Nuevo modelo de evaluación de la Interacción Persona-Robot en entornos industriales: ITPX-ROBOTS

Abstract

The Industry 5.0 has as its main pillar the well-being of people, thus redefining the role of individuals and transforming current job positions into formats that are still unknown. This research focuses on one of the most relevant challenges for Industry 5.0: Human-Robot Interaction (HRI), specifically in scenarios where people and robots share the same workspace to achieve a common goal in a synchronized, cooperative, or collaborative manner. The number of robots in the manufacturing industry has significantly increased over the past few decades, and in recent years, the number and variety of industries using robots have also grown. However, for robots to become allies of the users, they must provide positive and purposeful experiences through smooth and satisfactory interactions so that people can accept this new technology. In this context, User Experience (UX) emerges as a fundamental framework that connects people with robots, with its evaluation being an essential task. With the aim of ensuring the successful acceptance of robots by people, this research introduces the ITPX-ROBOTS model (Individual Task Performance Experience - Robots) as a proposal to assess the suitability of robotic systems in relation to individuals and to evaluate task achievement in terms of performance, physiology, and perception. This model allows for a comprehensive evaluation of Human-Robot Interaction (HRI), merging both hedonic and pragmatic approaches. The model provides valuable insights into the dynamics of HRI, contributing to improving efficiency and effectiveness in the workplace. In this context, this doctoral thesis introduces the conceptual framework of Human-Robot Interaction Experience (HRIX), which illustrates how the alignment between the characteristics of the entities involved in the interaction (person, robot, and context) impacts the User Experience (UX) and its components. In the HRI environment, these components include utility, ease of use, comfort, learnability, and controllability. All of these factors have consequences for human-related factors such as attitude and intention to use, trust, perceived safety, and satisfaction. Furthermore, the model is based on the Human-Robot-Context taxonomy (HUBOXT), which identifies (i) the characteristics of the person that influence the acceptance of HRI, (ii) the characteristics of the robot that influence the acceptance of HRI, and (iii) the characteristics of the context that influence the acceptance of HRI, divided into micro-context and macro-context characteristics. Taking into account the conceptual framework and the taxonomy, the ITPX-ROBOTS model is proposed, which is divided into three phases, following a holistic approach to UX evaluations, in line with the ITPX model (Mazmela, 2020). These three stages encompass: (i) the pre-interaction evaluation, which focuses on expert evaluation using heuristics; (ii) the evaluation during the interaction, which involves collecting performance indicators and physiological parameters during the execution of tasks with the robot; and (iii) the post-interaction evaluation, which focuses on obtaining user perceptions about the interaction they have experienced with the robot. To execute the pre-interaction phase, heuristic evaluation emerges as a low-cost and easily implementable method that can be applied iteratively in various stages of the design process. In this context, HEUROBOX has been developed, a new set of heuristics that groups design guidelines into a logical list of heuristics for evaluating the interaction between people and robots in industrial environments. HEUROBOX consists of 84 heuristics for basic evaluation and 228 heuristics for advanced evaluation, allowing the tool to be adapted to different industrial requirements. Finally, the set of new heuristics has been validated by experts using the System Usability Scale (SUS) questionnaire and the Analytical Hierarchy Process (AHP). To complement the post-interaction phase, the HUROX questionnaire has been developed, designed to evaluate the User Experience (UX) in interactions with robots in industrial environments. It has been developed using an empirical approach for item selection to ensure their practical relevance. Through psychometric analysis, where experts have evaluated each of the items for importance, necessity, relevance, and clarity, the questionnaire has been validated. The experimental phase of the model has been carried out through two case studies, one related to an assembly task and the other to a disassembly task. The results reveal that the ITPX-ROBOTS model helps diagnose the success of HRI, providing a procedure that facilitates the analysis of the impact of robots on task accomplishment and user perception. Consequently, the thesis presents a model to gain a deeper understanding of the integration of robots, which will enable the optimization of industrial processes, improve quality, and increase productivity effectively. The document details the development process of the ITPX-ROBOTS model in several chapters. In the first chapter, after providing context, the research objectives and hypotheses are listed, along with the research methodology employed. The second chapter encompasses the scientific and technological framework and consists of five sub-chapters. Firstly, it provides an overview of HRI in the literature, establishing fundamental concepts. Next, it conducts a systematic literature review of evaluation models used to measure UX and technological acceptance in HRI in industrial environments. Following that, this systematic review is updated with new advancements identified in the literature. Then, it details the methods and metrics used to assess UX and acceptance, focusing on psychophysiological evaluation and user perception through questionnaires. Finally, to conclude the scientific and technological framework, a critical analysis of the state of the art is conducted, discussing possible contributions and identified research opportunities. The third chapter introduces the ITPX-ROBOTS model. Here, it describes the theoretical foundations that underpin its creation and defines the key elements that make up this new model, as well as the experimental procedure. The fourth chapter is dedicated to the development and validation of the heuristic evaluation tool HEUROBOX. In the fifth chapter, the development and validation of the HUROX questionnaire are presented. In the sixth chapter, the case studies validating the model in its entirety are described. Finally, in the last chapter, conclusions are presented, and the hypotheses are confirmed. Furthermore, the most relevant contributions of the research are highlighted. Some of the significant contributions of this study include: A new model for evaluating Human-Robot Interaction in industrialenvironments, named ITPX-ROBOTS. A new list of heuristic evaluation criteria for Human-Robot Interaction inindustrial environments, named HEUROBOX. A new questionnaire for assessing user perceptions in Human-RobotInteraction in industrial environments, named HUROX.

