Muecas: a multi-sensor robotic head for affective human robot interaction and imitation

Abstract

Este artículo presenta una cabeza robótica humanoide multi-sensor para la interacción del robot humano. El diseño de la cabeza robótica, Muecas, se basa en la investigación en curso sobre los mecanismos de percepción e imitación de las expresiones y emociones humanas. Estos mecanismos permiten la interacción directa entre el robot y su compañero humano a través de las diferentes modalidades del lenguaje natural: habla, lenguaje corporal y expresiones faciales. La cabeza robótica tiene 12 grados de libertad, en una configuración de tipo humano, incluyendo ojos, cejas, boca y cuello, y ha sido diseñada y construida totalmente por IADeX (Ingeniería, Automatización y Diseño de Extremadura) y RoboLab. Se proporciona una descripción detallada de su cinemática junto con el diseño de los controladores más complejos. Muecas puede ser controlado directamente por FACS (Sistema de Codificación de Acción Facial), el estándar de facto para reconocimiento y síntesis de expresión facial. Esta característica facilita su uso por parte de plataformas de terceros y fomenta el desarrollo de la imitación y de los sistemas basados en objetivos. Los sistemas de imitación aprenden del usuario, mientras que los basados en objetivos utilizan técnicas de planificación para conducir al usuario hacia un estado final deseado. Para mostrar la flexibilidad y fiabilidad de la cabeza robótica, se presenta una arquitectura de software capaz de detectar, reconocer, clasificar y generar expresiones faciales en tiempo real utilizando FACS. Este sistema se ha implementado utilizando la estructura robótica, RoboComp, que proporciona acceso independiente al hardware a los sensores en la cabeza. Finalmente, se presentan resultados experimentales que muestran el funcionamiento en tiempo real de todo el sistema, incluyendo el reconocimiento y la imitación de las expresiones faciales humanas.

This paper presents a multi-sensor humanoid robotic head for human robot interaction. The design of the robotic head, Muecas, is based on ongoing research on the mechanisms of perception and imitation of human expressions and emotions. These mechanisms allow direct interaction between the robot and its human companion through the different natural language modalities: speech, body language and facial expressions. The robotic head has 12 degrees of freedom, in a human-like configuration, including eyes, eyebrows, mouth and neck, and has been designed and built entirely by IADeX (Engineering, Automation and Design of Extremadura) and RoboLab. A detailed description of its kinematics is provided along with the design of the most complex controllers. Muecas can be directly controlled by FACS (Facial Action Coding System), the de facto standard for facial expression recognition and synthesis. This feature facilitates its use by third party platforms and encourages the development of imitation and of goal-based systems. Imitation systems learn from the user, while goal-based ones use planning techniques to drive the user towards a final desired state. To show the flexibility and reliability of the robotic head, the paper presents a software architecture that is able to detect, recognize, classify and generate facial expressions in real time using FACS. This system has been implemented using the robotics framework, RoboComp, which provides hardware-independent access to the sensors in the head. Finally, the paper presents experimental results showing the real-time functioning of the whole system, including recognition and imitation of human facial expressions.