Resolving conflicts during human-robot co-manipulation

UK Research and Innovation, UKRI: EP/S033718/2, EP/T022493/1, EP/V00784XThis work is partially funded by UKRI and CHIST-ERA (HEAP: EP/S033718/2; Horizon: EP/T022493/1; TAS Hub: EP/V00784X).This paper proposes a machine learning (ML) approach to detect and resolve motion conflicts that occur between a human and a proactive robot during the execution of a physically collaborative task. We train a random forest classifier to distinguish between harmonious and conflicting human-robot interaction behaviors during object co-manipulation. Kinesthetic information generated through the teamwork is used to describe the interactive quality of collaboration. As such, we demonstrate that features derived from haptic (force/torque) data are sufficient to classify if the human and the robot harmoniously manipulate the object or they face a conflict. A conflict resolution strategy is implemented to get the robotic partner to proactively contribute to the task via online trajectory planning whenever interactive motion patterns are harmonious, and to follow the human lead when a conflict is detected. An admittance controller regulates the physical interaction between the human and the robot during the task. This enables the robot to follow the human passively when there is a conflict. An artificial potential field is used to proactively control the robot motion when partners work in harmony. An experimental study is designed to create scenarios involving harmonious and conflicting interactions during collaborative manipulation of an object, and to create a dataset to train and test the random forest classifier. The results of the study show that ML can successfully detect conflicts and the proposed conflict resolution mechanism reduces human force and effort significantly compared to the case of a passive robot that always follows the human partner and a proactive robot that cannot resolve conflicts. © 2023 Copyright is held by the owner/author(s).2-s2.0-8515037875

An aesthetics of touch: investigating the language of design relating to form

How well can designers communicate qualities of touch? This paper presents evidence that they have some capability to do so, much of which appears to have been learned, but at present make limited use of such language. Interviews with graduate designer-makers suggest that they are aware of and value the importance of touch and materiality in their work, but lack a vocabulary to fully relate to their detailed explanations of other aspects such as their intent or selection of materials. We believe that more attention should be paid to the verbal dialogue that happens in the design process, particularly as other researchers show that even making-based learning also has a strong verbal element to it. However, verbal language alone does not appear to be adequate for a comprehensive language of touch. Graduate designers-makers’ descriptive practices combined non-verbal manipulation within verbal accounts. We thus argue that haptic vocabularies do not simply describe material qualities, but rather are situated competences that physically demonstrate the presence of haptic qualities. Such competencies are more important than groups of verbal vocabularies in isolation. Design support for developing and extending haptic competences must take this wide range of considerations into account to comprehensively improve designers’ capabilities

Corseto: A Kinesthetic Garment for Designing, Composing for, and Experiencing an Intersubjective Haptic Voice

We present a novel intercorporeal experience - an intersubjective haptic voice. Through an autobiographical design inquiry, based on singing techniques from the classical opera tradition, we created Corsetto, a kinesthetic garment for transferring somatic reminiscents of vocal experience from an expert singer to a listener. We then composed haptic gestures enacted in the Corsetto, emulating upper-body movements of the live singer performing a piece by Morton Feldman named Three Voices. The gestures in the Corsetto added a haptics-based \u27fourth voice\u27 to the immersive opera performance. Finally, we invited audiences who were asked to wear Corsetto during live performances. Afterwards they engaged in micro-phenomenological interviews. The analysis revealed how the Corsetto managed to bridge inner and outer bodily sensations, creating a feeling of a shared intercorporeal experience, dissolving boundaries between listener, singer and performance. We propose that \u27intersubjective haptics\u27 can be a generative medium not only for singing performances, but other possible intersubjective experiences

