Development of a Robotic Head to Express Human Emotions

Abstract

Worldwide, several research works have been devoted to the development of humanoid robots for human-robot interaction (HRI). Particular attention has been paid to the concept, design and applications of robotic heads and the face-expressions associated to the robot head. Together, the head and its facial expressions make up a fundamental, and "natural", interface to the end-users; which is particularly true in child-robot interaction (CRI). This dissertation contributes with a functional prototype of a robot headand its LCD-based facial elements: two eyes and eyebrows, and its mouth.This work falls within the field of “social robotics”, or social-interactive robots, a multidisciplinary research area involving sensory perception, psychology, bio-inspired systems, bioengineering, mechatronics, artificial intelligent, and so on. In terms of applications, we can highlight the use of social-robots as guiders, teachers or therapeutic caregivers. In such cases, the robot receives inputs (such as gesture and speech recognition) and present feedback in a transparent interface that regular people can interpret and capture the attention from the observers: this is possible by employing emotional/facial expressions that a human (child, adult or elder) can easily interpret and then establishing a clear communication and interaction between the human and the robot. Regarding the potential solutions to be used in a robotic head to transmit an emotional feedback to the end-user, the most commons are: LED interactive, kinematic, animatronic and LCD-based robotic head. LCD interactive robotic heads, like the one presented in this dissertation, represent faces mostly in tablet like screens and can achieve a big array of human expressions. Our solution uses LCDs for eyes-eyebrows and mouth animations. Thoughout this work it is presented the technical solutions employed to achieve a prototype of a working robotic head with the ability com convey emotional expressions.This solution was implemented in a Raspberry-Pi Compute Model micro-computer, which functions as the main controller of this robot. In order to validate this robotic head, experiments were performed with children to verify if this solution is capable of transmitting emotional expressions. Allong with the experimental results, it is also presented the computational and memory encumbrances uppon the micro-computer which enlights the vialibilty of this robotic head solution.

No mundo, vários trabalhos de investigação têm-se focado no desenvolvimento de robots humanoides para interação homem-robot (HRI). Uma especial atenção tem sido dada ao conceito, design e aplicações de cabeças robóticas e expressões faciais associadas à cabeça do robot. Juntos, a cabeça e as suas expressões faciais constituem a interface \textit{natural} para o utilizador; o que é particularmente verdade em interação criança-robot (CRI). Esta dissertação contribui com um protótipo funcional de uma cabeça robótica e os seus elementos faciais baseados em LCDs: dois olhos, sobrancelhas e boca. Este trabalho enquadra-se no campo de "robots sociais", ou robots social-interativos, uma área de investigação multidisciplinar que envolve, percepção sensorial, psicologia, sistemas bio-inspirados, bioengenharia, mecatrônica, inteligencia artificial, entre outros. Em termos de aplicações, podemos realçar o uso de robots sociais como guias, educadores ou auxiliares terapêuticos.Nestes casos, o robot recebe sinais (como gestos ou reconhecimento vocal) e reage numa interface transparente que pessoas regulares consigam interpretar e capturar a atenção dos observadores: isto é possível empregando expressões emocionais/faciais que uma pessoa (criança, adulto ou idoso) consiga interpretar facilmente e de seguida estabelecer uma clara comunicação e interação entre humano e robot. A respeito de possíveis soluções para uma cabeça robótica ser capaz de transmitir uma resposta emocional para o utilizador final, as mais comuns são: interativas com LEDs. cinemáticas, animatrônicas e baseadas em LCDS. Cabeças robóticas baseadas em LCDs, como a solução presente nesta dissertação, representam caras maioritariamente em ecrãs semelhantes a \textit{tablets} e conseguem obter várias representações para diversas expressões humanas. A nossa solução, usa LCDs para fazer animações dos olhos, sobrancelhas e boca.Ao longo deste trabalho é apresentado as soluções técnicas empregadas para alcançar um protótipo de uma cabeça robótica funcional com a capacidade de transmitir expressões emocionais. Esta solução foi implementada num micro-computador Raspberry-Pi Compute Module (RPiCM), o qual funciona como o principal controlador do robot. De modo a validar esta cabeça robótica, foram efectuadas experiências com crianças para verificar se esta solução é capaz de transmitir expressões emocionais. Acrescentando aos resultados experimentais para validação do protótipo é também apresentado os pesos computacional e de memoria do micro-computador com o objectivo de clarificar a viabilidade desta cabeça robótica.