Thumbs up, thumbs down: non-verbal human-robot interaction through real-time EMG classification via inductive and supervised transductive transfer learning
- 1. Universidade Federal do Paraná
- 2. Aston University
Description
Abstract In this study, we present a transfer learning method for gesture classification via an inductive and supervised transductive approach with an electromyographic dataset gathered via the Myo armband. A ternary gesture classification problem is presented by states of 'thumbs up' , 'thumbs down' , and 'relax' in order to communicate in the affirmative or negative in a non-verbal fashion to a machine. Of the nine statistical learning paradigms benchmarked over 10-fold cross validation (with three methods of feature selection), an ensemble of Random Forest and Support Vector Machine through voting achieves the best score of 91.74% with a rule-based feature selection method. When new subjects are considered, this machine learning approach fails to generalise new data, and thus the processes of Inductive and Supervised Transductive Transfer Learning are introduced with a short calibration exercise (15 s). Failure of generalisation shows that 5 s of data per-class is the strongest for classification (versus one through seven seconds) with only an accuracy of 55%, but when a short 5 s per class calibration task is introduced via the suggested transfer method, a Random Forest can then classify unseen data from the calibrated subject at an accuracy of around 97%, outperforming the 83% accuracy boasted by the proprietary Myo system. Finally, a preliminary application is presented through social interaction with a humanoid Pepper robot, where the use of our approach and a most-common-class metaclassifier achieves 100% accuracy for all trials of a '20 Questions' game.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
نبذة مختصرة في هذه الدراسة، نقدم طريقة تعلم النقل لتصنيف الإيماءات من خلال نهج استقرائي تناقلي خاضع للإشراف مع مجموعة بيانات كهربية تم جمعها عبر شارة ميو. يتم تقديم مشكلة تصنيف الإيماءات الثلاثية من خلال حالات "الإبهام لأعلى" و "الإبهام لأسفل" و "الاسترخاء" من أجل التواصل الإيجابي أو السلبي بطريقة غير لفظية مع الآلة. من بين نماذج التعلم الإحصائي التسعة التي تم قياسها بأكثر من 10 أضعاف التحقق المتبادل (مع ثلاث طرق لاختيار الميزات)، تحقق مجموعة من الغابات العشوائية وآلة دعم المتجهات من خلال التصويت أفضل درجة بنسبة 91.74 ٪ باستخدام طريقة اختيار الميزات القائمة على القواعد. عند النظر في مواضيع جديدة، يفشل نهج التعلم الآلي هذا في تعميم البيانات الجديدة، وبالتالي يتم تقديم عمليات تعلم النقل الاستقرائي والإشراف مع تمرين معايرة قصير (15 ثانية). يُظهر فشل التعميم أن 5 ثوانٍ من البيانات لكل فئة هي الأقوى للتصنيف (مقابل واحد إلى سبع ثوانٍ) بدقة 55 ٪ فقط، ولكن عندما يتم تقديم مهمة معايرة قصيرة 5 ثوانٍ لكل فئة عبر طريقة النقل المقترحة، يمكن لغابة عشوائية بعد ذلك تصنيف البيانات غير المرئية من الموضوع المعاير بدقة حوالي 97 ٪، متفوقة على دقة 83 ٪ التي يتباهى بها نظام ميو الخاص. أخيرًا، يتم تقديم طلب أولي من خلال التفاعل الاجتماعي مع روبوت الفلفل البشري، حيث يحقق استخدام نهجنا ومصنف التعريف الأكثر شيوعًا دقة بنسبة 100 ٪ لجميع تجارب لعبة "20 سؤالًا".Translated Description (French)
Résumé Dans cette étude, nous présentons une méthode d'apprentissage par transfert pour la classification des gestes via une approche transductive inductive et supervisée avec un ensemble de données électromyographiques recueillies via le brassard Myo. Un problème de classification des gestes ternaires est présenté par des états de « pouce levé », « pouce baissé » et « relâché » afin de communiquer de manière affirmative ou négative de manière non verbale à une machine. Sur les neuf paradigmes d'apprentissage statistique comparés à une validation croisée de 10 fois (avec trois méthodes de sélection de caractéristiques), un ensemble de Random Forest et de Support Vector Machine par vote obtient le meilleur score de 91,74 % avec une méthode de sélection de caractéristiques basée sur des règles. Lorsque de nouveaux sujets sont envisagés, cette approche d'apprentissage automatique ne parvient pas à généraliser de nouvelles données, et donc les processus d'apprentissage par transfert transductif inductif et supervisé sont introduits avec un court exercice d'étalonnage (15 s). L'échec de la généralisation montre que 5 s de données par classe sont les plus fortes pour la classification (contre une à sept secondes) avec seulement une précision de 55 %, mais lorsqu'une tâche d'étalonnage courte de 5 s par classe est introduite via la méthode de transfert suggérée, une forêt aléatoire peut alors classer les données invisibles du sujet étalonné avec une précision d'environ 97 %, dépassant la précision de 83 % revendiquée par le système propriétaire Myo. Enfin, une application préliminaire est présentée par le biais d'une interaction sociale avec un robot humanoïde Pepper, où l'utilisation de notre approche et d'un métaclassificateur de classe la plus courante atteint une précision de 100 % pour tous les essais d'un jeu « 20 Questions ».Translated Description (Spanish)
