• No results found

Human Adaptive Mechatronics and Human-System Modelling

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Human Adaptive Mechatronics and Human-System Modelling"

Copied!
14
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

International Journal of Advanced Robotic Systems

Human Adaptive Mechatronics

and Human-System Modelling

Regular Paper

Satoshi Suzuki

1,*

, Hiroshi Igarashi

2

, Harumi Kobayashi

3

, Tetsuya Yasuda

3

and Fumio Harashima

4

1 Department of Robotics and Mechatronics, Tokyo Denki University, Japan 2 Department of Electrical and Electronic Engineering, Tokyo Denki University, Japan 3 Division of Information System Design, Tokyo Denki University, Japan

4 Tokyo Metropolitan University, Japan

* Corresponding author E-mail: [email protected]  

Received 1 May 2012; Accepted 8 Jan 2013 DOI: 10.5772/55740

© 2013 Suzuki et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative

Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract Several topics in projects for mechatronics studies,  which  are  ʹHuman  Adaptive  Mechatronics  (HAM)ʹ  and  ʹHuman‐System  Modelling  (HSM)ʹ,  are  presented  in  this  paper.  The  main  research  theme  of  the  HAM  project  is  a  design strategy for a new intelligent mechatronics system,  which enhances operatorsʹ skills during machine operation.  Skill  analyses  and  control  system  design  have  been  addressed. In the HSM project, human modelling based on  hierarchical  classification  of  skills  was  studied,  including  the  following  five  types  of  skills:  social,  planning,  cognitive,  motion  and  sensory‐motor  skills.  This  paper  includes digests of these research topics and the outcomes  concerning  each  type  of  skill.  Relationships  with  other  research activities, knowledge and information that will be  helpful  for  readers  who  are  trying  to  study  assistive  human‐mechatronics systems are also mentioned. 

 

Keywords Mechatronics, Skill Analysis, Assistive Control 

 

1. Introduction 

There  are  a  growing  number  of  disciplines  for  human‐ friendly  mechatronics  design  such  as  Human‐factors 

engineering,  Ergonomics  design  and  Human  centred  design.  These  technologies  have  been  utilized  for  the  design of mechatronics systems and gadgets in our daily  life.  No  matter  how  well  mechatronics  are  designed,  however, there are always situations where the user has  to adapt to a mechanical system on one level or another.  The  reason  is  that  usually  the  machine  itself  is  not  designed  so  as  to  adapt  to  each  human  user,  although  human  users  can  adapt  to  each  mechatronics  system.  Therefore,  to  resolve  such  a  seemingly  contradictory  situation,  the  concept  of  Human  Adaptive  Mechatronics  was launched in 2004 [1]. A HAM‐project was started as a  21st  century  Centre  of  Excellence  (COE)  programme  supported  by  MEXT  (Japanese  Ministry  of  Education,  Culture,  Sports,  Science  and  Technology)  during  2004‐ 2008 [2,3]. Required functions for HAM are the ability to  adapt  to  an  operator’s  skill  and  assist  them.  Therefore,  human‐skill  evaluation  methods  and  assistance  control  methods  (for  instance,  a  tiny  force  assist  control  on  an  haptic  system  [4],  an  adaptive  impedance  control  [5,  6],  an assistant control system recovering against inadequate  human  operation  [7]  and  safe  manual  control  [8])  were  studied  and  several  applications,  such  as  a  surgery  support robot system [9], were developed. 

(2)

The conceptual meaning of  ʺskillʺ has been, however,  dealt  with  ambiguously.  In  other  words,  systematic  approaches  considering  skill  type  have  not  been  discussed sufficiently in the HAM project. Hence, as the  next challenge after the HAM project, new research into  `human‐system modellingʹ was carried out during 2008‐ 2010  for  the  systematization  of  skill  evaluation  and  assistance control [10]. The main purposes of this are ʹthe  establishment of systematic human system modellingʹ  and  ʹthe accumulation of assistance methods and skill  evaluation methodsʹ. For the first purpose, a hierarchical  classification of skills was proposed, as shown in Fig. 1.  This classification was based on existing human models  (such as a Normanʹs seven stage model, a model human  processor and Rasmussenʹs skill/rule/knowledge model)  and outcomes obtained from the HAM project [11]. 

  Figure 1. Hierarchical classification of skills 

The hierarchy consists of the following skills: social‐ (S1),  planning‐ (S2), cognitive‐ (S3), motion‐ (S4) and sensory‐ motor (S5) skills. The S5, a sensory‐motor skill, is the  lowest and relates mainly to voluntary motion. This skill  concerns cooperation between the neural system and the  musculo‐skeletal  system  inside  the  human  body.  S4  (motion skill) relates to the continuous execution of each  body part motion. For example, the sequential execution  of finger, hand and arm motions when using a hand tool.  S3 is cognitive skill. This mainly concerns recognition of  circumstance and includes a wide range of  cognitive  issues,  such  as  the  understanding  of  meanings.  S2  (planning skill) relates to understanding a whole task  process and recognising sub‐tasks within the whole task.  This skill also relates to the task management of sub‐ tasks, which requires consideration of eventsʹ causality  and time scheduling. S1 is social skill, which relates to  communication,  conversation,  negotiation  and  the  estimation of other intentions. 

 

Of course this hierarchical classification is not perfect;  however, such classification will be helpful for research  concerning human skills and for the design of human  assistive  systems.  For  instance,  when  a  job  involves  assistance system design, the system designer will be able  to find a better approach of how to deal with each skill 

type after clarifying the priority of these skill types. By  referring to similar methods categorized as each skill  type, concrete solutions for the design of an assistive  system can be obtained. Therefore, this paper introduces  research activities, knowledge and information, which  will  be  useful  for  readers  who  are  trying  to  study  assistive mechatronics systems. In particular: 

 

 Digests  of  the  authorsʹ  research  activities  and  outcomes concerning each skill type are shown and    Items and factors that should be considered for each 

skill are explained.   

The organization of this paper is as follows. Section II  introduces experimental tasks, which were designed or  used in the authorsʹ study. These tasks are explained in  advance in order to make the following topics easier to  understand  for  readers.  In  Section  III,  analyses  and  outcomes relating to each skill type are explained with an  introduction  to  the  background  and  other  existing  studies. Section IV introduces a comprehensive analysis  that addresses the social skills involving other levels.  Finally, Section V is a conclusion of the research. 

2. Experimental tasks to investigate individual skill levels  Research on the human‐system modelling project has  been carried out basically through the following process:  1)  design  of  experimental  tasks  concerning  the  hierarchical classification of skills, 2) collection of data of  human behaviour measured  using these experimental  tasks, 3) proposal of a skill evaluation method by analysis  of the collected data, 4) suggestion of how to design an  assistance system by utilizing the obtained knowledge  and 5) verification of the presented assistance system by  using the experimental task again. In order to help the  reader  understand  the  topics  described  in  the  latter  sections,  each  experimental  task  is  explained  in  this  section. 

A.  Stick stabilization task (ss‐task) 

Stick balancing is a good example of a method to study a  voluntary motion mechanism, since the participant has to  recognize the status of the stick (that is a controlled  object) and control his/her own hand according to the  status. Many studies on stick balancing or manual control  of a pendulum have been reported [12‐19]. The following  facts about a skilled stick balancer are known: 

 

 The distribution of changes in hand velocity is a  truncated Levy distribution [15]. 

