关于人类初级思维的表情机器人的简单有效的设计【祝崇辉课件】建模与仿真

1、1文献阅读课建模与仿真讲解课件上海大学 机电工程与自动化学院 祝崇辉 2009 09 292Designing simple and effective expressionof robots primitive minds to a human 关于人类初级思维的表情机器人的简单有效的设计 上海大学 机电工程与自动化学院3Designing simple and effective expressionof robots primitive minds to a human 摘要摘要 简介简介 SE2PMSE2PM 实现实现建模与仿真 文献阅读课讲解课件 实验实验 结结果果 讨论讨论 结论结

2、论主要内容4上海大学 机电工程与自动化学院建模与仿真 文献阅读课讲解课件摘要 “SE2PM:Simple Expression to Primitive Mind”“SE2PM:Simple Expression to Primitive Mind” 初级思维的简单表达初级思维的简单表达 表达初级思维的表情机器人的一种新的设计理念5摘要为了审查我们的SE2PM规则的准确性，我们使用了两种机器人 建模与仿真 文献阅读课讲解课件AIBOAIBOMindstorms6摘要Mindstorms：用简单的蜂鸣声来表达思维的移动机器人AIBO：用复杂的仿真表情来进行表达思维意图。 为对比这两种不同的表达，

3、我们与参与者还进行了一次心理学实验，结果最终支持SE2PM规则。建模与仿真 文献阅读课讲解课件7上海大学 机电工程与自动化学院 建模与仿真 文献阅读课讲解课件简介最近几年，家用机器人，像爱宝、伦巴，已经走出实验室进入人们的生活。 娱乐 AIBO 机器狗 家务 Roomba 简略的自动清扫 8简介 建模与仿真 文献阅读课讲解课件SONY AIBO 机器狗“足球”比赛9简介 建模与仿真 文献阅读课讲解课件10简介 问题提出 娱乐：大多用户不再满足于机器人的娱乐功能 家务：既然机器人通常不能够独立完成一些任务，它就需要求助于用户来帮助它。 问题在于：即使扫地这项简单任务，机器人不能移走较重的障碍物，

4、就不能够清扫它们下面的地面，机器人就要求助于用户搬走障碍物。机器人通常不能够完全独立完成的一些任务。建模与仿真 文献阅读课讲解课件11简介 建模与仿真 文献阅读课讲解课件SE2PMSE2PM规则规则下下设计设计的机器人的机器人乐高机器人装备的乐高机器人装备的拥有外观的拥有外观的一个简单机器人一个简单机器人设定的蜂鸣声设定的蜂鸣声 在本文中,我们提出一项用来设计取决于外观的机器人的思维表达规则,称为“SE2PM:原始思维的简单表达”。 那就意味着设计师应该设计具有简单外观的简单信息用于表达原始机器人的思维。实际上，我们使用这个SE2PM规则来表达一个机器人的初级思维，如右图所示。 12简介 前人

5、的研究成果：前人的研究成果：小野和今井开发了交互式机器人，当遇到了障碍物阻挡了去路时它可以表示出沮丧的神情。 莫里在机器人神秘领域里开辟了一个外表和运动之间的关系。达菲对机器人的拟人化也很有见解,并且他指出在拟人化和机器人之间的关系也提出了大量重要问题。 松本等人提出了“最小设计”交互式因子，他们应用最小设计原则开发了互动式的机器人“Muu”和逼真的“Talking Eye”。 Reeves和Nass展示了他们的“Media Equation”研究成果，拟人化智能体或计算机可能引起人类自然行为。神田（神田（KandaKanda）等人通过系统的心理实验，调查研究了，阿西莫（）等人通过系统的心理实

6、验，调查研究了，阿西莫（ASIMOASIMO）和和RobovieRobovie这两个不同外观的仿真机器人。结果他们发现有明显差异的是这两个不同外观的仿真机器人。结果他们发现有明显差异的是在诸如手臂移动、问候动作等非言语行为而不是在语言行为。但他们并在诸如手臂移动、问候动作等非言语行为而不是在语言行为。但他们并没有提出明确的规则。没有提出明确的规则。建模与仿真 文献阅读课讲解课件13SE2PM:初级思维表达规则的设计 我们提出规则称为“ SE2PM:Simple Expression to Primitive Mind” （原始思维的简单表达） 机器人的外观和所表达的信息之间，存在这项规则是基于

