Analysis and enhancement of interpersonal coordination using inertial measurement unit solutions

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Hwang, Tonghun: Analysis and enhancement of interpersonal coordination using inertial measurement unit solutions. Hannover : Gottfried Wilhelm Leibniz Universität, Diss., 2020, xix, 141 S. DOI: https://doi.org/10.15488/10332

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Die heutigen mobilen Kommunikationstechnologien haben den Umfang der verbalen und textbasierten Kommunikation mit anderen Menschen, sozialen Robotern und künstlicher Intelligenz erhöht. Auf der anderen Seite reduzieren diese Technologien die nonverbale und die direkte persönliche Kommunikation, was zu einer gesellschaftlichen Thematik geworden ist, weil die Verringerung der direkten persönlichen Interaktionen eine angemessene Wahrnehmung sozialer und umgebungsbedingter Reizmuster erschweren und die Entwicklung allgemeiner sozialer Fähigkeiten bremsen könnte. Wissenschaftler haben aktuell die Bedeutung nonverbaler zwischenmenschlicher Aktivitäten als soziale Fähigkeiten untersucht, indem sie menschliche Verhaltensmuster in Zusammenhang mit den jeweilgen neurophysiologischen Aktivierungsmustern analzsiert haben. Solche Querschnittsansätze werden auch im Forschungsprojekt der Europäischen Union "Socializing sensori-motor contingencies" (socSMCs) verfolgt, das darauf abzielt, die Leistungsfähigkeit sozialer Roboter zu verbessern und Autismus-Spektrumsstörungen (ASD) adäquat zu behandeln. In diesem Zusammenhang ist die Modellierung und das Benchmarking des Sozialverhaltens gesunder Menschen eine Grundlage für theorieorientierte und experimentelle Studien zum weiterführenden Verständnis und zur Unterstützung interpersoneller Koordination. In diesem Zusammenhang wurden zwei verschiedene empirische Kategorien in Abhängigkeit von der Entfernung der Interagierenden zueinander vorgeschlagen: distale vs. proximale Interaktionssettings, da sich die Struktur der beteiligten kognitiven Systeme zwischen den Kategorien ändert und sich die Ebene der erwachsenden socSMCs verschiebt. Da diese Dissertation im Rahmen des socSMCs-Projekts entstanden ist, wurden Interaktionssettings für beide Kategorien (distal und proximal) entwickelt. Zudem wurden Ein-Sensor-Lösungen zur Reduzierung des Messaufwands (und auch der Kosten) entwickelt, um eine Messung ausgesuchter Verhaltensparameter bei einer Vielzahl von Menschen und sozialen Interaktionen zu ermöglichen. Zunächst wurden Algorithmen für eine kopfgetragene Trägheitsmesseinheit (H-IMU) zur Messung der menschlichen Kinematik als eine Ein-Sensor-Lösung entwickelt. Die Ergebnisse bestätigten, dass die H-IMU die eigenen Gangparameter unabhängig voneinander allein auf Basis der Kopfkinematik messen kann. Zweitens wurden—als ein distales socSMC-Setting—die interpersonellen Kopplungen mit einem Bezug auf drei interagierende Merkmale von „Übereinstimmung“ (engl.: rapport) behandelt: Positivität, gegenseitige Aufmerksamkeit und Koordination. Die H-IMUs überwachten bestimmte soziale Verhaltensereignisse, die sich auf die Kinematik der Kopforientierung und Oszillation während des Gehens und Sprechens stützen, so dass der Grad der Übereinstimmung geschätzt werden konnte. Schließlich belegten die Ergebnisse einer experimentellen Studie, die zu einer kollaborativen Aufgabe mit der entwickelten IMU-basierten Tablet-Anwendung durchgeführt wurde, unterschiedliche Wirkungen verschiedener audio-motorischer Feedbackformen für eine Unterstützung der interpersonellen Koordination in der Kategorie proximaler sensomotorischer Kontingenzen. Diese Dissertation hat einen intensiven interdisziplinären Charakter: Technologische Anforderungen in den Bereichen der Sensortechnologie und der Softwareentwicklung mussten in direktem Bezug auf vordefinierte verhaltenswissenschaftliche Fragestellungen entwickelt und angewendet bzw. gelöst werden—und dies in zwei unterschiedlichen Domänen (distal, proximal). Der gegebene Bezugsrahmen wurde als eine große Herausforderung bei der Entwicklung der beschriebenen Methoden und Settings wahrgenommen. Die vorgeschlagenen IMU-basierten Lösungen könnten dank der weit verbreiteten IMU-basierten mobilen Geräte zukünftig in verschiedene Anwendungen perspektiv reich integriert werden.
Today’s mobile communication technologies have increased verbal and text-based communication with other humans, social robots and intelligent virtual assistants. On the other hand, the technologies reduce face-to-face communication. This social issue is critical because decreasing direct interactions may cause difficulty in reading social and environmental cues, thereby impeding the development of overall social skills. Recently, scientists have studied the importance of nonverbal interpersonal activities to social skills, by measuring human behavioral and neurophysiological patterns. These interdisciplinary approaches are in line with the European Union research project, “Socializing sensorimotor contingencies” (socSMCs), which aims to improve the capability of social robots and properly deal with autism spectrum disorder (ASD). Therefore, modelling and benchmarking healthy humans’ social behavior are fundamental to establish a foundation for research on emergence and enhancement of interpersonal coordination. In this research project, two different experimental settings were categorized depending on interactants’ distance: distal and proximal settings, where the structure of engaged cognitive systems changes, and the level of socSMCs differs. As a part of the project, this dissertation work referred to this spatial framework. Additionally, single-sensor solutions were developed to reduce costs and efforts in measuring human behaviors, recognizing the social behaviors, and enhancing interpersonal coordination. First of all, algorithms using a head worn inertial measurement unit (H-IMU) were developed to measure human kinematics, as a baseline for social behaviors. The results confirmed that the H-IMU can measure individual gait parameters by analyzing only head kinematics. Secondly, as a distal sensorimotor contingency, interpersonal relationship was considered with respect to a dynamic structure of three interacting components: positivity, mutual attentiveness, and coordination. The H-IMUs monitored the social behavioral events relying on kinematics of the head orientation and oscillation during walk and talk, which can contribute to estimate the level of rapport. Finally, in a new collaborative task with the proposed IMU-based tablet application, results verified effects of different auditory-motor feedbacks on the enhancement of interpersonal coordination in a proximal setting. This dissertation has an intensive interdisciplinary character: Technological development, in the areas of sensor and software engineering, was required to apply to or solve issues in direct relation to predefined behavioral scientific questions in two different settings (distal and proximal). The given frame served as a reference in the development of the methods and settings in this dissertation. The proposed IMU-based solutions are also promising for various future applications due to widespread wearable devices with IMUs.
License of this version: CC BY 3.0 DE
Document Type: doctoralThesis
Publishing status: publishedVersion
Issue Date: 2020
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