5.0 Industriaren oinarri nagusia pertsonen ongizatea da. Testuinguru berri honetan, pertsonen rola guztiz aldatzen da, gaur egungo lanpostuak oraindik ezezagunak diren formatuetara eraldatuz. Ikerketa hau 5.0 Industriako erronka garrantzitsuenetako batean oinarritzen da: Pertsonen eta Roboten arteko Interakzioan (HRI), hain zuzen ere. Zehazki, ikerketa honek, pertsonek eta robotek lan-eremu bera partekatzen duten agertokietan du oinarria, bien artean eginkizun komun bat modu sinkronizatuan, kooperatiboan edo lankidetzan lortu beharreko lanetan. Manufaktura-industrian erabilitako robot kopurua etengabe igo da duela hamarkada batzutatik hona. Gainera, azken urteotan, robotak erabiltzen dituzten industria motek eta lantoki kopuruek ere gorakada nabarmena izan dute. Hala ere, robot hauek langileen egunerokotasunean bidelagun bihur daitezen, hauen erabilera-esperientzia positiboa ezinbestekoa da. Horretarako, langileen betebeharrak asetzeko egokituak izan behar dira, elkarreragin arin eta gogobetegarrien bidez . Ezean, teknologia berriak onartzeko zailtasunak emango dira langileen artean. Testuinguru horretan, Erabiltzailearen Esperientzia (UX) alorra, pertsonak robotekin lotzen dituen funtsezko esparru gisa agertzen da. Era berean, UX-aren ebaluazioa funtsezko zeregina bilakatzen da. Pertsonek robotak arrakastaz onartzen dituztela ziurtatzeko, ikerketa honek ITPX-ROBOTS (Individual Task Performance - Robots) eredua aurkezten du. Eredu hau, sistema robotikoek pertsonekiko duten egokitasuna eta eginkizunen lorpena ebaluatzeko proposamena da. Bertan, jarduna, fisiologia eta pertzepzioa bezalako kontzeptuak balioztatzen dira. Ondorioz, eredu honek HRI-aren ebaluazio integrala ahalbidetzen du, ikuspegi hedonomikoa eta pragmatikoa uztartuz. Ereduak HRI-aren dinamikari buruzko ekarpen baliotsuak ematen ditu, lan-ingurunean eraginkortasuna hobetzen lagunduz. Horrela izanik, doktorego-tesi honetan Human-Robot Interaction Experience (HRIX) kontzeptu-esparrua garatu da. Honen arabera, elkarrekintzan inplikatutako erakundeen (pertsona, robota eta testuingurua) ezaugarrien arteko doikuntzak eragina du UX-ean eta haren osagaietan. Kontzeptu-esparru honetan, UX-aren osagai hauek definitu dira: erabilgarritasuna, erabiltzeko erraztasuna, erosotasuna, ikasteko gaitasuna eta kontrolagarritasuna. Horrek guztiak ondorioak ditu giza faktoreetan, hala nola erabiltzeko jarreran eta asmoan, konfiantzan, hautemandako segurtasunean eta gogobetetzean. Horrez gain, eredua Human-Robot-Context (HUBOXT) taxonomian oinarritzen da, non hurrengo ezaugarriak identifikatzen diren: (i) HRIa onartzean eragina duten pertsonaren ezaugarriak, (ii) HRIa onartzean eragina duten robotaren ezaugarriak, eta (iii) HRIa onartzean eragina duten testuinguruaren ezaugarriak, mikro testuinguruaren ezaugarrietan eta makro testuinguruaren ezaugarrietan banatuta. Esparru kontzeptuala eta taxonomia kontuan hartuta, ITPX-ROBOTS eredua garatu da, hiru fasetan banatzen dena. Bertan, UX-aren ebaluazioetarako ikuspegi holistikoa jarraitu da, ITPX ereduarekin bat etorriz (Mazmela, 2020). Hiru etapa horietan honako hauek sartzen dira: (i)aldez aurreko ebaluazioa, heuristiken bidezko ebaluazioa aditu baten bitartez gauzatzendena; (ii) elkarreraginean zehar egindako ebaluazioa, lanak robotarekin egin bitarteanjardunaren adierazleak eta parametro fisiologikoak biltzea dakarrena; eta (iii) elkarreraginarenondorengo ebaluazioa, erabiltzaileek robotarekin izan duten interakzioari buruz dituztenpertzepzioak lortzean zentratzen dena. Elkarreraginaren aurreko fasea gauzatzeko, ebaluazio heuristikoa metodo aproposa da, kostu txikiko eta inplementazio errazeko metodoa baita. Horrez gain, modu iteratiboan aplika daiteke diseinu-prozesuaren hainbat fasetan. Testuinguru horretan, HEUROBOX erraminta garatu