Human-in-the-Loop Model Predictive Control of an Irrigation Canal

Until now, advanced model-based control techniques have been predominantly employed to control problems that are relatively straightforward to model. Many systems with complex dynamics or containing sophisticated sensing and actuation elements can be controlled if the corresponding mathematical models are available, even if there is uncertainty in this information. Consequently, the application of model-based control strategies has flourished in numerous areas, including industrial applications [1]-[3].Junta de Andalucía P11-TEP-812

Entrainment and synchronization in networks of Rayleigh-van der Pol oscillators with diffusive and Haken-Kelso-Bunz couplings

We analyze a network of non-identical Rayleigh–van der Pol (RvdP) oscillators interconnected through either diffusive or nonlinear coupling functions. The work presented here extends existing results on the case of two nonlinearly coupled RvdP oscillators to the problem of considering a network of three or more of them. Specifically, we study synchronization and entrainment in networks of heterogeneous RvdP oscillators and contrast the effects of diffusive linear coupling strategies with the nonlinear Haken–Kelso–Bunz coupling, originally introduced to study human bimanual experiments. We show how convergence of the error among the nodes’ trajectories toward a bounded region is possible with both linear and nonlinear coupling functions. Under the assumption that the network is connected, simple, and undirected, analytical results are obtained to prove boundedness of the error when the oscillators are coupled diffusively. All results are illustrated by way of numerical examples and compared with the experimental findings available in the literature on synchronization of people rocking chairs, confirming the effectiveness of the model we propose to capture some of the features of human group synchronization observed experimentally in the previous literature

Object Handovers: a Review for Robotics

This article surveys the literature on human-robot object handovers. A handover is a collaborative joint action where an agent, the giver, gives an object to another agent, the receiver. The physical exchange starts when the receiver first contacts the object held by the giver and ends when the giver fully releases the object to the receiver. However, important cognitive and physical processes begin before the physical exchange, including initiating implicit agreement with respect to the location and timing of the exchange. From this perspective, we structure our review into the two main phases delimited by the aforementioned events: 1) a pre-handover phase, and 2) the physical exchange. We focus our analysis on the two actors (giver and receiver) and report the state of the art of robotic givers (robot-to-human handovers) and the robotic receivers (human-to-robot handovers). We report a comprehensive list of qualitative and quantitative metrics commonly used to assess the interaction. While focusing our review on the cognitive level (e.g., prediction, perception, motion planning, learning) and the physical level (e.g., motion, grasping, grip release) of the handover, we briefly discuss also the concepts of safety, social context, and ergonomics. We compare the behaviours displayed during human-to-human handovers to the state of the art of robotic assistants, and identify the major areas of improvement for robotic assistants to reach performance comparable to human interactions. Finally, we propose a minimal set of metrics that should be used in order to enable a fair comparison among the approaches.Comment: Review paper, 19 page

