Premiers pas dans l'expression d'émotions par le robot Nao

Démonstration ­ Premiers pas dans l'expression d'émo­tions par le robot Nao

Jérôme Monceaux

Aldebaran­Robotics 168 bis/170, rue R. Losse­

rand75014, Paris, France

jmonceaux@aldebaran­ro­botics.com

Joffrey Becker

EHESS – LAS52, rue du Cardinal Le­

moine75005, Paris, France

[email protected]

Céline Boudier

Aldebaran­Robotics 168 bis/170, rue R. Losse­

rand75014, Paris, France

cboudier@aldebaran­robo­tics.com

Alexandre Mazel

Aldebaran­Robotics 168 bis/170, rue R. Losse­

rand75014, Paris, France

amazel@aldebaran­robo­tics.com

RESUMENous avons étudié une façon de créer une bibliothèque d'expressions émotionnelles pour le robot humanoïde Nao d'Al­debaran­Robotics. Cet ensemble d'expressions pourrait être utilisé par les créateurs de comportement de robots huma­noïdes pour créer des comportements avancés, ou bien utilisés par un simulateur d'émotions. C'est un aperçu d'un tra­vail réalisé  conjointement par un anthropologue et des chercheurs en robotique qui a abouti à environ une centaine d'animations. Nous ne cherchons pas à fournir une revue de la littérature.

MOTS CLES : Comportements expressifs de robots, expression émotionnelle, robot humanoïde, Nao, démonstration, Choregraphe.

NOM ET VERSION DU LOGICIEL UTILISÉ POUR ÉCRIRE LA SOUMISSION : OpenOffice.org 3.0.1 pour Ubuntu

FORME DE PARTICIPATION : Article court

THÈMES DE LA SOUMISSION : Humains : analyse et modélisation des émotions. Technologies : techniques d'interac­tion et de présentation, interaction gestuelle, technologies embarquées

Démonstration ­ Premiers pas dans l'expression d'émo­tions par le robot Nao

Jérôme Monceaux

Aldebaran­Robotics 168 bis/170, rue R. Losse­

rand75014, Paris, France

jmonceaux@aldebaran­ro­botics.com

Joffrey Becker

EHESS – LAS52, rue du Cardinal Le­

moine75005, Paris, France

[email protected]

Céline Boudier

Aldebaran­Robotics 168 bis/170, rue R. Losse­

rand75014, Paris, France

cboudier@aldebaran­robo­tics.com

Alexandre Mazel

Aldebaran­Robotics 168 bis/170, rue R. Losse­

rand75014, Paris, France

amazel@aldebaran­robo­tics.com

RESUME Nous avons étudié une façon de créer une bibliothèque d'expressions   émotionnelles   pour   le   robot   humanoïde Nao d'Aldebaran­Robotics.  Cet ensemble d'expressions pourrait être utilisé par les créateurs de comportement de robots humanoïdes pour créer des comportements avan­cés, ou bien utilisés par un simulateur d'émotions. C'est un aperçu d'un travail réalisé  conjointement par un an­thropologue et des chercheurs en robotique qui a abouti à environ une centaine d'animations. Nous ne cherchons pas à fournir une revue de la littérature.

MOTS CLES : Comportements expressifs de robots, ex­pression   émotionnelle,   robot   humanoïde,   Nao,   dé­monstration, Choregraphe.

ABSTRACT In   this  work,  we studied  a  way  to  create  a   library  of emotional expressions for the humanoid robot Nao from Aldebaran­Robotics.  This   set   of   expressions   could   be used by humanoid robot behavior designers to create ad­vanced behaviors, or used by an emotion simulator. It is an insight into a conjoint work between an invited an­thropologist  and robotics  researchers  which resulted in about a hundred different animations. We do not seek to provide a review of the literature.

CATEGORIES AND SUBJECT DESCRIPTORS:  I.2.9. Artificial   intelligence:   Robotics   ­   Commercial   robots and applications.

GENERAL TERMS: Design, Experimentation.

KEYWORDS: Expressive robot behaviors, emotional ex­pression,  humanoid  robot,  Nao,  demonstration,  Chore­graphe.

