Collaborative social robot navigation in accompanying and approaching tasks

Abstract

Our society is evolving to include robots in our daily lives. Therefore, it is necessary to develop robots capable of collaborating with people to carry out daily tasks, for example: accompanying, searching, transporting, among others. In this thesis, the main objective has been to develop new methods of accompanying and approaching people by robots. The first of the methods developed to accomplish this objective has been a side-by-side accompaniment of one person, where the robot navigates while accompanying the person. This navigation has been studied in static environments (of buildings, streets, lampposts, etc.) and in dynamic environments, where there are pedestrians and other personal vehicles (bikes, scooters, etc.) that move around. In order for these models to take people into account, some studies have been carried out to accompany people, and they have been used to design the side-by-side"navigation model for robots. Furthermore, two methods have been developed to accompany groups of people: the first one allows the robot to accompany them using a V-formation, and the second allows the robot to accompany them using a side-by-side formation. Various skills were also implemented so that the robot can react to unexpected behaviors of people in the environment. Finally, three user studies were carried out that demonstrate the acceptability of the volunteers towards both accompaniments of the robot, as well as a comparison of both methods. In addition, a people approach method has been implemented that allows the robot a more natural approach, by combining G^2-Splines and the Extended Social Force Model. Finally, both tasks have been combined: accompaniment and approach. Developing two new methods: a simpler one that allows the robot to approach using the intersection of the paths between the group and the approached person; and another method where the robot finds the optimal meeting point between the person and the group, in addition to positioning itself in a triangle formation with both people at the meeting point. For the more complex method, a user study has been carried out to find the acceptability of the method by people. In addition, for all the methods, we developed several metrics of performance based on "proxemics", to achieve a socially accepted behavior by humans. Also, all methods were tested in simulation and urban areas.

Nuestra sociedad está evolucionando para incluir robots en nuestra vida cotidiana. Por tanto, es necesario desarrollar robots capaces de colaborar con personas para realizar tareas cotidianas, por ejemplo: acompañar, buscar, transportar, entre otras. En esta tesis, el objetivo principal ha sido desarrollar nuevos métodos de acompañamiento de personas y aproximación de robots hacia personas. El primero de los métodos desarrollados para cumplir con este objetivo ha sido el acompañamiento en Side-by-side con una persona, en donde el robot navega a la vez que acompaña a la persona. Esta navegación se ha estudiado en entornos estáticos (de edificios, calles, farolas, etc.) y en entornos dinámicos, en donde hay peatones y otros vehículos personales (bicis, patinetes, etc.) que se mueven alrededor. Para que estos modelos tengan en cuenta a las personas, se han hecho estudios de acompañamiento de personas, y se han utilizado para diseñar los modelos de navegación en side-by-side"de los robots. También, se han desarrollado dos métodos para acompañar a grupos de personas: el primero de ellos permite al robot acompañarlas mediante una formación en V. y segundo permite al robot acompañarlas usando una formación side-by-side. Se implementaron también varias habilidades para que el robot sea capaz de reaccionar ante comportamientos inesperados de las personas del entorno. Finalmente, se realizaron tres estudios de usuarios que demuestran la aceptabilidad de los voluntarios hacia ambos acompañamientos del robot, así como una comparativa de ambos métodos. Además, se ha implementado un método de aproximación de personas que permite al robot una aproximación más natural, al combinar G^2-Splines y el Extended Social Force Model. Finalmente, se han combinado ambas tareas: el acompañamiento y la aproximación. Desarrollando dos nuevos métodos: uno más simple que permite la aproximación mediante la intersección de caminos entre el grupo y la persona a la que se aproximan; y otro método donde el robot encuentra el punto óptimo de encuentro entre la persona y el grupo, además de posicionarse en formación triangulo con ambas personas en el punto de encuentro. Para el método más complejo se ha realizado un estudio de usuario para conocer la aceptabilidad del método por parte de la gente. Además, para todos los métodos se han desarrollado métricas de evaluación del comportamiento del robot basadas en proxemics, para conseguir un comportamiento socialmente aceptado por los humanos. También, todos los métodos fueron probados en simulación y áreas urbanas.