Designing a robot to evaluate group formations

Robots are making their way in environments inhabited by people. Whether in domestic or public crowded environments, robots should take into consideration social norms and behaviors in order to become a social robot. This dissertation focuses on the problem of how to develop a robotic platform in order to validate human-robot interaction experiences in realistic environments. More specifically, we are concerned with social interactions in human-robot groups in public scenarios, where a variety of people can converge. Our final goal is the develop of a social robot based on certain theories of group behavior and the use of space, known as spatial relationships. The intermediate goals are related with the design and development of the experiences in the wild: as minor changes as possible in the scenario, definition of social tasks, gradual development of a robotic platform as transparent as possible from the robotic side. Initially, this research introduces several preliminary studies of human-robot interaction (HRI) with the PAL Robotics’ REEM robot at the CosmoCaixa Science Museum in Barcelona. Based on certain theories about the use of space as a form of social communication or interaction, the task under study with the commercial robot is as a museum guide, both when the group was in motion (\ie when it was being guided) as well as a group in a static place. Moreover, a second HRI study with REEM robot accomplishing the task of a teacher's assistant was carried out to analyze the perception of the robot's social presence and identity. Likewise, the development of a robotic platform, known as MASHI, for the study of HRI is presented. Based on the service to be completed by the robot, improvements in the experimental robotic platform (structure, morphology, head, face, arms) were carried out in continuous cycles following the development of HRI experiences. This structure should be hold as simple as possible in order to make it `transparent' in the social HRI study. Next, the field study of human-robot social interaction with the MASHI robot with the role of exhibition guide in a cultural center is presented. Based on direct observation techniques, a study is made of the different spatial relationships that are generated when a robot interacts with a person or groups of people. Finally, a novel approach to represent the spatial relationships of HRI in a qualitative way is introduced for future experiences. In this concluding study, we analyze different spatial arrangements generated in a social scenario with a robot within the guide role. As a main conclusion, it can be stated that people follow social norms, in the form of spatial relationships, when interacting with a robot that provide a social service in a public space. Children, however, recurrently challenge these social norms, probably because they are constantly learning about the norms that regulate our coexistence. Spatial relationships are clearly reinforced when the role assigned to the robot is more explicit and understood by people. Spatial relationships can be affected by the characteristics of the environment, either by the available space or by the elements arranged in it, as well as by the number of people who inhabit it. Overall, this dissertation points out that the provided service, and its understanding from the user’s side, is more important that the robotic skills of the robotic platform in order to improve user experiences in public environments.Los robots se abren paso en entornos habitados por personas. Ya sea en entornos domésticos o públicos, los robots deben tener en cuenta ciertas normas y comportamientos sociales para convertirse en un robot social. Esta disertación se centra en el problema de cómo desarrollar una plataforma robótica para validar experiencias de interacción humano-robot en entornos realistas. Más específicamente, nos preocupamos por las interacciones sociales en grupos humano-robot en escenarios públicos, donde una gran variedad de personas puede converger. Nuestro objetivo final es el desarrollo de un robot social basado en ciertas teorías de comportamiento grupal y el uso del espacio, conocidas como relaciones espaciales. Los objetivos intermedios están relacionados con el diseño y desarrollo de las experiencias `en la naturaleza': cambios mínimos como sea posible en el escenario, definición de tareas sociales, desarrollo gradual de una plataforma robótica lo más transparente posible desde el lado robótico. Inicialmente, esta investigación presenta varios estudios preliminares de interacción humano-robot (HRI) con el robot REEM de PAL Robotics en el Museo de Ciencias CosmoCaixa de Barcelona. Basado en ciertas teorías sobre el uso del espacio como una forma de comunicación o interacción social, la tarea en este estudio con el robot comercial es como guía de museo, tanto cuando el grupo estaba en movimiento (es decir, cuando estaba siendo guiado) como cuando el grupo estaba en un lugar estático. Además, se llevó a cabo un segundo estudio de HRI con un robot REEM que realizaba la tarea de un asistente de profesor para analizar la percepción de la presencia e identidad social del robot. Asimismo, se presenta el desarrollo de una plataforma robótica, conocida como MASHI, para el estudio de la HRI. En función del servicio que debe completar el robot, las mejoras en la plataforma robótica experimental (estructura, morfología, cabeza, cara, brazos) se llevaron a cabo en ciclos continuos siguiendo el desarrollo de las experiencias de HRI. Esta estructura debe mantenerse lo más simple posible para que sea 'transparente' en el estudio de HRI social. A continuación, se presenta el estudio de campo de la interacción social humano-robot con el robot MASHI con el papel de guía de exposición en un centro cultural. Con base en técnicas de observación directa, se realiza un estudio de las diferentes relaciones espaciales que se generan cuando un robot interactúa con una persona o grupos de personas. Finalmente, se introduce un enfoque novedoso para representar las relaciones espaciales de la HRI de forma cualitativa para las experiencias futuras. En este estudio final, analizamos diferentes arreglos espaciales generados en un escenario social con un robot con el rol de guía. Como conclusión principal, se puede afirmar que las personas siguen normas sociales, en forma de relaciones espaciales, cuando interactúan con un robot que brinda un servicio social en un espacio público. Los niños, sin embargo, desafían recurrentemente estas normas sociales, probablemente porque están aprendiendo constantemente sobre las normas que regulan nuestra convivencia. Las relaciones espaciales se refuerzan claramente cuando el rol asignado al robot es más explícito y entendido por las personas. Las relaciones espaciales pueden verse afectadas por las características del entorno, ya sea por el espacio disponible o por los elementos dispuestos en él, así como por el número de personas que lo habitan. En general, esta disertación señala que el servicio prestado, y su comprensión del lado del usuario, es más importante que las habilidades robóticas de la plataforma robótica con el fin de mejorar las experiencias del usuario en entornos público

