Improving Motor Coordination in Human-Robot Interactions using Bio-inspired Controllers - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2020

Improving Motor Coordination in Human-Robot Interactions using Bio-inspired Controllers

Améliorer la coordination motrice dans les interactions Homme-Robot avec des contrôleurs bio-inspirés

Abstract

Gestural communication is an important aspect of HRI in social, assistance and rehabilitation robotics. Indeed, social synchrony is a key component of interpersonal interactions which affects the interaction on the behavioural level, as well as on the social level. It is paramount for the robot to be able to adapt to its interaction partner. In rhythmic social interactions, humans experience two physical phenomena which can also be observed in oscillators: the magnet effect which entrains both systems until they are coupled and synchronised; the maintenance effect which is the struggle of each system to conserve its own intrinsic frequency. These mechanisms could play a fundamental role in physical and social interpersonal interactions. To reproduce this behaviour, bio-inspired controllers endowed with plasticity mechanisms can be employed. The main goal consists in making these interactions as natural and enjoyable as possible by integrating adaptive properties, which leads to the emergence of motor coordination and hence social synchrony. A non-negligible part of this research also consists in studying humans in HRI to understand human behaviour better and design better interactions. In the first part of this thesis, we will introduce synchrony in interpersonal interactions but also in human-robot interactions. We will also observe and endeavour to understand human behaviour in rhythmic human-robot interactions. The second part will present the bio-inspired controller. We will integrate some new plasticity mechanisms, develop its discrete functioning mode and extend the model so that it can adapt to any rhythmic or discrete movement. We also analyse the results of a comparison study with other oscillators and controllers to highlight the capabilities of this model. Moreover, we will validate the controller experimentally in two user studies on human-robot interactions with and without contact. This chapter will evaluate several aspects, such as robot power consumption, controller learning rate, human muscular effort, user perception, coordination performance and engagement. Finally, the third part will focus on the applications and perspectives of this thesis in robot- assisted therapy for children with motor deficits, notably with autistic children.
La communication gestuelle est un aspect important de l’interaction humain-robot pour la robotique sociale, d’assistance et de réhabilitation. En effet, la synchronie sociale est un élément clé des interactions interpersonnelles, aussi bien sur le plan comportemental que sur le plan social. Il est essentiel pour les robots d’être capables de s’adapter à leur partenaire d’interaction. Dans les interactions sociales rythmiques, les humains sont soumis à deux phénomènes physiques qui peuvent également être observés dans les oscillateurs: l’effet magnet qui entraîne les deux systèmes jusqu’à ce qu’ils soient couplés et synchronisés; l’effet maintenance qui représente l’effort de chaque système pour conserver sa propre fréquence. Ces mécanismes jouent un rôle fondamental dans les interactions interpersonnelles physiques et sociales. Afin de reproduire ce comportement, des contrôleurs bio-inspirés dotés de mécanismes de plasticité peuvent être employés. Le but principal consiste à rendre ces interactions aussi naturelles et agréables que possible en intégrant des propriétés adaptatives, ce qui mène à l’émergence d’une coordination motrice et par conséquent d’une synchronie sociale. Une partie non négligeable du travail de recherche consiste à étudier l’humain dans les interactions humain-robot pour comprendre le comportement humain et donc mieux penser les interactions. La première partie de cette thèse focalisera sur l’interaction humain-robot avec et sans contact. Nous introduirons plusieurs études d’interaction humain-robot où nous observerons le comportement humain lors d’une interaction rythmique avec un robot. Dans la seconde partie, nous tenterons de reproduire le comportement humain grâce à un contrôleur bio-inspiré. Nous allons également présenter le contrôleur CPG (Central Pattern Generator). Les CPGs sont des structures biologiques présentes dans la moelle épinière des vertébrés et responsables de la génération de mouvements rythmiques. Ils peuvent générer un mouvement sans aucun signal d’entrée et s’adapter à un signal extérieur. Nous avons également intégré de nouveaux mécanismes de plasticité et présentons les résultats d’une étude comparative avec d’autres modèles d’oscillateurs pour souligner les capacités du modèle. Dans la troisième partie, nous testons le contrôleur lors d’interactions humain-robot pour évaluer la performance et la perception du contrôleur. Finalement, la dernière partie dévoilera les applications et perspectives de cette thèse pour la thérapie assistée par robot et plus particulièrement avec des enfants autistes.
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Dates and versions

tel-02929729 , version 1 (03-09-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02929729 , version 1

Cite

Melanie Jouaiti. Improving Motor Coordination in Human-Robot Interactions using Bio-inspired Controllers. Computer Science [cs]. Université de Lorraine, 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0035⟩. ⟨tel-02929729⟩
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