Formalization of a cognitive layered model of human decision-making for robotic applications

Robotic applications in service sectors such as hospitals, home care and education are rapidly becoming a basic technology as they can support people in need of care in a wide variety of tasks. Their use poses several ethical and technological questions. The scientific community wonders how service robotics can be a step forward in human care and help, and how robotic care systems can be built where the human is the main subject. Therefore, there is a growing demand for frameworks that support robotic application designers in a "human-aware" development process. Politecnico di Milano has developed a framework for the development of robotic applications in service environments that can manage the unpredictability of human behaviour. The framework presents a formal model of human beings with a probabilistic formulation of free will, to make sure that they can ignore robot instructions or make autonomous decisions. This thesis project illustrates the formalization of a more sophisticated human decision-making process based on the theory "Layered Reference Model of the Brain ", to be added to pre-existing human models so that the pre-existing framework can manage the unpredictability of human beings cognitively. This model has been made accessible to potential users through integration with the framework’s automatic model generator. In addition, the model has been compared with the current one through the formal verification of a significant human-robot interaction. The effects of the new parameters introduced have also been analyzed, which can describe new human behaviours, for example, if a human being is more determined or more distracted, extending the results obtained through the formal verification of a scenario.

Le applicazioni robotiche nei settori dei servizi come gli ospedali, l’assistenza domiciliare e l’istruzione stanno rapidamente diventando una tecnologia di base in quanto sono in grado di supportare le persone bisognose di assistenza in un’ampia varietà di compiti. Il loro utilizzo pone una serie di questioni etiche e tecnologiche. La comunità scientifica si chiede come la robotica di servizio possa essere un passo avanti nella cura e nell’aiuto umano, e come si possano realizzare sistemi robotici di assistenza per cui l’umano è il soggetto principale. Pertanto, vi è una crescente domanda di framework che supportino i progettisti di applicazioni robotiche in un processo di sviluppo "human-aware". Il Politecnico di Milano ha sviluppato un framework per lo sviluppo di applicazioni robotiche in ambienti di servizio in grado di gestire l’imprevedibilità del comportamento umano. Il framework presenta un modello formale di esseri umani con una formulazione probabilistica del libero arbitrio, per fare in modo che essi possono ignorare le istruzioni del robot o prendere decisioni autonome. Questo progetto di tesi illustra la formalizzazione di un processo decisionale umano più sofisticato basato sulla teoria "Layered Reference Model of the Brain ", da aggiungere ai modelli umani pre-esistenti, per fare in modo che il framework pre-esistente possa gestire l’imprevedibilità degli esseri umani in modo cognitivo. Tale modello è stato reso accessibile ai potenziali utenti tramite l’integrazione con il generatore automatico dei modelli del framework. Inoltre, il modello è stato confrontato con quello attuale attraverso la verifica formale di una significativa interazione uomo-robot. Sono stati in seguito analizzati anche gli effetti dei nuovi parametri introdotti, i quali possono descrivere nuovi comportamenti umani, ad esempio se un essere umano è più deciso o più distratto, estendendo i risultati ottenuti tramite la verifica formale di uno scenario.