Светодиодные сигналы и эмоциональные дисплеи в совместных рабочих пространствах человека и робота

Содержание

• 1. Введение
• 2. Методология
  • 2.1 Экспериментальная установка
  • 2.2 Исследуемые условия
• 3. Техническая реализация
  • 3.1 Система светодиодных сигналов
  • 3.2 Алгоритм эмоционального дисплея
• 4. Результаты и анализ
  • 4.1 Метрики производительности
  • 4.2 Восприятие пользователей
• 5. Реализация кода
• 6. Перспективные применения
• 7. Ссылки

1. Введение

Совместная работа человека и робота в общих рабочих пространствах требует эффективной коммуникации для обеспечения как безопасности, так и эффективности. Данное исследование изучает, как невербальная коммуникация посредством светодиодных сигналов и эмоциональных дисплеев может улучшить взаимодействие человека и робота. Исследование решает критическую задачу предотвращения столкновений при сохранении эффективности рабочего процесса в промышленных средах, где акустическая коммуникация может быть ненадежной из-за фонового шума.

2. Методология

Эксперимент включал 18 участников, взаимодействующих с роботом Franka Emika Panda, оснащенным светодиодной лентой на его конечном эффекторе и анимированным дисплеем лица на планшете. Исследование оценивало три условия коммуникации для оценки их влияния на предвосхищение столкновений и производительность задач.

2.1 Экспериментальная установка

Роботизированная система была настроена с цветовыми светодиодными сигналами, представляющими различные намерения движения: зеленый для безопасного движения, желтый для осторожности и красный для риска неминуемого столкновения. Система эмоционального дисплея использовала планшет для отображения выражений лица, соответствующих намерению робота избежать столкновения.

2.2 Исследуемые условия

• Условие A: Только светодиодные сигналы
• Условие B: Светодиодные сигналы с реактивными эмоциональными дисплеями
• Условие C: Светодиодные сигналы с упреждающими эмоциональными дисплеями

3. Техническая реализация

3.1 Система светодиодных сигналов

Система управления светодиодами использовала вероятностный подход для определения риска столкновения. Система вычисляла расстояние между конечным эффектором робота и оператором-человеком, используя:

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

где $d$ — текущее расстояние, $d_0$ — порог безопасности, а $k$ — параметр чувствительности.

3.2 Алгоритм эмоционального дисплея

Система эмоционального дисплея реализовала конечный автомат с тремя основными эмоциональными состояниями: нейтральное, озабоченное и тревожное. Переходы между состояниями запускались пороговыми значениями близости и скоростью движения.

4. Результаты и анализ

4.1 Метрики производительности

4.2 Восприятие пользователей

Результаты анкетирования показали, что эмоциональные дисплеи значительно увеличили воспринимаемую интерактивность (p < 0.05), но не улучшили ясность коммуникации или эффективность задач по сравнению только со светодиодными сигналами.

5. Реализация кода

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):
        # Нормированный расчет риска
        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. Перспективные применения

Результаты исследования имеют значительные последствия для промышленной робототехники, медицинской робототехники и сервисной робототехники. Будущая работа должна быть сосредоточена на адаптивных эмоциональных дисплеях, которые обучаются на основе индивидуальных реакций пользователей и культурных различий в интерпретации эмоций.

7. Ссылки

1. Ibrahim, M., et al. "Исследование влияния светодиодных сигналов и эмоциональных дисплеев в совместных рабочих пространствах человека и робота." arXiv:2509.14748 (2025).
2. Breazeal, C. "Проектирование общительных роботов." MIT Press (2002).
3. Bartneck, C., et al. "Голова CAROQ: интерфейс в форме головы для эмоциональной коммуникации." Robotics and Autonomous Systems (2020).
4. Goodfellow, I., et al. "Генеративно-состязательные сети." Advances in Neural Information Processing Systems (2014).

Экспертный анализ