The cockpit for the 21st century

Interactive surfaces are a growing trend in many domains. As one possible manifestation of Mark Weiser’s vision of ubiquitous and disappearing computers in everywhere objects, we see touchsensitive screens in many kinds of devices, such as smartphones, tablet computers and interactive tabletops. More advanced concepts of these have been an active research topic for many years. This has also influenced automotive cockpit development: concept cars and recent market releases show integrated touchscreens, growing in size. To meet the increasing information and interaction needs, interactive surfaces offer context-dependent functionality in combination with a direct input paradigm. However, interfaces in the car need to be operable while driving. Distraction, especially visual distraction from the driving task, can lead to critical situations if the sum of attentional demand emerging from both primary and secondary task overextends the available resources. So far, a touchscreen requires a lot of visual attention since its flat surface does not provide any haptic feedback. There have been approaches to make direct touch interaction accessible while driving for simple tasks. Outside the automotive domain, for example in office environments, concepts for sophisticated handling of large displays have already been introduced. Moreover, technological advances lead to new characteristics for interactive surfaces by enabling arbitrary surface shapes. In cars, two main characteristics for upcoming interactive surfaces are largeness and shape. On the one hand, spatial extension is not only increasing through larger displays, but also by taking objects in the surrounding into account for interaction. On the other hand, the flatness inherent in current screens can be overcome by upcoming technologies, and interactive surfaces can therefore provide haptically distinguishable surfaces. This thesis describes the systematic exploration of large and shaped interactive surfaces and analyzes their potential for interaction while driving. Therefore, different prototypes for each characteristic have been developed and evaluated in test settings suitable for their maturity level. Those prototypes were used to obtain subjective user feedback and objective data, to investigate effects on driving and glance behavior as well as usability and user experience. As a contribution, this thesis provides an analysis of the development of interactive surfaces in the car. Two characteristics, largeness and shape, are identified that can improve the interaction compared to conventional touchscreens. The presented studies show that large interactive surfaces can provide new and improved ways of interaction both in driver-only and driver-passenger situations. Furthermore, studies indicate a positive effect on visual distraction when additional static haptic feedback is provided by shaped interactive surfaces. Overall, various, non-exclusively applicable, interaction concepts prove the potential of interactive surfaces for the use in automotive cockpits, which is expected to be beneficial also in further environments where visual attention needs to be focused on additional tasks.Der Einsatz von interaktiven Oberflächen weitet sich mehr und mehr auf die unterschiedlichsten Lebensbereiche aus. Damit sind sie eine mögliche Ausprägung von Mark Weisers Vision der allgegenwärtigen Computer, die aus unserer direkten Wahrnehmung verschwinden. Bei einer Vielzahl von technischen Geräten des täglichen Lebens, wie Smartphones, Tablets oder interaktiven Tischen, sind berührungsempfindliche Oberflächen bereits heute in Benutzung. Schon seit vielen Jahren arbeiten Forscher an einer Weiterentwicklung der Technik, um ihre Vorteile auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Interaktion zwischen Mensch und Automobil, nutzbar zu machen. Und das mit Erfolg: Interaktive Benutzeroberflächen werden mittlerweile serienmäßig in vielen Fahrzeugen eingesetzt. Der Einbau von immer größeren, in das Cockpit integrierten Touchscreens in Konzeptfahrzeuge zeigt, dass sich diese Entwicklung weiter in vollem Gange befindet. Interaktive Oberflächen ermöglichen das flexible Anzeigen von kontextsensitiven Inhalten und machen eine direkte Interaktion mit den Bildschirminhalten möglich. Auf diese Weise erfüllen sie die sich wandelnden Informations- und Interaktionsbedürfnisse in besonderem Maße. Beim Einsatz von Bedienschnittstellen im Fahrzeug ist die gefahrlose Benutzbarkeit während der Fahrt von besonderer Bedeutung. Insbesondere visuelle Ablenkung von der Fahraufgabe kann zu kritischen Situationen führen, wenn Primär- und Sekundäraufgaben mehr als die insgesamt verfügbare Aufmerksamkeit des Fahrers beanspruchen. Herkömmliche Touchscreens stellen dem Fahrer bisher lediglich eine flache Oberfläche bereit, die keinerlei haptische Rückmeldung bietet, weshalb deren Bedienung besonders viel visuelle Aufmerksamkeit erfordert. Verschiedene Ansätze ermöglichen dem Fahrer, direkte Touchinteraktion für einfache Aufgaben während der Fahrt zu nutzen. Außerhalb der Automobilindustrie, zum Beispiel für Büroarbeitsplätze, wurden bereits verschiedene Konzepte für eine komplexere Bedienung großer Bildschirme vorgestellt. Darüber hinaus führt der technologische Fortschritt zu neuen möglichen Ausprägungen interaktiver Oberflächen und erlaubt, diese beliebig zu formen. Für die nächste Generation von interaktiven Oberflächen im Fahrzeug wird vor allem an der Modifikation der Kategorien Größe und Form gearbeitet. Die Bedienschnittstelle wird nicht nur durch größere Bildschirme erweitert, sondern auch dadurch, dass Objekte wie Dekorleisten in die Interaktion einbezogen werden können. Andererseits heben aktuelle Technologieentwicklungen die Restriktion auf flache Oberflächen auf, so dass Touchscreens künftig ertastbare Strukturen aufweisen können. Diese Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung großer und nicht-flacher interaktiver Oberflächen und analysiert ihr Potential für die Interaktion während der Fahrt. Dazu wurden für jede Charakteristik verschiedene Prototypen entwickelt und in Testumgebungen entsprechend ihres Reifegrads evaluiert. Auf diese Weise konnten subjektives Nutzerfeedback und objektive Daten erhoben, und die Effekte auf Fahr- und Blickverhalten sowie Nutzbarkeit untersucht werden. Diese Dissertation leistet den Beitrag einer Analyse der Entwicklung von interaktiven Oberflächen im Automobilbereich. Weiterhin werden die Aspekte Größe und Form untersucht, um mit ihrer Hilfe die Interaktion im Vergleich zu herkömmlichen Touchscreens zu verbessern. Die durchgeführten Studien belegen, dass große Flächen neue und verbesserte Bedienmöglichkeiten bieten können. Außerdem zeigt sich ein positiver Effekt auf die visuelle Ablenkung, wenn zusätzliches statisches, haptisches Feedback durch nicht-flache Oberflächen bereitgestellt wird. Zusammenfassend zeigen verschiedene, untereinander kombinierbare Interaktionskonzepte das Potential interaktiver Oberflächen für den automotiven Einsatz. Zudem können die Ergebnisse auch in anderen Bereichen Anwendung finden, in denen visuelle Aufmerksamkeit für andere Aufgaben benötigt wird