Emergent coordination between humans and robots

Emergent coordination or movement synchronization is an often observed phenomenon in human behavior. Humans synchronize their gait when walking next to each other, they synchronize their postural sway when standing closely, and they also synchronize their movement behavior in many other situations of daily life. Why humans are doing this is an important question of ongoing research in many disciplines: apparently movement synchronization plays a role in children’s development and learning; it is related to our social and emotional behavior in interaction with others; it is an underlying principle in the organization of communication by means of language and gesture; and finally, models explaining movement synchronization between two individuals can also be extended to group behavior. Overall, one can say that movement synchronization is an important principle of human interaction behavior. Besides interacting with other humans, in recent years humans do more and more interact with technology. This was first expressed in the interaction with machines in industrial settings, was taken further to human-computer interaction and is now facing a new challenge: the interaction with active and autonomous machines, the interaction with robots. If the vision of today’s robot developers comes true, in the near future robots will be fully integrated not only in our workplace, but also in our private lives. They are supposed to support humans in activities of daily living and even care for them. These circumstances however require the development of interactional principles which the robot can apply to the direct interaction with humans. In this dissertation the problem of robots entering the human society will be outlined and the need for the exploration of human interaction principles that are transferable to human-robot interaction will be emphasized. Furthermore, an overview on human movement synchronization as a very important phenomenon in human interaction will be given, ranging from neural correlates to social behavior. The argument of this dissertation is that human movement synchronization is a simple but striking human interaction principle that can be applied in human-robot interaction to support human activity of daily living, demonstrated on the example of pick-and-place tasks. This argument is based on five publications. In the first publication, human movement synchronization is explored in goal-directed tasks which bare similar requirements as pick-and-place tasks in activities of daily living. In order to explore if a merely repetitive action of the robot is sufficient to encourage human movement synchronization, the second publication reports a human-robot interaction study in which a human interacts with a non-adaptive robot. Here however, movement synchronization between human and robot does not emerge, which underlines the need for adaptive mechanisms. Therefore, in the third publication, human adaptive behavior in goal-directed movement synchronization is explored. In order to make the findings from the previous studies applicable to human-robot interaction, in the fourth publication the development of an interaction model based on dynamical systems theory is outlined which is ready for implementation on a robotic platform. Following this, a brief overview on a first human-robot interaction study based on the developed interaction model is provided. The last publication describes an extension of the previous approach which also includes the human tendency to make use of events to adapt their movements to. Here, also a first human-robot interaction study is reported which confirms the applicability of the model. The dissertation concludes with a discussion on the presented findings in the light of human-robot interaction and psychological aspects of joint action research as well as the problem of mutual adaptation.Spontan auftretende Koordination oder Bewegungssynchronisierung ist ein häufig zu beobachtendes Phänomen im Verhalten von Menschen. Menschen synchronisieren ihre Schritte beim nebeneinander hergehen, sie synchronisieren die Schwingbewegung zum Ausgleich der Körperbalance wenn sie nahe beieinander stehen und sie synchronisieren ihr Bewegungsverhalten generell in vielen