Bioinspired auditory sound localisation for improving the signal to noise ratio of socially interactive robots

In this paper we describe a bioinspired hybrid architecture for acoustic sound source localisation and tracking to increase the signal to noise ratio (SNR) between speaker and background sources for a socially interactive robot's speech recogniser system. The model presented incorporates the use of Interaural Time Differ- ence for azimuth estimation and Recurrent Neural Net- works for trajectory prediction. The results are then pre- sented showing the difference in the SNR of a localised and non-localised speaker source, in addition to presenting the recognition rates between a localised and non-localised speaker source. From the results presented in this paper it can be seen that by orientating towards the sound source of interest the recognition rates of that source can be in- creased

Listening for Sirens: Locating and Classifying Acoustic Alarms in City Scenes

This paper is about alerting acoustic event detection and sound source localisation in an urban scenario. Specifically, we are interested in spotting the presence of horns, and sirens of emergency vehicles. In order to obtain a reliable system able to operate robustly despite the presence of traffic noise, which can be copious, unstructured and unpredictable, we propose to treat the spectrograms of incoming stereo signals as images, and apply semantic segmentation, based on a Unet architecture, to extract the target sound from the background noise. In a multi-task learning scheme, together with signal denoising, we perform acoustic event classification to identify the nature of the alerting sound. Lastly, we use the denoised signals to localise the acoustic source on the horizon plane, by regressing the direction of arrival of the sound through a CNN architecture. Our experimental evaluation shows an average classification rate of 94%, and a median absolute error on the localisation of 7.5{\deg} when operating on audio frames of 0.5s, and of 2.5{\deg} when operating on frames of 2.5s. The system offers excellent performance in particularly challenging scenarios, where the noise level is remarkably high.Comment: 6 pages, 9 figure

Towards a framework for socially interactive robots

250 p.En las últimas décadas, la investigación en el campo de la robótica social ha crecido considerablemente. El desarrollo de diferentes tipos de robots y sus roles dentro de la sociedad se están expandiendo poco a poco. Los robots dotados de habilidades sociales pretenden ser utilizados para diferentes aplicaciones; por ejemplo, como profesores interactivos y asistentes educativos, para apoyar el manejo de la diabetes en niños, para ayudar a personas mayores con necesidades especiales, como actores interactivos en el teatro o incluso como asistentes en hoteles y centros comerciales.El equipo de investigación RSAIT ha estado trabajando en varias áreas de la robótica, en particular,en arquitecturas de control, exploración y navegación de robots, aprendizaje automático y visión por computador. El trabajo presentado en este trabajo de investigación tiene como objetivo añadir una nueva capa al desarrollo anterior, la capa de interacción humano-robot que se centra en las capacidades sociales que un robot debe mostrar al interactuar con personas, como expresar y percibir emociones, mostrar un alto nivel de diálogo, aprender modelos de otros agentes, establecer y mantener relaciones sociales, usar medios naturales de comunicación (mirada, gestos, etc.),mostrar personalidad y carácter distintivos y aprender competencias sociales.En esta tesis doctoral, tratamos de aportar nuestro grano de arena a las preguntas básicas que surgen cuando pensamos en robots sociales: (1) ¿Cómo nos comunicamos (u operamos) los humanos con los robots sociales?; y (2) ¿Cómo actúan los robots sociales con nosotros? En esa línea, el trabajo se ha desarrollado en dos fases: en la primera, nos hemos centrado en explorar desde un punto de vista práctico varias formas que los humanos utilizan para comunicarse con los robots de una maneranatural. En la segunda además, hemos investigado cómo los robots sociales deben actuar con el usuario.Con respecto a la primera fase, hemos desarrollado tres interfaces de usuario naturales que pretenden hacer que la interacción con los robots sociales sea más natural. Para probar tales interfaces se han desarrollado dos aplicaciones de diferente uso: robots guía y un sistema de controlde robot humanoides con fines de entretenimiento. Trabajar en esas aplicaciones nos ha permitido dotar a nuestros robots con algunas habilidades básicas, como la navegación, la comunicación entre robots y el reconocimiento de voz y las capacidades de comprensión.Por otro lado, en la segunda fase nos hemos centrado en la identificación y el desarrollo de los módulos básicos de comportamiento que este tipo de robots necesitan para ser socialmente creíbles y confiables mientras actúan como agentes sociales. Se ha desarrollado una arquitectura(framework) para robots socialmente interactivos que permite a los robots expresar diferentes tipos de emociones y mostrar un lenguaje corporal natural similar al humano según la tarea a realizar y lascondiciones ambientales.La validación de los diferentes estados de desarrollo de nuestros robots sociales se ha realizado mediante representaciones públicas. La exposición de nuestros robots al público en esas actuaciones se ha convertido en una herramienta esencial para medir cualitativamente la aceptación social de los prototipos que estamos desarrollando. De la misma manera que los robots necesitan un cuerpo físico para interactuar con el entorno y convertirse en inteligentes, los robots sociales necesitan participar socialmente en tareas reales para las que han sido desarrollados, para así poder mejorar su sociabilida

