La interacción humano-robot ( HRI ) es el estudio de las interacciones entre humanos y robots. La interacción humano-robot es un campo multidisciplinario con contribuciones de la interacción humano-computadora , la inteligencia artificial , la robótica , el procesamiento del lenguaje natural , el diseño , la psicología y la filosofía . Un subcampo conocido como interacción física humano-robot (pHRI) ha tendido a centrarse en el diseño de dispositivos para permitir que las personas interactúen de forma segura con los sistemas robóticos. [1]
La interacción entre humanos y robots ha sido un tema de ciencia ficción y especulación académica incluso antes de que existieran los robots. Debido a que gran parte del desarrollo de la HRI activa depende del procesamiento del lenguaje natural , muchos aspectos de la HRI son continuaciones de las comunicaciones humanas , un campo de investigación que es mucho más antiguo que la robótica.
El origen de la HRI como un problema discreto fue establecido por el autor del siglo XX Isaac Asimov en 1941, en su novela Yo, Robot . Asimov acuñó las Tres Leyes de la Robótica , a saber:
Estas tres leyes proporcionan una visión general de los objetivos que los ingenieros e investigadores tienen en materia de seguridad en el campo de la ética de los robots, aunque los campos de la ética de los robots y la ética de las máquinas son más complejos que estos tres principios. Sin embargo, en general, la interacción entre humanos y robots prioriza la seguridad de los humanos que interactúan con equipos robóticos potencialmente peligrosos. Las soluciones a este problema varían desde el enfoque filosófico de tratar a los robots como agentes éticos (individuos con capacidad moral ) hasta el enfoque práctico de crear zonas de seguridad. Estas zonas de seguridad utilizan tecnologías como el lidar para detectar la presencia humana o barreras físicas para proteger a los humanos al evitar cualquier contacto entre la máquina y el operador. [3]
Aunque inicialmente los robots en el campo de la interacción humano-robot requerían de alguna intervención humana para funcionar, la investigación ha ampliado esto hasta el punto de que los sistemas completamente autónomos son ahora mucho más comunes que a principios de la década de 2000. [4] Los sistemas autónomos incluyen desde sistemas de localización y mapeo simultáneos que proporcionan movimiento inteligente del robot hasta sistemas de procesamiento de lenguaje natural y generación de lenguaje natural que permiten una interacción natural, similar a la humana, que cumple con parámetros psicológicos bien definidos. [5]
Los robots antropomórficos (máquinas que imitan la estructura del cuerpo humano) se describen mejor en el campo de la biomimética , pero se superponen con la HRI en muchas aplicaciones de investigación. Ejemplos de robots que demuestran esta tendencia incluyen el robot PR2 de Willow Garage , el Robonaut de la NASA y el ASIMO de Honda . Sin embargo, los robots en el campo de la interacción humano-robot no se limitan a los robots similares a los humanos: Paro y Kismet son robots diseñados para provocar una respuesta emocional en los humanos y, por lo tanto, entran en la categoría de interacción humano-robot. [6]
Los objetivos de la HRI abarcan desde la fabricación industrial hasta los cobots , la tecnología médica hasta la rehabilitación, la intervención en el autismo y los dispositivos para el cuidado de personas mayores, el entretenimiento, la mejora humana y la comodidad humana. [7] Por lo tanto, la investigación futura cubre una amplia gama de campos, muchos de los cuales se centran en la robótica de asistencia, la búsqueda y el rescate asistidos por robots y la exploración espacial. [8]
Los robots son agentes artificiales con capacidad de percepción y acción en el mundo físico, al que los investigadores suelen denominar espacio de trabajo. Su uso se ha generalizado en las fábricas, pero hoy en día suelen encontrarse en las sociedades tecnológicamente más avanzadas, en ámbitos tan críticos como la búsqueda y el rescate, el combate militar, la detección de minas y bombas, la exploración científica, la aplicación de la ley, el entretenimiento y la atención hospitalaria.