da, industria-inguruneetako pertsonen eta roboten arteko elkarreragina ebaluatzeko heuristika-zerrenda. HEUROBOXek 84 heuristika ditu oinarrizko ebaluaziorako eta 228 heuristika ebaluazio aurreraturako. Honek, tresna hainbat industria-baldintzatara egokitzeko aukera ematen du. Azkenik, heuristika berrien multzoa adituek baliozkotu dute System Usability Scale (SUS) eta Analytical Hierarchy Process (AHP) galdera-sorten bidez. Interakzioaren ondorengo fasea osatzeko, HUROX galdetegia garatu da, industria-inguruneetan robotekin egindako elkarrekintzetan UX-a ebaluatzeko diseinatua. Itemak hautatzeko ikuspegi enpirikoa erabiliz garatu da, itemen garrantzi praktikoa bermatzeko. Adituek item bakoitza garrantziaren, beharraren, adierazgarritasunaren eta argitasunaren arabera ebaluatu duten analisi psikometriko baten bidez, galdetegia baliozkotu da. Ereduaren fase esperimentala bi azterketa-kasuren bidez gauzatu da. Lehenengoa, mihiztatze-lan batekin lotuta dago. Bigarrena aldiz, desmihiztatze-lan batekin du zerikusia. Emaitzek erakusten dutenez, ITPX-ROBOTS ereduak HRI-aren arrakasta diagnostikatzen laguntzen du. Izan ere, robotek zereginen lorpenean eta erabiltzaileen pertzepzioan duten eragina aztertzea errazten duen prozedura bat eskaintzen du. Ondorioz, tesi honek, roboten integrazioa sakonago ulertzeko eredu bat aurkezten du, eta horrek prozesu industrialak optimizatzea, kalitatea hobetzea eta produktibitatea modu eraginkorrean handitzea ahalbidetuko du. Dokumentu honek ITPX-ROBOT eredua garatzeko prozesua zehazten du hainbat kapitulutan. Lehenengo kapituluan, gaia testuinguruan kokatu ondoren, ikerketaren helburuak eta hipotesiak zerrendatzen dira, erabilitako ikerketa-metodologiarekin batera. Bigarren kapituluak esparru zientifiko-teknologikoa aztertzen du, eta bost azpikapitulu ditu. Lehenik eta behin, Pertsona-Robot Interakzioaren (HRI) ikuspegi orokorra aurkezten da literaturan, funtsezko kontzeptuak ezarriz. Gero, UX-a neurtzeko erabilitako ebaluazio-ereduei eta industria-inguruneetako HRI-aren onarpen teknologikoari buruzko literaturaren berrikuspen sistematikoa egiten da. Ondoren, berrikuspen sistematiko hori eguneratu da literaturan identifikatutako aurrerapen berriekin. Jarraian, UX-a eta onarpena ebaluatzeko erabilitako metodoak eta metrikak zehazten dira, ebaluazio psikofisiologikoan eta erabiltzaileen galdetegien bidez duen pertzepzioan oinarrituta. Azkenik, bosgarren azpikapituluan, esparru zientifiko-teknologikoaren azterketa kritikoa egiten da, identifikatutako ekarpenak eta ikerketa-aukerak eztabaidatuz. Hirugarren kapituluan ITPX-ROBOT eredua aurkezten da. Hemen, ereduaren sorkuntzaren oinarri diren oinarri teorikoak deskribatzen dira, eta eredu berri hori osatzen duten funtsezko elementuak definitzen dira, baita prozedura esperimentala ere. Laugarren kapituluan, HEUROBOX ebaluazio heuristikorako tresnaren garapena eta baliozkotzea aurkezten dira. Bosgarren kapituluan, HUROX galdetegiaren garapena eta baliozkotzea aurkezten da. Seigarren kapituluan, eredu osoa baliozkotzen duten azterketa-kasuak deskribatzen dira. Azken kapituluan, ondorioak aurkeztu eta planteatutako hipotesiak berresten dira. Gainera, ikerketaren ekarpen garrantzitsuenak nabarmentzen dira. Azterlan honen ekarpen esanguratsuen artean honako hauek daude: ITPX-ROBOTS izeneko eredu berria, ingurune industrialetan pertsonen etaroboten arteko elkarrekintza ebaluatzeko. HEUROBOX izeneko ebaluazio heuristikoa gauzatzeko tresna berria, inguruneindustrialetako pertsonen eta roboten arteko interakziorako. HUROX izeneko galdetegi berria, ingurune industrialetako pertsonen etaroboten arteko elkarreraginean erabiltzaileek duten pertzepzioa ebaluatzeko.

