novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.24.260-268novtexmech-1372Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSСигнальная коммуникация для управления поведением коллаборативного роботаSignal Communication for Collaborative Robot Behavior ControlКарповВ. Э.KarpovV. E.

канд. техн. наук, доц.

123182, г. Москва

Moscow, 123182

karpov_ve@mail.ruРовбоМ. А.RovboM. A.

науч. сотр.

123182, г. Москва

Moscow, 123182

rovboma@gmail.comСорокоумовП. С.SorokoumovP. S.

науч. сотр.

123182, г. Москва

Sorokoumov Petr S., Researcher

Moscow, 123182

petr.sorokoumov@gmail.comНациональный исследовательский центр "Курчатовский институт"РоссияNational Research Center "Kurchatov Institute"Russian Federation202306052023245260268Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20232023Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1372

От роботов все чаще требуется работать в тесном взаимодействии с людьми и другими роботами, при этом такая работа приобретает форму совместного выполнения общей задачи — коллаборации. Существующие методы управления в основном предназначены для высокоуровневого принятия решений автономным агентом, но для внешних взаимодействий необходимы специальные средства реагирования на ситуацию. В данной работе описывается реализация системы управления коллаборативного робота, основанная на эмоционально-потребностной архитектуре и обеспечивающая надежное и интерпретируемое взаимодействие робота с другими агентами. При этом общение оператора с роботом не осуществляется на императивном командном или языковом уровне, а строится на сигнальной коммуникации. Робот является автономным устройством, поведение которого направлено на удовлетворение его актуальных потребностей. Механизм взаимодействия оператора с роботом заключается в том, что сигнал оператора ("команда") активизирует элемент эмоционально-потребностной схемы — шлюз, реализующий обратную эмоциональную связь. Поскольку шлюз осуществляет связь между сенсорикой и поведенческими процедурами, его возбуждение пришедшим внешним сигналом приводит к активизации соответствующей процедуры, как если бы сенсорная система зарегистрировала реальный стимул. Внешний сигнал такого косвенного управления может быть представлен в акустической форме и в виде позы оператора. В потребности робота включены как нужды, обеспечивающие его физическое "выживание" (избежание опасности), так и поддержание социальных связей (сопровождение дружественных агентов). Распознавание других агентов и предметов обстановки выполняется по данным мощной встроенной сенсорики — стереокамер и дальномеров. Робот распознает внешние команды и активизирует шлюз, связанный с наиболее приоритетным действием, причем активность затухает постепенно, что позволяет действиям выполняться некоторое время по внешним командам даже при отсутствии соответствующего внутреннего стимула. Коллаборативный робот, управляемый описанной системой управления, оказался способен выполнять совместно с человеком простейшие задачи патрулирования, действуя предсказуемым и понятным (интерпретируемым) для человека образом.

Robots are increasingly required to work in close cooperation with humans and other robots, performing common tasks jointly, in collaboration. High-level decision making by an autonomous agent with such interactions require specific means of responding to the situation. This paper describes the implementation of the control system for a collaborative robot, based on the emotion-need architecture that provides reliable and interpretable interaction means of the robot with other agents. The robot is an autonomous device whose behavior is aimed at satisfying its current needs. The communication between the operator and the robot is based on signal communication: the operator’s signal ("command") activates an element of the emotion-need scheme — a gateway that implements the emotional feedback. Since the gateway connects the sensors and behavioral procedures, its activation starts the corresponding procedure, as if the sensory system had registered a real stimulus. The external signal of such indirect control can be represented in acoustic form or as the operator’s posture. The needs of the robot are aimed at both its physical survival (danger avoidance) and maintenance of the social connections (accompanying friendly agents). The robot recognizes external commands and activates the gateway associated with the highest priority action. The activity also gradually fades, which allows actions to be performed for some time even in the absence of an appropriate internal stimulus. The resulting robot is able to perform the simplest patrol tasks together with a human, acting in a predictable and understandable (interpretable) way for the human.

