A Review of Verbal and Non-Verbal Human-Robot Interactive Communication

In this paper, an overview of human-robot interactive communication is presented, covering verbal as well as non-verbal aspects of human-robot interaction. Following a historical introduction, and motivation towards fluid human-robot communication, ten desiderata are proposed, which provide an organizational axis both of recent as well as of future research on human-robot communication. Then, the ten desiderata are examined in detail, culminating to a unifying discussion, and a forward-looking conclusion

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

Vision-Guided Robot Hearing

International audienceNatural human-robot interaction (HRI) in complex and unpredictable environments is important with many potential applicatons. While vision-based HRI has been thoroughly investigated, robot hearing and audio-based HRI are emerging research topics in robotics. In typical real-world scenarios, humans are at some distance from the robot and hence the sensory (microphone) data are strongly impaired by background noise, reverberations and competing auditory sources. In this context, the detection and localization of speakers plays a key role that enables several tasks, such as improving the signal-to-noise ratio for speech recognition, speaker recognition, speaker tracking, etc. In this paper we address the problem of how to detect and localize people that are both seen and heard. We introduce a hybrid deterministic/probabilistic model. The deterministic component allows us to map 3D visual data onto an 1D auditory space. The probabilistic component of the model enables the visual features to guide the grouping of the auditory features in order to form audiovisual (AV) objects. The proposed model and the associated algorithms are implemented in real-time (17 FPS) using a stereoscopic camera pair and two microphones embedded into the head of the humanoid robot NAO. We perform experiments with (i)~synthetic data, (ii)~publicly available data gathered with an audiovisual robotic head, and (iii)~data acquired using the NAO robot. The results validate the approach and are an encouragement to investigate how vision and hearing could be further combined for robust HRI

Integration of a voice recognition system in a social robot

Human-Robot Interaction (HRI) 1 is one of the main fields in the study and research of robotics. Within this field, dialog systems and interaction by voice play a very important role. When speaking about human- robot natural dialog we assume that the robot has the capability to accurately recognize the utterance what the human wants to transmit verbally and even its semantic meaning, but this is not always achieved. In this paper we describe the steps and requirements that we went through in order to endow the personal social robot Maggie, developed in the University Carlos III of Madrid, with the capability of understanding the natural language spoken by any human. We have analyzed the different possibilities offered by current software/hardware alternatives by testing them in real environments. We have obtained accurate data related to the speech recognition capabilities in different environments, using the most modern audio acquisition systems and analyzing not so typical parameters as user age, sex, intonation, volume and language. Finally we propose a new model to classify recognition results as accepted and rejected, based in a second ASR opinion. This new approach takes into account the pre-calculated success rate in noise intervals for each recognition framework decreasing false positives and false negatives rate.The funds have provided by the Spanish Government through the project called `Peer to Peer Robot-Human Interaction'' (R2H), of MEC (Ministry of Science and Education), and the project “A new approach to social robotics'' (AROS), of MICINN (Ministry of Science and Innovation). The research leading to these results has received funding from the RoboCity2030-II-CM project (S2009/DPI-1559), funded by Programas de Actividades I+D en la Comunidad de Madrid and cofunded by Structural Funds of the EU

User localization during human-robot interaction

This paper presents a user localization system based on the fusion of visual information and sound source localization, implemented on a social robot called Maggie. One of the main requisites to obtain a natural interaction between human-human and human-robot is an adequate spatial situation between the interlocutors, that is, to be orientated and situated at the right distance during the conversation in order to have a satisfactory communicative process. Our social robot uses a complete multimodal dialog system which manages the user-robot interaction during the communicative process. One of its main components is the presented user localization system. To determine the most suitable allocation of the robot in relation to the user, a proxemic study of the human-robot interaction is required, which is described in this paper. The study has been made with two groups of users: children, aged between 8 and 17, and adults. Finally, at the end of the paper, experimental results with the proposed multimodal dialog system are presented.The authors gratefully acknowledge the funds provided by the Spanish Government through the project “A new approach to social robotics” (AROS), of MICINN (Ministry of Science and Innovation)

Attentional mechanisms for socially interactive robots – a survey

This review intends to provide an overview of the state of the art in the modeling and implementation of automatic attentional mechanisms for socially interactive robots. Humans assess and exhibit intentionality by resorting to multisensory processes that are deeply rooted within low-level automatic attention-related mechanisms of the brain. For robots to engage with humans properly, they should also be equipped with similar capabilities. Joint attention, the precursor of many fundamental types of social interactions, has been an important focus of research in the past decade and a half, therefore providing the perfect backdrop for assessing the current status of state-of-the-art automatic attentional-based solutions. Consequently, we propose to review the influence of these mechanisms in the context of social interaction in cutting-edge research work on joint attention. This will be achieved by summarizing the contributions already made in these matters in robotic cognitive systems research, by identifying the main scientific issues to be addressed by these contributions and analyzing how successful they have been in this respect, and by consequently drawing conclusions that may suggest a roadmap for future successful research efforts

Système d'audition artificielle embarqué optimisé pour robot mobile muni d'une matrice de microphones