La industria 5.0 tiene como pilar principal el bienestar de las personas, redefiniendo así el rol de las personas y transformando los actuales puestos de trabajo hacia formatos aún desconocidos. Esta investigación se centra en uno de los desafíos más relevantes para la Industria 5.0: la Interacción Persona-Robot (HRI). Concretamente en aquellos escenarios en los que personas y robots comparten el mismo espacio de trabajo para alcanzar un objetivo común de forma sincronizada, cooperativa o colaborativa. El número de robots en la industria manufacturera ha aumentado significativamente desde hace varias décadas y, en los últimos años, también han aumentado el número y la variedad de industrias que utilizan robots. Sin embargo, para que los robots se conviertan en aliados de las personas usuarias, deben proporcionar experiencias positivas y adecuadas a su propósito mediante interacciones fluidas y satisfactorias, para que así las personas acepten la nueva tecnología. En este contexto, la Experiencia de Usuario (UX) emerge como un marco fundamental que vincula a las personas con los robots, siendo su evaluación una tarea esencial. Con el objetivo de asegurar la aceptación exitosa de los robots por parte de las personas, esta investigación presenta el modelo ITPX-ROBOTS (Individual Task Performance Experience – Robots) como una propuesta para evaluar la idoneidad de los sistemas robóticos en relación con las personas y para evaluar el logro de tareas en términos de desempeño, fisiología y percepción. Este modelo permite una evaluación integral de la HRI, fusionando el enfoque hedonómico y pragmático. El modelo proporciona insights valiosos sobre la dinámica de la HRI, contribuyendo a mejorar la eficiencia y la eficacia en el entorno laboral. Ante este contexto, esta tesis doctoral introduce el marco conceptual Human-Robot Interaction Experience (HRIX), que indica cómo el ajuste entre las características de las entidades involucradas en la interacción (persona, robot y contexto), tiene un impacto en la UX y en sus componentes, que en este entorno de HRI son: la utilidad, la facilidad de uso, el confort, la aprendibilidad y la controlabilidad. Todo ello, tiene unas consecuencias en los factores humanos como la actitud e intención de uso, la confianza, la seguridad percibida y la satisfacción. Además, el modelo se basa en la taxonomía Human-Robot-Context (HUBOXT), donde se identifican (i) las características de la persona que ejercen influencia en la aceptación de la HRI, (ii) las características del robot que ejercen influencia en la aceptación de la HRI, y (iii) las características del contexto que ejercen influencia en la aceptación de la HRI divididas en las características del micro contexto y las características del macro contexto. Teniendo en cuenta el marco conceptual y la taxonomía, se propone el modelo ITPX-ROBOTS, que se divide en tres fases, siguiendo un enfoque holístico para las evaluaciones de la UX, en consonancia con el modelo ITPX (Mazmela, 2020). Estas tres etapas abarcan: (i) la evaluación previa, que se enfoca en una evaluación experta mediante heurísticas; (ii) la evaluación durante la interacción, que implica la recopilación de indicadores de desempeño y parámetros fisiológicos durante la ejecución de las tareas con el robot; y, (iii) la evaluación posterior a la interacción, que se centra en la obtención de las percepciones de las personas usuarias acerca de la interacción que han experimentado con el robot. Para la ejecución de la fase previa, la evaluación heurística emerge como un método de bajo costo y fácil implementación que puede aplicarse de manera iterativa en diversas fases del proceso de diseño. En este contexto, se ha desarrollado HEUROBOX, un nuevo conjunto de heurísticas que agrupa directrices de diseño como una lista lógica de heurísticas para evaluar la interacción entre personas y robots en entornos