Odile: an expressive robotic agent for emotional exchange and information sharing

Interaction is a process in which two or more individuals exchange information bi-directionally. Focusing on the social context, this phenomenon is composed of many variables that depend on both the surrounding environment and the characteristics of the concerned individuals. These variables can be combined in different ways and can generate opposite results. Very often, interaction in a social context is also characterized by an emotional connection between individuals. They may use words and body language to communicate their mood and emotions at a particular time, not necessarily in the present. This phenomenon has been studied in various fields, such as business, politics, and the arts. Of particular interest to us is the field of art and theatre because of the need to establish an emotional relationship between the performer and the audience. Actors use several methods to express emotions. The school of theatre focuses on the study of the body movement, characterized by rhythm, amplitude, and speed of the limbs as well as combinations thereof. In modern times, this concept has also been linked to the film industry, particularly animation. Animating an inanimate object requires a thorough study of all the movements it can make, dependent on the structural characteristics of the body. With the advancement of technology, the concept of animation has also been extended to more or less complex robotic structures, creating so-called animated robots. This thesis aims to realize a robot capable of communicating information and emotions in an interaction with an external human agent. We have introduced constraints to the study, such as the requirement for non-verbal communication and a robot’s shape as far as possible from human geometry. In this way, we focused on the movements and articulation of the structure. Odile is the robot designed and implemented for this study. It is a mobile robot with two similarly structured extensions, one more articulated than the other. Overall, the structure has thirteen degrees of freedom, which makes the robot complex and capable of performing a wide range of movements. We tested Odile’s capabilities in a game interaction where the exchange of information is necessary for the user to win. The proposed set-up consists of a maze with buttons scattered around the room; some are correct. A countdown tells the player how much time is left to complete the game. To test both the pure information exchange capacity and the expressive capacity of the robot, we proposed two different experiences. In both cases, only the robot knows which of the buttons are the correct ones. A successful experiment is one in which the user shows trust in and understanding of what the robot is communicating. Odile is not to be considered as autonomous. We created a control module that allows the robot’s movements to be managed remotely in real time. The results were satisfying, proving that the efficient exchange of information through pure movement is possible even without verbal interaction or humanoid structures. Future developments concern the possibility of new movement configurations and more complex and cleaner control.

L’interazione è un processo in cui due o più individui si scambiano informazioni in modo bidirezionale. Concentrandosi sul contesto sociale, questo fenomeno è composto da molte variabili che dipendono sia dall’ambiente circostante sia dalle caratteristiche degli individui interessati. Queste variabili possono essere combinate in modi diversi e possono generare risultati opposti. Molto spesso l’interazione in un contesto sociale è caratterizzata anche da una connessione emotiva tra gli individui. Questi possono usare le parole e il linguaggio del corpo per comunicare il proprio stato d’animo e le proprie emozioni in un momento particolare, non necessariamente nel presente. Questo fenomeno è stato studiato in vari campi, come economia, politica e arte. Di particolare interesse per noi è il campo dell’arte e del teatro per la necessità di stabilire un rapporto emotivo tra l’attore e il pubblico. Gli attori utilizzano diversi metodi per esprimere le emozioni. La scuola di teatro si concentra sullo studio del movimento del corpo, caratterizzato dal ritmo, dall’ampiezza e dalla velocità dei gesti e dalle loro combinazioni. Nei tempi moderni, questo concetto è stato collegato anche all’industria cinematografica, in particolare all’animazione. Animare un oggetto inanimato richiede uno studio approfondito di tutti i movimenti che può compiere, in funzione delle caratteristiche strutturali del corpo. Con l’avanzamento della tecnologia, il concetto di animazione si è esteso anche a strutture robotiche più o meno complesse, creando i cosiddetti robot animati. Questa tesi si propone di realizzare un robot in grado di comunicare informazioni ed emozioni in un’interazione con un agente umano esterno. Abbiamo introdotto alcuni vincoli nello studio, come il requisito della comunicazione non verbale e la forma del robot il più lontano possibile dalla geometria umana. In questo modo ci siamo concentrati sui movimenti e sull’articolazione della struttura. Odile è il robot progettato per questo studio e oggetto di questa discussione. Si tratta di un robot mobile con due estensioni strutturate in modo simile, una più articolata dell’altra. La struttura ha tredici gradi di libertà, il che rende il robot complesso e capace di eseguire un’ampia gamma di movimenti. Abbiamo testato le capacità di Odile inserendo l’interazione all’interno di un gioco e rendendo lo scambio di informazioni necessario all’utente per vincere. L’allestimento proposto è costituito da un labirinto con bottoni sparsi per la stanza; di cui solo alcuni corretti. Un conto alla rovescia dice al giocatore quanto tempo rimane per completare il gioco. Per testare sia la pura capacità di scambio di informazioni che la capacità espressiva del robot, abbiamo proposto due diverse esperienze. In entrambi i casi, solo il robot sa quali pulsanti sono quelli corretti. Un esperimento riuscito è quello in cui l’utente mostra fiducia e comprensione di ciò che il robot sta comunicando. Il robot in questione non è da considerarsi autonomo. Abbiamo realizzato un modulo di controllo che permette di gestire i movimenti del robot da remoto e in tempo reale. I risultati sono stati soddisfacenti, dimostrando che lo scambio efficiente di informazioni attraverso il puro movimento è possibile anche senza interazione verbale o strutture umanoidi. Gli sviluppi futuri riguardano la possibilità di nuove configurazioni di movimento e di controllo più complessi e puliti.