 The power spectrum of fluctuations in the stickʹs  height shows two scaling regions with two different  power laws [14, 18, 20]. 

 About  98%  of corrective  movements  occur  faster  when  compared  to  the  time  delay  of  human  perception [16]. 

(3)

Since knowledge of the skill properties required for stick 

balancing  is  well  known,  a  stick  balancing task was 

adopted for the authorsʹ study and investigation of the 

sensory‐motor skill. Since our primary research concern is 

human  assistance  in  a  machine  operation,  an 

experimental  system  to  stabilize  a  virtual  computer‐

graphics (CG) stick by manipulation of a machine was 

developed,  as  shown  in  Fig.  2(a).  The  experimental 

system  consists  of  two  units:  a  real‐time  computer 

graphics generation of a virtual pendulum and a haptic 

interface device. The participant manipulated a grip fixed 

to the slider of the interface device and the force exerted 

by the participant was measured by a sensor embedded 

in the slider. The motion of the virtual pendulum was 

computed  in  real  time  using  the  measured force.  A 

process and principle for acquiring the sensory‐motor 

skill  were  investigated  by  analysing  the  relationship 

between the force and status of the virtual pendulum by 

the  system  identification method along  with  a brain 

monitoring method 

 

Figure 2. Experimental setup of stick balancing task (a) and the 

head probe of the NIRS system (b). 

An optical topography system, which is a non‐invasive 

measurement of changes in the concentration of oxy‐ and 

deoxy‐haemoglobin  using  near‐infrared  spectroscopy 

(NIRS),  was  used  as  a  brain  monitoring  method,  as 

shown in Fig. 2(b). Since “the hemodynamic response is 

partly related to neuronal activity [21]” the activation 

strength in each local brain area can be estimated by 

detecting changes in the concentration. NIRS is robust 

against  electrical  noise  because  it  utilizes  optical 

measurement,  which  allows  it  to  measure  the  brain 

activation  of  natural  behaviour  in  a  non‐restrictive 

environment, such as speaking [22], reading [23] and 

language recognition [24]. Because of the admissibility to 

participantʹs  natural body motion and  the  robustness 

against electrical noise from other machines manipulated 

by him/her, NIRS was adopted for our study. 

B. Remote radio control task (rr‐task) 

In this task, a participant executes tele‐operation of radio‐

controlled  constructing  machines  [25].  This  task  was 

devised  to  analyse the  hand  and eye motion  of  the 

operator in order to investigate cognitive and planning 

skills.  The  purpose  of  the  operation  was  basic  soil 

excavation work, as shown in Fig. 3(a).  

 

Figure 3. Radio controlled construction equipment in a work 

area (a) and the operation console (b). 

The field included three drilling sites, one unloading site, 

a  motorable  road  and  restricted  areas.  The  operator 

manipulated both an excavator and a truck and used 

console switches to move the machines to the drilling site, 

collect sample pieces with the excavator, load the pieces 

on the truck bed and carry them to the unload site by the 

truck.  He/she  was  required  to  optimize  the  task 

scheduling  by  considering  shortening  the  task  time. 

Wireless cameras on the excavator and the truck captured 

video images and displayed the images on monitors for 

the operator, as shown in  Fig. 3(b). To measure the 

positions of  the  machines in  the  field,  infrared  LED 

markers were placed on the work area and were attached 

to the machines and were observed by a camera attached 

to  the  ceiling.  Their  positions  and  directions  were 

computed  by  the  Labview  system  with  an  image‐

processing module. The operation of switches on the 

console was also recorded by the A/D and DIO interface 

in the Labview system. Eye motion of the operator was 

also measured and utilized for skill analysis. 

C. Dynamic driving task (dd‐task) 

This task is a kind of driving simulator that imitates the 

dynamics of a hovercraft on a giant  slalom  course.  A 

hovercraft was adopted since its manipulation was difficult 

for almost all participants in the beginning. Fig. 4 shows the 

whole course. The course consists of side walls, a start‐line, a 

goal line and 15 check‐flags. Participants were required to 

propel the hovercraft to the goal passing through all 15 flags. 

At that time, he/she was requested to consider the following 

two points: whether to be as fast as possible and as close to 

the flags as possible. The operator controls the hovercraftʹs 

thruster forces by manipulating a joystick, as shown in Fig. 

5(a). Logs of the joystick manipulation, hovercraft status and 

gaze  position  were  measured  and  the  human  control 

characteristics in training were analysed. 

 

(4)

 

Figure 5. An experimental scene of the dynamic driving task (a) 

and a camera image captured by the gaze measurement system 

(b). 

D. Cooperative carrying task (cc‐task) 

This  task  was  designed  to  collect  data  of  human 

behaviour in order to analyse social and planning skills. 

Conversation among participants and their eye motions 

were recorded and brain activity, brain waves and the 

robotsʹ manipulation data were measured during  the 

task.  Fig.  6  shows  the  experimental  scene  and  the 

recorded image for gaze analysis. 

 

Figure 6. An experimental scene of the cooperative carrying task 

(a) and a sample of recorded image (b). 

In the cooperation task, three participants worked in the 

same virtual space. Each participant sat in front of each 

monitor, used a joystick to manipulate their own virtual 

mobile robot, cooperated with the other operators and 

conveyed three boxes to target places. Fig. 7 shows an 

overhead view of the virtual space. The virtual space 

layout  was  intentionally  designed  so  as  to  require 

cooperation, such as simultaneous action to rotate the 

box,  to  induce  self‐motivated  operation  among 

participants. 

 

Figure 7. Overhead view of the virtual space for cooperation‐

carrying task 

3. Analysis and its outcome 

Results obtained by the experimental tasks, which were 

mentioned in Section II, are explained in this section with 

respect to each skill type. 

A. Sensory‐motor Skill (S5) 

Sensory‐motor  control  is  an  essential  human 

processing/motion system,  which involves haptic and 

visual perception, information processing in the brain 

and an activation of muscles in the arm and leg. In the 

manipulation  of  most  mechatronics  systems,  visual 

information is mainly utilized.  Specifically  for skilled 

manipulation  of  a  machine,  adequate  ability  of  a 

visuomotor control is required for the operator to control 

their own arm and hand in order to adjust motion of an 

interface device such as a handle or a lever depending on 

a change of scene. As studies of visuomotor control, 

numerous studies such as a linear servo control model 

[26], a PID‐based time‐variant model having randomness 

[27], and an optimal control model [28] are known, and 

they have been utilized for a design of human‐machine 

systems. Although the focuses of those models differ 

according  to  its  objective,  the  main  points  of  the 

discussion about visuomotor control are (a) time‐delay 

compensation,  (b)  learning  and  (c)  estimation. 

Concerning point (a), delays lie between about 30ms for a 

spinal reflex and up to 200‐300ms for a visually guided 

response [29]. Since a delay decreases the stability of the 

whole system from a control engineering viewpoint, the 

visuomotor  control  cannot  work  well  without  some 

compensation  for  delay.  The  Smith‐predictor is  often 

used as a human model to compensate for time‐delays in 

the nerve system [30] when a target system controlled is 

stable. However, if the controlled system is unstable, the 

Smith‐predictor is not adequate for the human control 

model since an estimation error in the Smith‐predictor 

does not decrease theoretically [31]. In that case, it is said 

that a human model behaves like a forward model in a 

sensory pre‐processing loop. In short, there is more than 

one  way  to  explain  the  human  visuomotor  process. 