industriales. HEUROBOX consta de 84 heurísticas para la evaluación básica y 228 heurísticas para la evaluación avanzada, permitiendo adaptar la herramienta a diferentes requisitos industriales. Por último, el conjunto de nuevas heurísticas ha sido validado por expertos mediante el cuestionario System Usability Scale (SUS) y el Analytical Hierarchy Process (AHP). Para complementar la fase posterior a la interacción, se ha desarrollado el cuestionario HUROX, diseñado para evaluar la UX en interacciones con robots en entornos industriales. Se ha desarrollado utilizando un enfoque empírico para la selección de los ítems con el fin de garantizar la relevancia práctica de los mismos. Mediante un análisis psicométrico donde las personas expertas han evaluado cada uno de los ítems según la importancia, necesidad, relevancia y claridad, se ha validado el cuestionario. La fase experimental del modelo se ha llevado a cabo mediante dos casos de estudio, uno relacionado con una tarea de ensamblado y el otro con una tarea de desensamblado. Los resultados revelan que el modelo ITPX-ROBOTS ayuda a diagnosticar el éxito de la HRI, proporcionando un procedimiento que facilita el análisis del impacto de los robots en la consecución de tareas y la percepción de usuario. En consecuencia, la tesis presenta un modelo para obtener una comprensión más profunda de la integración de los robots, lo que permitirá optimizar procesos industriales, mejorar la calidad y aumentar la productividad de manera efectiva. El documento detalla el proceso de desarrollo del modelo ITPX-ROBOTS en varios capítulos. En el primer capítulo, tras contextualizar la temática, se enumeran los objetivos e hipótesis de la investigación, acompañados de la metodología de investigación empleada. El segundo capítulo comprende el marco científico-tecnológico y consta de cinco subcapítulos. Para empezar, se presenta una visión general de la HRI en la literatura, estableciendo los conceptos fundamentales. A continuación, se realiza una revisión sistemática de la literatura sobre modelos de evaluación utilizados para medir la UX y la aceptación tecnológica en la HRI en entornos industriales. Seguido, se actualiza esta revisión sistemática con los nuevos avances identificados en la literatura. Luego, se detallan los métodos y métricas utilizados para evaluar la UX y la aceptación, centrándose en la evaluación psicofisiológica y la percepción del usuario a través de cuestionarios. Finalmente, para acabar con el enmarque científico-tecnológico, se realiza un análisis crítico del estado del arte, discutiendo las posibles contribuciones y oportunidades de investigación identificadas. El tercer capítulo introduce el modelo ITPX-ROBOTS. Aquí, se describen los fundamentos teóricos que sustentan su creación y se definen los elementos clave que componen este nuevo modelo, así como el procedimiento experimental. El cuarto capítulo se dedica al desarrollo y validación de la herramienta de evaluación heurística HEUROBOX. En el quinto capítulo, se presenta el desarrollo y la validación del cuestionario HUROX. En el sexto capítulo, se describen los casos de estudio que validan el modelo en su totalidad. Finalmente, en el último capítulo, se presentan las conclusiones y se corroboran las hipótesis planteadas. Además, se destacan las contribuciones más relevantes de la investigación. Entre las aportaciones significativas de este estudio se incluyen: Nuevo modelo para evaluar la Interacción Persona-Robot en entornosindustriales denominado ITPX-ROBOTS. Nuevo listado de evaluación heurística para la Interacción Persona-Robot enentornos industriales denominado HEUROBOX. Nuevo cuestionario para evaluar la percepción de las personas usuarias en laInteracción Persona-Robot en entornos industriales denominado HUROX.