Gestures in human-robot interaction

Abstract

Gesten sind ein Kommunikationsweg, der einem Betrachter Informationen oder Absichten übermittelt. Daher können sie effektiv in der Mensch-Roboter-Interaktion, oder in der Mensch-Maschine-Interaktion allgemein, verwendet werden. Sie stellen eine Möglichkeit für einen Roboter oder eine Maschine dar, um eine Bedeutung abzuleiten. Um Gesten intuitiv benutzen zukönnen und Gesten, die von Robotern ausgeführt werden, zu verstehen, ist es notwendig, Zuordnungen zwischen Gesten und den damit verbundenen Bedeutungen zu definieren -- ein Gestenvokabular. Ein Menschgestenvokabular definiert welche Gesten ein Personenkreis intuitiv verwendet, um Informationen zu übermitteln. Ein Robotergestenvokabular zeigt welche Robotergesten zu welcher Bedeutung passen. Ihre effektive und intuitive Benutzung hängt von Gestenerkennung ab, das heißt von der Klassifizierung der Körperbewegung in diskrete Gestenklassen durch die Verwendung von Mustererkennung und maschinellem Lernen. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit beiden Forschungsbereichen. Als eine Voraussetzung für die intuitive Mensch-Roboter-Interaktion wird zunächst ein Aufmerksamkeitsmodell für humanoide Roboter entwickelt. Danach wird ein Verfahren für die Festlegung von Gestenvokabulare vorgelegt, das auf Beobachtungen von Benutzern und Umfragen beruht. Anschliessend werden experimentelle Ergebnisse vorgestellt. Eine Methode zur Verfeinerung der Robotergesten wird entwickelt, die auf interaktiven genetischen Algorithmen basiert. Ein robuster und performanter Gestenerkennungsalgorithmus wird entwickelt, der auf Dynamic Time Warping basiert, und sich durch die Verwendung von One-Shot-Learning auszeichnet, das heißt durch die Verwendung einer geringen Anzahl von Trainingsgesten. Der Algorithmus kann in realen Szenarien verwendet werden, womit er den Einfluss von Umweltbedingungen und Gesteneigenschaften, senkt. Schließlich wird eine Methode für das Lernen der Beziehungen zwischen Selbstbewegung und Zeigegesten vorgestellt.

Gestures consist of movements of body parts and are a mean of communication that conveys information or intentions to an observer. Therefore, they can be effectively used in human-robot interaction, or in general in human-machine interaction, as a way for a robot or a machine to infer a meaning. In order for people to intuitively use gestures and understand robot gestures, it is necessary to define mappings between gestures and their associated meanings -- a gesture vocabulary. Human gesture vocabulary defines which gestures a group of people would intuitively use to convey information, while robot gesture vocabulary displays which robot gestures are deemed as fitting for a particular meaning. Effective use of vocabularies depends on techniques for gesture recognition, which considers classification of body motion into discrete gesture classes, relying on pattern recognition and machine learning. This thesis addresses both research areas, presenting development of gesture vocabularies as well as gesture recognition techniques, focusing on hand and arm gestures. Attentional models for humanoid robots were developed as a prerequisite for human-robot interaction and a precursor to gesture recognition. A method for defining gesture vocabularies for humans and robots, based on user observations and surveys, is explained and experimental results are presented. As a result of the robot gesture vocabulary experiment, an evolutionary-based approach for refinement of robot gestures is introduced, based on interactive genetic algorithms. A robust and well-performing gesture recognition algorithm based on dynamic time warping has been developed. Most importantly, it employs one-shot learning, meaning that it can be trained using a low number of training samples and employed in real-life scenarios, lowering the effect of environmental constraints and gesture features. Finally, an approach for learning a relation between self-motion and pointing gestures is presented.