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Human-robot spatial interaction in a hallway
Lauckner, Mathis
In general, previous research in human-robot interaction has provided evidence for the relevance of robotic motion behavior on positive impressions towards robots. In particular, a socially appropriate designed robotic distance behavior, avoiding personal space violations, has been reported to be essential for a comfortable human-robot spatial interaction. Unfortunately, human-robot proxemics lacks systematic explorations of accepted frontal approach and lateral passing distances in a hallway, and existing studies are complicated to relate to each other due to the application of many different robots and a high variance of further incomparable study details.
Thus, the primary research goal of this dissertation was to explore accepted frontal approach and lateral passing distances for an autonomously moving robot toward a standing human in a hallway, and supplementary, the relation of these distance preferences to the robot’s level of speed and human likeness. In addition, the present work intends to explore the relevance of a robot’s proxemic behavior for its overall motion acceptance, and people’s underlying psychological motives guiding their preferences.
Towards an exploration of these research objectives, a method comprising a series of three studies was conceptualized and conducted in comparable hallway-like settings. In a first study, participants were instructed to actively control a robot’s frontal approach and its lateral passing distance according to their arousing feelings of discomfort. In two successive studies, the analyzed thresholds of comfort were validated for two diverse robots, autonomously maintaining frontal approach and lateral passing distances in a hallway. In addition, potential influences of a robot’s level of speed (0.6m/s, 0.8m/s) and human likeness (machine-, human-like) on subjects’ distance preferences were explored. In these studies, participants’ sensations were captured by using a set of questionnaires.
Obtained results uncovered that accepted frontal approach (approximate 0.8m) and lateral passing mean distances (approximate 0.4m) towards autonomously moving robots in a hallway exist, and that these distances were not significantly affected by the simulated autonomy of the robots. However, a faster robot speed (0.8m/s) significantly increased subjects’ distance preferences. The different outward robot designs of the employed robots had no significant influence on subjects’ frontal distance preferences. In contrast, the manipulated level of human likeness showed that a more human-like robot design had only significant influences on subjects’ lateral distance preferences when a real human face was projected on a robot’s screen (decrease in lateral distances by more than 0.1m). Essentially, in line with previous research, the present work shows that a socially acceptable moving robot should consider people’s distance preferences in order to avoid feelings of discomfort, and to increase the perceived safety and the overall motion acceptance. In consensus with prevailing psychological motives in human-human spatial interactions, the present work suggests similar mechanisms in a human-robot spatial interaction guiding subjects’ preferences. Ultimately, beyond the attained mean distances, frontal approach distances of 1.1m and lateral passing distances of 0.6m were suggested for designing a socially appropriate first contact for a large majority of individuals, which in turn supports a facilitated societal integration. Limitations of this research project are discussed and suggestions for future investigations are presented.
Insgesamt hat die bisherige Forschung in human-robot interaction gezeigt, dass das Bewegungsverhalten eines Roboters für positive Eindrücke gegenüber Robotern von Relevanz ist. Ein sozial angemessen gestaltetes Abstandsverhalten von Robotern, dass Verletzungen des personal space vermeidet, wird vor allem als ein essentielles Kriterium für eine komfortable räumliche Interaktion zwischen Mensch und Roboter postuliert. Leider mangelt es der human-robot proxemics bisher an systematischen Untersuchungen zu akzeptierten frontalen Annäherungsdistanzen und seitlichen Passierdistanzen im Gang, und weiterhin ist es schwierig, aufgrund von vielen unterschiedlich verwendeten Robotern sowie einer hohen Varianz von zahlreichen anderen unvergleichbaren Studienmerkmalen, bereits durchgeführte Studien aufeinander zu beziehen. Demzufolge war das primäre Forschungsziel dieser Dissertation akzeptierte frontale Annäherungs- und seitliche Passierdistanzen von einem autonom fahrenden Roboter gegenüber einem im Gang stehenden Menschen zu explorieren, und darauf aufbauend, die Beziehung von Distanzpräferenzen zu der Geschwindigkeit und Menschenähnlichkeit des Roboters zu erforschen. Außerdem beabsichtigt die vorliegende Arbeit die Relevanz des proxemischen Verhaltens eines Roboters für dessen gesamte Bewegungsakzeptanz zu ergründen sowie Einblicke auf die zugrunde liegenden psychologischen Motive der Distanzpräferenzen zu erhalten.