Towards modelling group-robot interactions using a qualitative spatial representation

This paper tackles the problem of finding a suitable qualitative representation for robots to reason about activity spaces where they carry out tasks interacting with a group of people. The Qualitative Spatial model for Group Robot Interaction (QS-GRI) defines Kendon-formations depending on: (i) the relative location of the robot with respect to other individuals involved in that interaction; (ii) the individuals' orientation; (iii) the shared peri-personal distance; and (iv) the role of the individuals (observer, main character or interactive). The evolution of Kendon-formations between is studied, that is, how one formation is transformed into another. These transformations can depend on the role that the robot have, and on the amount of people involved.Postprint (author's final draft

Designing a robot to evaluate group formations

Robots are making their way in environments inhabited by people. Whether in domestic or public crowded environments, robots should take into consideration social norms and behaviors in order to become a social robot. This dissertation focuses on the problem of how to develop a robotic platform in order to validate human-robot interaction experiences in realistic environments. More specifically, we are concerned with social interactions in human-robot groups in public scenarios, where a variety of people can converge. Our final goal is the develop of a social robot based on certain theories of group behavior and the use of space, known as spatial relationships. The intermediate goals are related with the design and development of the experiences in the wild: as minor changes as possible in the scenario, definition of social tasks, gradual development of a robotic platform as transparent as possible from the robotic side. Initially, this research introduces several preliminary studies of human-robot interaction (HRI) with the PAL Robotics’ REEM robot at the CosmoCaixa Science Museum in Barcelona. Based on certain theories about the use of space as a form of social communication or interaction, the task under study with the commercial robot is as a museum guide, both when the group was in motion (\ie when it was being guided) as well as a group in a static place. Moreover, a second HRI study with REEM robot accomplishing the task of a teacher's assistant was carried out to analyze the perception of the robot's social presence and identity. Likewise, the development of a robotic platform, known as MASHI, for the study of HRI is presented. Based on the service to be completed by the robot, improvements in the experimental robotic platform (structure, morphology, head, face, arms) were carried out in continuous cycles following the development of HRI experiences. This structure should be hold as simple as possible in order to make it `transparent' in the social HRI study. Next, the field study of human-robot social interaction with the MASHI robot with the role of exhibition guide in a cultural center is presented. Based on direct observation techniques, a study is made of the different spatial relationships that are generated when a robot interacts with a person or groups of people. Finally, a novel approach to represent the spatial relationships of HRI in a qualitative way is introduced for future experiences. In this concluding study, we analyze different spatial arrangements generated in a social scenario with a robot within the guide role. As a main conclusion, it can be stated that people follow social norms, in the form of spatial relationships, when interacting with a robot that provide a social service in a public space. Children, however, recurrently challenge these social norms, probably because they are constantly learning about the norms that regulate our coexistence. Spatial relationships are clearly reinforced when the role assigned to the robot is more explicit and understood by people. Spatial relationships can be affected by the characteristics of the environment, either by the available space or by the elements arranged in it, as well as by the number of people who inhabit it. Overall, this dissertation points out that the provided service, and its understanding from the user’s side, is more important that the robotic skills of the robotic platform in order to improve user experiences in public environments.Los robots se abren paso en entornos habitados por personas. Ya sea en entornos domésticos o públicos, los robots deben tener en cuenta ciertas normas y comportamientos sociales para convertirse en un robot social. Esta disertación se centra en el problema de cómo desarrollar una plataforma robótica para validar experiencias de interacción humano-robot en entornos realistas. Más específicamente, nos preocupamos por las interacciones sociales en grupos humano-robot en escenarios públicos, donde una gran variedad de personas