weiteren Handlungen des täglichen Lebens. Die Frage nach dem warum ist eine Frage mit der sich die Forschung in der Psychologie, Neuro- und Bewegungswissenschaft aber auch in der Sozialwissenschaft nach wie vor beschäftigt: offenbar spielt die Bewegungssynchronisierung eine Rolle in der kindlichen Entwicklung und beim Erlernen von Fähigkeiten und Verhaltensmustern; sie steht in direktem Bezug zu unserem sozialen Verhalten und unserer emotionalen Wahrnehmung in der Interaktion mit Anderen; sie ist ein grundlegendes Prinzip in der Organisation von Kommunikation durch Sprache oder Gesten; außerdem können Modelle, die Bewegungssynchronisierung zwischen zwei Individuen erklären, auch auf das Verhalten innerhalb von Gruppen ausgedehnt werden. Insgesamt kann man also sagen, dass Bewegungssynchronisierung ein wichtiges Prinzip im menschlichen Interaktionsverhalten darstellt. Neben der Interaktion mit anderen Menschen interagieren wir in den letzten Jahren auch zunehmend mit der uns umgebenden Technik. Hier fand zunächst die Interaktion mit Maschinen im industriellen Umfeld Beachtung, später die Mensch-Computer-Interaktion. Seit kurzem sind wir jedoch mit einer neuen Herausforderung konfrontiert: der Interaktion mit aktiven und autonomen Maschinen, Maschinen die sich bewegen und aktiv mit Menschen interagieren, mit Robotern. Sollte die Vision der heutigen Roboterentwickler Wirklichkeit werde, so werden Roboter in der nahen Zukunft nicht nur voll in unser Arbeitsumfeld integriert sein, sondern auch in unser privates Leben. Roboter sollen den Menschen in ihren täglichen Aktivitäten unterstützen und sich sogar um sie kümmern. Diese Umstände erfordern die Entwicklung von neuen Interaktionsprinzipien, welche Roboter in der direkten Koordination mit dem Menschen anwenden können. In dieser Dissertation wird zunächst das Problem umrissen, welches sich daraus ergibt, dass Roboter zunehmend Einzug in die menschliche Gesellschaft finden. Außerdem wird die Notwendigkeit der Untersuchung menschlicher Interaktionsprinzipien, die auf die Mensch-Roboter-Interaktion transferierbar sind, hervorgehoben. Die Argumentation der Dissertation ist, dass die menschliche Bewegungssynchronisierung ein einfaches aber bemerkenswertes menschliches Interaktionsprinzip ist, welches in der Mensch-Roboter-Interaktion angewendet werden kann um menschliche Aktivitäten des täglichen Lebens, z.B. Aufnahme-und-Ablege-Aufgaben (pick-and-place tasks), zu unterstützen. Diese Argumentation wird auf fünf Publikationen gestützt. In der ersten Publikation wird die menschliche Bewegungssynchronisierung in einer zielgerichteten Aufgabe untersucht, welche die gleichen Anforderungen erfüllt wie die Aufnahme- und Ablageaufgaben des täglichen Lebens. Um zu untersuchen ob eine rein repetitive Bewegung des Roboters ausreichend ist um den Menschen zur Etablierung von Bewegungssynchronisierung zu ermutigen, wird in der zweiten Publikation eine Mensch-Roboter-Interaktionsstudie vorgestellt in welcher ein Mensch mit einem nicht-adaptiven Roboter interagiert. In dieser Studie wird jedoch keine Bewegungssynchronisierung zwischen Mensch und Roboter etabliert, was die Notwendigkeit von adaptiven Mechanismen unterstreicht. Daher wird in der dritten Publikation menschliches Adaptationsverhalten in der Bewegungssynchronisierung in zielgerichteten Aufgaben untersucht. Um die so gefundenen Mechanismen für die Mensch-Roboter Interaktion nutzbar zu machen, wird in der vierten Publikation die Entwicklung eines Interaktionsmodells basierend auf Dynamischer Systemtheorie behandelt. Dieses Modell kann direkt in eine Roboterplattform implementiert werden. Anschließend wird kurz auf eine erste Studie zur Mensch- Roboter Interaktion basierend auf dem entwickelten Modell eingegangen. Die letzte Publikation beschreibt eine Weiterentwicklung des bisherigen Vorgehens welche der Tendenz im menschlichen Verhalten Rechnung trägt, die Bewegungen an Ereignissen auszurichten. Hier wird außerdem eine erste Mensch-Roboter- Interaktionsstudie vorgestellt, die die Anwendbarkeit des Modells bestätigt. Die Dissertation wird mit einer Diskussion der präsentierten Ergebnisse im Kontext der Mensch-Roboter-Interaktion und psychologischer Aspekte der Interaktionsforschung sowie der Problematik von beiderseitiger Adaptivität abgeschlossen

