Safe and adaptive social robots for children with autism

Social robots are being considered to be a part of the therapy for children with autism due to the reported efficacy of such technology in improving the outcomes. However, children diagnosed with autism exhibit challenging behaviors that could cause harm to themselves and to others around them. Throwing, hitting, kicking, and self-harming are some examples of the challenging behaviors that were reported to occur among this population. The occurrence of such behaviors during the presence of a social robot could raise some safety concerns. For this reason, the research presented in this dissertation attempts to identify the potential for harm due to the diffusion of social robots and investigate hardware and software means to mitigate them. Considering the advancement in technology and the progress made in many computer science disciplines are making small and adaptable social robots a foreseeable possibility, the studies presented in this dissertation focus on small robotic form factors. The first study quantifies the potential harm to the head due to one of the identified risky scenarios that might occur between a child and a social robot. The results revealed that the overall harm levels based on the selected severity indices are relatively low compared to their respective thresholds. However, the investigation of harm due to the throwing of a small social robot to the head revealed that it could potentially cause tissue injuries, subconcussive or even concussive events in extreme cases. The second two studies are aimed to make small robots safer by optimizing their design. Hence, studies are conducted investigating how robot design can be made safer by investigating different design factors. The first study investigated the influence of the mass and shape on the linear acceleration of a developed dummy head. The results revealed that the two design factors considered (i.e. mass and shape) affected the resultant response significantly. The second study investigated the influence of the storage modulus and thickness of three different soft materials on the same response. The findings showed that the control factors considered are not statistically significant in attenuating the response. Finally, the last two studies attempt to make small robots more adaptable to promote safer interactions. This is carried out by embedding the recognition of unwanted physical interactions into companion robot with the appropriate timing of responses. The findings of the first study highlight the possibility of characterizing children’s negative interactions with robotic toys relying on an accelerometer sensor. The second study showed that producing a late response to an action (i.e. greater than 1.0 s) could negatively affect the children’s comprehension of the intended message. The work presented in this dissertation is multidisciplinary that involves the field of Mechanical Engineering and Information Technology.

I robot sociali sono considerati parte della terapia per i bambini con autismo a causa dell'efficacia riportata da tale tecnologia nel migliorarene le condizioni cliniche. Tuttavia, i bambini con diagnosi di autismo mostrano comportamenti problematici che potrebbero causare danni a se stessi e agli altri. Lanciare oggetti, colpire, scalciare e autolesionismo sono alcuni esempi dei comportamenti problematici che si sono verificati tra questi pazienti. Il verificarsi di tali comportamenti durante la presenza di un robot sociale potrebbe sollevare alcune questioni di sicurezza. Per questo motivo, la ricerca presentata in questa tesi tenta di identificare il potenziale danno causato dalla diffusione dei robot sociali e di indagare sui mezzi hardware e software per mitigarli. Considerando che il progresso tecnologico e i progressi compiuti in molte discipline informatiche stanno rendendo possibile lo sviluppo di robot sociali piccoli e adattabili, gli studi presentati in questa tesi si concentrano su robot dalle dimensioni ridotte. Il primo studio quantifica il potenziale danno alla testa dovuto a uno degli scenari rischiosi identificati che potrebbero verificarsi tra un bambino e un robot sociale. I risultati hanno rivelato che i livelli complessivi di danno in base agli indici di gravità selezionati sono relativamente bassi rispetto alle rispettive soglie. Tuttavia, l'indagine sui danni causati dal lancio di un piccolo robot sociale alla testa ha rivelato che potrebbe potenzialmente causare lesioni ai tessuti, eventi subconcussivi o, in casi estremi, persino concussivi. I due successivi studi hanno lo scopo di rendere più sicuri i piccoli robot ottimizzando il loro design. Quindi, sono stati condotti studi per capire come rendere più sicura la progettazione di robot studiando diversi fattori di progettazione. Il primo studio ha studiato l'influenza della massa e della forma sull'accelerazione lineare di una testa fittizia sviluppata. I risultati hanno rivelato che i due fattori di progettazione considerati (cioè massa e forma) ne hanno influenzato significativamente la risposta. Il secondo studio ha studiato l'influenza del modulo di stoccaggio e dello spessore di tre diversi materiali morbidi sulla stessa risposta. I risultati hanno mostrato che i fattori di controllo considerati non sono statisticamente significativi nell'attenuare la risposta. Infine, gli ultimi due studi tentano di rendere i piccoli robot più adattabili per promuovere interazioni più sicure. Questo viene realizzato incorporando il riconoscimento di interazioni fisiche indesiderate nel robot associato con un appropriato tempismo delle risposte. I risultati del primo studio evidenziano la possibilità di caratterizzare le interazioni negative dei bambini con i giocattoli robotici facendo affidamento su di un accelerometro. Il secondo studio ha mostrato che la produzione di una risposta tardiva a un'azione (vale a dire maggiore di 1,0 s) potrebbe influire negativamente sulla comprensione del messaggio previsto da parte dei bambini. Il lavoro presentato in questa tesi è multidisciplinare che coinvolge il campo dell'ingegneria meccanica e dell’ingegneria dell'informazione.