puede converger. Nuestro objetivo final es el desarrollo de un robot social basado en ciertas teorías de comportamiento grupal y el uso del espacio, conocidas como relaciones espaciales. Los objetivos intermedios están relacionados con el diseño y desarrollo de las experiencias `en la naturaleza': cambios mínimos como sea posible en el escenario, definición de tareas sociales, desarrollo gradual de una plataforma robótica lo más transparente posible desde el lado robótico. Inicialmente, esta investigación presenta varios estudios preliminares de interacción humano-robot (HRI) con el robot REEM de PAL Robotics en el Museo de Ciencias CosmoCaixa de Barcelona. Basado en ciertas teorías sobre el uso del espacio como una forma de comunicación o interacción social, la tarea en este estudio con el robot comercial es como guía de museo, tanto cuando el grupo estaba en movimiento (es decir, cuando estaba siendo guiado) como cuando el grupo estaba en un lugar estático. Además, se llevó a cabo un segundo estudio de HRI con un robot REEM que realizaba la tarea de un asistente de profesor para analizar la percepción de la presencia e identidad social del robot. Asimismo, se presenta el desarrollo de una plataforma robótica, conocida como MASHI, para el estudio de la HRI. En función del servicio que debe completar el robot, las mejoras en la plataforma robótica experimental (estructura, morfología, cabeza, cara, brazos) se llevaron a cabo en ciclos continuos siguiendo el desarrollo de las experiencias de HRI. Esta estructura debe mantenerse lo más simple posible para que sea 'transparente' en el estudio de HRI social. A continuación, se presenta el estudio de campo de la interacción social humano-robot con el robot MASHI con el papel de guía de exposición en un centro cultural. Con base en técnicas de observación directa, se realiza un estudio de las diferentes relaciones espaciales que se generan cuando un robot interactúa con una persona o grupos de personas. Finalmente, se introduce un enfoque novedoso para representar las relaciones espaciales de la HRI de forma cualitativa para las experiencias futuras. En este estudio final, analizamos diferentes arreglos espaciales generados en un escenario social con un robot con el rol de guía. Como conclusión principal, se puede afirmar que las personas siguen normas sociales, en forma de relaciones espaciales, cuando interactúan con un robot que brinda un servicio social en un espacio público. Los niños, sin embargo, desafían recurrentemente estas normas sociales, probablemente porque están aprendiendo constantemente sobre las normas que regulan nuestra convivencia. Las relaciones espaciales se refuerzan claramente cuando el rol asignado al robot es más explícito y entendido por las personas. Las relaciones espaciales pueden verse afectadas por las características del entorno, ya sea por el espacio disponible o por los elementos dispuestos en él, así como por el número de personas que lo habitan. En general, esta disertación señala que el servicio prestado, y su comprensión del lado del usuario, es más importante que las habilidades robóticas de la plataforma robótica con el fin de mejorar las experiencias del usuario en entornos públicosPostprint (published version

Análisis del rendimiento de un sistema robótico de control en red basado en simulación

Debido a la dificultad de evaluar el rendimiento global de un sistema robótico de control en red de manera analítica, el presente trabajo trata el análisis del comportamiento de un sistema robótico de control en red, tanto temporal como espacial, basado en simulación. El entorno experimental de sistema robótico de control en red está constituido por un robot manipulador planar con articulaciones angulares, donde el control de movimiento del robot está distribuido en varios controladores remotos, uno para cada articulación, y un controlador principal, los mismos que se comunican por medio de una red de control. Para simplificar el análisis del modelo del sistema robótico, se ha elegido un modelado por capas, el mismo que permite definir más fácilmente las interacciones entre los componentes del sistema (controlador principal, red de control y controladores remotos). El modelo del sistema robótico es llevado a un entorno de simulación y puesto a prueba con distintas configuraciones (como el tipo de red de control, tasa de datos, tamaño de datos y número de controladores remotos). De los resultados obtenidos se hace un análisis tanto temporal como espacial del ciclo de comunicación y del error de seguimiento de trayectoria, respectivamente

An exploratory study of group-robot social interactions in a cultural center

This article describes an exploratory study of social human-robot interaction with the experimental robotic platform MASHI. The experiences were carried out in La Bobila Cultural Center in Barcelona, Spain to study the visitPeer ReviewedPostprint (author's final draft