INTRODUCTIONNao est un robot humanoïde de 57 cm de haut avec 25 degrés   de   liberté.   Chaque   articulation   est   équipée   de capteurs de position. Une centrale inertielle comprenant 2 gyromètres et 3 accéléromètres, ainsi que 4 capteurs de pression mécanique sous chaque pied permettent à Nao d'estimer son état courant. Des sonars donnent une me­

sure de la distance entre le robot et son environnement. Des bumpers sur les pieds détectent les collisions avec des objets sur le sol. Le capteur tactile sur la tête fournit un moyen de communiquer avec le robot, par exemple le récompenser  avec  une  caresse.  Nao  comporte  d'autres périphériques   entrants   comme   deux   caméras   VGA CMOS   (640x480)   et   quatre   microphones.   Les   micro­phones sont des capteurs très importants car nous consi­dérons que la voix est devrait être l'interface la plus na­turelle entre Nao et ses utilisateurs. Un module de recon­naissance de la parole fait partie des fonctions logicielles fondamentales de Nao.  Les périphériques sortant  com­prennent deux haut­parleurs et des LEDs programmables autour des yeux et des oreilles. Le processeur est situé dans la tête du robot : c'est une GEODE 500MHz avec 512Mo de mémoire flash et une possible extension via un   bus   USB.   Une   connexion   Wi­Fi   lie   le   robot   à n'importe quel réseau local  et à  d'autres Nao si néces­saire.  Nao   tire   son  énergie  de  batteries  Lithium Poly­mère qui offrent entre 45mn et 4 heures d'autonomie se­lon son activité.

Quand il est livré, Nao exécute NaoQi, sous Linux,  une structure qui donne accès à toutes les possibilités du ro­bot : envoyer des commandes aux actionneurs,  lire les capteurs,  gérer   les  connexions  Wi­Fi,  etc.  NaoQi  peut exécuter des fonctions en parallèle, séquentiellement ou déterminées par des évènements. Les fonctions de Nao­Qi peuvent être appeles en C++, en Python et même en Urbi.

Choregraphe  est  un   logiciel  qui   tourne   sur  PC et  qui donne accès, grâce à une interface graphique, à toutes les fonctions fournies par NaoQi. Une description complète de Nao est disponible en [9].

Cette présentation introduit les premiers travaux réalisés par Aldebaran­Robotics dans le but d’obtenir une biblio­thèque d’animations dédiées  à   l’expression d’émotions par le robot humanoïde Nao.

L’exploitation de telles animations permettra d'accroitre le potentiel distrayant du robot. Mais nous croyons éga­lement   que   cela   permettra   d’améliorer   la   qualité   de 

l’interaction  avec   l’utilisateur.  En  créant  une  situation d’interaction proche de celle homme­homme à laquelle l’utilisateur est habitué, nous l’inciterons à se comporter d’une manière naturelle plus simple à détecter pour Nao.

Nous croyons aussi que les futurs robots humanoïdes de service   seront   mieux   acceptés   par   les   personnes   s’ils sont en mesure d’exprimer une émotion.  Cela pourrait offrir une solution au problème d’acceptabilité que ren­contrent aujourd’hui beaucoup de systèmes d’aide à   la personne.

CONTEXTECréer un comportement pour un robot humanoïde est un processus qui peut être fastidieux et extrêmement com­pliqué.  Dans   le  cadre  de   son développement,   l’équipe software d’Aldebaran­Robotics a œuvré  pour simplifier autant que possible l’édition et la création de tels com­portements. Ont donc été développées des interfaces gra­phiques accessibles et très compréhensibles, permettant d’accéder à un ensemble de petits comportements utili­sables  comme briques  de  base  dans  un  comportement plus large, et ce par un utilisateur non averti.

Il existe plusieurs types de banques de comportements, en voici quelques exemples : 

• Banque de comportements de perception : détection de visage, détection d’objet, reconnaissance vocale, perception de la gravité, etc.

• Banque de comportements d’interaction : questions à choix multiples, réaction à la présence d’un utili­sateur, etc.

• Banque d’animations ludiques et divertissantes• Etc.

Cette  banque  est  constituée  d’entités   indépendantes  et réutilisables. Ces entités comportementales exploitent :

• Le mouvement des articulations (25 articulations)• Le système d’éclairage (77 LEDs)• Le son 

Nao est un robot humanoïde, ce qui facilite la création de mouvements expressifs compréhensibles instinctive­ment  par   le  spectateur.  Mais  malgré  ceci   il  existe  des différences   entre   ce   que   Nao   peut   utiliser   pour   s’ex­primer et ce qu’un homme exploite. Par exemple : 

• Nao n’a pas de bouche• Nao n’a pas de sourcils• Nao  dispose  d’un   système  d'éclairage  multicolore 

dans les yeux et les oreilles• Nao possède un nombre restreint  d’articulations et 

des membres rigides• Nao a la capacité de diffuser parfaitement un son

Toutes ces différences forcent le créateur de comporte­ment de robot à exploiter d’autres voies pour le rendre 

expressif, souvent au détriment de la lisibilité du com­portement. Cela pose de nouvelles problématiques :

• Comment lier les émotions à la couleur des yeux ?• Comment   faire   sourire   un   robot   qui   n’a   pas   de 

bouche ?• Etc.