Estos nuevos dominios de aplicación implican una interacción más cercana con el usuario. El concepto de proximidad debe tomarse en su sentido pleno: los robots y los humanos comparten el espacio de trabajo, pero también comparten objetivos en términos de realización de tareas. Esta interacción cercana necesita nuevos modelos teóricos, por un lado para los científicos de robótica que trabajan para mejorar la utilidad y la seguridad de los robots y, por otro, para evaluar los riesgos y beneficios de este nuevo "amigo" para nuestra sociedad moderna. El subcampo de la interacción física entre humanos y robots (pHRI) se ha centrado en gran medida en el diseño de dispositivos que permitan a las personas interactuar de forma segura con los sistemas robóticos, pero cada vez está desarrollando más enfoques algorítmicos en un intento de respaldar interacciones fluidas y expresivas entre humanos y sistemas robóticos. [1]
Con el avance de la IA , la investigación se está centrando por una parte en la interacción física más segura pero también en una interacción socialmente correcta, en función de criterios culturales. El objetivo es construir una comunicación intuitiva y sencilla con el robot a través del habla, los gestos y las expresiones faciales.
Kerstin Dautenhahn se refiere a la interacción amistosa entre humanos y robots como "Robotiquette" y la define como las "reglas sociales para el comportamiento de los robots (una 'robotiquette') que es cómoda y aceptable para los humanos" [9] . El robot tiene que adaptarse a nuestra forma de expresar deseos y órdenes y no al contrario. Pero los entornos cotidianos, como los hogares, tienen reglas sociales mucho más complejas que las implícitas en las fábricas o incluso en los entornos militares. Por lo tanto, el robot necesita capacidades de percepción y comprensión para construir modelos dinámicos de su entorno. Necesita categorizar objetos , reconocer y localizar a los humanos y, además, reconocer sus emociones . La necesidad de capacidades dinámicas impulsa cada subcampo de la robótica.
Además, al comprender y percibir señales sociales, los robots pueden permitir escenarios colaborativos con humanos. Por ejemplo, con el rápido aumento de las máquinas de fabricación personal, como impresoras 3D de escritorio , cortadoras láser , etc., que ingresan a nuestros hogares, pueden surgir escenarios en los que los robots puedan compartir el control, coordinar y lograr tareas juntos de manera colaborativa. Los robots industriales ya se han integrado en líneas de ensamblaje industriales y están trabajando en colaboración con humanos. El impacto social de dichos robots se ha estudiado [10] y ha indicado que los trabajadores todavía tratan a los robots y entidades sociales, confían en las señales sociales para comprender y trabajar juntos.
En el otro extremo de la investigación de HRI, el modelado cognitivo de la "relación" entre humanos y robots beneficia a los psicólogos e investigadores en robótica; el estudio de los usuarios suele ser de interés para ambas partes. Esta investigación se centra en una parte de la sociedad humana. Para una interacción eficaz entre humanos y robots humanoides [11], se deben implementar numerosas habilidades de comunicación [12] y características relacionadas en el diseño de dichos agentes/sistemas artificiales.
La investigación en HRI abarca una amplia gama de campos, algunos de ellos generales a la naturaleza de HRI.
Los métodos para percibir a los humanos en el entorno se basan en información de sensores. La investigación sobre componentes y software de detección liderados por Microsoft proporciona resultados útiles para extraer la cinemática humana (véase Kinect ). Un ejemplo de técnica más antigua es el uso de información de color; por ejemplo, el hecho de que para las personas de piel clara las manos son más claras que la ropa que llevan. En cualquier caso, un humano modelado a priori puede ajustarse a los datos de los sensores. El robot construye o tiene (dependiendo del nivel de autonomía que tenga el robot) un mapeo 3D de su entorno al que se le asignan las ubicaciones de los humanos.
La mayoría de los métodos pretenden construir un modelo 3D a través de la visión del entorno. Los sensores de propiocepción permiten al robot tener información sobre su propio estado. Esta información es relativa a una referencia. Las teorías de la proxémica pueden utilizarse para percibir y planificar el espacio personal de una persona.
