机器人交互设计中参与式设计思维及方法研究

目的 以机器人交互设计为研究对象,结合通过设计进行研究的思维方式对参与式设计视角下的参与主体、进程、工具及产出的设计知识进行明确的梳理和分析,在提升参与式设计的有效性的同时,推动抗解问题的解决。方法 从三个维度厘清机器人交互设计中的参与要素,包括参与主体及角色、通过设计进行研究的实验类型和基于设计阶段的参与工具,综合探讨通过设计进行研究思维方式在理解机器人角色、伦理问题和个性化特征等方面所发挥的作用。结果 得出通过设计进行研究思维方式对多学科跨界交流、拓展机器人交互设计的边界、开发创新性的参与方法及探索“设计最优解”带来的影响。结论 从参与者的选取,到研究目标驱动的实验流程设计,再到基于设计阶段的参与工具选择,帮助研究者提升参与式设计有效性的同时,实现通过设计进行研究思维方式下机器人交互设计的跨学科的沟通。

基于交互情境因素的人与机器人交互体验

系统定量地评估交互情境因素(交互距离、交互姿势和反馈风格)对于优化人与机器人的交互体验有着重要意义.采用三因子组内和组间混合设计的人因学实验,招募20名受试者以不同交互情境与机器人进行互动,并收集受试者的客观绩效、主观感知和眼动行为等交互体验指标,最后采用重复测量的方差分析处理实验数据.结果表明各交互情境因素下受试者客观绩效无差异,交互距离与反馈风格对受试者注视机器人次数占比有显著主效应和交互作用,交互距离与交互姿势对平均瞳孔直径存在交互作用,交互情境因素在交互方式接受度上有显著交互作用.研究结果可为机器人的情感表达部署、人机交互体验的优化策略提供参考依据.

人-机器人交互场景中的身份识别技术

身份识别是一种使用人的图像、语音等信息,借助目标检测、信息检索等找到其对应标签的综合方法。但是传统身份识别方法都是基于固定终端进行的,无法应对交互环境变化导致的多种数据质量问题,使得基于移动机器人的身份识别任务比基于固定终端的身份识别任务增加了难度。主动视觉、行为预测、视图规划、多模态身份识别等技术的融合运用为此提供了新的解决思路。通过对上述技术的研究进展及应用现状进行综述,分析这些方法在身份识别任务上的优势与不足,并对人-机器人交互场景中的身份识别技术的未来发展趋势进行展望。

物理性人-机器人交互研究与发展现状

介绍了物理性人-机器人交互的定义,对该过程可能对人造成的伤害进行了分析,给出了物理性人-机器人交互安全评价指标,并总结了目前该领域采用的安全策略。综述了国内外在物理性人-机器人交互方面的研究进展,在分析物理性人-机器人交互研究现状的基础上,阐述了该领域面临的问题和挑战。文章指出,目前物理性人-机器人交互伤害分析和安全评估研究主要集中在钝/锐碰撞造成的骨骼和软组织伤害上,缺乏对脏器、血管、神经等损伤的研究。安全策略主要方法有碰撞避免、包裹软弹性材料、关节柔顺设计等。通过对比各种安全策略的设计思想和组成方案,总结出了各种策略的优缺点和存在的主要问题。由于现有的研究表明单一的手段和策略无法保证人-机器人交互的安全性,提出将认知性人-机器人交互和物理性人-机器人交互相结合来增强后者的安全性将是未来发展的方向。

基于便携式脑电信号采集器的脑-机器人交互系统

针对现有高精度脑电信号采集设备体积笨重、成本高、无法普及的问题,开发了便携低成本的多通道脑电信号采集器,并以可编程可定制的乐高机器人为应用实例,搭建了集注意力训练、教育、娱乐于一体的脑-机器人交互系统。脑电信号采集器内置锂电池,体积为65 mm×40 mm×21 mm,重约60 g,以无线方式传输信号。在此基础上,结合典型相关分析(canonical correlation analysis,CCA)与快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,FFT),提出了基于CCA-Wx-FFT的SSVEP特征提取算法,对采集器信号进行分析,以确保对机器人的精确控制。10名被试的测试结果表明,本系统获得了与高精度EEG设备相近的信号特征和控制准确率(92.6%vs 94.1%)。这一脑-机器人交互系统极大地降低了系统开发的成本,方便携带,易于扩展,对脑控的普及具有重要的应用价值。

基于激光SLAM技术的电力巡检机器人交互控制

提出基于激光SLAM技术的电力巡检机器人交互控制方法,利用激光SLAM技术在地图模型、运动学模型、里程计观测模型以及多传感器观测模型的基础上绘制机器人的巡检地图,通过Dijkstra算法根据巡检地图获得最短巡检路径,并采用DWA滑动窗口法对选取的巡检路径进行评分,选择评分最高的路径作为机器人的巡检路径,完成电力巡检机器人的交互控制。实验结果表明,所提方法的避障效果好、路径规划效果好、控制精度高。