How to build a supervised autonomous system for robot-enhanced therapy for children with autism spectrum disorder

Robot-Assisted Therapy (RAT) has successfully been used to improve social skills in children with autism spectrum disorders (ASD) through remote control of the robot in so-called Wizard of Oz (WoZ) paradigms.However, there is a need to increase the autonomy of the robot both to lighten the burden on human therapists (who have to remain in control and, importantly, supervise the robot) and to provide a consistent therapeutic experience. This paper seeks to provide insight into increasing the autonomy level of social robots in therapy to move beyond WoZ. With the final aim of improved human-human social interaction for the children, this multidisciplinary research seeks to facilitate the use of social robots as tools in clinical situations by addressing the challenge of increasing robot autonomy.We introduce the clinical framework in which the developments are tested, alongside initial data obtained from patients in a first phase of the project using a WoZ set-up mimicking the targeted supervised-autonomy behaviour. We further describe the implemented system architecture capable of providing the robot with supervised autonomy

A mechatronic approach to supernormal auditory localisation

Remote audio perception is a fundamental requirement for telepresence and teleoperation in applications that range from work in hostile environments to security and entertainment. The following paper presents the use of a mechatronic system to test the efficacy of audio for telepresence. It describes work to determine whether the use of supernormal inter-aural distance is a valid means of approaching an enhanced method of hearing for telepresence. The particular audio variable investigated is the azimuth angle of error and the construction of a dedicated mechatronic test rig is reported and the results obtained. The paper concludes by observing that the combination of the mechatronic system and supernormal audition does enhance the ability to localise sound sources and that further work in this area is justified

Audio-Motor Integration for Robot Audition

International audienceIn the context of robotics, audio signal processing in the wild amounts to dealing with sounds recorded by a system that moves and whose actuators produce noise. This creates additional challenges in sound source localization, signal enhancement and recognition. But the speci-ficity of such platforms also brings interesting opportunities: can information about the robot actuators' states be meaningfully integrated in the audio processing pipeline to improve performance and efficiency? While robot audition grew to become an established field, methods that explicitly use motor-state information as a complementary modality to audio are scarcer. This chapter proposes a unified view of this endeavour, referred to as audio-motor integration. A literature review and two learning-based methods for audio-motor integration in robot audition are presented, with application to single-microphone sound source localization and ego-noise reduction on real data