Un sistema de reconocimiento de voz se utiliza para interpretar los deseos o las órdenes humanas. Mediante la combinación de la información inferida por la propiocepción, los sensores y el habla, se determina la posición y el estado humano (de pie, sentado). En este sentido, el procesamiento del lenguaje natural se ocupa de las interacciones entre las computadoras y los lenguajes humanos (naturales), en particular, de cómo programar las computadoras para procesar y analizar grandes cantidades de datos en lenguaje natural . Por ejemplo, las arquitecturas de redes neuronales y los algoritmos de aprendizaje que se pueden aplicar a diversas tareas de procesamiento del lenguaje natural, incluido el etiquetado de partes del discurso, la fragmentación, el reconocimiento de entidades nombradas y el etiquetado de roles semánticos . [13]
La planificación del movimiento en entornos dinámicos es un desafío que, por el momento, solo se puede lograr con robots con entre 3 y 10 grados de libertad . Los robots humanoides o incluso los robots de dos brazos, que pueden tener hasta 40 grados de libertad, no son adecuados para entornos dinámicos con la tecnología actual. Sin embargo, los robots de dimensiones inferiores pueden utilizar el método del campo potencial para calcular trayectorias que eviten colisiones con humanos.
Los seres humanos muestran respuestas sociales y emocionales negativas, así como una menor confianza hacia algunos robots que se parecen mucho, pero de manera imperfecta, a los humanos; este fenómeno se ha denominado el "Valle Inquietante". [14] Sin embargo, investigaciones recientes sobre robots de telepresencia han establecido que imitar posturas corporales humanas y gestos expresivos ha hecho que los robots sean agradables y atractivos en un entorno remoto. [15] Además, la presencia de un operador humano se sintió con más fuerza cuando se probó con un robot de telepresencia androide o humanoide que con una comunicación de video normal a través de un monitor. [16]
Si bien hay cada vez más investigaciones sobre las percepciones y emociones de los usuarios hacia los robots, aún estamos lejos de comprenderlos por completo. Solo experimentos adicionales determinarán un modelo más preciso.
Basándonos en investigaciones anteriores, tenemos algunas indicaciones sobre el sentimiento y el comportamiento actual de los usuarios en relación con los robots: [17] [18]
Una gran cantidad de trabajos en el campo de la interacción entre humanos y robots han analizado cómo los humanos y los robots pueden colaborar mejor. La principal señal social para los humanos mientras colaboran es la percepción compartida de una actividad; con este fin, los investigadores han investigado el control anticipatorio del robot a través de varios métodos, incluidos: monitorear los comportamientos de los socios humanos mediante seguimiento ocular , hacer inferencias sobre la intención de la tarea humana y acción proactiva por parte del robot. [23] Los estudios revelaron que el control anticipatorio ayudó a los usuarios a realizar tareas más rápido que con el control reactivo solo.
Un enfoque común para programar señales sociales en robots es estudiar primero los comportamientos humanos-humanos y luego transferir el aprendizaje. [24] Por ejemplo, los mecanismos de coordinación en la colaboración humano-robot [25] se basan en el trabajo en neurociencia [26] que examinó cómo permitir la acción conjunta en la configuración humano-humano estudiando la percepción y la acción en un contexto social en lugar de de forma aislada. Estos estudios han revelado que mantener una representación compartida de la tarea es crucial para realizar tareas en grupos. Por ejemplo, los autores han examinado la tarea de conducir juntos separando las responsabilidades de aceleración y frenado, es decir, una persona es responsable de acelerar y la otra de frenar; el estudio reveló que las parejas alcanzaron el mismo nivel de rendimiento que los individuos solo cuando recibieron retroalimentación sobre el momento de las acciones de cada uno. De manera similar, los investigadores han estudiado el aspecto de las transferencias de humano a humano con escenarios domésticos como pasar platos de comedor para permitir un control adaptativo de los mismos en las transferencias de humano a robot. [27] Otro estudio en el campo de los factores humanos y la ergonomía de las entregas entre humanos en almacenes y supermercados revela que los donantes y los receptores perciben las tareas de entrega de manera diferente, lo que tiene implicaciones significativas para el diseño de sistemas de colaboración entre humanos y robots centrados en el usuario . [28] Más recientemente, los investigadores han estudiado un sistema que distribuye automáticamente las tareas de ensamblaje entre trabajadores ubicados en el mismo lugar para mejorar la coordinación. [29]
Algunas investigaciones implicaron el diseño de un nuevo robot, mientras que otras utilizaron robots disponibles para realizar el estudio. Algunos robots de uso común son Nao , un robot humanoide y programable. Pepper , otro robot humanoide social, y Misty, un robot acompañante programable.
