Sinais LED e Exibições Emocionais em Espaços de Trabalho Partilhados entre Humanos e Robôs

Índice

• 1. Introdução
• 2. Metodologia
  • 2.1 Configuração Experimental
  • 2.2 Condições Testadas
• 3. Implementação Técnica
  • 3.1 Sistema de Sinais LED
  • 3.2 Algoritmo de Exibição Emocional
• 4. Resultados e Análise
  • 4.1 Métricas de Desempenho
  • 4.2 Perceção do Utilizador
• 5. Implementação de Código
• 6. Aplicações Futuras
• 7. Referências

1. Introdução

A colaboração entre humanos e robôs em espaços de trabalho partilhados requer comunicação eficaz para garantir segurança e eficiência. Esta investigação estuda como a comunicação não verbal através de sinais LED e exibições emocionais pode melhorar a interação humano-robô. O estudo aborda o desafio crítico de prevenir colisões mantendo a eficiência do fluxo de trabalho em ambientes industriais onde a comunicação auditiva pode ser pouco fiável devido ao ruído de fundo.

2. Metodologia

O experimento envolveu 18 participantes a colaborar com um robô Franka Emika Panda equipado com uma tira de LED no seu efetuador final e um ecrã facial animado num tablet. O estudo avaliou três condições de comunicação para aferir o seu impacto na antecipação de colisões e no desempenho da tarefa.

2.1 Configuração Experimental

O sistema robótico foi configurado com sinais LED codificados por cor representando diferentes intenções de movimento: verde para movimento seguro, amarelo para cautela e vermelho para risco de colisão iminente. O sistema de exibição emocional utilizou um tablet para mostrar expressões faciais correspondentes à intenção do robô de evitar colisões.

2.2 Condições Testadas

• Condição A: Apenas sinais LED
• Condição B: Sinais LED com exibições emocionais reativas
• Condição C: Sinais LED com exibições emocionais preventivas

3. Implementação Técnica

3.1 Sistema de Sinais LED

O sistema de controlo de LED utilizou uma abordagem baseada em probabilidade para determinar o risco de colisão. O sistema calculou a distância entre o efetuador final do robô e o operador humano usando:

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

onde $d$ é a distância atual, $d_0$ é o limiar de segurança e $k$ é o parâmetro de sensibilidade.

3.2 Algoritmo de Exibição Emocional

O sistema de exibição emocional implementou uma máquina de estados finitos com três estados emocionais primários: neutro, preocupado e alerta. As transições entre estados foram acionadas por limiares de proximidade e velocidade de movimento.

4. Resultados e Análise

4.1 Métricas de Desempenho

4.2 Perceção do Utilizador

Os resultados do questionário mostraram que as exibições emocionais aumentaram significativamente a perceção de interatividade (p < 0.05), mas não melhoraram a clareza da comunicação ou a eficiência da tarefa em comparação com o uso apenas de sinais LED.

5. Implementação de Código

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):
        # Cálculo de risco normalizado
        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. Aplicações Futuras

Os resultados da investigação têm implicações significativas para a robótica industrial, robótica em saúde e robótica de serviço. Trabalhos futuros devem focar-se em exibições emocionais adaptativas que aprendam com as respostas individuais dos utilizadores e com as diferenças culturais na interpretação emocional.

7. Referências

1. Ibrahim, M., et al. "Investigating the Effect of LED Signals and Emotional Displays in Human-Robot Shared Workspaces." arXiv:2509.14748 (2025).
2. Breazeal, C. "Designing Sociable Robots." MIT Press (2002).
3. Bartneck, C., et al. "The CAROQ head: A head-shaped interface for emotional communication." Robotics and Autonomous Systems (2020).
4. Goodfellow, I., et al. "Generative Adversarial Networks." Advances in Neural Information Processing Systems (2014).

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