Towards online socially acceptable robot navigation

When robots move through social spaces (i.e., environments shared with people) such as museums and shopping centers, they must navigate in a safe and socially acceptable manner to facilitate their inclusion and adoption. Therefore, robots operating in such settings must be able not only to avoid colliding with nearby obstacles, but also to show socially accepted behaviors, e.g., by minimizing the disruption in the comfort zone of nearby people. While there are well known approaches for social robot navigation, they are mostly based on social force models, which suffer from local minima. Meanwhile, other robot navigation frameworks do not consider social aspects. In this paper, we present an online social robot navigation framework, which is capable of generating collision free and socially acceptable paths online in uncontrolled crowded environments. Our proposed framework employs a modified sampling-based planner together with a new social relevance validity checking strategy. To evaluate our approach, we have designed a simulated social space in which the Pepper robot can safely navigate in a socially accepted manner. We compare our approach with other two alternative solutions while measuring specific social navigation metrics

Online social robot navigation in indoor, large and crowded environments

New robotics applications require robots to complete tasks in social spaces (i.e. environments shared with people), thus arising the necessity of enabling robots to operate in a socially acceptable manner. Some social spaces tend to be large and crowded (e.g. museums, shopping malls), which require robots to move around while showing appropriate social behaviors (e.g. not interfering with human's comfortable areas). Moving under such conditions is generally called social robot navigation, and there are different approaches to do so. Nonetheless, current approaches are mostly limited to navigate large and outdoor spaces, where both robots and people can easily avoid each other. Other approaches have been tested in indoor environments, however, the test environments tend to be small and largely empty. In this paper, we present an online social robot navigation framework, which allow robots to navigate indoor, large and crowded environments, while showing social behaviors. Our framework consists of 3 modules: 1) world modeling that incorporates a novel Social Heatmap (SH) to represent crowded areas, 2) multilayered path planning that uses sampling-based approaches, and 3) path following control. We extensively benchmark our approach against state- of-the-art approaches in challenging simulated scenarios, and we also demonstrate its feasibility with the Pepper robot in real-world trials

Evaluating Group-Robot Interaction in Crowded Public Spaces: A Week-Long Exploratory Study in the Wild with a Humanoid Robot Guiding Visitors Through a Science Museum