La mayoría de los robots son de color blanco, lo que se debe a un prejuicio contra los robots de otros colores. [30] [31] [32] [33] [34]
Las áreas de aplicación de la interacción humano-robot incluyen tecnologías robóticas que los humanos utilizan para la industria, la medicina y el compañerismo, entre otros propósitos.
Los robots industriales se han implementado para colaborar con los humanos en la realización de tareas de fabricación industrial. Si bien los humanos tienen la flexibilidad y la inteligencia para considerar diferentes enfoques para resolver el problema, elegir la mejor opción entre todas las opciones y luego ordenar a los robots que realicen las tareas asignadas, los robots pueden ser más precisos y más consistentes al realizar trabajos repetitivos y peligrosos. [35] En conjunto, la colaboración de los robots industriales y los humanos demuestra que los robots tienen la capacidad de garantizar la eficiencia de la fabricación y el ensamblaje. [35] Sin embargo, existen preocupaciones persistentes sobre la seguridad de la colaboración entre humanos y robots, ya que los robots industriales tienen la capacidad de mover objetos pesados y operar herramientas a menudo peligrosas y afiladas, rápidamente y con fuerza. Como resultado, esto presenta una amenaza potencial para las personas que trabajan en el mismo espacio de trabajo. [35] Por lo tanto, la planificación de diseños seguros y efectivos para lugares de trabajo colaborativos es uno de los temas más desafiantes que enfrenta la investigación. [36]
Un robot de rehabilitación es un ejemplo de un sistema asistido por robot implementado en el ámbito de la atención sanitaria . Este tipo de robot ayudaría a los supervivientes de un accidente cerebrovascular o a las personas con problemas neurológicos a recuperar los movimientos de las manos y los dedos. [37] [38] En las últimas décadas, la idea de cómo interactúan entre sí los humanos y los robots es un factor que se ha tenido ampliamente en cuenta en el diseño de robots de rehabilitación. [38] Por ejemplo, la interacción entre humanos y robots desempeña un papel importante en el diseño de robots de rehabilitación con exoesqueleto , ya que el sistema de exoesqueleto entra en contacto directo con el cuerpo humano. [37]
Los robots de enfermería tienen como objetivo brindar asistencia a las personas mayores que pueden haber enfrentado un deterioro en la función física y cognitiva y, en consecuencia, desarrollado problemas psicosociales . [39] Al ayudar en las actividades físicas diarias, la asistencia física de los robots permitiría a las personas mayores tener un sentido de autonomía y sentir que aún pueden cuidar de sí mismos y permanecer en sus propios hogares. [39]
Una investigación a largo plazo sobre la interacción entre humanos y robots podría mostrar que los residentes de residencias de ancianos están dispuestos a interactuar con robots humanoides y beneficiarse de la activación cognitiva y física que lidera el robot Pepper. [40] Otro estudio a largo plazo en una residencia de ancianos podría mostrar que las personas que trabajan en el sector asistencial están dispuestas a utilizar robots en su trabajo diario con los residentes. [41] Pero también reveló que, aunque los robots están listos para ser utilizados, necesitan asistentes humanos, no pueden reemplazar la fuerza laboral humana, pero pueden ayudarlos y brindarles nuevas posibilidades. [41]
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Durante la última década, la interacción entre humanos y robots ha mostrado resultados prometedores en la intervención del autismo. [43] Los niños con trastornos del espectro autista (TEA) tienen más probabilidades de conectarse con robots que con humanos, y el uso de robots sociales se considera un enfoque beneficioso para ayudar a estos niños con TEA. [43]