7、以下实验性假说： 类人或类动物外观的机器人表达复杂可爱的动作或行动对用户更为混乱，而且传达初级思维并不是真正有效。 简单而直观的信息更易于理解，这样用户理解机器人的初级思维更为高效。 如果这一支持SE2PM的假说被证明是真实的，各种互动式机器人都可以开发，无需为这些机器人复杂和可爱的外观增加大量预算。建模与仿真 文献阅读课讲解课件14SE2PM:初级思维表达规则的设计 建模与仿真 文献阅读课讲解课件15上海大学 机电工程与自动化学院具有蜂鸣器和移动机器人来实现具有蜂鸣器和移动机器人来实现SE2PMSE2PM该实现基于以下基础： 蜂鸣声蜂鸣声: :小松（Komatsu）的研究表明，通过简单的不同

8、持续时间和语调高低的蜂鸣声，可以进行表达不同的初级思维。他得出以下的结果： 1）短促的下降语调 “积极思维” 。 2）长时间的上升语调 “消极思维” 。 3）持续时间较长的平音 “中性思维”。 移动的机器人化外观：移动的机器人化外观：使用Mindstorms（头脑风暴）。建模与仿真 文献阅读课讲解课件简单直观易于理解16实验实验三种对用户初级但重要的原始思维：正面的、负面的以及中立 正面的思维正面的思维: : 同意,例如：接受。 负面的思想负面的思想: : 反对, 例如：惊讶,怀疑。中立的思维：中立的思维：犹豫，例如：说不出话来。建模与仿真 文献阅读课讲解课件A 概述1） 三种思维17实验实验

9、建模与仿真 文献阅读课讲解课件实验中使用三种机器人: AIBO、Mindstorms、和 PC(从左至右)2） 机器人的外观: 18实验实验1 AIBOAIBO SONY公司的AIBO (爱宝ESR-7)是最著名的消费性宠物机器人。它有着精细的动物外观和行为。 2 MindstormsMindstorms LEGO cooperation的Mindstorms（头脑风暴） (Robotic Invention System 2.0)。有非常典型的机器外形。采用不同类型的积木块可以自己确定他们最喜欢的机器人的外观。3 PCPC 为了控制,我们使用一个普通PC（松下W2 CF-W2DW6AXR）,

10、在之前的研究中是用来表达蜂鸣声的. 原因在于，相比于其他机器人（AIBO and Mindstorms）它根本不具备机器人外观。 建模与仿真 文献阅读课讲解课件19实验实验3） 表达信息: AIBO的信息表达： SONY准备为用户使用称为AIBO entertainment player (AIBO娱乐播放器)的工具软件, 它大约有80个基本预设动作。 正面的思维： “Happy 1” （快乐的摇摆尾巴）； “Happy 3” (朝LED眨眼微笑)。 负面的思维: “Angry 1” (号叫动作) “Unhappy 1”(不开心的摇动尾巴) 中性的思维： “歪着头”; “很好奇” (平淡的摇尾

11、巴疑惑地看)建模与仿真 文献阅读课讲解课件20实验实验 Mindstorms（头脑风暴）和PC的信息表达:正面的思维：两种下降语调的蜂鸣声 1 持续189ms，频率值范围在125HZ到0递减 2 持续418ms，频率值范围在125HZ到0递减负面的思维: 两种上升语调的蜂鸣声 1 持续189ms，频率值范围在0 到125HZ递增 2 持续819ms，频率值范围在0 到125HZ递增中性的思维：两种平音（频率无变化） 1 持续时间为639ms 2 持续时间为819ms建模与仿真 文献阅读课讲解课件21实验实验B.B.参与者参与者 参与者是18名日本大学生 男：12个 女：6个 所有参与者基本上都

12、不熟悉AIBO、Mindstorms以及其他机器人。建模与仿真 文献阅读课讲解课件（平均年龄为21.2岁）22实验实验C.C.实验步骤实验步骤步骤一：向参与者说明任务 本实验的目的是通过一份调查问卷评估这三种机器人。确切地说,这些机器人表示特定信息,包括三种初级思维(正面、负面以及中性的),你的任务是在本实验来回答“机器人表达的是那种思维”,并且在调查问卷中告诉我们你对三种机器人的印象。建模与仿真 文献阅读课讲解课件23实验实验建模与仿真 文献阅读课讲解课件实验装置图步骤二：24实验实验 问题1:你理解了机器人的思维吗? 问题2:表达的信息容易理解吗? 问题3:你喜欢它的这种传达信息的方式吗？

