人間-ロボット共有ワークスペースにおけるLED信号と感情表示

目次

• 1. 序論
• 2. 方法論
  • 2.1 実験設定
  • 2.2 試験条件
• 3. 技術的実装
  • 3.1 LED信号システム
  • 3.2 感情表示アルゴリズム
• 4. 結果と分析
  • 4.1 性能指標
  • 4.2 ユーザー認識
• 5. コード実装
• 6. 将来の応用
• 7. 参考文献

1. 序論

共有ワークスペースにおける人間-ロボット協調には、安全性と効率性を確保するための効果的なコミュニケーションが不可欠である。本研究では、LED信号と感情表示による非言語コミュニケーションが、人間-ロボットインタラクションをどのように強化できるかを調査する。本調査は、背景雑音により聴覚的コミュニケーションが不確実になり得る産業環境において、ワークフローの効率性を維持しながら衝突を防止するという重要な課題に取り組む。

2. 方法論

実験には18名の被験者が参加し、エンドエフェクタにLEDストリップを搭載し、タブレット上にアニメーション表情を表示するFranka Emika Pandaロボットと協調作業を行った。本研究では、3つのコミュニケーション条件を評価し、衝突予測とタスク性能への影響を検証した。

2.1 実験設定

ロボットシステムは、異なる動作意図を表すカラーコード化されたLED信号で構成された。緑は安全な動作、黄は注意、赤は差し迫った衝突リスクを示す。感情表示システムは、ロボットの衝突回避意図に対応する表情をタブレットに表示するために使用された。

2.2 試験条件

• 条件A: LED信号のみ
• 条件B: LED信号と反応的感情表示
• 条件C: LED信号と先制的感情表示

3. 技術的実装

3.1 LED信号システム

LED制御システムは、衝突リスクを決定するために確率ベースのアプローチを使用した。システムは、以下の式を用いてロボットのエンドエフェクタと人間オペレーター間の距離を計算した：

$P(衝突) = \frac{1}{1 + e^{-k(d - d_0)}}$

ここで、$d$は現在の距離、$d_0$は安全閾値、$k$は感度パラメータである。

3.2 感情表示アルゴリズム

感情表示システムは、中立、懸念、警戒の3つの主要な感情状態を持つ有限状態機械を実装した。状態間の遷移は、近接閾値と移動速度によってトリガーされた。

4. 結果と分析

4.1 性能指標

4.2 ユーザー認識

アンケート結果は、感情表示が認識されたインタラクティブ性を有意に増加させた(p < 0.05)が、LED信号のみと比較して、コミュニケーションの明瞭さやタスク効率は改善しなかったことを示した。

5. コード実装

class EmotionalDisplayController:
    def __init__(self):
        self.states = ['neutral', 'concerned', 'alert']
        self.current_state = 'neutral'
    
    def update_emotion(self, distance, velocity):
        risk_score = self.calculate_risk(distance, velocity)
        
        if risk_score < 0.3:
            self.current_state = 'neutral'
        elif risk_score < 0.7:
            self.current_state = 'concerned'
        else:
            self.current_state = 'alert'
        
        return self.get_emotional_display()
    
    def calculate_risk(self, d, v):
        # 正規化されたリスク計算
        distance_risk = max(0, 1 - d / SAFETY_DISTANCE)
        velocity_risk = min(1, v / MAX_VELOCITY)
        return 0.6 * distance_risk + 0.4 * velocity_risk

6. 将来の応用

本研究の知見は、産業用ロボティクス、医療ロボティクス、サービスロボティクスにおいて重要な示唆を与える。将来の研究は、個々のユーザー応答と感情解釈における文化的差異から学習する適応的感情表示に焦点を当てるべきである。

7. 参考文献

1. Ibrahim, M., et al. "人間-ロボット共有ワークスペースにおけるLED信号と感情表示の効果調査." arXiv:2509.14748 (2025).
2. Breazeal, C. "社会的ロボットの設計." MIT Press (2002).
3. Bartneck, C., et al. "CAROQヘッド: 感情的コミュニケーションのための頭部形状インターフェース." Robotics and Autonomous Systems (2020).
4. Goodfellow, I., et al. "生成的敵対ネットワーク." Advances in Neural Information Processing Systems (2014).

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