Sin embargo, los robots sociales que se utilizan para intervenir en niños con TEA no son vistos como un tratamiento viable por las comunidades clínicas porque el estudio del uso de robots sociales en la intervención del TEA, a menudo, no sigue un protocolo de investigación estándar. [43] Además, el resultado de la investigación no pudo demostrar un efecto positivo consistente que pudiera considerarse como una práctica basada en evidencia (PBE) basada en la evaluación clínica sistemática. [43] Como resultado, los investigadores han comenzado a establecer pautas que sugieren cómo realizar estudios con intervención mediada por robots y, por lo tanto, producir datos confiables que podrían tratarse como PBE que permitirían a los médicos elegir usar robots en la intervención del TEA. [43]
Robots educativos
Los robots pueden convertirse en tutores o compañeros en el aula. [44] Cuando actúan como tutores, el robot puede proporcionar instrucción, información y también atención individual al estudiante. Cuando actúa como un alumno compañero, el robot puede permitir que los estudiantes aprendan "enseñando". [45]
Los robots se pueden configurar como robots colaborativos y se pueden utilizar para la rehabilitación de usuarios con discapacidades motoras. Mediante el uso de diversas tecnologías interactivas, como el reconocimiento automático del habla , el seguimiento de la mirada, etc., los usuarios con discapacidades motoras pueden controlar agentes robóticos y utilizarlos para actividades de rehabilitación, como el control de sillas de ruedas eléctricas, la manipulación de objetos, etc.
Un ejemplo específico de interacción entre humanos y robots es la interacción entre humanos y vehículos en la conducción automatizada. El objetivo de la cooperación entre humanos y vehículos es garantizar la seguridad, la protección y la comodidad en los sistemas de conducción automatizada . [46] La mejora continua de este sistema y el progreso en los avances hacia vehículos altamente automatizados y totalmente automatizados tienen como objetivo hacer que la experiencia de conducción sea más segura y eficiente en la que los humanos no necesiten intervenir en el proceso de conducción cuando hay una condición de conducción inesperada, como un peatón que cruza la calle cuando no se supone que lo haga. [46]
Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) y los vehículos submarinos no tripulados (UUV) tienen el potencial de ayudar en el trabajo de búsqueda y rescate en áreas silvestres , como localizar a una persona desaparecida de forma remota a partir de la evidencia que dejó en las áreas circundantes. [47] [48] El sistema integra autonomía e información, como mapas de cobertura , información GPS y video de búsqueda de calidad, para ayudar a los humanos a realizar el trabajo de búsqueda y rescate de manera eficiente en el tiempo limitado dado. [47] [48]
Los seres humanos han estado trabajando para lograr el siguiente gran avance en la exploración espacial, como una misión tripulada a Marte. [49] Este desafío identificó la necesidad de desarrollar exploradores planetarios que puedan ayudar a los astronautas y apoyar sus operaciones durante su misión. [49] La colaboración entre exploradores, vehículos aéreos no tripulados y humanos permite aprovechar las capacidades de todos los lados y optimiza el desempeño de la tarea. [49]
La mano de obra humana se ha utilizado mucho en la agricultura, pero los robots agrícolas, como los robots ordeñadores, se han adoptado en la agricultura a gran escala. La higiene es el principal problema en el sector agroalimentario y la invención de esta tecnología ha tenido un gran impacto en la agricultura. Los robots también se pueden utilizar en tareas que pueden ser peligrosas para la salud humana, como la aplicación de productos químicos a las plantas. [50]
Bartneck y Okada [51] sugieren que una interfaz de usuario robótica puede describirse mediante las siguientes cuatro propiedades:
La Conferencia Internacional sobre Futuras Aplicaciones de la IA, los Sensores y la Robótica en la Sociedad explora las investigaciones más avanzadas, destacando los desafíos futuros y el potencial oculto detrás de las tecnologías. Las contribuciones aceptadas para esta conferencia se publicarán anualmente en la edición especial del Journal of Future Robot Life.