Resumen En este estudio, presentamos un método de aprendizaje por transferencia para la clasificación de gestos a través de un enfoque inductivo y transductivo supervisado con un conjunto de datos electromiográficos recopilados a través del brazalete Myo. Un problema de clasificación de gestos ternarios se presenta mediante estados de "pulgar hacia arriba", "pulgar hacia abajo" y "relajarse" para comunicarse de manera afirmativa o negativa de manera no verbal a una máquina. De los nueve paradigmas de aprendizaje estadístico comparados con una validación cruzada de 10 veces (con tres métodos de selección de características), un conjunto de Random Forest y Support Vector Machine a través de la votación logra la mejor puntuación del 91,74% con un método de selección de características basado en reglas. Cuando se consideran nuevos temas, este enfoque de aprendizaje automático no logra generalizar nuevos datos y, por lo tanto, los procesos de aprendizaje de transferencia inductiva y transductiva supervisada se introducen con un breve ejercicio de calibración (15 s). El fracaso de la generalización muestra que 5 s de datos por clase son los más fuertes para la clasificación (en comparación con uno a siete segundos) con solo una precisión del 55%, pero cuando se introduce una tarea de calibración corta de 5 s por clase a través del método de transferencia sugerido, un bosque aleatorio puede clasificar datos no vistos del sujeto calibrado con una precisión de alrededor del 97%, superando la precisión del 83% que ostenta el sistema Myo patentado. Finalmente, se presenta una aplicación preliminar a través de la interacción social con un robot humanoide Pepper, donde el uso de nuestro enfoque y un metaclasificador de clase más común logra una precisión del 100% para todas las pruebas de un juego de '20 preguntas'.Files
s12652-020-01852-z.pdf.pdf
Files
(834.5 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:8ff6469f33887d41a32800148e22aac3
|
834.5 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الإبهام للأعلى والإبهام للأسفل: التفاعل غير اللفظي بين الإنسان والروبوت من خلال تصنيف مخطط كهربية العضل في الوقت الفعلي عبر التعلم الاستقرائي والإشراف على النقل التناقلي
- Translated title (French)
- Pouce levé, pouce baissé : interaction non verbale homme-robot grâce à une classification EMG en temps réel via un apprentissage par transfert transductif inductif et supervisé
- Translated title (Spanish)
- Pulgares arriba, pulgares abajo: interacción no verbal humano-robot a través de la clasificación EMG en tiempo real a través del aprendizaje de transferencia inductiva y transductiva supervisada
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3009402173
- DOI
- 10.1007/s12652-020-01852-z
References
- https://openalex.org/W1663973292
- https://openalex.org/W1963558577
- https://openalex.org/W1965555277
- https://openalex.org/W1990303997
- https://openalex.org/W1999172026
- https://openalex.org/W2021814457
- https://openalex.org/W2060758175
- https://openalex.org/W2122379760
- https://openalex.org/W2124779604
- https://openalex.org/W2132396836
- https://openalex.org/W2155632266
- https://openalex.org/W2157762168
- https://openalex.org/W2161548576
- https://openalex.org/W2165698076
- https://openalex.org/W2295355640
- https://openalex.org/W2309966826
- https://openalex.org/W2331125008
- https://openalex.org/W2398369750
- https://openalex.org/W2493936262
- https://openalex.org/W2499343943
- https://openalex.org/W2606288222
- https://openalex.org/W2744312188
- https://openalex.org/W2753772285
- https://openalex.org/W2782554572
- https://openalex.org/W2893287040
- https://openalex.org/W2903106404
- https://openalex.org/W2905984083
- https://openalex.org/W2910086092
- https://openalex.org/W2913066293
- https://openalex.org/W2926093654
- https://openalex.org/W2944205279
- https://openalex.org/W2944587605
- https://openalex.org/W2962858353
- https://openalex.org/W2962879438
- https://openalex.org/W2963674387
- https://openalex.org/W2981013175
- https://openalex.org/W3098014865
- https://openalex.org/W4239584046
- https://openalex.org/W4249247926
- https://openalex.org/W4252112222