Effects of a visual conversational-state indicator for socially assistive robotics in contexts for elderly care

The global increase in the elderly population has intensified the demand for socially assistive robots (SARs) capable of supporting cognitive well-being, reducing loneliness, and improving quality of life in nursing homes. Prior research involving the robot TIAGo (PAL Robotics) identified a key barrier to effective interaction: users struggled to understand when the robot was speaking or listening, resulting in communication uncertainty and reduced engagement. This thesis proposes and evaluates a low-cost, 3D-printed headset designed to provide intuitive visual feedback of TIAGo’s conversational state through color-changing LEDs indicating listening and non-listening modes. An iterative design process produced a final prototype optimized for compatibility, simple assembly, and seamless integration with TIAGo’s existing software architecture. Two pilot tests with 12 native-Italian participants assessed (1) whether the headset improved conversational interaction, and (2) whether users found the device easy to mount and dismount. Results from Test 1 show clear benefits of the headset during interaction: 92\% of participants rated the design visually attractive, 92\% preferred interacting with TIAGo while the headset was active, and 11 of 12 reported improved conversational flow, reducing uncertainty and increasing clarity in turn-taking. Turn-taking analysis further demonstrated that participant interruptions decreased substantially in the headset condition. However, the effectiveness of the headset was partially dependent on individual conversational style: users who responded quickly or attempted to fill silence benefited more from the visual cues than users who naturally paused longer or waited for explicit signals. %These findings highlight the importance of integrating adaptive timing strategies into SAR systems rather than relying exclusively on fixed delays. Test 2 demonstrated that the device is usable by first-time users, with mean mounting and dismounting times around two minutes with minimal assistance required, though feedback highlighted opportunities for clearer instructions and more robust connector design. Overall, the findings validate the headset as an effective, low-cost visual-feedback tool that enhances human-robot communication and improves user experience. Although conversational timing issues remain due to TIAGo’s dialogue system as well as conversational styles, the headset significantly mitigates confusion and provides a strong foundation for improving SAR usability in elderly-care contexts. Future work will focus on testing with elderly users, refining the dialogue system, and developing a fully enclosed electronics module suitable for real-world deployment.

L’aumento globale della popolazione anziana ha intensificato la domanda di robot assistivi (SAR) in grado di favorire la stimolazione cognitiva, ridurre la solitudine e migliorare la qualità della vita nelle case di riposo. Un precedente studio, condotto con il robot TIAGo (PAL Robotics), ha identificato le difficoltà nell'alternanza tra gli interlocutori come una barriera chiave ad un'interazione efficace. In mancanza di opportuni segnali, gli utenti infatti riscontrano difficoltà nel comprendere se il robot li stia ascoltando o meno, generando incertezza e impattando negativamente sull'esperienza. Questa tesi propone e valuta un dispositivo indossabile a low-cost, stampato in 3D, progettato per fornire un feedback visivo intuitivo sullo stato conversazionale di TIAGo tramite LED che, cambiando colore, segnalano lo stato del robot (ascolto o non-ascolto). Il dispositivo, ideato per ricordare un paio di cuffie indossate dal robot, è stato realizzato in diverse iterazioni progettuali che hanno portato a un prototipo finale ottimizzato per compatibilità, semplicità di montaggio e integrazione con l’architettura software esistente di TIAGo. Due test pilota con 12 partecipanti madrelingua italiani hanno valutato: (1) se il dispositivo migliorasse l’interazione conversazionale e (2) se gli utenti trovassero semplice montare e smontare il dispositivo. I risultati del Test 1 mostrano chiari benefici durante l’interazione: il 92\% dei partecipanti ha giudicato il design esteticamente gradevole, il 92\% ha preferito interagire con TIAGo quando dotato di cuffie, e 11 su 12 hanno riportato un miglioramento nella continuità della conversazione, riducendo l’incertezza e aumentando la chiarezza nella gestione dell'alternanza tra gli interlocutori (\textit{turn-taking}). L’analisi del turn-taking ha inoltre dimostrato una sostanziale riduzione delle sovrapposizioni nella condizione con il dispositivo. Tuttavia, l’efficacia del dispositivo dipendeva in parte dallo stile conversazionale individuale: gli utenti che, senza cuffie, rispondevano rapidamente o tendevano a colmare i silenzi hanno tratto maggior beneficio dai segnali visivi rispetto a quelli che facevano pause più lunghe o attendevano segnali espliciti. Il Test 2 ha dimostrato che il dispositivo è utilizzabile anche da utenti alla prima esperienza, con tempi medi di montaggio e smontaggio di circa due minuti e con un’assistenza minima, sebbene i feedback abbiano evidenziato aree di miglioramento quali istruzioni più chiare e maggiore robustezza dei connettori. Nel complesso, i risultati validano il dispositivo come uno strumento di feedback visivo efficace e a basso costo che migliora la comunicazione uomo-robot e l’esperienza utente. Sebbene rimangano criticità legate alla fluidità della conversazione, dovute sia al sistema di dialogo di TIAGo sia agli stili comunicativi individuali, il dispositivo riduce significativamente gli errori e costituisce un utile strumento per migliorare l’usabilità dei SAR nel contesto dell’assistenza agli anziani. I lavori futuri si concentreranno sui test con utenti anziani, sul perfezionamento del sistema di dialogo e sullo sviluppo di un modulo elettronico completamente integrato, più adatto a implementazioni reali.