La Conferencia Internacional sobre Robótica Social es una conferencia para que científicos, investigadores y profesionales informen y discutan los últimos avances de sus investigaciones y hallazgos de vanguardia en robótica social, así como las interacciones con los seres humanos y la integración en nuestra sociedad.
El Congreso Internacional sobre Amor y Sexo con Robots es un congreso anual que invita y alienta una amplia gama de temas, como IA, filosofía, ética, sociología, ingeniería, informática y bioética.
Los primeros artículos académicos sobre el tema se presentaron en el EC Euron Roboethics Atelier de 2006, organizado por la Escuela de Robótica de Génova, seguido un año después por el primer libro, "Love and Sex with Robots", publicado por Harper Collins en Nueva York. Desde esa oleada inicial de actividad académica en este campo, el tema ha crecido significativamente en amplitud e interés mundial. Tres conferencias sobre relaciones personales entre humanos y robots se celebraron en los Países Bajos durante el período 2008-2010, en cada caso las actas fueron publicadas por editoriales académicas respetadas, incluida Springer-Verlag. Después de una pausa hasta 2014, las conferencias cambiaron de nombre a "Congreso internacional sobre amor y sexo con robots", que se celebraron anteriormente en la Universidad de Madeira en 2014; en Londres en 2016 y 2017; En 2016, la editorial Springer, "International Journal of Social Robotics", publicó artículos sobre el tema y en 2012 se lanzó una revista de acceso abierto llamada "Lovotics", dedicada íntegramente al tema. En los últimos años, también se ha producido un fuerte aumento del interés por el tema, que se ha reflejado en una mayor cobertura en los medios impresos, documentales televisivos y largometrajes, así como en la comunidad académica.
El Congreso Internacional sobre Amor y Sexo con Robots ofrece una excelente oportunidad para que académicos y profesionales de la industria presenten y discutan sus trabajos e ideas innovadoras en un simposio académico.
Este simposio se organiza en colaboración con la Convención Anual de la Sociedad para el Estudio de la Inteligencia Artificial y la Simulación del Comportamiento.
El Simposio Internacional IEEE sobre Comunicación Interactiva Humana y Robótica (RO-MAN) fue fundado en 1992 por los profesores Toshio Fukuda, Hisato Kobayashi, Hiroshi Harashima y Fumio Hara. Los primeros participantes del taller fueron en su mayoría japoneses, y los primeros siete talleres se celebraron en Japón. Desde 1999, se han celebrado talleres en Europa y Estados Unidos, así como en Japón, y la participación ha sido de alcance internacional.
Esta conferencia se encuentra entre las mejores en el campo de la IRH y tiene un proceso de revisión muy selectivo. La tasa de aceptación promedio es del 26% y la asistencia promedio es de 187. Alrededor del 65% de las contribuciones a la conferencia provienen de los EE. UU. y el alto nivel de calidad de las presentaciones a la conferencia se hace visible por el promedio de 10 citas que los artículos de IRH han atraído hasta ahora. [52]
Hay muchas conferencias que no son exclusivamente sobre HRI, sino que tratan aspectos amplios de HRI y a menudo en ellas se presentan artículos sobre HRI.
Actualmente existen dos revistas dedicadas a HRI
y hay varias revistas más generales en las que se pueden encontrar artículos de HRI.
Hay varios libros disponibles que se especializan en la interacción entre humanos y robots. Si bien hay varios libros editados, solo hay unos pocos textos dedicados:
Muchas universidades ofrecen cursos en interacción humano-robot.
También hay cursos en línea disponibles como Mooc :
es una transcripción exacta de las leyes. También aparecen al principio del libro y en ambos lugares no hay "to" en la segunda ley. Tenga en cuenta que este fragmento ha sido copiado y pegado de Three Laws of Robotics.
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