Evaluating Human-Robot Collaboration through Virtual Reality Scenarios

Abstract

Human-robot collaboration (HRC) is a highly inter- and multidisciplinary, still emerging, field of study. As technology develops and robot presence increases in society, it is expected that the coexistence, interaction, and collaboration between humans and robots will also increase. It is therefore important to investigate what factors affect the collaboration between humans and robots. This research explores the effect of robot characteristics, such as morphology and behaviour, on human performance, while executing a collaborative assembly task in Virtual Reality (VR). Three collaborative robots with different levels of anthropomorphism are used as participating agents in the collaboration: Sawyer and Baxter, from Rethink Robotics, and LBR iiwa, from Kuka. Both sequential and simultaneous collaboration are studied as distinct collaborative approaches. An interactive VR simulation was conceptualised, designed and developed to reproduce the collaborative assembly task's conditions. Then, an experimental evaluation was carried out with 36 participants. The participants' eyes and pulse data were collected using the VR system embedded eye-tracking and a pulse sensor. The participants' task completion times were also measured. Psychological data was gathered through the Godspeed Questionnaire Series and the VR Presence Questionnaire, with the former reporting on how the participants perceived the robots and the latter the participants' sense of presence in the VR simulation. The analysis of the results indicates that human performance is affected by the type of robot and the collaborative approach used, where collaboration is most efficient with Sawyer using a simultaneous approach. These results contribute to understanding what factors influence human performance in HRC. Furthermore, the designed and developed interactive VR simulation is shared, allowing future HRC researchers to build upon the project and use it in future studies.

Colaboração humano-robô (CHR) é um campo de estudo emergente, altamente inter- e multidisciplinar. À medida que a tecnologia evoluí e a presença de robôs aumenta entre a sociedade, também é esperado que a coexistência, interação e colaboração entre humanos e robôs aumente. Portanto, é importante investigar os fatores que afetam a colaboração entre humanos e robôs. Esta pesquisa explora o efeito das características do robô, como morfologia e comportamento, no desempenho humano, durante a execução de uma tarefa de montagem colaborativa em Realidade Virtual (RV). Três robôs colaborativos com diferentes níveis de antropomorfismo são usados como agentes participantes na colaboração: Sawyer e Baxter, da Rethink Robotics, e LBR iiwa, da Kuka. Tanto a colaboração sequencial como a simultânea são estudadas como abordagens colaborativas distintas. Foi realizada a conceptualização, design e desenvolvimento de uma simulação RV interativa para reproduzir as condições da tarefa de montagem colaborativa. Em seguida, foi realizada uma avaliação experimental com 36 participantes. Os dados dos olhos e do pulso dos participantes foram adquiridos usando o sensor de monitorização ocular integrado do sistema \gls{vr} e um sensor de pulso. Os tempos de conclusão das tarefas também foram medidos. Os dados psicológicos foram recolhidos através da Série de Questionários Godspeed e do Questionário de Presença de RV, com o primeiro indicando a percepção dos participantes em relação aos robôs e o segundo o indicando a sensação de presença dos participantes na simulação de RV. A análise dos resultados indica que o desempenho humano é afetado pelo tipo de robô e pela abordagem colaborativa utilizada, onde a colaboração é mais eficiente com o robô Sawyer usando uma abordagem simultânea. Estes resultados contribuem para entender os fatores que influenciam o desempenho humano em CHR. Além disso, a simulação de RV interativa projetada e desenvolvida é partilhada, permitindo que futuros investigadores de CHR desenvolvam o projeto e o usem em estudos futuros.