassistenten, Smartphones und Smart-Home-Technologien, die bereits heute Teil des Lebens vieler Menschen sind, haben soziale Roboter eine Verkörperung, die Erwartungen an die Maschine weckt. Ihr anthropomorphes oder zoomorphes Aussehen legt nahe, dass sie in der Lage sind, auf natürliche Weise mit Sprache, Gestik oder Mimik zu kommunizieren, aber auch entsprechende menschliche Kommunikation zu verstehen. Darüber hinaus müssen Roboter auch die individuellen Vorlieben der Benutzer berücksichtigen. So ist jeder Mensch von seiner Kultur, sozialen Normen und eigenen Lebenserfahrungen geprägt, was zu unterschiedlichen Erwartungen an die Kommunikation mit einem Roboter führt. Roboter haben jedoch keine menschliche Intuition - sie müssen mit entsprechenden Algorithmen für diese Probleme ausgestattet werden. In dieser Arbeit wird der Einsatz von bestärkendem Lernen untersucht, um die verbale und nonverbale Kommunikation des Roboters an die Bedürfnisse und Vorlieben des Benutzers anzupassen. Eine solche nicht-funktionale Anpassung des Roboterverhaltens zielt in erster Linie darauf ab, das Benutzererlebnis und die wahrgenommene soziale Intelligenz des Roboters zu verbessern. Die Literatur bietet bisher keine ganzheitliche Sicht auf diese Herausforderung: Echtzeitanpassung erfordert die Kontrolle über die multimodale Verhaltenserzeugung des Roboters, ein Verständnis des menschlichen Feedbacks und eine algorithmische Basis für maschinelles Lernen. Daher wird in dieser Arbeit ein konzeptioneller Rahmen für die Gestaltung von nicht-funktionaler Anpassung der Kommunikation sozialer Roboter mit bestärkendem Lernen entwickelt. Er bietet eine übergeordnete Sichtweise aus der Perspektive des Systemdesigners und eine Anleitung vom Anfang bis zum Ende. Er veranschaulicht den Prozess der Modellierung, Simulation und Evaluierung solcher Anpassungsprozesse. Insbesondere wird auf die Integration von menschlichem Feedback und sozialen Signalen eingegangen, um die Maschine mit sozialem Bewusstsein auszustatten. Der konzeptionelle Rahmen wird für mehrere Anwendungsfälle in die Praxis umgesetzt, was zu technischen Konzeptnachweisen und Forschungsprototypen führt, die in Labor- und In-situ-Studien evaluiert werden. Diese Ansätze befassen sich mit typischen Aktivitäten in häuslichen Umgebungen, wobei der Schwerpunkt auf dem Ausdruck der Persönlichkeit, dem Persona, der Höflichkeit und dem Humor des Roboters liegt. In diesem Rahmen passt der Roboter seine Sprache, Prosodie, und Animationen auf Basis expliziten oder impliziten menschlichen Feedbacks an

Presentation adaptation for multimodal interface systems: Three essays on the effectiveness of user-centric content and modality adaptation

The use of devices is becoming increasingly ubiquitous and the contexts of their users more and more dynamic. This often leads to situations where one communication channel is rather impractical. Text-based communication is particularly inconvenient when the hands are already occupied with another task. Audio messages induce privacy risks and may disturb other people if used in public spaces. Multimodal interfaces thus offer users the flexibility to choose between multiple interaction modalities. While the choice of a suitable input modality lies in the hands of the users, they may also require output in a different modality depending on their situation. To adapt the output of a system to a particular context, rules are needed that specify how information should be presented given the users’ situation and state. Therefore, this thesis tests three adaptation rules that – based on observations from cognitive science – have the potential to improve the interaction with an application by adapting the presented content or its modality. Following modality alignment, the output (audio versus visual) of a smart home display is matched with the user’s input (spoken versus manual) to the system. Experimental evaluations reveal that preferences for an input modality are initially too unstable to infer a clear preference for either interaction modality. Thus, the data shows no clear relation between the users’ modality choice for the first interaction and their attitude towards output in different modalities. To apply multimodal redundancy, information is displayed in multiple modalities. An application of the rule in a video conference reveals that captions can significantly reduce confusion. However, the effect is limited to confusion resulting from language barriers, whereas contradictory auditory reports leave the participants in a state of confusion independent of whether captions are available or not. We therefore suggest to activate captions only when the facial expression of a user – captured by action units, expressions of positive or negative affect, and a reduced blink rate – implies that the captions effectively improve comprehension. Content filtering in movies puts the character into the spotlight that – according to the distribution of their gaze to elements in the previous scene – the users prefer. If preferences are predicted with machine learning classifiers, this has the potential to significantly improve the user’ involvement compared to scenes of elements that the user does not prefer. Focused attention is additionally higher compared to scenes in which multiple characters take a lead role

Adaptive Cognitive Interaction Systems

Adaptive kognitive Interaktionssysteme beobachten und modellieren den Zustand ihres Benutzers und passen das Systemverhalten entsprechend an. Ein solches System besteht aus drei Komponenten: Dem empirischen kognitiven Modell, dem komputationalen kognitiven Modell und dem adaptiven Interaktionsmanager. Die vorliegende Arbeit enthält zahlreiche Beiträge zur Entwicklung dieser Komponenten sowie zu deren Kombination. Die Ergebnisse werden in zahlreichen Benutzerstudien validiert

Multisensory learning in adaptive interactive systems

The main purpose of my work is to investigate multisensory perceptual learning and sensory integration in the design and development of adaptive user interfaces for educational purposes. To this aim, starting from renewed understanding from neuroscience and cognitive science on multisensory perceptual learning and sensory integration, I developed a theoretical computational model for designing multimodal learning technologies that take into account these results. Main theoretical foundations of my research are multisensory perceptual learning theories and the research on sensory processing and integration, embodied cognition theories, computational models of non-verbal and emotion communication in full-body movement, and human-computer interaction models. Finally, a computational model was applied in two case studies, based on two EU ICT-H2020 Projects, "weDRAW" and "TELMI", on which I worked during the PhD