Réduction de l'égo-bruit de robots

En robotique, il est désirable d’équiper les robots du sens de l’audition afin de mieux interagir avec les utilisateurs et l’environnement. Cependant, le bruit causé par les actionneurs des robots, nommé égo-bruit, réduit considérablement la qualité des segments audios. Conséquemment, la performance des techniques de reconnaissance de la parole et de détection d’évènements sonores est limitée par la quantité de bruit que le robot produit durant ses mouvements. Le bruit généré par les robots diffère considérablement selon l’environnement, les moteurs, les matériaux utilisés et même selon l’intégrité des différentes composantes mécaniques. L’objectif du projet est de concevoir un modèle de réduction d’égo-bruit robuste utilisant plusieurs microphones et d’être capable de le calibrer rapidement sur un robot mobile. Ce mémoire présente une méthode de réduction de l’égo-bruit combinant l’apprentissage de gabarit de matrice de covariance du bruit à un algorithme de formation de faisceau de réponses à variance minimum sans distorsion. L’approche utilisée pour l’apprentissage des matrices de covariances permet d’enregistrer les caractéristiques spatiales de l’égo-bruit en moins de deux minutes pour chaque nouvel environnement. L’algorithme de faisceau permet, quant à lui, de réduire l’égo-bruit du signal bruité sans l’ajout de distorsion nonlinéaire dans le signal résultant. La méthode est implémentée sous Robot Operating System pour une utilisation simple et rapide sur différents robots. L’évaluation de cette nouvelle méthode a été effectuée sur un robot réel dans trois environnements différents : une petite salle, une grande salle et un corridor de bureau. L’augmentation du ratio signal-bruit est d’environ 10 dB et est constante entre les trois salles. La réduction du taux d’erreur des mots de la reconnaissance vocale se situe entre 30 % et 55 %. Le modèle a aussi été testé pour la détection d’évènements sonores. Une augmentation de 7 % à 20 % de la précision moyenne a été mesurée pour la détection de la musique, mais aucune augmentation significative pour la parole, les cris, les portes qui ferment et les alarmes. La méthode proposée permet une utilisation plus accessible de la reconnaissance vocale sur des robots bruyants. De plus, une analyse des principaux paramètres a permis de valider leurs impacts sur la performance du système. Les performances sont meilleures lorsque le système est calibré avec plus de bruit du robot et lorsque la longueur des segments utilisés est plus longue. La taille de la Transformée de Fourier rapide à court terme (Short-Time Fourier Transform) peut être réduite pour réduire le temps de traitement du système. Cependant, la taille de cette transformée impacte aussi la résolution des caractéristiques du signal résultant. Un compromis doit être faire entre un faible temps de traitement et la qualité du signal en sortie du système