Regarding the discussion of point (b), a feedback‐error‐

learning model is widely accepted [32]. The concept of 

the model is that a forward model‐based controller gives 

the most suitable explanation for the visuomotor control 

after learning [33]. The forward model is considered to be 

a basic mechanism for estimating the next state of the 

body motion [31]. This corresponds to point (c).   

The mechanisms of the visuomotor control are explained 

as mentioned above. However, few models can explain 

the stages of the learning process clearly. Therefore, in 

our study the changes in brain activities and control 

characteristics of the human operators were investigated 

from the beginner‐level till the expert‐level by using the 

ss‐task. First, participants were trained in the ss‐task and 

hand motion/force was measured. At the training stage, 

at least ten trials a day (over more than five days) were 

imposed for each participant. Written consent and ethical 

approval  were  obtained  before  the  examinations  (all 

experiments  were  done  after  consent  and  ethical 

(5)

of changes in the hand velocity of participants, the skill  levels  of  the  participants  were  classified  into  high‐ performance (HP), moderate‐performance (MP) and low‐ performance (LP) by referring to Cabreraʹs studies [14].  Finally, using the data of the HP participants, the control  characteristics  of  the  skilled  stick  balancers  were  identified. In particular, if a human is assumed to be a  controller  that  perceives  an  inclination  angle  of  the  pendulum 

 and outputs the hand force fh, the following  control law in consideration of the time shift can be  defined: 

  f (t) kh  (t  ) k(t  ) kd,      (1)  where kand kare constant gains to be estimated and t 

is time. Here,   and   are time shifts andk is d the  drift term. To search for the best values of the time shifts,  the error index e, which was computed by averaging the  identification error of |f (t) f |hh , was checked. Here,fh is  the  estimated  force  that  was  computed  using  the  identified  parameters k, kandk . d The  best  combination of   andwas determined by changing 

them to    : 1 1 and    : 1 1. Fig. 8 shows the  strength distribution of the identified coefficients k, k,

d

k and e. The vertical and horizontal axes on each graph  are   and , respectively. The white (black) area in 

each graph indicates the large (small) value. 

  Figure 8.  Strength distribution of the identified coefficient: (a) 

k, (b) k, (c) kd and (d) e. 

As the drift term  kd is sufficiently smaller than any of  |k |  or |k | , Eq. (1) appears to be appropriate as the 

form of the control law of the expert. Moreover, the  magnitude of |k| was larger than that of the other  terms; hence, it transpired that the expert was paying  attention to the change in velocity more than posture  information. Furthermore, Fig. 8 shows that the error  index in the vertical axis is smallest when   0.18 and  that the error index in the horizontal axis is smallest when 

0.04 

   . This negative sign of  is interpreted as the 

prediction concerning the measured velocity information.  In conclusion, the expert recognized the posture of the  controlled object about 0.18 seconds after observation and  predicted the velocity about 0.04 seconds before by using  oneʹs  internal  model.  It  can  be  surmised  that  the  prediction based on an internal model of the controlled  object is key to the skilled visuomotor control. 

 

Next, the measured NIRS data were analysed to find the  brain property of the skilled balancers. Generally, the  primary  motor  cortex  (MsI)  and  the  primary  somatosensory cortex (SmI) are important for voluntary  motion and the movements of most muscles in the body  are  controlled  by  local  regions  in  these  cortices.  Furthermore, the supplementary motor area (SMA) and  the premotor cortex (PMC) relate to generating command  of the voluntary motion from the generated intentions.  Locations  of these  brain  areas  and  the  measurement  position of the NIRS headset are illustrated in Fig. 9(a)  and  9(b),  respectively.  The  International  10‐20  measurement system, which is an application method  that uses the electrodes of an electroencephalogram and  is based on the distance between the nasion and the inion  of the scalp, was used to determine the position of the  probe. Changes in the concentration of total haemoglobin  (sum of oxy‐ and deoxy‐heamoglobin) were measured  using an ETG‐4000 system (Hitachi Medical Corporation,  Tokyo, Japan). Reflections of lasers in the near infrared  were measured 10 times during each sampling interval  and  the measured  data  was output every 100ms  by  averaging these reflections to attenuate noise effect. 

  Figure 9. Positional relation of side view of the brain (a) and the 

corresponding position of NIRS headset (b). 

The 48ch data of total haemoglobin were analysed using   principal  component  analysis  (PCA).  As  a  result,  a  topography  map  in  the  brain  showed  the  difference  between the HP, MP and LP participants, as shown in  Fig.  10.  When  we  investigated  activation  of  the  HP  participantʹs brain, activation of the right and left regions  corresponding to the eyeball in the primary motor cortex  (MsI) could be recognized (the corresponding area is  labelled using (a3) on images (a) in Fig. 10). Further  activation in the right arm and hand regions (that are  located at MsI in the left hemisphere) was not strong. On  the other hand, strong activations for the MP and LP  participants were found in the narrow areas of the torso  and hip, as shown by (b1) and (c1) in Fig. 10. From these  facts, it would be appropriate to think that activation of 

(6)

the  ocular  motor  area  is  a  characteristic  of  the  HP  participant. This means a skilled person concentrates on  observing more than controlling. 

  Figure 10. Topographical images of stick balancers in the three 

skill levels 

According to a study by Cabrera, a skilled stick balancer  performs the on‐off intermittency control (the drift‐and‐ act control). That is, an expert at stick balancing moves  the hand faster than the time delay of human perception  using a feed forward control and he/she changes this into  feedback control when the pendulum link tilts largely.  Existence of the on‐off intermittency control means that a  human is not a simple continuous‐time controller but a  complex of controllers that are switched depending on  the circumstances. However, from the above‐mentioned  identification results, it was shown that stick balancing  control  can  be  described  well  by  one  linear  model  involving two types of time shifts for the position and  velocity, as defined by Eq. (1). This indicates that the on‐ off intermittency control can be approximated by one  control  law  involving  two  types  of time  shifts.  This  formula will be effective as one for human controller  models to design human‐assistive mechatronics [34].  B. Motion Skill (S4) 

The general motion of a person consists of a sequence of  simple motions including voluntary motion. Therefore, 

the performance of the action decreases if transitions  between motions are not sufficient. To investigate the  skill  of  such  general  motion,  characteristics  of  the  transition  and  the  motion  control  in  operators  were  analysed using the dd‐task, which is more general than  the ss‐task from the point of view of a general machine  operation.  Using  gaze  measurement  during  machine  operation, all the operation sequences were segmented  into piece‐wise linear intervals by checking the saccadic  eye movement of the operator’s change in gaze position  from one target to another. 

 

An illustration that explains the spatial relation in the dd‐ task virtual space is shown in Fig. 11, where  is a relative  angle of the hovercraftʹs travelling direction to the closest  flag (=first flag) and d is the relative distance between the  hovercraft and the first flag. Here,  is a change of the  elevation angle against the fore object and is known as  optic flow, which is an effective index  for analysing  driving behaviour [35]. Note that d and are geometrical  variables in a virtual 3D space and the  is a variable  against the 2D monitor screen. This index is based on the  concept that a human utilizes a change of elevation angle  to estimate a change of perspective. 