Interdisciplinary Insights for Digital Touch Communication

Communication is increasingly moving beyond ‘ways of seeing’ to ‘ways of feeling’. This Open Access book provides social design insights and implications for HCI research and design exploring digitally mediated touch communication. It offers a socially orientated map to help navigate the complex social landscape of digitally mediated touch for communication: from everyday touch-screens, tangibles, wearables, haptics for virtual reality, to the tactile internet of skin. Drawing on literature reviews, new case-study vignettes, and exemplars of digital touch, the book examines the major social debates provoked by digital touch, and investigates social themes central to the communicative potential and societal consequences of digital touch: · Communication environments, capacities and practices · Norms associations and expectations · Presence, absence and connection · Social imaginaries of digital touch · Digital touch ethics and values The book concludes with a discussion of the significance of social understanding and methods in the context of Interdisciplinary collaborations to explore touch, towards the design of digital touch communication, ‘ways of feeling’, that are useable, appropriate, ethical and socially aware

Human-Machine Cooperative Decision Making

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der gemeinsamen Entscheidungsfindung in der Mensch-Maschine-Kooperation und liefert neue Erkenntnisse, welche von der theoretischen Modellierung bis zu experimentellen Untersuchungen reichen. Zunächst wird eine methodische Klassifikation bestehender Forschung zur Mensch-Maschine-Kooperation vorgenommen und der Forschungsfokus dieser Dissertation mithilfe eines vorgestellten Taxonomiemodells der Mensch-Maschine-Kooperation, dem Butterfly-Modell, abgegrenzt. Darauffolgend stellt die Dissertation zwei mathematische Verhaltensmodelle der gemeinsamen Entscheidungsfindung von Mensch und Maschine vor: das Adaptive Verhandlungsmodell und den n-stufigen War of Attrition. Beide modellieren den Einigungsprozess zweier emanzipierter Kooperationspartner und unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Ursprünge, welche in der Verhandlungs- beziehungsweise Spieltheorie liegen. Zusätzlich wird eine Studie vorgestellt, die die Eignung der vorgeschlagenen mathematischen Modelle zur Beschreibung des menschlichen Nachgebeverhaltens in kooperativen Entscheidungsfindungs-Prozessen nachweist. Darauf aufbauend werden zwei modellbasierte Automationsdesigns bereitgestellt, welche die Entwicklung von Maschinen ermöglichen, die an einem Einigungsprozess mit einem Menschen teilnehmen können. Zuletzt werden zwei experimentelle Untersuchungen der vorgeschlagenen Automationsdesigns im Kontext von teleoperierten mobilen Robotern in Such- und Rettungsszenarien und anhand einer Anwendung in einem hochautomatisierten Fahrzeug präsentiert. Die experimentellen Ergebnisse liefern empirische Evidenz für die Überlegenheit der vorgestellten modellbasierten Automationsdesigns gegenüber den bisherigen Ansätzen in den Aspekten der objektiven kooperativen Performanz, des menschlichen Vertrauens in die Interaktion mit der Maschine und der Nutzerzufriedenheit. So zeigt diese Dissertation, dass Menschen eine emanzipierte Interaktion mit Bezug auf die Entscheidungsfindung bevorzugen, und leistet einen wertvollen Beitrag zur vollumfänglichen Betrachtung und Verwirklichung von Mensch-Maschine-Kooperationen