Cette étude s’inscrit  parmi  les travaux réalisés  dans le domaine de l’expressivité  des agents  interactifs  ou des avatars.  Notons   pourtant   que   l'expressivité   d’un   robot humanoïde possède quelques différences avec celle des agents couramment utilisés. Par sa présence ou encore sa capacité d’interaction avec son environnement, il obtient une considération que ne pourrait pas avoir un avatar re­présenté sur un écran d’ordinateur. 

MÉTHODOLOGIEUn des  problèmes récurrents  de la  recherche  en robo­tique   émotionnelle   touche  à   l'utilisation  de   typologies d'émotions.  Dans de nombreux travaux,  ces  typologies sont  mobilisées  au   titre  de  prémisses  et  ne   sont  donc quasiment jamais discutées.  Elles constituent des listes tout à fait commodes servant à doter les machines de ré­pertoires d'émotions de bases. En fait, d'un côté l'élabo­ration et  de  l'autre   la  mobilisation  des   typologies   font émerger une relation quelque peu paradoxale. En effet, vouloir   faire   des   machines   émotionnelles,   c'est   para­doxalement chercher à  les doter de sentiments dont on ne   peut   prendre   la   mesure   qu'à   partir   d'un   désir   de connaître l'Homme afin d'encourager ce dernier à cont­rôler ses passions [2]. En fait, ce paradoxe relève d'une histoire   longue,   touchant   aux   origines   de   la   pensée scientifique  [3]   [10],  et  mettant  en  valeur  une   tension classique entre mimesis et techne [4].  La réflexion sur "les passions de l'âme" trouve dans l'art,  et notamment dans   la   représentation  du  corps  humain,   son  principal champ  d'application.  Pour   le  dire   autrement,   c'est   par l'art que s'élabore en premier lieu les principes d'un lan­gage du corps. Ce langage, note l'historien Jean­Jacques Courtine, est porteur non seulement d'une histoire du re­gard porté sur le corps, mais surtout d'un divorce, dans le domaine des sciences, entre une anatomie des passions et un discours du sentiment [1]. Et c'est bien par rapport à cette séparation des savoirs que semblent aujourd'hui se situer les travaux des roboticiens, empruntant tantôt à la perspective évolutionniste de Charles Darwin, tantôt à l'approche plus  phénoménologique  de  Wilhelm Wundt [12].

Sans renoncer à ces deux approches, notre travail a pri­vilégié  l'aspect communicationnel du geste en considé­rant ce dernier en tant qu'image somatique. Comme le note l'historien de l'art Ernst Gombrich, la communica­tion à travers l'image est le produit de deux choses. Elle est, d'une part, possible parce que l'image met en forme des caractéristiques essentielles de l'action qu'elle figure. Ces caractéristiques,  d'autre part,  s'établissent selon un canevas   spécifique  que   l'artiste   extrait   des   représenta­

tions   générales   de   l'action,   telles   qu'il   en   suppose l'existence   dans   l'esprit   du   spectateur   [8].   En   d'autres termes, il s'agit de codifier l'image somatique de sorte à favoriser une inférence correcte de la part du spectateur. Cette   perspective   croise   celle   de   l'éthologiste   Konrad Lorenz,   pour   qui   les   mouvements   permettant   une   in­férence constituent de véritables symboles, rendus effi­caces  "par  certaines  exagérations  de  parties  ayant  une action optique et [ayant été simplifiés] par l'abandon de détails   qui,   certes,   [sont]   essentiels   en   raison   de   leur fonction   mécanique   originelle,   mais   qui   [sont]   d'une faible importance quant à l'émission d'excitations." [11]

RÉPERTOIRE DE GESTESNotre   travail   comporte   une   quarantaine   d'animations renvoyant   à   une   quinzaine   d'états   émotionnels,   eux­mêmes classées selon un axe allant du plaisir au déplai­sir en passant par un état de neutralité.  Chaque anima­tion est de durée variable et consiste en des gestes ac­compagnés de sons, le tout étant souligné par une anima­tion des yeux du robot.