  Figure 11. Conceptual illustration of spatial relation around a 

virtual hovercraft of the dd‐task. 

The control law of the operator was identified using the  following piece‐wise linear model with three inputs (, ,  d) and one output (a rotation command to the hovercraft,  ). 

1 2 3

[t ] a [t ] a [t 1] a [t 2]

            

1 2 3

b [t ] b [t 1] b [t 2]     

      

  c d[t ] c d[t 1] c d[t 2]1   2   3         (2)  where tʹ is the time when the operator saw the second  flag first and a ,bi i and ci (i=1,2,3) are gain parameters to  be identified. After identification, the transition of the  ratios in these gain parameters, which were computed as  follows, were investigated to check the learning process:    : 100 ave(a / (a b c))            (3) 

  : 100 ave(b / (a b c))            (4)      d: 100 ave(c / (a b c))            (5) 

(7)

where  a : 

3i 1|a |/3i ,b : 

i 13|b |/3i ,c : 

3i 1|c |/3i   and ave (*) means an average operation. 

 

Five trials a day during five days were carried out by five  novice participants and the obtained data were analysed  by the aforementioned procedure. Table 1 summarizes  the correlation factors between each ratio 

 

and the  manipulation performance (sum of minimum approach  distances to flags, Ef) for each participant. 

 

Table 1. Correlation coefficients of gain ratio against a  manipulation performance 

Since the table shows that the correlations of Ef  and are  all positive, the gain ratio of  decreases as the participant  becomes more skilled, because Ef decreases as the trial  increases. In other words, a weakening of the utilization of  the elevation angle information is related to an increase in  skill. Similarly, other correlation factors of  (Ef  vs

) and  (Ef  vs 

d)  are  all  negative.  Hence,  the  participants  increased the gains to the relative angle and the distance 

d.  These  variables  are  not  observable  directly  to  the  operatorʹs eye since and are variables in the virtual 3D  space. Therefore, it is interpreted that a skilled operator can  recognize the virtual 3D spacial relation from the 2D image  information displayed in the monitor. This fact is useful for  evaluating skill in tele‐operations. 

C. Cognitive Skill (S3) 

For the operation of mechatronics, especially for vehicle  machine  operation,  an  ability  to  understand  the  environment  around  the  operated  machine,  that  is  cognitive skill, is required. Although research regarding  cognitive skill essentially belongs to the psychological  field, how to utilize it for a mechatronics system should  be considered for mechatronics engineers. Therefore, our  study concerning cognitive skill was promoted to find a  better  methodology  for  a  design  of  a  mechatronic  assistance system by utilizing the rr‐task. 

 

First, we focused on the gaze from which the cognitive  activity might be estimated from outside. The cognitive  skill  for machine operation was investigated through  analysis of the eye motion. As a result, video analysis of  the gaze pattern in  the  training process showed  the  following facts: at the early stage, the operator tends to  watch more than one monitor on the console desk in  order to watch the target object; at the skilled stage,  he/she watches a space and the ground through one main  monitor and does not see the target directly [36]. These 

facts are interpreted as follows. The operator acquires  proficiency in environmental cognition and does not pay  attention to objects directly, then uses visual perception  mainly to check positional relation inside the workspace.  Such characteristic behaviour can be utilized to estimate  cognitive skill level from eye motion. 

 

Second, a machine function  to evaluate an operatorʹs  cognitive  skill  level  qualitatively  was  studied.  One  powerful computational tool for this is ontology, which is  a  network model  to describe a  knowledge  structure.  Originally, ontology is a term used in philosophy and is  the study of the nature of being, existence or reality in  general. In more recent computer science, this concept is  used as the basic category of being and relations that can  be shared by both a human and a computer. Building up  ontology consists of two steps: (1) extraction of relations  of `concept classesʹ as a `semantic linkʹ and (2) repetition  of segmentation of each concept class into small classes.  In our research, structures of the knowledge required to  perform the cc‐task were built by the Action Fast Method  [37] and the methodology to apply it to a design of  human‐machine systems was studied. For instance, a part  of the cc‐task ontology is shown in Fig. 12. Since factors  and  causality  that  relate  to  present  statuses  can  be  estimated by referring the link network of the concept  classes in the obtained ontology, the network structure of  ontology can be utilized to guess an operatorʹs (future)  intention and to evaluate their cognitive skill. An applied  example is mentioned in Section 3.D2. 

 

Figure 12. A part of the cc‐task ontology 

D. Planning Skill (S2) 

D1. Evaluation of skill from the reaching action 

After mastering both voluntary motion control (S5) and  the combination of their motions (S4), a planning skill to  manage  sub‐actions  is  required.  Since  planning  is  a  reiteration of judgement and the execution of actions,  superiority and inferiority in the connections of these two  processes  appears as  a  difference  in  the level of the  planning skill. Conversely, the detection of unnatural  motions may be effective in evaluating the level. In fact,  such unnatural motion is known as microslip, which is a 

(8)

jerky movement in a hand reaching action. By Reedʹs  definition, there are four types of microslip: trajectory  change,  hesitation,  change  of  the  hand  shape  and  touching objects [38]. It was reported that microslips  appear more frequently under high cognitive loads and  complex circumstances [39]. In our previous study, the  relationship between task performance and microslips  was investigated through a coffee‐making test and the  strong correlation was confirmed statistically [40]. This  result indicates that a human’s planning skill can be  estimated by observing the hand motion. 

 

Therefore,  using  the  rr‐task,  the  planning  skill  of  a  machine operation was investigated by focusing on the  operators’ hand motion. To be more precise, the discrete  movement of hand was investigated using Fittsʹ law [41].  Fittsʹ law is an experimental formula concerning the time  and distance of a voluntary hand motion. This law is  valid for a reaching action of other body parts and of non‐ straight line courses [42]. Fittsʹ law has been used for the  evaluation of computer interface designs, such as a GUI  [43,44] or a stylus [45]. The present authors also guessed  that the level of planning skill might be detected by  checking the error against Fittsʹ law when inadequate  action like a microslip occurred. Therefore, the travelling  time/distance of the discrete hand motions in a machine  manipulation on the console desk were investigated. Fig.  13 shows the layout of the switches on the control desk.  Each planar coordinate value (x, y) of the switch position  was  registered  as  a  table  and  the  distance  was  computed as a Euclid norm between the starting point (x, 

y)s and the ending point (x, y)e of each hand reaching  motion. The target width W is the size of lever grips and  was also obtained from a pre‐registered table. 

  Figure 13. Layout of console switches and coordinate system  The following formula was used for the analysis  by  referring the Fitts’ law. 

  RT k k x e 1 2         (6)    x : log (2D / W) 2  ,      (7)  where Ris the travelling time of one reaching action and  k1  and  k2 are  constant  coefficients.  is  an index  of  difficulty and it depends only on geometric data of the  distance and width. is a fitting error to Fittsʹ law. e was 

newly introduced in our study and was assumed to vary  by cognitive load on the operator. The coefficients k1 and  k2 were identified by a least square method with Eq. (6)  using the multiple paired values  { T,x}R  from all the  reaching  actions  data.  Describing  the  identified  coefficients as  ˆk and1   ˆk ,2  the fitting error e[i] of the ith  reaching action was computed as  

  e[i]RT[i] (k ˆ1k x[i])ˆ2 .       (8)  Fig. 14(a) and 14(b) show the mean value and covariance  of the fitting error to Fittsʹ law, respectively. Each dotted  line denotes the data of each participant and the bold  solid line is the average for all eight participants. It was  confirmed  that  the  covariance  of  the  fitting  error  decreased (Fig. 14(b)) as the number of trials increased,  although the mean of e was almost flat (Fig. 14(a)). This  fact indicates that covariance of the fitting error to Fittsʹ  law is usable for evaluating the planning skill [46]. 