Emergent coordination between humans and robots

Emergent coordination or movement synchronization is an often observed phenomenon in human behavior. Humans synchronize their gait when walking next to each other, they synchronize their postural sway when standing closely, and they also synchronize their movement behavior in many other situations of daily life. Why humans are doing this is an important question of ongoing research in many disciplines: apparently movement synchronization plays a role in children’s development and learning; it is related to our social and emotional behavior in interaction with others; it is an underlying principle in the organization of communication by means of language and gesture; and finally, models explaining movement synchronization between two individuals can also be extended to group behavior. Overall, one can say that movement synchronization is an important principle of human interaction behavior. Besides interacting with other humans, in recent years humans do more and more interact with technology. This was first expressed in the interaction with machines in industrial settings, was taken further to human-computer interaction and is now facing a new challenge: the interaction with active and autonomous machines, the interaction with robots. If the vision of today’s robot developers comes true, in the near future robots will be fully integrated not only in our workplace, but also in our private lives. They are supposed to support humans in activities of daily living and even care for them. These circumstances however require the development of interactional principles which the robot can apply to the direct interaction with humans. In this dissertation the problem of robots entering the human society will be outlined and the need for the exploration of human interaction principles that are transferable to human-robot interaction will be emphasized. Furthermore, an overview on human movement synchronization as a very important phenomenon in human interaction will be given, ranging from neural correlates to social behavior. The argument of this dissertation is that human movement synchronization is a simple but striking human interaction principle that can be applied in human-robot interaction to support human activity of daily living, demonstrated on the example of pick-and-place tasks. This argument is based on five publications. In the first publication, human movement synchronization is explored in goal-directed tasks which bare similar requirements as pick-and-place tasks in activities of daily living. In order to explore if a merely repetitive action of the robot is sufficient to encourage human movement synchronization, the second publication reports a human-robot interaction study in which a human interacts with a non-adaptive robot. Here however, movement synchronization between human and robot does not emerge, which underlines the need for adaptive mechanisms. Therefore, in the third publication, human adaptive behavior in goal-directed movement synchronization is explored. In order to make the findings from the previous studies applicable to human-robot interaction, in the fourth publication the development of an interaction model based on dynamical systems theory is outlined which is ready for implementation on a robotic platform. Following this, a brief overview on a first human-robot interaction study based on the developed interaction model is provided. The last publication describes an extension of the previous approach which also includes the human tendency to make use of events to adapt their movements to. Here, also a first human-robot interaction study is reported which confirms the applicability of the model. The dissertation concludes with a discussion on the presented findings in the light of human-robot interaction and psychological aspects of joint action research as well as the problem of mutual adaptation.Spontan auftretende Koordination oder Bewegungssynchronisierung ist ein häufig zu beobachtendes Phänomen im Verhalten von Menschen. Menschen synchronisieren ihre Schritte beim nebeneinander hergehen, sie synchronisieren die Schwingbewegung zum Ausgleich der Körperbalance wenn sie nahe beieinander stehen und sie synchronisieren ihr Bewegungsverhalten generell in vielen weiteren Handlungen des täglichen Lebens. Die Frage nach dem warum ist eine Frage mit der sich die Forschung in der Psychologie, Neuro- und Bewegungswissenschaft aber auch in der Sozialwissenschaft nach wie vor beschäftigt: offenbar spielt die Bewegungssynchronisierung eine Rolle in der kindlichen Entwicklung und beim Erlernen von Fähigkeiten und Verhaltensmustern; sie steht in direktem Bezug zu unserem sozialen Verhalten und unserer emotionalen Wahrnehmung in der Interaktion mit Anderen; sie ist ein grundlegendes Prinzip in der Organisation von Kommunikation durch Sprache oder Gesten; außerdem können Modelle, die Bewegungssynchronisierung zwischen zwei Individuen erklären, auch auf das Verhalten innerhalb von Gruppen ausgedehnt werden. Insgesamt kann man also sagen, dass Bewegungssynchronisierung ein wichtiges Prinzip im menschlichen Interaktionsverhalten darstellt. Neben der Interaktion mit anderen Menschen interagieren wir in den letzten Jahren auch zunehmend mit der uns umgebenden Technik. Hier fand zunächst die Interaktion mit Maschinen im industriellen Umfeld Beachtung, später die Mensch-Computer-Interaktion. Seit kurzem sind wir jedoch mit einer neuen Herausforderung konfrontiert: der Interaktion mit aktiven und autonomen Maschinen, Maschinen die sich bewegen und aktiv mit Menschen interagieren, mit Robotern. Sollte die Vision der heutigen Roboterentwickler Wirklichkeit werde, so werden Roboter in der nahen Zukunft nicht nur voll in unser Arbeitsumfeld integriert sein, sondern auch in unser privates Leben. Roboter sollen den Menschen in ihren täglichen Aktivitäten unterstützen und sich sogar um sie kümmern. Diese Umstände erfordern die Entwicklung von neuen Interaktionsprinzipien, welche Roboter in der direkten Koordination mit dem Menschen anwenden können. In dieser Dissertation wird zunächst das Problem umrissen, welches sich daraus ergibt, dass Roboter zunehmend Einzug in die menschliche Gesellschaft finden. Außerdem wird die Notwendigkeit der Untersuchung menschlicher Interaktionsprinzipien, die auf die Mensch-Roboter-Interaktion transferierbar sind, hervorgehoben. Die Argumentation der Dissertation ist, dass die menschliche Bewegungssynchronisierung ein einfaches aber bemerkenswertes menschliches Interaktionsprinzip ist, welches in der Mensch-Roboter-Interaktion angewendet werden kann um menschliche Aktivitäten des täglichen Lebens, z.B. Aufnahme-und-Ablege-Aufgaben (pick-and-place tasks), zu unterstützen. Diese Argumentation wird auf fünf Publikationen gestützt. In der ersten Publikation wird die menschliche Bewegungssynchronisierung in einer zielgerichteten Aufgabe untersucht, welche die gleichen Anforderungen erfüllt wie die Aufnahme- und Ablageaufgaben des täglichen Lebens. Um zu untersuchen ob eine rein repetitive Bewegung des Roboters ausreichend ist um den Menschen zur Etablierung von Bewegungssynchronisierung zu ermutigen, wird in der zweiten Publikation eine Mensch-Roboter-Interaktionsstudie vorgestellt in welcher ein Mensch mit einem nicht-adaptiven Roboter interagiert. In dieser Studie wird jedoch keine Bewegungssynchronisierung zwischen Mensch und Roboter etabliert, was die Notwendigkeit von adaptiven Mechanismen unterstreicht. Daher wird in der dritten Publikation menschliches Adaptationsverhalten in der Bewegungssynchronisierung in zielgerichteten Aufgaben untersucht. Um die so gefundenen Mechanismen für die Mensch-Roboter Interaktion nutzbar zu machen, wird in der vierten Publikation die Entwicklung eines Interaktionsmodells basierend auf Dynamischer Systemtheorie behandelt. Dieses Modell kann direkt in eine Roboterplattform implementiert werden. Anschließend wird kurz auf eine erste Studie zur Mensch- Roboter Interaktion basierend auf dem entwickelten Modell eingegangen. Die letzte Publikation beschreibt eine Weiterentwicklung des bisherigen Vorgehens welche der Tendenz im menschlichen Verhalten Rechnung trägt, die Bewegungen an Ereignissen auszurichten. Hier wird außerdem eine erste Mensch-Roboter- Interaktionsstudie vorgestellt, die die Anwendbarkeit des Modells bestätigt. Die Dissertation wird mit einer Diskussion der präsentierten Ergebnisse im Kontext der Mensch-Roboter-Interaktion und psychologischer Aspekte der Interaktionsforschung sowie der Problematik von beiderseitiger Adaptivität abgeschlossen