Notre   répertoire   a  été   construit   par  un   croisement  d'­éléments typologiques élémentaires [6] [5] et une mise en situation du robot avec un utilisateur humain dans le cadre d'un scénario. Le but a été, ici, de permettre à l'uti­lisateur d'inférer des états intérieurs à la machine et donc d'encourager   une   interaction   fondée,   chez   l'utilisateur, sur le mimétisme et sur l'empathie. En d'autres termes, le travail  d'animation  a cherché  à   faire  réagir   l'utilisateur par rapport à ce qui lui a été présenté par le robot.

Plaisir Neutralité DéplaisirGrande Joie 

(fig.1 / fig. 3)Joie (fig. 2)AmusementMoquerie

Intérêt (fig.5)

Attente (fig. 4)Surprise

ConcentrationNeutralité

Besoin d'atten­tion

Ennui

DégoûtFatigue

BouderieColère

TristesseDouleur

Tableau 1 : Distribution des principaux états à animer. 

Notre travail s'est ensuite tourné vers la recherche de va­riations à partir des images somatiques produites. Deux directions ont été suivies. Une première a consisté à faire varier la temporalité de chacune des émotions animées. Dans ce cas,  il  a  fallu  réduire des animations pouvant parfois atteindre vingt secondes à des séquences de plus ou moins cinq secondes.  La seconde direction suivie a 

consisté   à   faire   varier   l'intensité   des   gestes   produits. Dans ce cas, il a fallu animer le robot de sorte à rendre perceptible   une   augmentation   de   son   activité.   Trois groupes de quatre animations ont ainsi été  constitués  : un premier groupe portant sur l'amusement, un deuxième sur la joie, et un troisième sur la surprise.

Figure 1 : Joie.

Figure 2 : Rire.

Figure 3 : Attente.

Figure 4 : Interêt.

Les titres des sections doivent être en Helvetica gras 9 points, en capitales. La ligne de titre est précédée d’un espace d’une ligne,  et  suivie d’aucun espace.  Les  sec­tions ne sont pas numérotées.

UNIVERS SONOREParallèlement au travail d'animation, il a fallu accompa­gner les gestes de la machine de sons aisément identi­fiables  par   l'utilisateur  humain.  Par   souci  de  produire une   image   cohérente   aux   yeux   de   l'utilisateur,   nous avons cherché  à  utiliser des sons proches de ceux que pourrait produire un être de la taille de Nao. Le risque, nous   le   savons,  est  de  constituer  une   image suffisam­ment chimérique   pour créer une anomalie taxinomique favorisant un sentiment d'étrangeté chez l'utilisateur [13] [14].

La raison est à lier à l'impossibilité, pour le moment, d'u­tiliser la synthèse vocale pour produire les onomatopées qui ponctuent parfois l'expression des émotions chez les humains. Nous avons, par conséquent, privilégié  l'utili­sation  d'échantillons  de   tonalité   aiguë.  Ces  sons   inter­viennent seuls ou par groupes de deux ou trois lors de l'animation. Il diffèrent également selon la temporalité et l'intensité propres aux quelques variations sur lesquelles nous avons travaillé.

ANIMATION DES YEUXPour compléter  cet  ensemble constitué  de gestes  et  de sons,   nous   nous   sommes   appuyés   sur   l'animation   des LEDs des yeux du robot. Nao a la particularité d'avoir, à la   place   des   yeux,   huit   segments   composés   de   trois LEDs chacun.  Nous  avons  donc élaboré  un code,  mis par la suite en place dans les séquences de gestes, et dont le but est de souligner le caractère singulier de chaque animation.

Nous n'allons pas entrer dans le détail de ce code. L'as­sociation  des   couleurs   et   des  émotions  pose  de  nom­breux  problèmes   tant  elle   renvoie  à  des   traditions  qui puisent autant du côté  de l'ésotérisme que de l'histoire d'une théorie de la couleur dans l'art [7]. Tout au plus, pouvons­nous souligner le caractère profondément arbi­traire de cette association. Et en un sens, il en est peut­être mieux ainsi. La codification des formes et des cou­leurs  des  yeux  du robot  semble ainsi  n'appartenir  qu'à lui.

CONCLUSIONAvant   tout   rappelons   ici,  que   l’objectif  de  cette  étude n’est  pas de doter Nao d’un système émotionnel,  mais d’offrir   aux  créateurs  de  comportements  de   robot  une banque   dans   laquelle   il   pourra   trouver   des   éléments d’expression utiles à sa composition. Un simulateur d’é­motion pourra également exploiter cette banque automa­tiquement.

Cette étude nous permet d’entrevoir le potentiel expres­sif du robot Nao d’Aldebaran­Robotics, mais également de mettre à jour les ambiguïtés d’une telle démarche. La 

difficulté  à  définir  un code,  qui serait  globalement  re­connu malgré les variations culturelles et les différences morphologiques   entre   un   robot   humanoïde   de   petite taille et un homme, a demandé une approche artistique.

