Modelling Multimodal Dialogues for Social Robots Using Communicative Acts

Social Robots need to communicate in a way that feels natural to humans if they are to effectively bond with the users and provide an engaging interaction. Inline with this natural, effective communication, robots need to perceive and manage multimodal information, both as input and output, and respond accordingly. Consequently, dialogue design is a key factor in creating an engaging multimodal interaction. These dialogues need to be flexible enough to adapt to unforeseen circumstances that arise during the conversation but should also be easy to create, so the development of new applications gets simpler. In this work, we present our approach to dialogue modelling based on basic atomic interaction units called Communicative Acts. They manage basic interactions considering who has the initiative (the robot or the user), and what is his/her intention. The two possible intentions are either ask for information or give information. In addition, because we focus on one-to-one interactions, the initiative can only be taken by the robot or the user. Communicative Acts can be parametrised and combined in a hierarchical manner to fulfil the needs of the robot’s applications, and they have been equipped with built-in functionalities that are in charge of low-level communication tasks. These tasks include communication error handling, turn-taking or user disengagement. This system has been integrated in Mini, a social robot that has been created to assist older adults with cognitive impairment. In a case of use, we demonstrate the operation of our system as well as its performance in real human–robot interactions.The research leading to these results has received funding from the projects Development of social robots to help seniors with cognitive impairment (ROBSEN), funded by the Ministerio de Economia y Competitividad; RoboCity2030-DIH-CM, Madrid Robotics Digital Innovation Hub, S2018/NMT-4331, funded by “Programas de Actividades I+D en la Comunidad de Madrid” and cofunded by Structural Funds of the EU; and Robots sociales para estimulación física, cognitiva y afectiva de mayores (ROSES) RTI2018-096338-B-I00 funded by Agencia Estatal de Investigación (AEI), Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidade

Generic semantics-based task-oriented dialogue system framework for human-machine interaction in industrial scenarios

285 p.En Industria 5.0, los trabajadores y su bienestar son cruciales en el proceso de producción. En estecontexto, los sistemas de diálogo orientados a tareas permiten que los operarios deleguen las tareas mássencillas a los sistemas industriales mientras trabajan en otras más complejas. Además, la posibilidad deinteractuar de forma natural con estos sistemas reduce la carga cognitiva para usarlos y genera aceptaciónpor parte de los usuarios. Sin embargo, la mayoría de las soluciones existentes no permiten unacomunicación natural, y las técnicas actuales para obtener dichos sistemas necesitan grandes cantidadesde datos para ser entrenados, que son escasos en este tipo de escenarios. Esto provoca que los sistemas dediálogo orientados a tareas en el ámbito industrial sean muy específicos, lo que limita su capacidad de sermodificados o reutilizados en otros escenarios, tareas que están ligadas a un gran esfuerzo en términos detiempo y costes. Dados estos retos, en esta tesis se combinan Tecnologías de la Web Semántica contécnicas de Procesamiento del Lenguaje Natural para desarrollar KIDE4I, un sistema de diálogo orientadoa tareas semántico para entornos industriales que permite una comunicación natural entre humanos ysistemas industriales. Los módulos de KIDE4I están diseñados para ser genéricos para una sencillaadaptación a nuevos casos de uso. La ontología modular TODO es el núcleo de KIDE4I, y se encarga demodelar el dominio y el proceso de diálogo, además de almacenar las trazas generadas. KIDE4I se haimplementado y adaptado para su uso en cuatro casos de uso industriales, demostrando que el proceso deadaptación para ello no es complejo y se beneficia del uso de recursos

