Détection de marqueurs affectifs et attentionnels de personnes âgées en interaction avec un robot

This thesis work focuses on audio-visual detection of emotional (laugh and smile) and attentional markers for elderly people in social interaction with a robot. To effectively understand and model the pattern of behavior of very old people in the presence of a robot, relevant data are needed. I participated in the collection of a corpus of elderly people in particular for recording visual data. The system used to control the robot is a Wizard of Oz, several daily conversation scenarios were used to encourage people to interact with the robot. These scenarios were developed as part of the ROMEO2 project with the Approche association. We described at first the corpus collected which contains 27 subjects of 85 years' old on average for a total of 9 hours, annotations and we discussed the results obtained from the analysis of annotations and two questionnaires.My research then focuses on the attention detection and the laughter and smile detection. The motivations for the attention detection are to detect when the subject is not addressing to the robot and adjust the robot's behavior to the situation. After considering the difficulties related to the elderly people and the analytical results obtained by the study of the corpus annotations, we focus on the rotation of the head at the visual index and energy and quality vote for the detection of the speech recipient. The laughter and smile detection can be used to study on the profile of the speaker and her emotions. My interests focus on laughter and smile detection in the visual modality and the fusion of audio-visual information to improve the performance of the automatic system. Spontaneous expressions are different from posed or acted expression in both appearance and timing. Designing a system that works on realistic data of the elderly is even more difficult because of several difficulties to consider such as the lack data for training the statistical model, the influence of the facial texture and the smiling pattern for visual detection, the influence of voice quality for auditory detection, the variety of reaction time, the level of listening comprehension, loss of sight for elderly people, etc. The systems of head-turning detection, attention detection and laughter and smile detection are evaluated on ROMEO2 corpus and partially evaluated (visual detections) on standard corpus Pointing04 and GENKI-4K to compare with the scores of the methods on the state of the art. We also found a negative correlation between laughter and smile detection performance and the number of laughter and smile events for the visual detection system and the audio-visual system. This phenomenon can be explained by the fact that elderly people who are more interested in experimentation laugh more often and therefore perform more various poses. The variety of poses and the lack of corresponding data bring difficulties for the laughter and smile recognition for our statistical systems. The experiments show that the head-turning can be effectively used to detect the loss of the subject's attention in the interaction with the robot. For the attention detection, the potential of a cascade method using both methods in a complementary manner is shown. This method gives better results than the audio system. For the laughter and smile detection, under the same leave-one-out protocol, the fusion of the two monomodal systems significantly improves the performance of the system at the segmental evaluation.Ces travaux de thèse portent sur la détection audio-visuelle de marqueurs affectifs (rire et sourire) et attentionnels de personnes âgées en interaction sociale avec un robot. Pour comprendre efficacement et modéliser le comportement des personnes très âgées en présence d'un robot, des données pertinentes sont nécessaires. J'ai participé à la collection d'un corpus de personnes âgées notamment pour l'enregistrement des données visuelles. Le système utilisé pour contrôler le robot est un magicien d'Oz, plusieurs scénarios de conversation au quotidien ont été utilisés pour encourager les gens à coopérer avec le robot. Ces scénarios ont été élaborés dans le cadre du projet ROMEO2 avec l'association Approche.Nous avons décrit tout d'abord le corpus recueilli qui contient 27 sujets de 85 ans en moyenne pour une durée totale de 9 heures, les annotations et nous avons discuté des résultats obtenus à partir de l'analyse des annotations et de deux questionnaires. Ma recherche se focalise ensuite sur la détection de l'attention et la détection de rire et de sourire. Les motivations pour la détection de l'attention consistent à détecter quand le sujet ne s'adresse pas au robot et à adapter le comportement du robot à la situation. Après avoir considéré les difficultés liées aux personnes âgées et les résultats d'analyse obtenus par l'étude des annotations du corpus, nous nous intéressons à la rotation de la tête au niveau de l'indice visuel et à l'énergie et la qualité de voix pour la détection du destinataire de la parole. La détection de rire et sourire peut être utilisée pour l'étude sur le profil du locuteur et de ses émotions. Mes intérêts se concentrent sur la détection de rire et sourire dans la modalité visuelle et la fusion des informations audio-visuelles afin d'améliorer la performance du système automatique. Les expressions sont différentes des expressions actées ou posés à la fois en apparence et en temps de réaction. La conception d'un système qui marche sur les données réalistes des personnes âgées est encore plus difficile à cause de plusieurs difficultés à envisager telles que le manque de données pour l'entrainement du modèle statistique, l'influence de la texture faciale et de la façon de sourire pour la détection visuelle, l'influence de la qualité vocale pour la détection auditive, la variété du temps de réaction, le niveau de compréhension auditive, la perte de la vue des personnes âgées, etc. Les systèmes de détection de la rotation de la tête, de la détection de l'attention et de la détection de rire et sourire sont évalués sur le corpus ROMEO2 et partiellement évalués (détections visuelles) sur les corpus standard Pointing04 et GENKI-4K pour comparer avec les scores des méthodes de l'état de l'art. Nous avons également trouvé une corrélation négative entre la performance de détection de rire et sourire et le nombre d'évènement de rire et sourire pour le système visuel et le système audio-visuel. Ce phénomène peut être expliqué par le fait que les personnes âgées qui sont plus intéressées par l'expérimentation rient plus souvent et sont plus à l'aise donc avec des poses variées. La variété des poses et le manque de données correspondantes amènent des difficultés pour la reconnaissance de rire et de sourire pour les systèmes statistiques.Les expérimentations montrent que la rotation de la tête peut être efficacement utilisée pour détecter la perte de l'attention du sujet dans l'interaction avec le robot. Au niveau de la détection de l'attention, le potentiel d'une méthode en cascade qui utilise les modalités d'une manière complémentaire est montré. Cette méthode donne de meilleurs résultats que le système auditif seul. Pour la détection de rire et sourire, en suivant le même protocole « Leave-one-out », la fusion des deux systèmes monomodaux améliore aussi significativement la performance par rapport à un système monomodal au niveau de l'évaluation segmentale