13、 问题4:你认为这个机器人能成为我们日常生活的一部分吗? 问题5:你觉得这个机器人有感情吗? 问题6:你认为你能有效地和这种机器人沟通吗?建模与仿真 文献阅读课讲解课件25实验实验 依次重复轮回实验 在完成一个机器人的18次试验后,参与者要求对机器人的印象填写一份问卷调查。这些问题列在上页的表中。填好这份问卷后, 将对下一个机器人进行另外18个试验,然后再进行最后一个。因此,所有的参与者都和所有三个机器人进行接触。建模与仿真 文献阅读课讲解课件步骤三：26V结结果A参与者能够准确理解机器人的思维吗? 18个试验中，参与者就得到了如下正确回答问题平均分值： AIBO 8.50，Mindstorm

14、s 14.33， PC 13.78。建模与仿真 文献阅读课讲解课件27V结结果建模与仿真 文献阅读课讲解课件 在AIBO和Mindstorms以及AIBO 和 PC之间存在着显著性差异 。虽然Mindstorms比PC具有较高次数的正确答案,但并没有显著性差异。 与AIBO相比，Mindstorms或PC传达给参与者它的思维是一种更有效的方法。 我们的SE2PM假设在进一步在实验科学分析中依然成立，这些结果将可能对传统的设计规则有重大影响，传统规则更倾向于使机器人的外观类似于人或宠物。28V结结果B.机器人的主观印象 通过调查问卷，我们使用方差分析得到的结果，用6个李克特量表进行表示。在该图表

15、中，可见对于每个问题在评价每一个不同机器人的平均分数。AIBO具有最高的评价，而PC最低。建模与仿真 文献阅读课讲解课件 方差分析的结果确定了在三种机器人之间存在4个不同的关系。 29V结结果1)1)关系关系A:A: AIBO收到最高的综合评价 这种关系在“问题3:你喜欢机器人的这种传达信息的方式吗？”以及“问题4:您认为这个机器人能成为我们日常生活的一部分吗?”两个中得到。 具体来讲, 在AIBO和Mindstorms以及AIBO 和 PC之间存在着显著性差异。 这些结果来源于AIBO已是众所周知的一种娱乐目的的复杂的机器人这一事实。 建模与仿真 文献阅读课讲解课件30V结结果2 2）关系）

16、关系B:B: 和PC相比AIBO得到的更高的评价 这个关系可以在“问题1:你理解了机器人的思维吗?”中看到。 PC回应的答对问题的平均数量明显高于AIBO,同样Mindstorms也是高出AIBO很多。 因此,在实际功能的有效性（告知参与者传达机器人的思维）和参与者对机器人的印象之间有一个巨大差距。建模与仿真 文献阅读课讲解课件31V结结果3)3)关系关系C:C: 测试优异成绩排序为AIBO Mindstorms PC 这个关系可以在问题5“你觉得这个机器人有感情吗?”和问题6“你认为你能有效地和这种机器人沟通吗?”中看到。 具体来讲，在三种机器人之间有明显不同: 测试优异成绩排序为AIBO

17、Mindstorms PC。 这里就像在关系A中AIBO得到最高的评价。而且Mindstorms得到了一个比PC更高的分数。 建模与仿真 文献阅读课讲解课件32V结结果4)4)关系关系D:D: 三个机器人区别不是很明显 这个关系可以在问题2:“这种表达信息容易理解吗?”中看到。 在这里,虽然AIBO得到更高的评价,在AIBO和Mindstorms两种机器人中并没有显著性差异。 建模与仿真 文献阅读课讲解课件33VI.讨论A:SE2PMSE2PM适用范围首先,本研究工作的结果表明SE2PM的机器人设计优于传统设计。这也表明了另一个方向设计机器人不需要昂贵复杂的外观和执行器。第二,基于SE2PM通

18、过开发各类的固定机器外观的简单表情, SE2PM适用范围会越来越广。例如, 我们还开发和研究了基于运动的方法，去告知用户机器人的思维(例如前面遇见了障碍)。 我们可以利用这种高效的行为作为简单的表达和扩展SE2PM简单表达范围。建模与仿真 文献阅读课讲解课件34VI.讨论建模与仿真 文献阅读课讲解课件B.是什么导致了用户的主观印象和思维判断之间的差距? 35VI.讨论 商业产品良好的外观设计或参与者的浅层的印象,如对AIBO的印象是有名气的、可爱、聪明的宠物机器人” 。 AIBO很高的评价与正确表达之间出现了巨大差距。 我们使用的另一种机器人Mindstorms得到较低的评价。建模与仿真 文献阅读课讲解课件36VI.讨论C C机器人的外观对用户的影响机器人的外观对用户的影响 机器人的外观对于用户理解机器人原始思维的能力影响不大。 在正确答案的