基于虚拟现实和眼动追踪的人-集群机器人交互方法

操作员对集群机器人实施远程控制时面临被控对象众多、群体态势感知困难、集体行为控制不易等诸多挑战,使得手动遥控等传统交互方式无法实现高效、灵活、强沉浸感的人-集群机器人交互。为此,提出一种基于虚拟现实(VR)和眼动追踪的人-集群机器人交互(HSI)方法。首先,构建集群机器人VR交互场景并采集操作员的眼动数据;其次,解析获得瞳孔坐标、注视点等眼动特征,据此生成集群机器人的运动控制指令;最后,开展了真实集群机器人集群漫游、集群目标追踪及集群轨迹跟踪交互实验。机器人实验结果表明,该方法可实现灵活、便捷的人-集群机器人远程交互控制,这为人与集群机器人的共融协作提供了一种新的途径。

基于眼动和脑电技术的机器人情绪行为对用户交互情感的影响研究

目的探索人-机器人交互过程中用户情感的评价方法,揭示机器人情绪行为对用户交互情感的影响。方法设计音乐交互过程(正性音乐、负性音乐)和机器人情绪行为(正性情绪行为、中性情绪行为、负性情绪行为),借助主观评价、眼动追踪和脑电技术,采集19名被试在不同音乐交互过程中的主观评价指标、眼动指标和脑电指标。结果正性音乐交互过程中,机器人正性情绪行为引起的效价、唤醒度、瞳孔直径、额中线theta波相对功率、额区alpha波不对称指数显著大于中性情绪行为;而负性音乐交互过程中,机器人负性情绪行为引起的唤醒度和瞳孔直径显著大于中性情绪行为,效价和额区alpha波不对称指数显著小于中性情绪行为。结论各评价指标具有一致的结果,各指标相互结合能够有效地评价机器人音乐交互过程中用户的情感状态。评价结果表明机器人正性情绪行为(负性情绪行为)对音乐交互过程中用户正性情感(负性情感)具有增强作用,可用于进一步加强机器人音乐交互过程中用户的情感。

交互式水域环卫机器人的避障路径规划算法

为使交互式水域环卫机器人(Interactive Water Sanitation Vehicle,IWSV)在进行垃圾收集时成功捕获水中浮动垃圾并顺利规避水域障碍物,提出一种将基于采样的快速搜索随机树(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)算法与速度障碍模型相结合的路径规划算法。利用双目摄像头基于视差定位法获取水域动态障碍物的位置坐标,利用IWSV搭载的感应元件获取其自身与障碍物的相对方位角,基于速度障碍法计算可成功避开障碍物的移动角度调整范围,对更优的RRT算法中的随机采样过程进行进一步优化,得到改进的避障路径规划算法。考虑实际应用场景,引入抗积分饱和比例积分微分控制(Proportional Integral Differentiational Control,PID Control)法使航向控制器的控制效果更为精准有效。在实景测试时避障路径规划算法存在稳健性,基于到达时间(Time of Arrival,TOA)定位法进行仿真分析。仿真试验结果表明,该路径规划算法比RRT算法和改进前的RRT算法路径规划效果更优,可靠性更好,可在较短时间内避障并得到较优移动路径。在实景测试时基于TOA的Chan算法更加符合定位估计需求,且IWSV本体感应装置的噪声测算宜在10 m以内。

以人为中心的人-机器人自然空间语言交互

为了实现人通过自然语言指挥机器人完成空间任务,本文基于“以人为中心”的研发原则,在分析人-人空间语言交互的认知机制和过程的基础上,提出了与人智能同构的机器人空间认知研发方案。强调机器人应当像人一样具有空间视角采择能力,能够视觉识别、听懂和表达各种空间参考框架,能够运用心理理论判断对方的意图并根据反馈及时调整交互策略。

面向自适应机器人交互的类人反应研究

机器人类人反应的研究,旨在借鉴人对外部刺激做出反应的机制和特点,将其应用于人一机器人交互中,通过让机器人模拟人对不同的刺激做出的自然的反应,提升人和服务机器人交互的体验。自适应交互系统使得服务机器人能够适应持续变化的工作环境和用户信息,为用户提供更加智能和个性化的服务。本文根据人的自然反应特征与自适应机器人交互的特点,提出在自适应机器人交互中,类人反应的应用可以丰富和优化机器人在服务人过程中的外显反应,同时反映机器人的自适应进度,以促进更加流畅的自然交互。此外,在机器人智能交互系统中,个性化、自然的类人反应能够提高智能交互中机器人学习的效率,更好地服务于用户。

基于BIM+AR的建筑机器人交互研究

针对传统机器人仿真系统成本高、真实感差、工作量大等问题,结合建筑信息模型(BIM)与增强现实虚拟技术(AR),以幕墙安装机器人为研究对象,从建筑施工实际应用角度出发,设计了一种建筑机器人交互系统,并从机械臂仿真、虚拟现实漫游、增强现实功能、实时碰撞检测四个模块进行了详细设计。测试结果表明,所设计的基于BIM+AR建筑机器人交互系统虚拟建筑工作场景真实,用户可快速注册、登陆并操作系统,并可根据指令调节各关节角度与位置等信息,顺利进行玻璃搬运施工。当施工过程中发生碰撞时,系统快速检测并记录碰撞信息,同时通过听觉、视觉等将碰撞情况实时反馈给用户,便于提醒用户及时做出调整。系统各模块运行流畅,触控按钮功能正常,实现建筑机器人的交互,满足预期功能要求。