  Figure 14. Transition of the fitting error to Fittsʹ law: (a) mean,  (b) covariance 

D2. Estimator of operatorʹs intention 

Since planning is a decision of operational intentions, a  function to guess the operatorʹs intention is also required  for  an  intelligent  assistive  machine,  which  enhances  human operation. Estimation of a userʹs intention is quite  useful  for  various applications,  such as in  assistance  software [47], prediction of usersʹ requests on the Internet  [48] and marketing [49]. Estimation of intentions for a  general  human‐machine  system  is,  however,  more  difficult than the above‐mentioned successful examples  since it is also difficult to identify the information types  which are utilized for the operatorʹs decision making.   

To address this problem, the present authors proposed an  algorithm to estimate an operatorʹs intention using the  clustering technique with the multivariate time‐sequence  data of the machine operation [50]. In the algorithm, the  intentions are assumed to be an internal status of the  human model. Therefore, the problem can be considered  as a design of an observer that estimates the operatorʹs  internal  status  in  the  human‐machine  system,  which  consists  of  a  human  (operator),  a  machine  (to  be  manipulated), an environment and the work  task,  as  shown in Fig. 15. 

(9)

  Figure 15. System architecture of human‐machine system  Describing these three types of statuses as the machine  status (M‐status, qM), the environment status (E‐status, qE)  and  the  task  status  (T‐status,  qT),  a  human  during  machine operation can be defined as an information‐ processing system, H(z) s , wheres : [q ,q ,q ] TM TE T TT is  the information to be recognized by the human,  is the  output of operation commands to the machine and is  the intention of the human. Furthermore, based on the  concept  of `spotlight  of selective  attentionʹ in  Global  Workspace Theory [51], mathematical expression of is  defined  as  a  vector  z [0,1] nzof  which  element 

corresponds to one intention strength of one operation  action (nz is a size of vector z). Then, the probabilistic  distribution bel(z), that is a belief of the intention z, is  estimated by the Bayes filtering technique. The basic  algorithm for estimation of bel(z) is given as follows:   

Algorithm: Bayes filter 

  bel(z )t 

p(z |s ,z ) bel(z ) dzt t t 1  t 1 t 1       (9)    bel(z )t   p( |z ) bel(z )t t  t ,      (10)  where subscript and t‐1 mean the time counters. This  algorithm is defined with iterative equations that are  computed  from  time  index  t=1  to  the  final  time  T

t t t 1

p(z |s ,z ) corresponds to a probabilistic distribution  of a transition of intention from zt‐1 to zt given input st

t t

p( |z ) is the conditional probabilistic distribution of  judgment that outputs t if the intention zt happens to be  true.  is a so‐called Bayes normalization constant. Eq. (9)  is a prediction to obtain a belief bel(z ) att  the time of t.  Eq. (10) is called a measurement update and adjusts the  prediction bel(z ) byt  considering the probabilityp( |z )t t .  Via this update, a new belief bel(z ) att  time t is obtained.  The estimation of the intention, say ˆz ,t  is computed as a  median of the distribution ofbel(z ) .t  

 

In  our  approach,  the  state  transition  relation  of  an  operatorʹs intentions was formed using Self‐Organizing  Map (SOM), which was trained using the measured data  of the operation and environmental variables with the  reference intention sequence. SOM is an artificial neural  network for discriminating multi‐dimensional data and  is adequate for data processing of large dimensional  data  since  the  SOM technique can  compress  multi‐ dimensional information into a lower (two) dimensional  map  by keeping  original  topological information. In 

other words, similar types of data gather together and  different  types  get  away  from  each  other  on  the  clustering map. Such Bayesian property embedded in  the SOM is expected to be utilized to predict a transition  of  status  and  we  utilized it  for the Bayes  filtering  algorithm to compute the probability of state transition.  Refer to [50] for the detail. 

 

Applying  the  proposed  algorithm  to  the rr‐task,  the  estimatorʹs ability was verified. First, types of remote  operation  of  the  construction  equipment  and  the  definitions of elements (1)z,(15)z in intention vectors  were defined, as summarized in Table 2. 

  Table 2. Classified operational intention modes, variables and  labels 

Second, the SOM was trained using time‐sequence data  including  the  machineʹs  status  and  command  of  operation. The obtained SOM is shown in Fig. 16. Labels  described in Table 2 are attached to each cluster of the  corresponding mode in the figure. It can be confirmed  that obvious clusters are formed. 

  Figure 16. Operation modes map generated by SOM 

Third,  using  the  above‐mentioned  Bayes  filtering  algorithm with the obtained SOM, say the SOM‐Bayes  estimator, intentions of other operators were estimated  as a validation. Fig. 17 shows the transitions of the  estimated intention by comparing with the human‐ discerned  intentions.  Lines  show the  transitions of  intention modes from T/A‐a ((1)z ) to T/TU ((15)z ). Red  lines were identified by the SOM‐Bayes estimator. Blue  lines were discerned by a human analyst. The red lines  by the estimator overlap with the blue lines by the  human analyst well in the case of almost all intention  modes. 

(10)

 

Figure 17. Transitions of intentions (Red lines: by SOM‐Bayes 

estimator, Blue lines: by human analyst) 

Additional analysis confirmed that the estimator could  identify the intention modes at 44‐94% concordance ratios  against normal intention modes whose periods can be  found by about 70% of human analysts [50]. Moreover, it  was shown that distances between clusters on the SOM  have a strong relation to the operatorʹs skill level in task  performance [52]. As shown above, it was demonstrated  that not only estimation of intentions but also evaluation  of skill is available by utilizing SOM. In addition, the  SOM‐Bayes  intention  estimator  can  be  enhanced  by  combination with a Petri net based on ontology, which  was shown in the previous Section III.3. Refer to [53] for  the details. 

4. Comprehensive analysis of high‐level skill 

Skills from the sensor‐motor skill (S5) to the planning  skill (S2) concern a relationship between one operator and  a machine(s). Social skill (S1) differs from those skills in  terms of an existence of more than one person; hence, the  social skill is conceptually highly independent compared  with the other skills. Social skill is, however, inseparably  connected to the other skills since an enhancement of  social skill comes after mastering those other skills. For  instance, the planning skill is often taught to other people  via social communication. 

 

The authors studied social  skill by using  the  cc‐task  investigating other skills. The cc‐task is a type of the  vehicle tele‐operation task, which is similar to dd‐task. In  this experiment, the participants joined the cc‐task after  they had mastered the manipulation of a virtual vehicle  so as to eliminate an effect of a learning process of the  sensory‐motor  skill.  Several  studies  about social  skill  using the cc‐task are introduced below. 