Acoustic-based Smart Tactile Sensing in Social Robots

Mención Internacional en el título de doctorEl sentido del tacto es un componente crucial de la interacción social humana y es único entre los cinco sentidos. Como único sentido proximal, el tacto requiere un contacto físico cercano o directo para registrar la información. Este hecho convierte al tacto en una modalidad de interacción llena de posibilidades en cuanto a comunicación social. A través del tacto, podemos conocer la intención de la otra persona y comunicar emociones. De esta idea surge el concepto de social touch o tacto social como el acto de tocar a otra persona en un contexto social. Puede servir para diversos fines, como saludar, mostrar afecto, persuadir y regular el bienestar emocional y físico. Recientemente, el número de personas que interactúan con sistemas y agentes artificiales ha aumentado, principalmente debido al auge de los dispositivos tecnológicos, como los smartphones o los altavoces inteligentes. A pesar del auge de estos dispositivos, sus capacidades de interacción son limitadas. Para paliar este problema, los recientes avances en robótica social han mejorado las posibilidades de interacción para que los agentes funcionen de forma más fluida y sean más útiles. En este sentido, los robots sociales están diseñados para facilitar interacciones naturales entre humanos y agentes artificiales. El sentido del tacto en este contexto se revela como un vehículo natural que puede mejorar la Human-Robot Interaction (HRI) debido a su relevancia comunicativa en entornos sociales. Además de esto, para un robot social, la relación entre el tacto social y su aspecto es directa, al disponer de un cuerpo físico para aplicar o recibir toques. Desde un punto de vista técnico, los sistemas de detección táctil han sido objeto recientemente de nuevas investigaciones, sobre todo dedicado a comprender este sentido para crear sistemas inteligentes que puedan mejorar la vida de las personas. En este punto, los robots sociales se han convertido en dispositivos muy populares que incluyen tecnologías para la detección táctil. Esto está motivado por el hecho de que un robot puede esperada o inesperadamente tener contacto físico con una persona, lo que puede mejorar o interferir en la ejecución de sus comportamientos. Por tanto, el sentido del tacto se antoja necesario para el desarrollo de aplicaciones robóticas. Algunos métodos incluyen el reconocimiento de gestos táctiles, aunque a menudo exigen importantes despliegues de hardware que requieren de múltiples sensores. Además, la fiabilidad de estas tecnologías de detección es limitada, ya que la mayoría de ellas siguen teniendo problemas tales como falsos positivos o tasas de reconocimiento bajas. La detección acústica, en este sentido, puede proporcionar un conjunto de características capaces de paliar las deficiencias anteriores. A pesar de que se trata de una tecnología utilizada en diversos campos de investigación, aún no se ha integrado en la interacción táctil entre humanos y robots. Por ello, en este trabajo proponemos el sistema Acoustic Touch Recognition (ATR), un sistema inteligente de detección táctil (smart tactile sensing system) basado en la detección acústica y diseñado para mejorar la interacción social humano-robot. Nuestro sistema está desarrollado para clasificar gestos táctiles y localizar su origen. Además de esto, se ha integrado en plataformas robóticas sociales y se ha probado en aplicaciones reales con éxito. Nuestra propuesta se ha enfocado desde dos puntos de vista: uno técnico y otro relacionado con el tacto social. Por un lado, la propuesta tiene una motivación técnica centrada en conseguir un sistema táctil rentable, modular y portátil. Para ello, en este trabajo se ha explorado el campo de las tecnologías de detección táctil, los sistemas inteligentes de detección táctil y su aplicación en HRI. Por otro lado, parte de la investigación se centra en el impacto afectivo del tacto social durante la interacción humano-robot, lo que ha dado lugar a dos estudios que exploran esta idea.The sense of touch is a crucial component of human social interaction and is unique among the five senses. As the only proximal sense, touch requires close or direct physical contact to register information. This fact makes touch an interaction modality full of possibilities regarding social communication. Through touch, we are able to ascertain the other person’s intention and communicate emotions. From this idea emerges the concept of social touch as the act of touching another person in a social context. It can serve various purposes, such as greeting, showing affection, persuasion, and regulating emotional and physical well-being. Recently, the number of people interacting with artificial systems and agents has increased, mainly due to the rise of technological devices, such as smartphones or smart speakers. Still, these devices are limited in their interaction capabilities. To deal with this issue, recent developments in social robotics have improved the interaction possibilities to make agents more seamless and useful. In this sense, social robots are designed to facilitate natural interactions between humans and artificial agents. In this context, the sense of touch is revealed as a natural interaction vehicle that can improve HRI due to its communicative relevance. Moreover, for a social robot, the relationship between social touch and its embodiment is direct, having a physical body to apply or receive touches. From a technical standpoint, tactile sensing systems have recently been the subject of further research, mostly devoted to comprehending this sense to create intelligent systems that can improve people’s lives. Currently, social robots are popular devices that include technologies for touch sensing. This is motivated by the fact that robots may encounter expected or unexpected physical contact with humans, which can either enhance or interfere with the execution of their behaviours. There is, therefore, a need to detect human touch in robot applications. Some methods even include touch-gesture recognition, although they often require significant hardware deployments primarily that require multiple sensors. Additionally, the dependability of those sensing technologies is constrained because the majority of them still struggle with issues like false positives or poor recognition rates. Acoustic sensing, in this sense, can provide a set of features that can alleviate the aforementioned shortcomings. Even though it is a technology that has been utilised in various research fields, it has yet to be integrated into human-robot touch interaction. Therefore, in thiswork,we propose theATRsystem, a smart tactile sensing system based on acoustic sensing designed to improve human-robot social interaction. Our system is developed to classify touch gestures and locate their source. It is also integrated into real social robotic platforms and tested in real-world applications. Our proposal is approached from two standpoints, one technical and the other related to social touch. Firstly, the technical motivation of thiswork centred on achieving a cost-efficient, modular and portable tactile system. For that, we explore the fields of touch sensing technologies, smart tactile sensing systems and their application in HRI. On the other hand, part of the research is centred around the affective impact of touch during human-robot interaction, resulting in two studies exploring this idea.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Pedro Manuel Urbano de Almeida Lima.- Secretaria: María Dolores Blanco Rojas.- Vocal: Antonio Fernández Caballer