Postprint (published version

Designing a robot to evaluate group formations

Robots are making their way in environments inhabited by people. Whether in domestic or public crowded environments, robots should take into consideration social norms and behaviors in order to become a social robot. This dissertation focuses on the problem of how to develop a robotic platform in order to validate human-robot interaction experiences in realistic environments. More specifically, we are concerned with social interactions in human-robot groups in public scenarios, where a variety of people can converge. Our final goal is the develop of a social robot based on certain theories of group behavior and the use of space, known as spatial relationships. The intermediate goals are related with the design and development of the experiences in the wild: as minor changes as possible in the scenario, definition of social tasks, gradual development of a robotic platform as transparent as possible from the robotic side. Initially, this research introduces several preliminary studies of human-robot interaction (HRI) with the PAL Robotics’ REEM robot at the CosmoCaixa Science Museum in Barcelona. Based on certain theories about the use of space as a form of social communication or interaction, the task under study with the commercial robot is as a museum guide, both when the group was in motion (\ie when it was being guided) as well as a group in a static place. Moreover, a second HRI study with REEM robot accomplishing the task of a teacher's assistant was carried out to analyze the perception of the robot's social presence and identity. Likewise, the development of a robotic platform, known as MASHI, for the study of HRI is presented. Based on the service to be completed by the robot, improvements in the experimental robotic platform (structure, morphology, head, face, arms) were carried out in continuous cycles following the development of HRI experiences. This structure should be hold as simple as possible in order to make it `transparent' in the social HRI study. Next, the field study of human-robot social interaction with the MASHI robot with the role of exhibition guide in a cultural center is presented. Based on direct observation techniques, a study is made of the different spatial relationships that are generated when a robot interacts with a person or groups of people. Finally, a novel approach to represent the spatial relationships of HRI in a qualitative way is introduced for future experiences. In this concluding study, we analyze different spatial arrangements generated in a social scenario with a robot within the guide role. As a main conclusion, it can be stated that people follow social norms, in the form of spatial relationships, when interacting with a robot that provide a social service in a public space. Children, however, recurrently challenge these social norms, probably because they are constantly learning about the norms that regulate our coexistence. Spatial relationships are clearly reinforced when the role assigned to the robot is more explicit and understood by people. Spatial relationships can be affected by the characteristics of the environment, either by the available space or by the elements arranged in it, as well as by the number of people who inhabit it. Overall, this dissertation points out that the provided service, and its understanding from the user’s side, is more important that the robotic skills of the robotic platform in order to improve user experiences in public environments.Los robots se abren paso en entornos habitados por personas. Ya sea en entornos domésticos o públicos, los robots deben tener en cuenta ciertas normas y comportamientos sociales para convertirse en un robot social. Esta disertación se centra en el problema de cómo desarrollar una plataforma robótica para validar experiencias de interacción humano-robot en entornos realistas. Más específicamente, nos preocupamos por las interacciones sociales en grupos humano-robot en escenarios públicos, donde una gran variedad de personas puede converger. Nuestro objetivo final es el desarrollo de un robot social basado en ciertas teorías de comportamiento grupal y el uso del espacio, conocidas como relaciones espaciales. Los objetivos intermedios están relacionados con el diseño y desarrollo de las experiencias `en la naturaleza': cambios mínimos como sea posible en el escenario, definición de tareas sociales, desarrollo gradual de una plataforma robótica lo más transparente posible desde el lado robótico. Inicialmente, esta investigación presenta varios estudios preliminares de interacción humano-robot (HRI) con el robot REEM de PAL Robotics en el Museo de Ciencias CosmoCaixa de Barcelona. Basado en ciertas teorías sobre el uso del espacio como una forma de comunicación o interacción social, la tarea en este estudio con el robot comercial es como guía de museo, tanto cuando el grupo estaba en movimiento (es decir, cuando estaba siendo guiado) como cuando el grupo estaba en un lugar estático. Además, se llevó a cabo un segundo estudio de HRI con un robot REEM que realizaba la tarea de un asistente de profesor para analizar la percepción de la presencia e identidad social del robot. Asimismo, se presenta el desarrollo de una plataforma robótica, conocida como MASHI, para el estudio de la HRI. En función del servicio que debe completar el robot, las mejoras en la plataforma robótica experimental (estructura, morfología, cabeza, cara, brazos) se llevaron a cabo en ciclos continuos siguiendo el desarrollo de las experiencias de HRI. Esta estructura debe mantenerse lo más simple posible para que sea 'transparente' en el estudio de HRI social. A continuación, se presenta el estudio de campo de la interacción social humano-robot con el robot MASHI con el papel de guía de exposición en un centro cultural. Con base en técnicas de observación directa, se realiza un estudio de las diferentes relaciones espaciales que se generan cuando un robot interactúa con una persona o grupos de personas. Finalmente, se introduce un enfoque novedoso para representar las relaciones espaciales de la HRI de forma cualitativa para las experiencias futuras. En este estudio final, analizamos diferentes arreglos espaciales generados en un escenario social con un robot con el rol de guía. Como conclusión principal, se puede afirmar que las personas siguen normas sociales, en forma de relaciones espaciales, cuando interactúan con un robot que brinda un servicio social en un espacio público. Los niños, sin embargo, desafían recurrentemente estas normas sociales, probablemente porque están aprendiendo constantemente sobre las normas que regulan nuestra convivencia. Las relaciones espaciales se refuerzan claramente cuando el rol asignado al robot es más explícito y entendido por las personas. Las relaciones espaciales pueden verse afectadas por las características del entorno, ya sea por el espacio disponible o por los elementos dispuestos en él, así como por el número de personas que lo habitan. En general, esta disertación señala que el servicio prestado, y su comprensión del lado del usuario, es más importante que las habilidades robóticas de la plataforma robótica con el fin de mejorar las experiencias del usuario en entornos público

Análisis del rendimiento de un sistema robótico de control en red basado en simulación

Debido a la dificultad de evaluar el rendimiento global de un sistema robótico de control en red de manera analítica, el presente trabajo trata el análisis del comportamiento de un sistema robótico de control en red, tanto temporal como espacial, basado en simulación. El entorno experimental de sistema robótico de control en red está constituido por un robot manipulador planar con articulaciones angulares, donde el control de movimiento del robot está distribuido en varios controladores remotos, uno para cada articulación, y un controlador principal, los mismos que se comunican por medio de una red de control. Para simplificar el análisis del modelo del sistema robótico, se ha elegido un modelado por capas, el mismo que permite definir más fácilmente las interacciones entre los componentes del sistema (controlador principal, red de control y controladores remotos). El modelo del sistema robótico es llevado a un entorno de simulación y puesto a prueba con distintas configuraciones (como el tipo de red de control, tasa de datos, tamaño de datos y número de controladores remotos). De los resultados obtenidos se hace un análisis tanto temporal como espacial del ciclo de comunicación y del error de seguimiento de trayectoria, respectivamente