Die Grundlage für die Erforschung dieser Ziele bildet eine Serie von drei Studien, die in vergleichbaren gangähnlichen Versuchsumgebungen durchgeführt wurden. In der ersten Studie mussten die Probanden die frontale Annäherungsdistanz und die seitliche Passierdistanz des Roboters in Abhängigkeit ihrer räumlichen Behaglichkeit selbst kontrollieren. In zwei nachfolgenden Studien wurden die analysierten Komfortschwellen mit zwei unterschiedlichen Robotern validiert, die frontale Annäherungs- und seitliche Passierdistanzen im Gang autonom einhielten. Desweiteren wurden potentielle Einflüsse der Robotergeschwindigkeit (0.6m/s, 0.8m/s) und der Menschenähnlichkeit (maschinenähnlich/menschenähnlich) des Roboters auf die Distanzpräferenzen der Probanden untersucht. Hierfür wurden die Empfindungen der Probanden mit Hilfe von Fragebögen gemessen.
Die gewonnenen Ergebnisse zeigten, dass eine durchschnittlich akzeptierte frontale Annäherungs- (ungefähr 0.8m) und eine durchschnittlich akzeptierte seitliche Passierdistanz (ungefähr 0.4m) gegenüber autonom fahrender Roboter im Gang existiert, und das diese Distanzen nicht signifikant durch die simulierte Autonomie der Roboter beeinflusst wurden. Allerdings führte eine höhere Robotergeschwindigkeit (0.8m/s) zu einer signifikanten Vergrößerung der Distanzpräferenzen. Der unterschiedliche äußere Erscheinungscharakter der beiden verwendeten Roboter hatte keinen signifikanten Einfluss auf die frontalen Distanzpräferenzen der Probanden. Im Gegensatz dazu zeigte die Manipulation der Menschenähnlichkeit, dass ein eher menschenähnlich anmutender Roboter zu einer signifikanten Verringerung der seitlichen Distanzpräferenzen führt, wenn ein reales menschliches Gesicht auf dem Bildschirm des Roboters projeziert wurde (Verringerung der seitlichen Distanz um mehr also 0.1m). Im Wesentlichen bestätigt die vorliegende Arbeit vorherige Forschungsaktivitäten, denn sie zeigt, dass menschliche Distanzpräferenzen berücksichtigt werden müssen, um ein sozial akzeptiertes Bewegungsverhalten eines Roboters zu bewirken, und damit Unbehaglichkeit zu vermeiden und die wahrgenommene Sicherheit sowie die gesamte Bewegungsakzeptanz zu erhöhen. Weiterhin lassen die erzielten Ergebnisse vermuten, dass die präferenzbestimmenden Mechanismen in der räumlichen Interaktion zwischen Mensch und Roboter sich sehr mit den vorherrschenden psychologischen Motiven aus der räumlichen Interaktion zwischen Menschen ähneln. Abschließend, und unabhängig von den berichteten Durchschnittsdistanzen, verdeutlichten die gewonnenen Ergebnisse, dass eine frontale Annäherungsdistanz von 1.1m und eine seitliche Passierdistanz von 0.6m wesentlich geeigneter sind, um einen sozial angemessenen Erstkontakt für eine große Mehrheit von Individuen zu gewährleisten, was wiederum zu einer erleichterten sozialen Integration führt. Die Limitationen dieses Forschungsprojekts sind diskutiert und Vorschläge für weiterführende Forschungsaktivitäten sind präsentiert.