A. Role in a collaborative work 

Individual characteristics of the operatorsʹ behaviour in  the  collaborative  work  were  investigated  through  analysis of log data, including the machine operation and  vehicle  motion  of  all  participants.  The  individual  characteristics were classified into three types: observer,  leader  and  transporter.  Through  analysis,  it  was  confirmed  that  adequate  and  obvious  role  allotment  according to circumstance increased the efficiency of the  whole  work [54]. Fig. 18  shows that the distribution  between  the  ratio  of  conveying  and  the  ratio  of  observation had spread as the cooperative skill increased.  This study could present one of indexes to evaluate social  skill. 

 

Figure 18. Change of ratio of action and observation in the 

cooperative work. 

B. Analysis of spoken language 

From the point of view of communication, which is a  representative  property  of  social  skill,  corpuses  of  utterance  in  conversation  among  participants  were  analysed. It was found that corpuses used among them  were commonalized as the social skill increased and that  common ground was formed [55]. This fact indicates that  sharing of a common communication scheme specialized  for a given task is significant for a skilled team. 

C. Analysis of eye motion 

Eye motion is important not only for visuomotor control  and perception to recognize circumstance but also for  nonverbal communication. Eye motion occurs in order to  guess another personʹs intention by watching the eyes, or  is utilized as a cue for mutual confirmation with other  people. A well‐known example is a joint attention [56].  Direction  of  gaze  is  also  utilized  for  nonverbal  communication  by combination  with  pragmatics  [57].  These follow that eye motion may reflect social skill.  Therefore, in this subsection, an attempt to derive an  equation to estimate team skill from the measurement of  the eye motion of an individual is shown. 

 

Basic  eye‐movements  are  saccade,  fixation,  smooth  pursuit  and  nystagmus.  In  our  study,  saccade  and  fixation  were  investigated  in  common  with  existing  studies [58, 59]. Specifically, the following factors were  investigated: (1) response time of eye‐movement against  the target object’s motion, (2) gaze duration, (3) frequency 

(11)

of  saccade  motion,  (4)  velocity  of  saccade  and  (5) 

movement distance of saccade. Moreover, it is known 

that the driver of the vehicle tends not to notice events 

captured  in  the  peripheral  vision  area  since  he/she 

concentrates on the direction of travel of the vehicle [60]. 

It is also known that inessential eye movement of a 

skilled driver decreases [61]. Taking into consideration 

these facts, two cases of low and high speed driving were 

considered against the above‐mentioned five factors and 

total ten characteristics factors were investigated in our 

study.   

Since the aim of the analysis was to induce an equation, 

which evaluates a canonical team‐skill, the induction was 

processed eliminating outliers from the measured data. 

Specifically, data including strong individual differences 

were  eliminated  by  the  Smirnov‐Grubbsʹ  outlier  test 

(p<0.1)  and  the normality of the remaining data was 

checked by Lilliefors test (p<0.1). Then, correlation of 

averages  of  each  factor  among  participants  was 

investigated. It was confirmed that three factors, which 

are  saccade  velocity  of  high‐speed  driving,  saccade 

distance of high‐speed driving and saccade velocity of 

low‐speed  driving,  have  a  high  correlation  with  the 

number of trials. Next, these three eye‐movement factors 

were  decomposed  by  PCA.  Finally,  an  equation  to 

estimate a team skill was derived by using the weighting 

coefficients  corresponding  to  the  first  dominant 

component vector on the PCA. Transition of the skill 

values predicted by the deduced equation is shown in 

Fig.  19.  Investigating  those  predicted  values  against 

another skill index, a high correlation (0.56‐0.84) was 

confirmed. Hence, the effectiveness of the deduced skill 

equation was confirmed [62]. This result can be utilized to 

evaluate  team  skill  in  collaboration  work  using  the 

machine manipulation. 

 

Figure 19. Transition of predicted skill level (Seven participantsʹ  and its average data) 

5. Conclusion 

This  paper  introduced  a  hierarchical  classification  of 

skills, which is helpful for designing assistive systems for 

machine  operators.  After  the  experimental  tasks  for 

investigations  into  the  five  types  of  skills  in  the 

classification were explained, research applications and 

the outcomes, which are the skill evaluation methods and 

assistive system designs, were presented. Although any 

task is related to various types of skill level, utilization of 

the hierarchical classification of skills will make what is 

important for designing an adequate assistive system for 

the given task clear. 

6. Acknowledgments 

This research was supported by a Grant‐in‐Aid for the 

21st Century COE (Centre of Excellence) Programme and 

a  Grant‐in‐Aid  for  Scientific  Research  (A)  from  the 

Ministry  of  Education,  Culture,  Sports,  Science  and 

Technology,  Japan.  The  authors  wish  to  thank  the 

Ministry for their generous financial assistance and the 

many participants who cooperated for our experiments. 

7. References  

[1] K.  Furuta,  “Control  of  Pendulum:  From  Super  

Mechano‐System to Human Adaptive Mechatronics” 

Plenary, Proceedings of the 42nd IEEE Conference on 

Decision and  Control,  Hawaii, USA, 2003: 1498– 1507. 

[2] F.  Harashima,  “Human  Adaptive  Mechatronics” 

Keynote speech, Proceedings of the  IEEE  Industrial 

Electronics Society, Raleigh, USA, 2005. 

[3] F. Harashima and S. Suzuki, “Intelligent Mechatronics 

and Robotics” keynote speech, Proceedings of the 

2008  IEEE  International Conference  on  Emerging 

Technologies and Factory Automation (ETFA2008), 

Hamburg, Germany, Sept. 2008. 

[4] S. Suzuki, K. Kurihara, K. Furuta and F. Harashima, 

“Assistance Control on a Haptic System for Human 

Adaptive  Mechatronics”  Journal  of  Advanced 

Robotics, 2006; 20(3): 323–348. 

[5] S. Suzuki, K. Kurihara, K. Furuta, F. Harashima and Y. 

Pan, “Variable Dynamic Assist  Control  on Haptic 

Systems  for  Human  Adaptive  Mechatronics” 

Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision 

and Control and European Control Conference (CDC‐

ECCʹ05), Seville, Spain, December, 2005: 4596‐4601. 

[6] S. Suzuki and K. Furuta, “Adaptive impedance control 

to enhance human skill on a haptic interface system” 

in the special issue of Adaptive Control Theory and 

Applications,  Journal  of  Control  Science  and 

Engineering, 2012, Article ID 365067. 

[7]  K.  Furuta,  Y.  Kado,  S.  Shiratori  and  S.  Suzuki, 

“Assisting  control  for  pendulum‐like  juggling  in 

human adaptive  mechatronics” Journal of Systems 

and  Control Engineering, Special  Issues,  IMechE, 

2011; 225(6): 709–720. 

[8] J. Åkesson and K. J. Åström, “Safe manual control of 

the  Furuta  pendulum”  Proceedings  of  IEEE 

International  Conference  Control  Applications, 

(12)

[9] F. Miyawaki, K. Masamune, S. Suzuki, K. Yoshimitsu  and  J.  Vain,  “Scrub  nurse  robot  system  –  Intraoperative motion  analysis of a scrub nurse and  timed‐autobata‐based  model  for  surgery”  IEEE  Transaction  Industrial Electronics, 2005; 52(5): 1227‐ 1235. 