коллаборативный роботэмоционально-потребностная архитектурасистема управленияробототехникакогнитивная архитектурасигнальная коммуникацияcollaborative robotemotion-needs architecturecontrol systemroboticscognitive architecturesignal communicationРабота выполнена при частичном финансировании РФФИ (грант 20-07-00770-А). Эксперименты выполнены за счет государственного задания НИЦ "Курчатовский институт".This article was prepared with the financial support of Russian Foundation for Basic Research 20-07-00770-А. The experiments were performed at the expense of NRC "Kurchatov Institute".ReferencesMasuda Y., Miyashita K., Yamagishi K., Ishikawa M., Hosoda K. Brainless Running: A Quasi-quad ruped Robot with Decentralized Spinal Reflexes by Solely Mechanical Devices // 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2020. P. 4020—4025. DOI: 10.1109/IROS45743.2020.9340807Masuda Y., Miyashita K., Yamagishi K., Ishikawa M., Hosoda K. Brainless Running: A Quasi-quadruped Robot with Decentralized Spinal Reflexes by Solely Mechanical Devices, 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2020, pp. 4020—4025, DOI: 10.1109/IROS45743.2020.9340807Saputra A. A., Botzheim J., Ijspeert A. J., Kubota N. Combining Reflexes and External Sensory Information in a Neuromusculoskeletal Model to Control a Quadruped Robot // IEEE Trans. Cybern. 2022. Vol. 52, N. 8. P. 7981—7994. DOI: 10.1109/TCYB.2021.3052253Saputra A. A., Botzheim J., Ijspeert A. J., Kubota N. Combining Reflexes and External Sensory Information in a Neuromusculoskeletal Model to Control a Quadruped Robot, IEEE Trans. Cybern., 2022, vol. 52, no. 8. pp. 7981—7994, DOI: 10.1109/TCYB.2021.3052253Bhatia A., Mason M. T., Johnson A. M. Reacting to Contact: Transparency and Collision Reflex in Actuation // arXiv:2212.03469 [cs.RO]. 2022. DOI: 10.48550/arXiv.2212.03469Bhatia A., Mason M. T., Johnson A. M. Reacting to Contact: Transparency and Collision Reflex in Actuation, arXiv: 2212.03469 [cs.RO], 2022, DOI: 10.48550/arXiv.2212.03469Ющенко А. С. Коллаборативная робототехника: состояние и новые задачи // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18, № 12. С. 812—819. DOI: 10.17587/mau.18.812-819Yushchenko A. S. Collaborative Robotics — State of Art and New Problems. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2017, vol. 18, no. 12, pp.812—819. (In Russian), DOI: 10.17587/mau.18.812-819Симонов П . В. Потребностно-информационная теория эмоций // Вопросы психологии. 1982. Т. 6. С. 44—56.Simonov P. V. Need-informational theory of emotion, Voprosy psikhologii., 1982, vol. 6, pp. 44—56 (In Russian).Simonov P. V. Thwarted action and need — informational theories of emotions // Int. J. Comp. Psychol. 1991. Vol. 5, N. 2. P. 103—107. DOI: 10.46867/C40W3MSimonov V. P. Thwarted action and need — informational theories of emotions, Int. J. Comp. Psychol., 1991, vol. 5, no. 2, pp. 103—107, DOI: 10.46867/C40W3MКарпов В. Э., Сорокоумов П. С. К вопросу о моральных аспектах адаптивного поведения искусственных агентов // Искусственные общества. Россия. 2021. Т. 16, № 2. DOI: 10.18254/S207751800014740-3Karpov V. E., Sorokoumov P. S. On moral aspects of artificial agents’ adaptive behavior, Iskustvennyye obshchestva., 2021, vol. 16, no. 2 (In Russian), DOI: 10.18254/S207751800014740-3Andrews K. The Animal Mind. Second edition. London and New York: Routledge, 2020. P. 136—171. DOI: 10.1515/9781400835720Andrews K. The Animal Mind. Second edition, London and New York, Routledge, 2020, pp. 136—171, DOI: 10.1515/9781400835720Searcy W. A., Nowicki S. The Evolution of Animal Communication: Reliability and Deception in Signaling Systems. Princeton University Press, 2005. 288 p. DOI: 10.1515/9781400835720Searcy W. A., Nowicki S. The Evolution of Animal Communication: Reliability and Deception in Signaling Systems, Princeton University Press, 2005, 288 p., DOI: 10.1515/9781400835720Панов Е. Н. Эволюция диалога. Коммуникации в развитии: от микроорганизмов до человека. М.: Языки славянской культуры, 2014. 400 с.Panov E. N. Evolution of dialog. Developing Communication from microorganisms to human, Moscow, Yazyki slavyanskoj kultury, 2014, 400 p. (In Russian).Preston S., Waal F. The Communication of Emotions and the Possibility of Empathy in Animals // Altruism and Altruistic Love: Science, Philosophy, and Religion in Dialogue. 2002. P. 284—308. DOI: 10.1093/acprof:oso/9780195143584.003.0025Preston S., Waal F. The Communication of Emotions and the Possibility of Empathy in Animals, Altruism and Altruistic Love: Science, Philosophy, and Religion in Dialogue, 2002, pp. 284—308, DOI: 10.1093/acprof:oso/9780195143584.003.0025Parker P. R. L., Brown M. A., Smear M. C., Niell C. M. Movement-Related Signals in Sensory Areas: Roles in Natural Behavior // Trends Neurosci. 2020. Vol. 43, N. 8. P. 581—595. DOI: 10.1016/j.tins.2020.05.005Parker P. R. L., Brown M. A., Smear M. C., Niell C. M. Movement-Related Signals in Sensory Areas: Roles in Natural Behavior, Trends Neurosci., 2020, vol. 43, no. 8, pp. 581—595, DOI: 10.1016/j.tins.2020.05.005Осипов Г. С., Панов А. И., Чудова Н. В., Кузнецова Ю. М. Знаковая картина мира субъекта поведения. М.: Физматлит, 2018. 264 с.Osipov G. S., Panov A. I., Chudova N. V., Kuznetsova Yu. M. Semiotic world view of behaviour subject, Moscow, Fizmatlit, 2018, 264 pp. (In Russian).Braet K., Cabooter L., Paemeleire K., Leybaert L. Calcium signal communication in the central nervous system // Biol. Cell. 2004. Vol. 96, N. 1. P. 79—91. DOI: 10.1016/j.biolcel.2003.10.007Braet K., Cabooter L., Paemeleire K., Leybaert L. Calcium signal communication in the central nervous system, Biol. Cell, 2004, vol. 96, no. 1. pp. 79—91, DOI: 10.1016/j.biolcel.2003.10.007Colledanchise M., Ögren P. Behavior Trees in Robotics and AI. 1st Edition. Boca Raton: CRC Press, 2018. 208 p. DOI: 10.1201/9780429489105Colledanchise M., Ögren P. Behavior Trees in Robotics and AI. 1st Edition, Boca Raton, CRC Press, 2018, 208 p., DOI: 10.1201/9780429489105

The authors declare that there are no conflicts of interest present.