基于GOMS的趣味交互型机器人教学案例设计研究

机器人教育已经成为当今教育的热点话题,越来越多的研究者倾向于关注机器人教育的现状、意义、问题及对策。而本研究则以设计、开发及应用机器人教学案例为主,构建价格低廉、开源共享的Arduino机器人教学项目,并将GOMS模型引入趣味交互型机器人的教学案例设计及应用中,为趣味交互型机器人教学提供一种可参考的思路和方法。

中小学机器人教育的核心理论研究——论趣味交互型教学模式

在中小学机器人教学的理论与实践中,普遍认为机器人教学就是让学生设计和制作能够独立运行的机器人作品,而忽略了另外一种颇具寓教于乐意义的机器人联机交互系统。为弥补这一缺失,文章采用文献研究方法,结合机器人联机交互系统的特点,从输入、输出的角度刻画了机器人硬件端与计算机程序端的组成结构,并从作品功能和人机交互方式两个角度分析了其具体应用类型;以此为基础,结合项目教学模式,构建了一个兼具指导性与操作性的趣味交互型教学模式。实验研究表明,相比传统项目教学模式,趣味交互型教学模式能够明显改善学生学习机器人的态度及学生作品的完整性与交互性。

面向共融机器人的交互意图理解与机器人主动舒适交互

与人共融的服务机器人工作在复杂的非结构化动态环境下,需要长时间与人共处并与多种对象进行交互,而其服务对象又大多未经机器人操作相关培训。因此,相比于现有服务机器人系统的孤立或单向交互模式,新一代服务机器人在非结构化动态环境的适应性、各类场景理解的准确性、人机交互的安全性与舒适性等方面存在更为严苛的技术需求与应用挑战。本文聚焦“高动态”“重交互”“强差异”和“难量化”人机共融复杂场景下的多模态感知、一体化理解、主动舒适交互与机器人行为评价等关键共性人机共融技术,讨论构建适用于与人共融的动态、不确定环境和非特定交互任务的机器人系统,以期逐步实现新一代服务机器人从被动避让到主动服务的实质性转变,推动先进机器人技术同现代服务业的深度融合。

面向智能家居/智慧生活的服务机器人技术与系统

随着机器人技术的发展以及服务机器人形态的日益丰富,智能家居/智慧生活逐渐成为一种未来的生活方式。文章探索了智能家居和智慧生活的服务机器人技术与系统,在其众多的关键技术中,重点探讨了面向服务机器人的云端融合技术以及高用户体验度的人-机器人交互技术。并以家庭服务机器人为例,实现了基于微信和语音云的人-机器人交互方式,验证了基于云架构的家庭服务机器人体系结构的可行性。文章所提出的服务机器人技术与系统是智能家居、智慧生活的一种实现方式,为未来形形色色的服务机器人技术方案提供了一些思路。

基于手势跟踪的人-机器人协作研究

针对人-机器人协作团队中的交互问题,本文通过对手部对象的建模,提出了一种基于均值变换的粒子滤波算法以实现手势的实时准确的跟踪;针对移动机器人运动控制特点,提出了一个简单而实用的基于手势跟踪的动态手势理解方法,并应用于一个实际的人-多机器人协作团队。实验表明通过人提供辅助性关键信息的方法,能够有效地提高了机器人团队的任务执行效率。

基于云平台的智能语音交互机器人设计

现有的语音交互机器人多采用用户提问、机器人回答的单向交流方式,人机交互的智能性和灵活性较差。本文研究运用树莓派(Raspberry Pi)计算机和配套的语音板作为硬件载体,融合语音唤醒、语音识别、语音合成、自然语言处理等人工智能技术,调用科大讯飞开放云平台、在线图灵机器人,搭建一种基于云平台的智能语音交互机器人系统,并结合自主开发的本地知识库和问题库,使智能语音交互机器人能够根据不同环境与任务需求实现双向互动交流,实现由机器人采集信息和交流反馈,以提供高适应性的无接触人机语音交互服务。

危险环境侦察机器人的研究进展

本文介绍了用于危险环境侦察和操作、灾难救援、爆炸物处置和战场侦察等的侦察机器人的研究现状,概述了用于操作员在事故现场监视机器人周围环境和机器人状态、控制机器人从事诸如辐射源检测、泄漏点寻找、危险物质抓取等侦察工作和规划机器人事务的操作员控制器,最后简单介绍了我国危险环境机器人的研究概况。

交互式微型机器人比赛平台中的通讯子系统设计

本文着重介绍了一种应用在交互式微型机器人比赛平台中,采用在传送的数据中加入自定义的编号后重复发送和合理的中断管理这两种方法来提高00K/ASK无线通讯成功率的通讯协议。