Design and implementation of a touch interpretation system for interactions between robot and children with Autism Spectrum Disorder

Children with Autism Spectrum Disorder (ASD) encounter challenges in communication, social interaction, and sensory processing, particularly touch sensitivity. Given the absence of a cure, it's crucial to investigate interventions that can enhance life quality, focusing on improving social skills and tactile experiences. One promising method is using social robots, which have proven effective in therapeutic settings. In this context, the thesis project developed an innovative touch interpretation system implemented on the mobile robot Oimi. The first contribution of this system is its cost-effectiveness, which should enable easier integration into educational settings. This is achieved through a laboratory-designed physical system comprising a polyurethane base, an industrial pressure sensor, and a handmade flex sensor which together produce a robust but soft tactile patch capable of detecting essential characteristics for identifying a wide range of tactile gestures. The second contribution is related to the system's simplicity which facilitates quick adaptation to children's needs without compromising effectiveness. This customization is enabled by a classification architecture that distinguishes seven categories of gestures, utilizing rules based on thresholds, patterns, and two binary classification models. The efficacy of these features was confirmed through validation with a sample of adult individuals testing the system's ability to recognize various gestures across the seven categories. Finally, in the pursuit of making Oimi a valuable tool in ASD children's therapy, the classification system underwent enrichment with a sensory interaction system utilizing lights and sounds. This addition aims to transform the robot into both a playmate, capable of recognizing tactile gestures, and an educational tool assisting children in improving social skills and understanding socially accepted gestures. This final phase underwent initial testing with a typically developing (TD) 7-year-old child engaging with Oimi in a one-hour-long play session. The high-quality interaction provided by the classification system, the accurate mimicry of five distinct emotions by the lights and sounds system and the positive feedback from the child, all suggest the promising potential of this touch interpretation system in ASD therapy for children.

I bambini con disturbo dello spettro autistico (DSA) incontrano difficoltà nella comunicazione, nell'interazione sociale e nell'elaborazione sensoriale legata al tatto. Senza una cura, è cruciale esplorare interventi per migliorare la loro qualità di vita, concentrandosi sul miglioramento delle abilità sociali e tattili. Una metodologia promettente è l'utilizzo di robot sociali, già dimostratisi efficaci in ambito terapeutico. In questo contesto, il progetto di tesi ha sviluppato un innovativo sistema di interpretazione tattile implementato sul robot mobile Oimi. Il primo contributo è l'economicità di tale sistema, che dovrebbe consentire una più facile integrazione nei contesti educativi. Questo è ottenuto grazie a un sistema fisico progettato in laboratorio che comprende una base in poliuretano, un sensore di pressione industriale e un sensore di flessione fatto a mano. Essi costituiscono una forma tattile robusta ma sofficie, in grado di rilevare le caratteristiche essenziali per l'identificazione di un'ampia gamma di gesti. Il secondo contributo è legato alla semplicità del sistema, che facilita un rapido adattamento alle esigenze dei bambini senza compromettere l'efficacia. Questa personalizzazione è consentita da un metodo di classificazione che distingue 7 categorie di gesti, utilizzando regole basate sull'andamento del segnale e su due modelli di classificazione binaria. L'efficacia di questi contributi è stata validata attraverso un campione di persone adulte che ha testato la capacità del sistema di riconoscere i gesti presenti nelle 7 categorie. Infine, per rendere Oimi utile nella terapia dei bambini DSA, il sistema di classificazione è stato arricchito con un sistema di interazione sensoriale adoperante luci e suoni. Questa aggiunta mira a far diventare il robot un compagno di giochi, capace di riconoscere i gesti tattili, e uno strumento educativo che aiuti i bambini a migliorare le abilità sociali e a comprendere i gesti socialmente accettati. La fase finale ha previsto un test di prova con un bambino di 7 anni che si è impegnato con Oimi in una sessione di gioco di un'ora. L'interazione di alta qualità fornita dal sistema di classificazione, l'accurata mimica di cinque emozioni distinte da parte del sistema di luci e suoni e il feedback positivo del bambino suggeriscono il potenziale promettente di questo sistema di interpretazione tattile nella terapia dei bambini con ASD.