[10] F.  Harashima  and  S.  Suzuki,  “Human  Adaptive   Mechatronics    and  Human‐System  Modeling”  Plenary  talk,  Proceedings  of  the  12th  IEEE  International  Workshop  on  Advanced  Motion  Control (AMC), Sarajevo, Bosnia and Herzegovina,  2012. 

[11] S. Suzuki, “Human Adaptive Mecathorincs” IEEE  Industrial Electronics Magazine, 2010; 4(2): 28‐35.  [12]  P.  Foo,  J.  A.  S.  Kelso  and  G.  C.  de  Guzman, 

“Functional stabilization of fixed points: Human pole  balancing using time to balance information” Journal  of Experimental Psychology: Human Perception and  Performance, 2000; 26: 1281‐1297. 

[13] J. Åkesson and K. J. Åström, “Manual Control and  Stabilization of an Inverted Pendulum” Proceedings  of  16th  IFAC  World  Congress,  Prague,  Czech  Republic, 2005. 

[14] J. L. Cabrera and J. G. Milton, “Stick balancing: On‐ off  intermittency  and  survival  times”  Nonlinear  Studies, 2003; 10(2): 1‐13. 

[15]  J.  L.  Cabrera  and  J.  G.  Milton,  “Human  stick  balancing: Tuning Levy flights to improve balancing  control” Chaos, 2004; 14(3): 691‐698. 

[16] J. L. Cabrera and J. G. Milton, “On‐Off Intermittency  in  a  Human  Balancing  Task”  Physical  Review  Letters, 2002; 89(15): 158702/1‐4. 

[17] A. Priplata, J. Niemi, M. Salen, J. Harry, L. A. Lipsitz  and J. J. Collins, “Noise‐enhanced human balance  control”  Physical  Review  Letters,  2002;  89(23):  238101:1‐4. 

[18] J. L. Cabrera, R. Bormann, C. Eurich, T. Ohira and J.  Milton, “State‐dependent noise and human balance  control”  Fluctuations  and  Noise  Letters,  2004;  4:  L107‐L118. 

[19] J. G. Milton, T. Ohira, J. L. Cabrera, R. M. Fraiser, J. B.  Gyorffy, F. K. Ruiz, M. A. Strauss, E. C. Balch, P. J.  Marin  and  J.  L.  Alexander,  “Balancing  with  Vibration:  A Prelude  for `Drift and  Act’  Balance  Control” PLoS ONE, 2009; 4(10): e7427. 

[20] S. C. Venkataramani, T. M. Antonsen Jr., E. Ott and J.  C. Sommerer, “On‐off intermittency: Power spectrum  and fractal properties of time series” Physica D, 1996;  96: 66‐99. 

[21] J. Daunizeau, C. Grova, G. Marrelec, J. Mattout, S.  Jbabdi, M. Peegrini‐Issac, J. M. Lina and H. Benali,  “Symmetrical event‐related  EEG/fMRI information  fusion  in  a  variational  Bayesian  framework”  Neuroimage, 2007; 36(1): 69‐87. 

[22] M.  J. Herrmann,  A.‐C. Ehlis  and A.J. Fallgatter,  “Frontal activation during a verbal‐fluency task as 

measured  by  near‐infrared  spectroscopy”  Brain  Research Bulletin, 2003; 61: 51‐56. 

[23] Y. Noguchi, T. Takeuchi and K. L. Sakai, “Lateralized  activation  in  the  inferior  frontal  cortex  during  syntactic  processing:  An  event‐related  optical  topography study” Human Brain Mapping, 2002; 17:  89‐99. 

[24] M. Pena, A. Maki, D. Kovačiċ, G. Dehaene‐Lambertz,  H. Koizumi, F. Bouquet and J. Mehler, “Sounds and  silence: An optical topography study of language  recognition at birth”  Proceedings of the National  Academy of Science of the USA, 2003; 100(20): 11702‐ 11705. 

[25] S. Suzuki and F. Harashima, “Analysis of machine  operation  skills  using  hand  discrete  movement”  Proceedings  of  the  2008  IEEE  International  Conference on Emerging Technologies and Factory  Automation (ETFA2008), Hamburg, Germany, 2008:  156‐163. 

[26] A. Tustin, “The Nature of the Operatorʹs Response in  Manual Control and its Implications for Controller  Design” Journal of Inst. of Electrical Engineering,  1947; 94(IIA): 190‐202. 

[27] J. R. Ragazzini, “Engineering Aspects of the Human  Being  as  a  Servo‐Mechanism”  Meeting  of  the  American Psychological Association, 1948. 

[28] S. Baron, D. L. Kleinman and W. H. Levison, “An  Optimal Control Model of Human Response Part II:  Prediction  of  Human Performance  in a  Complex  Task” Automatica, 1970; 6: 371‐383. 

[29] R. C. Miall and D. M. Wolpert, “Forward Models for  Physiological  Motor  Control”  Neural  Networks,  1996; 9(8): 1265‐1279. 

[30] R. C. Miall, D. J. Weir, D. M. Wolpert and J. F. Stein,  “Is the Cerebellum a Smith Predictor?” Journal of  Motor Behavior, 1993; 25(3): 203‐216. 

[31]  B.  Mehata  and  S.  Schaal,  “Forward  Models  in  Visuomotor Control” Journal of Neurophysiology,  2001; 88: 942‐953. 

[32] D. M. Wolpert, R. C. Miall and M. Kawato, “Internal  models  in  the  cerebellum”  Trends  in  Cognitive  Sciences, 1998; 2(9): 338‐347. 

[33]  N.  Bhushan  and  R.  Shadmehr,  “Computational  nature of human adaptive control during learning of  reaching  movements  in  force  fields”  Biological  Cybernetics, 1999; 81: 39‐60. 

[34] S. Suzuki, F. Harashima and K. Furuta, “Human  Control Law and Brain Activity of Voluntary Motion  by  Utilizing  a  Balancing  Task  with  an  Inverted  Pendulum”  Advances  in  Human‐Computer  Interaction,  2010;  Vol.  2010,  Article  ID  215825;  doi:10.1155/2010/215825.  

[35] M.  A.  Brackstone, B.  Sultan  and  M.  McDonald,  “Findings  on  the  approach  process  between  Vehicles”  Transportation  Research  Record,  2000;  Vol.1724, paper No.00‐0831: 21‐28. 

(13)

[36] H. Kobayashi, “Relations  between  eye  gaze  and  cognitive  factors  in  a  transportation  task  using  remote  control”  Proceedings  of  18th  IEEE  International  Symposium  on  Robot  and  Human  Interactive  Communication  (RO‐MAN09),  2009,  Toyama, Japan. 

[37]  R.  Mizoguchi,  M.  Ikeda,  K.  Seta  and  J.  Vanwelkenhuysen,  “Ontology  for  Modeling  the  World  from  Problem  Solving  Perspectives”  Proceedings of the International Joint Conference on  Artificial Intelligence (IJCAI‐95) Workshop on Basic  Ontological Issues in Knowledge Sharing, 1995: 1‐12.  [38] E. S. Reed and D. Schoenherr, “The neuropsychology 

of everyday life: On the nature and significance of  micro‐slips  in  everyday  activities”  Unpublished  manuscript, 1992. 