Acoustic Features of Different Types of Laughter in North Sami Conversational Speech

Peer reviewe

Becoming Human with Humanoid

Nowadays, our expectations of robots have been significantly increases. The robot, which was initially only doing simple jobs, is now expected to be smarter and more dynamic. People want a robot that resembles a human (humanoid) has and has emotional intelligence that can perform action-reaction interactions. This book consists of two sections. The first section focuses on emotional intelligence, while the second section discusses the control of robotics. The contents of the book reveal the outcomes of research conducted by scholars in robotics fields to accommodate needs of society and industry

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

Real-Time Topic and Sentiment Analysis in Human-Robot Conversation

Socially interactive robots, especially those designed for entertainment and companionship, must be able to hold conversations with users that feel natural and engaging for humans. Two important components of such conversations include adherence to the topic of conversation and inclusion of affective expressions. Most previous approaches have concentrated on topic detection or sentiment analysis alone, and approaches that attempt to address both are limited by domain and by type of reply. This thesis presents a new approach, implemented on a humanoid robot interface, that detects the topic and sentiment of a user’s utterances from text-transcribed speech. It also generates domain-independent, topically relevant verbal replies and appropriate positive and negative emotional expressions in real time. The front end of the system is a smartphone app that functions as the robot’s face. It displays emotionally expressive eyes, transcribes verbal input as text, and synthesizes spoken replies. The back end of the system is implemented on the robot’s onboard computer. It connects with the app via Bluetooth, receives and processes the transcribed input, and returns verbal replies and sentiment scores. The back end consists of a topic-detection subsystem and a sentiment-analysis subsystem. The topic-detection subsystem uses a Latent Semantic Indexing model of a conversation corpus, followed by a search in the online database ConceptNet 5, in order to generate a topically relevant reply. The sentiment-analysis subsystem disambiguates the input words, obtains their sentiment scores from SentiWordNet, and returns the averaged sum of the scores as the overall sentiment score. The system was hypothesized to engage users more with both subsystems working together than either subsystem alone, and each subsystem alone was hypothesized to engage users more than a random control. In computational evaluations, each subsystem performed weakly but positively. In user evaluations, users reported a higher level of topical relevance and emotional appropriateness in conversations in which the subsystems were working together, and they reported higher engagement especially in conversations in which the topic-detection system was working. It is concluded that the system partially fulfills its goals, and suggestions for future work are presented

Should Robots Blush?

Social interaction is the most complex challenge in daily life. Inevitably, social robots will encounter interactions that are outside their competence. This raises a basic design question: how can robots fail gracefully in social interaction? The characteristic human response to social failure is embarrassment. Usefully, embarrassment signals both recognition of a problem and typically enlists sympathy and assistance to resolve it. This could enhance robot acceptability and provides an opportunity for interactive learning. Using a speculative design approach we explore how, when and why robots might communicate embarrassment. A series of specially developed cultural probes, scenario development and low-fidelity prototyping exercises suggest that: embarrassment is relevant for managing a diverse range of social scenarios, impacts on both humanoid and non-humanoid robot design, and highlights the critical importance of understanding interactional context. We conclude that embarrassment is fundamental to competent social functioning and provides a potentially fertile area for interaction design

Human Behavior Understanding for Robotics

International audienceHuman behavior is complex, but structured along individual and social lines. Robotic systems interacting with people in uncontrolled environments need capabilities to correctly interpret, predict and respond to human behaviors. This paper discusses the scientific, technological and application challenges that arise from the mutual interaction of robotics and computational human behavior understanding. We supply a short survey of the area to provide a contextual framework and describe the most recent research in this area