Dans un environnement non contrôlé, un robot doit pouvoir interagir avec les personnes d’une façon autonome. Cette autonomie doit également inclure une interaction grâce à la voix humaine. Lorsque l’interaction s’effectue à une distance de quelques mètres, des phénomènes tels que la réverbération et la présence de bruit ambiant doivent être pris en considération pour effectuer efficacement des tâches comme la reconnaissance de la parole ou de locuteur. En ce sens, le robot doit être en mesure de localiser, suivre et séparer les sources sonores présentes dans son environnement. L’augmentation récente de la puissance de calcul des processeurs et la diminution de leur consommation énergétique permettent dorénavant d’intégrer ces systèmes d’audition articielle sur des systèmes embarqués en temps réel. L’audition robotique est un domaine relativement jeune qui compte deux principales librairies d’audition artificielle : ManyEars et HARK. Jusqu’à présent, le nombre de microphones se limite généralement à huit, en raison de l’augmentation rapide de charge de calculs lorsque des microphones supplémentaires sont ajoutés. De plus, il est parfois difficile d’utiliser ces librairies avec des robots possédant des géométries variées puisqu’il est nécessaire de les calibrer manuellement. Cette thèse présente la librairie ODAS qui apporte des solutions à ces difficultés. Afin d’effectuer une localisation et une séparation plus robuste aux matrices de microphones fermées, ODAS introduit un modèle de directivité pour chaque microphone. Une recherche hiérarchique dans l’espace permet également de réduire la quantité de calculs nécessaires. De plus, une mesure de l’incertitude du délai d’arrivée du son est introduite pour ajuster automatiquement plusieurs paramètres et ainsi éviter une calibration manuelle du système. ODAS propose également un nouveau module de suivi de sources sonores qui emploie des filtres de Kalman plutôt que des filtres particulaires. Les résultats démontrent que les méthodes proposées réduisent la quantité de fausses détections durant la localisation, améliorent la robustesse du suivi pour des sources sonores multiples et augmentent la qualité de la séparation de 2.7 dB dans le cas d’un formateur de faisceau à variance minimale. La quantité de calculs requis diminue par un facteur allant jusqu’à 4 pour la localisation et jusqu’à 30 pour le suivi par rapport à la librairie ManyEars. Le module de séparation des sources sonores exploite plus efficacement la géométrie de la matrice de microphones, sans qu’il soit nécessaire de mesurer et calibrer manuellement le système. Avec les performances observées, la librairie ODAS ouvre aussi la porte à des applications dans le domaine de la détection des drones par le bruit, la localisation de bruits extérieurs pour une navigation plus efficace pour les véhicules autonomes, des assistants main-libre à domicile et l’intégration dans des aides auditives

Architecture de contrôle d'un robot de téléprésence et d'assistance aux soins à domicile

La population vieillissante provoque une croissance des coûts pour les soins hospitaliers. Pour éviter que ces coûts deviennent trop importants, des robots de téléprésence et d’assistance aux soins et aux activités quotidiennes sont envisageables afin de maintenir l’autonomie des personnes âgées à leur domicile. Cependant, les robots actuels possèdent individuellement des fonctionnalités intéressantes, mais il serait bénéfique de pouvoir réunir leurs capacités. Une telle intégration est possible par l’utilisation d’une architecture décisionnelle permettant de jumeler des capacités de navigation, de suivi de la voix et d’acquisition d’informations afin d’assister l’opérateur à distance, voir même s’y substituer. Pour ce projet, l’architecture de contrôle HBBA (Hybrid Behavior-Based Architecture) sert de pilier pour unifier les bibliothèques requises, RTAB-Map (Real-Time Appearance-Based Mapping) et ODAS (Open embeddeD Audition System), pour réaliser cette intégration. RTAB-Map est une bibliothèque permettant la localisation et la cartographie simultanée selon différentes configurations de capteurs tout en respectant les contraintes de traitement en ligne. ODAS est une bibliothèque permettant la localisation, le suivi et la séparation de sources sonores en milieux réels. Les objectifs sont d’évaluer ces capacités en environnement réel en déployant la plateforme robotique dans différents domiciles, et d’évaluer le potentiel d’une telle intégration en réalisant un scénario autonome d’assistance à la prise de mesure de signes vitaux. La plateforme robotique Beam+ est utilisée pour réaliser cette intégration. La plateforme est bonifiée par l’ajout d’une caméra RBG-D, d’une matrice de huit microphones, d’un ordinateur et de batteries supplémentaires. L’implémentation résultante, nommée SAM, a été évaluée dans 10 domiciles pour caractériser la navigation et le suivi de conversation. Les résultats de la navigation suggèrent que les capacités de navigation fonctionnent selon certaines contraintes propres au positionement des capteurs et des conditions environnementales, impliquant la nécessité d’intervention de l’opérateur pour compenser. La modalité de suivi de la voix fonctionne bien dans des environnements calmes, mais des améliorations sont requises en milieu bruyant. Incidemment, la réalisation d’un scénario d’assistance complètement autonome est fonction des performances de la combinaison de ces fonctionnalités, ce qui rend difficile d’envisager le retrait complet d’un opérateur dans la boucle de décision. L’intégration des modalités avec HBBA s’avère possible et concluante, et ouvre la porte à la réutilisabilité de l’implémentation sur d’autres plateformes robotiques qui pourraient venir compenser face aux lacunes observées sur la mise en œuvre avec la plateforme Beam+