[39] K. Suzuki, H. Mishima and M. Sasaki, “Affordance  and Variability of Action  ‐Environment, Action and  Microslips‐”  Journal  of  Japan  Society  for  Fuzzy  Theory and Systems, 1997; 9(6): 826‐837. 

[40] H. Kobayashi, T. Yasuda and S. Suzuki, “The relations  between development of humanʹs manipulative skills  and  physiological  signals  of  brain  and  hand”  Proceedings of the International Journal of Assistive  Robotics and Mechatronics, 2006; 7(1): 49‐61. 

[41] P. M. Fitts, “The information capacity of the human  motor  system  in  controlling  the  amplitude  of  movement”  Journal  of  Experimental  Psychology,  1954; 47(6): 381‐391. 

[42] J. Accot and S. Zhai, “Beyond Fitts’ Law: Models for  Trajectory‐Based HCI Tasks” in Proceedings of the  SIGCHI conference on Human factors in computing  systems (CHIʹ97), New York, USA, 1997: 295‐302.  [43] M. J. McGuffin and R. Balakrishnan, “Fitts’ law and 

expanding targets: Experimental studies and designs  for  user  interfaces”  Transactions  on  Computer‐ Human Interaction, 2005; 12(4): 388‐422. 

[44] S. Zhai, S. Conversy, M. Beaudouin‐Lafon and Y.  Guiard,  “Human  on‐line  response  to  target  expansion” in Proceedings of the SIGCHI conference  on Human factors in computing systems (CHIʹ03),  2003; 5(1): 177‐184. 

[45] X. Ren and S. Mizobuchi, “Investigating the Usability  of  the  Stylus  Pen  on  Handheld  Devices”  in  Proceedings of The Fourth Annual Workshop on  HCI Research in MIS, Las Vegas, USA, 2005: 30‐34.  [46] S. Suzuki and F. Harashima, “Skill evaluation from 

observation  of  discrete  hand  movements  during  console operation” Journal of Robotics, 2010; Vol.  2010, Article ID 967379: doi:10.1155/2010/967379.  [47] E. Horvitz, J. Breese, D. Heckerman, D. Hovel and K. 

Rommelse,  “The  Lumiere  Project:  Bayesian  User  Modeling  for  Inferring  the  Goals  and  Needs  of  Software  Users”  Proceedings  of  the  Fourteenth  Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence,  Madison, WI, USA, 1998: 256‐265. 

[48] I. Zukerman, D. W. Albrecht and A. E. Nicholson,  “Predicting  Usersʹ  Requests  on  the  WWW”  Proceedings of the Seventh International Conference  on User Modeling, Banff, Canada, 1999: 275‐284.  [49] J. Gutman, “A means‐end chain model based on 

consumer  categorization  process”  Journal  of  Marketing, 1982; 46: 60‐72. 

[50] S. Suzuki and F. Harashima, “Estimation algorithm  of machine operational intention by Bayes filtering  with Self‐Organizing Map”  Advances in  Human‐ Computer  Interaction,  2012;  Vol.2011,  Article  ID  724587: doi:10.1155/2012/724587. 

[51] B. J. Baars, A cognitive theory of consciousness,  Cambridge University Press, New York, 1988.  [52]  S.  Suzuki  and  F.  Harashima,  “Estimation  of 

operational intentions utilizing Self‐Organizing Map  with Bayes filtering” Proceedings of the 2010 IEEE/RSJ  International Conference on Intelligent Robots  and  Systems (IROS2010), Taipei, Taiwan, 2010: 2249‐2255.  [53]  S.  Suzuki  and  F.  Harashima,  “Context‐aware 

Bayesian intention estimator using Self‐Organizing  Map  and  Petri  net”  Proceedings  of  20th  IEEE  International  Symposium  on  Robot  and  Human  Interactive Communication (RO‐MAN2011), Atlanta,  GA, USA, 2011: 314‐320. 

[54]  H.  Igarashi,  S.  Suzuki,  H.  Kobayashi  and  F.  Harashima,  “Role  Sharing  Analysis  on  Multi‐ operator  Cooperative Work”  Proceedings of  18th  IEEE International Symposium on Robot and Human  Interactive Communication (RO‐MAN09), Toyama,  Japan, 2009: 1060‐1065. 

[55] S. Nakata, H. Kobayashi, M. Kumata and S. Suzuki,  “Human  Speech  Ontology  Changes  in  Virtual  Collaborative  Work”  Proceedings  of  the  4th  International Conference on Human System Interaction  (HSI 2011), Yokohama, Japan, 2011: 363‐368. 

[56] T. Yasuda, H. Kobayashi, “Influence of 10 Seconds  Interval in Pragmatic Interpretation” Proceedings of  19th IEEE International Symposium on Robot and  Human  Interactive  Communication  (RO‐MAN10),  Viareggio, Italy, 2010. 

[57] T. Yasuda and H. Kobayashi, “Timing of adults’  utterances and interpretation of word meanings in a  discrepant labeling situation” Proceedings of the 30th  Annual Meeting of the Cognitive Science Society,  2008: 675–680. 

[58] T. Ito, H. Matsubara and R. Grimbergen, “Cognitive  Science Approach to Shogi Playing Processes (1)  ‐ Some Results on Memory Experiments” IPSJ; 43(10):  2998‐3011. 

[59] K. Sakita, K. Ogawara, S. Murakami, K. Kawamura  and  K.  Ikeuchi,  “Flexible  Cooperation  between  Human and Robot by interpreting Human Intention  from  Gaze  Information”  Proceedings of  IEEE/RSJ  International Conference on Intelligent Robotics and  Systems (IROS2004), Sendai, Japan, 2004: 846‐851. 

(14)

[60] T. Miura and K. Shinohara, “Safety Problems of the 

Car Navigation from the Viewpoint of Psychology of 

Attention” IATSS Review, 2001; 26(4): 33‐44. 

[61] T. Ohno and H. Ogasawara, “Information Acquisition 

Model of Highly Interactive Tasks” Proceedings of 

ICCS/JCSS’99,Tokyo, Japan, 1999: 288‐293. 

[62] K. Kuronuma, S. Suzuki and H. Igarashi, “Estimation 

method of awareness level using an iconic model for 

support  robots”  Proceedings  of  IFToMM  Asian 

Conference  on  Mechanism  and  Machine 

Science,Taipei, Taiwan, 2010.   

Figure

Figure 7. Overhead view of the virtual space for cooperation‐

References

Related documents

EMAS as a managerial tool for improving competitive performance at firm level Economic literature provides different perspectives and theories on the relationship between

Length of Open Belt.. = Percent consistency of stock.. This can be addressed either by increasing the PLI KN/M to compensate for the vacuum or by sealing off the section

This paper describes how such a professional development project was designed to implement restorative justice principles and practices into schools in a proactive, relational

Leak isolation of a no nominal leak of 6.3 lps magnitude in case of random noise using the angle method, the leakage node was located 82.76 meters from the real leak.. The

Such outlay, together with cash employed in investing activities (euro 4,206 million), the payment of extraordinary substitute taxes, and the last installment due upon the

In terms of customer needs, Belron has continued to focus on delighting its customers in everything it does to provide the best possible experience. We do this by constantly

• Approx 60% of nonischemic cardiomyopathies • Around 25-60% of pulmonary

• If a utility cannot make personal contact with a customer about a past-due bill, it should be required to post a notice at the customer’s residence 48-hours before termination of