Néanmoins la forme humanoïde facilite la communica­tion entre humains et robots. La peur est symbolisée par un mouvement de recul, la rencontre par un mouvement de bras vers l'avant et la surprise par un mouvement vif. Toutefois   l'absence   d'un   visage   limite   l'expression   de comportements subtils comme l'incertitude, le sourire, le doute, etc. Nao ne possède ni bouche ni sourcils, ce qui entraîne l'exploitation d'une expression corporelle  cari­caturale. 

Dans   cette   étude,   nous   avons   choisi   de   réaliser   une banque d’animations expressives constituée d’entités in­dépendantes et hautement réutilisables. Ceci permet aux créateurs de comportements  de robots de créer  rapide­ment des comportements expressifs sans se préoccuper du   contexte   comportemental   dans   lequel   sera   jouée l’animation. Nous restons néanmoins conscients qu’une prochaine étape sera de s’orienter vers l’inflexion auto­matique  d’un  comportement  ou  animation  en   fonction d’une expressivité souhaitée. Mais ce point lève de nom­breux problèmes techniques aussi bien que théoriques.

Finalement,   le résultat  obtenu  dans cette  étude  est  en­courageant  et  est  plutôt  bien reçu par   le public.  Notre prochaine étape sera double : 

• Travailler avec des artistes professionnels de l'ani­mation

• Soumettre le résultat de leur créations à un public de multiculturel de test afin de réaliser une évaluation de la   lisibilité  de  l’émotion  que  nous cherchons  à communiquer.

Par   ailleurs,   Aldebaran­Robotics   recherche   d’autres moyens d’expression d’émotions, en particulier dans le projet  GV­Lex  (projet  ANR,  financé  par   le  gouverne­ment français) où nous recherchons, avec l’aide de nos partenaires,  à  développer une synthèse vocale plus ex­pressive.

BIBLIOGRAPHIE1. Courtine, J­J. "Le Miroir de l'Âme", In Histoire du 

Corps, Tome 1, De la Renaissance aux Lumières, G. Vigarello, Ed. Seuil, Paris, 2005, 303­309.

2. Courtine,   J­J.,   Haroche,   C.  Histoire   du   Visage,  Exprimer  et  Taire ses  Émotions  (XVIème – début  XIXème   siècle),   Paris,   Petite   Bibliothèque   Payot, 2007.

3. Descartes,   R.   "Traité   des   Passions",   In  Œuvres Choisies,   Bar­Le­Duc,   Contant­Laguerre   Éditeur, 1649.

4. Desjardin,   L.  Le   Corps   Parlant,   Savoirs   et   Re­présentations des Passions au XVIIème siècle, Paris, L'Harmattan, 2001.

5. Ekman, P. "Basic Emotions", In Handbook of Cog­nition ans Emotion, T. Dalgeish and M. Power, Eds John Wiley and Sons, Sussex, 1999, 45­60.

6. Ekman, P. "The Repertoire of Nonverbal Behavior : Categories, Origins, Usage, and Coding", Semiotica, 1, 1969, 45­60.

7. Gage, J. Color in Art, London, Thames and Hudson, 2006.

8. Gombrich, E. H. "Action and Expression in Western Art", In  Non­Verbal Communication, R. A. Hinde, Ed. Cambridge University Press, Cambridge, 1972, 373­394.

9. Gouaillier, D., Hugel V. et al. "Mechatronic design of  NAO humanoid".  IEEE Int.  Conf.  on Robotics  and Automation, Kobe, 2009.

10. Le   Brun,   C.  Conférence   de   Monsieur   Le   Brun,  Premier  Peintre du Roy de France,  Chancelier  et  Directeur  de l'Académie de Peinture et  Sculpture,  sur   l'Expression   Générale   et   Particulière,   Paris, Etienne Picart, 1698.

11. Lorenz, K.  Trois Essais sur le Comportement Ani­mal et Humain, Paris, Seuil, 1970.

12. Scherer, K. R. "What are Emotions ? And How can They be Measured ?",  Social Science Information, 44­4, 2005, Sage, 695­729.

13. Severi, C.  Le Principe de la Chimère, Une Anthro­pologie de la Mémoire, Paris, Rue d'Ulm, 2008.

14. Sperber, D. "Pourquoi les Animaux Parfaits, les Hy­brides et les Monstres sont­ils Bons à Penser Sym­boliquement ?", L'Homme, 15­2, 1975, 5­34.