Human-Robot Interaction architecture for interactive and lively social robots

Mención Internacional en el título de doctorLa sociedad está experimentando un proceso de envejecimiento que puede provocar un desequilibrio entre la población en edad de trabajar y aquella fuera del mercado de trabajo. Una de las soluciones a este problema que se están considerando hoy en día es la introducción de robots en multiples sectores, incluyendo el de servicios. Sin embargo, para que esto sea una solución viable, estos robots necesitan ser capaces de interactuar con personas de manera satisfactoria, entre otras habilidades. En el contexto de la aplicación de robots sociales al cuidado de mayores, esta tesis busca proporcionar a un robot social las habilidades necesarias para crear interacciones entre humanos y robots que sean naturales. En concreto, esta tesis se centra en tres problemas que deben ser solucionados: (i) el modelado de interacciones entre humanos y robots; (ii) equipar a un robot social con las capacidades expresivas necesarias para una comunicación satisfactoria; y (iii) darle al robot una apariencia vivaz. La solución al problema de modelado de diálogos presentada en esta tesis propone diseñar estos diálogos como una secuencia de elementos atómicos llamados Actos Comunicativos (CAs, por sus siglas en inglés). Se pueden parametrizar en tiempo de ejecución para completar diferentes objetivos comunicativos, y están equipados con mecanismos para manejar algunas de las imprecisiones que pueden aparecer durante interacciones. Estos CAs han sido identificados a partir de la combinación de dos dimensiones: iniciativa (si la tiene el robot o el usuario) e intención (si se pretende obtener o proporcionar información). Estos CAs pueden ser combinados siguiendo una estructura jerárquica para crear estructuras mas complejas que sean reutilizables. Esto simplifica el proceso para crear nuevas interacciones, permitiendo a los desarrolladores centrarse exclusivamente en diseñar el flujo del diálogo, sin tener que preocuparse de reimplementar otras funcionalidades que tienen que estar presentes en todas las interacciones (como el manejo de errores, por ejemplo). La expresividad del robot está basada en el uso de una librería de gestos, o expresiones, multimodales predefinidos, modelados como estructuras similares a máquinas de estados. El módulo que controla la expresividad recibe peticiones para realizar dichas expresiones, planifica su ejecución para evitar cualquier conflicto que pueda aparecer, las carga, y comprueba que su ejecución se complete sin problemas. El sistema es capaz también de generar estas expresiones en tiempo de ejecución a partir de una lista de acciones unimodales (como decir una frase, o mover una articulación). Una de las características más importantes de la arquitectura de expresividad propuesta es la integración de una serie de métodos de modulación que pueden ser usados para modificar los gestos del robot en tiempo de ejecución. Esto permite al robot adaptar estas expresiones en base a circunstancias particulares (aumentando al mismo tiempo la variabilidad de la expresividad del robot), y usar un número limitado de gestos para mostrar diferentes estados internos (como el estado emocional). Teniendo en cuenta que ser reconocido como un ser vivo es un requisito para poder participar en interacciones sociales, que un robot social muestre una apariencia de vivacidad es un factor clave en interacciones entre humanos y robots. Para ello, esta tesis propone dos soluciones. El primer método genera acciones a través de las diferentes interfaces del robot a intervalos. La frecuencia e intensidad de estas acciones están definidas en base a una señal que representa el pulso del robot. Dicha señal puede adaptarse al contexto de la interacción o al estado interno del robot. El segundo método enriquece las interacciones verbales entre el robot y el usuario prediciendo los gestos no verbales más apropiados en base al contenido del diálogo y a la intención comunicativa del robot. Un modelo basado en aprendizaje automático recibe la transcripción del mensaje verbal del robot, predice los gestos que deberían acompañarlo, y los sincroniza para que cada gesto empiece en el momento preciso. Este modelo se ha desarrollado usando una combinación de un encoder diseñado con una red neuronal Long-Short Term Memory, y un Conditional Random Field para predecir la secuencia de gestos que deben acompañar a la frase del robot. Todos los elementos presentados conforman el núcleo de una arquitectura de interacción humano-robot modular que ha sido integrada en múltiples plataformas, y probada bajo diferentes condiciones. El objetivo central de esta tesis es contribuir al área de interacción humano-robot con una nueva solución que es modular e independiente de la plataforma robótica, y que se centra en proporcionar a los desarrolladores las herramientas necesarias para desarrollar aplicaciones que requieran interacciones con personas.Society is experiencing a series of demographic changes that can result in an unbalance between the active working and non-working age populations. One of the solutions considered to mitigate this problem is the inclusion of robots in multiple sectors, including the service sector. But for this to be a viable solution, among other features, robots need to be able to interact with humans successfully. This thesis seeks to endow a social robot with the abilities required for a natural human-robot interactions. The main objective is to contribute to the body of knowledge on the area of Human-Robot Interaction with a new, platform-independent, modular approach that focuses on giving roboticists the tools required to develop applications that involve interactions with humans. In particular, this thesis focuses on three problems that need to be addressed: (i) modelling interactions between a robot and an user; (ii) endow the robot with the expressive capabilities required for a successful communication; and (iii) endow the robot with a lively appearance. The approach to dialogue modelling presented in this thesis proposes to model dialogues as a sequence of atomic interaction units, called Communicative Acts, or CAs. They can be parametrized in runtime to achieve different communicative goals, and are endowed with mechanisms oriented to solve some of the uncertainties related to interaction. Two dimensions have been used to identify the required CAs: initiative (the robot or the user), and intention (either retrieve information or to convey it). These basic CAs can be combined in a hierarchical manner to create more re-usable complex structures. This approach simplifies the creation of new interactions, by allowing developers to focus exclusively on designing the flow of the dialogue, without having to re-implement functionalities that are common to all dialogues (like error handling, for example). The expressiveness of the robot is based on the use of a library of predefined multimodal gestures, or expressions, modelled as state machines. The module managing the expressiveness receives requests for performing gestures, schedules their execution in order to avoid any possible conflict that might arise, loads them, and ensures that their execution goes without problems. The proposed approach is also able to generate expressions in runtime based on a list of unimodal actions (an utterance, the motion of a limb, etc...). One of the key features of the proposed expressiveness management approach is the integration of a series of modulation techniques that can be used to modify the robot’s expressions in runtime. This would allow the robot to adapt them to the particularities of a given situation (which would also increase the variability of the robot expressiveness), and to display different internal states with the same expressions. Considering that being recognized as a living being is a requirement for engaging in social encounters, the perception of a social robot as a living entity is a key requirement to foster human-robot interactions. In this dissertation, two approaches have been proposed. The first method generates actions for the different interfaces of the robot at certain intervals. The frequency and intensity of these actions are defined by a signal that represents the pulse of the robot, which can be adapted to the context of the interaction or the internal state of the robot. The second method enhances the robot’s utterance by predicting the appropriate non-verbal expressions that should accompany them, according to the content of the robot’s message, as well as its communicative intention. A deep learning model receives the transcription of the robot’s utterances, predicts which expressions should accompany it, and synchronizes them, so each gesture selected starts at the appropriate time. The model has been developed using a combination of a Long-Short Term Memory network-based encoder and a Conditional Random Field for generating a sequence of gestures that are combined with the robot’s utterance. All the elements presented above conform the core of a modular Human-Robot Interaction architecture that has been integrated in multiple platforms, and tested under different conditions.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Fernando Torres Medina.- Secretario: Concepción Alicia Monje Micharet.- Vocal: Amirabdollahian Farshi