助老機(jī)器人四肢動作情感表達(dá)設(shè)計(jì)及研究

一、現(xiàn)有國內(nèi)外仿人機(jī)器人現(xiàn)狀

在早期機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究中，機(jī)器人與人的交互方式都是通過機(jī)械型的肢體或卡通型的面部設(shè)計(jì)結(jié)合相對機(jī)械式的肢體動作和人產(chǎn)生互動。具體設(shè)計(jì)如下圖1所示，左一為日本早稻田大學(xué)研制設(shè)計(jì)的Waseda Eye No.3仿人機(jī)器人，可做出部分全身動作，微笑的表情也能表達(dá)出驚訝的姿態(tài)，左二為“WE-4R”仿人機(jī)器人，該機(jī)器人更加精細(xì)，更與人相似，且看上去輕盈了一些。左三為新研制的“KOBIAN-R”雙足仿人機(jī)器人系列，有68個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)完整的動作加上表情的交互過程，能完美復(fù)刻6種不同的情感需求表達(dá)。最右為深圳機(jī)器人工程技術(shù)中心開發(fā)的“百智星”老年教學(xué)機(jī)器人，卡通面部的造型，多種靈活自由度的安裝使其能傳達(dá)一些面部表情可根據(jù)講述的內(nèi)容配合做出相應(yīng)的頭部，頸部以及四肢的情感動作

現(xiàn)有機(jī)器人雖然可以與人達(dá)到一定的交互，但不能完全形象的表現(xiàn)出真實(shí)交互狀態(tài)里的語境，有的肢體動作不能夠準(zhǔn)確的接收到對應(yīng)的情感含義，因此這種機(jī)械式且不流暢的肢體動作導(dǎo)致交互過程受阻。雖然目前機(jī)器人能夠表達(dá)基本的情感，但在具體確定的環(huán)境中對社會中每一個(gè)人都是同樣的動作，對于助老機(jī)器人，其肢體動作應(yīng)符合老年人的生活及情感需求的，設(shè)計(jì)應(yīng)該在機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠正常安裝的基礎(chǔ)上加入老年人能夠理解的肢體語言。

圖1 現(xiàn)有國內(nèi)外仿人形機(jī)器人

二、機(jī)器人情感表達(dá)

機(jī)器人與人的交互和人與人之間的交流存在著不同是源自情感表達(dá)有著不同的情感觸發(fā)方式，情感的豐富復(fù)雜和表達(dá)方式的多樣性是造成機(jī)器人在模擬人類情感困難的主要因素。學(xué)者們通過大量數(shù)據(jù)調(diào)查將人類肢體語言分析歸納和編譯，通過復(fù)刻人的肢體語言并嵌入分析及選擇性表達(dá)情感的算法，使其在人類表露情感的同時(shí)給予人匹配的情感反饋。機(jī)器人依靠非常簡單的命令或者是一些遙控控制器——人通過按一個(gè)適當(dāng)?shù)陌粹o產(chǎn)生一個(gè)已組織好的命令，或者從一個(gè)菜單中選擇任務(wù)，使得機(jī)器人完成相應(yīng)的情感表達(dá)以表達(dá)出不同情感時(shí)的肢體表征。機(jī)器人的大腦是由一組編碼，由代碼和算法來控制機(jī)器該在什么情況下做什么動作但單肢體語言的高相似度不足以將機(jī)器人合理地融入到人類生活中。

機(jī)器人從執(zhí)行重復(fù)工作到具有選擇性表達(dá)情感的能力變化是人類科技進(jìn)展的見證。其中也包含著人類內(nèi)心的需求，渴望與機(jī)器人建立交往與溝通，從而在反饋信息和表達(dá)內(nèi)容的同時(shí)包含更多的情感。進(jìn)而演變成與人類情感交流最密切的一部分。

三、老年人需求

產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的支撐理論、用戶需求調(diào)研、生產(chǎn)以及銷售相關(guān)調(diào)研報(bào)告在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)中處于同一級別，只有滿足了需求的產(chǎn)品才會被市場接受。

1.老年人的心理需求

如下圖2為馬斯洛1943年提出的金字塔式需求層次理論。需求層次從高到低分為五種：生理需求，安全需求，社會需求，對尊重的需求，最頂層是人的自我超越。因此人的需求主要是包括心理和生理需求。在滿足了生存需求之后會有渴望社會需求和尊重需求。

對于助老機(jī)器人的肢體動作需要適應(yīng)老人的心理情感，助老機(jī)器人人性化，情感化的設(shè)計(jì)應(yīng)該以老人的需求為原則，對于老年人的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該以老年人為起始出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)問卷調(diào)查，可以老年人需求歸納如下圖2所示：

圖2 老年人心理渴求

可見老人的心理愿望里，談心交流和不添麻煩的愿望所占比例最多，參考老人內(nèi)部的心理特征，即：眷戀感、回歸感、共生感、共生性及孤寂性。通過情感記憶調(diào)查，可大致得出老人情感記憶數(shù)據(jù)，再根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原則，借鑒一些元素在助老機(jī)器人的外觀和造型設(shè)計(jì)上，使機(jī)器人更吸引老人的關(guān)注。

2.老年人的生活需求

讓機(jī)器人融入到老人生活中，真正成為老人的親近助手、伙伴，機(jī)器人需要了解老人生活起居，知道該與老人以及老人身邊的該建立什么樣的交往方式，根據(jù)老人需求繼而做出相應(yīng)的四肢動作進(jìn)行語義表達(dá)。

四、助老機(jī)器人的情感化設(shè)計(jì)

1.助老機(jī)器人的外觀改良設(shè)計(jì)

造型設(shè)計(jì)要滿足標(biāo)準(zhǔn)審美，在突破現(xiàn)有機(jī)器人外觀造型的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，根據(jù)調(diào)查得出的老年人的喜好，結(jié)合內(nèi)心情感元素融入，并使之穩(wěn)合當(dāng)代的審美標(biāo)準(zhǔn)。在情感記憶上，兒孫輩于老人最為溫暖，能引起很大的情感回饋，為了能從腦海里映射出兒童的樣子，造型上對機(jī)器人的機(jī)械的造型改為更加圓潤可愛，偏向兒童。

2.機(jī)器人肢體動作改良設(shè)計(jì)

日常生活中人們交流中表達(dá)情感時(shí)也會有一定的肢體動作的變換與交替，肢體的變換來表達(dá)和傳遞情感亦是能夠被普遍人們理解的情感表達(dá)方式。肢體動作主要包括有包含面部和四肢的變化動作。四肢是指臂、手、膝、腿、腳等幾個(gè)部位。作為助老伴老機(jī)器人，肢體動作應(yīng)符合老人的年齡，助老機(jī)器人肢體動作情感設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下的動作分類，如表2：

表1 不同年齡的動作情感表達(dá)

助老機(jī)器人的動作方案設(shè)計(jì)還應(yīng)配合老人的日常生活需求，在老人喝水的時(shí)候報(bào)告水溫，或是在交流時(shí)沒聽清能表現(xiàn)出疑惑表情等等，這些動作的設(shè)計(jì)應(yīng)該基于老人的理解層次上。

五、設(shè)計(jì)結(jié)果及橫縱向?qū)Ρ?/h2>

根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，數(shù)據(jù)整理如下表2：

表2 肢體動作問卷調(diào)查結(jié)果

將建立好的模型在進(jìn)行調(diào)查分析以判斷這種肢體動作是否可以真正表達(dá)出當(dāng)時(shí)的情境狀態(tài)。

可知四種指令識別率分別為70.83%、66.67%，87.5%，70.83%，動作合理，模型可用，達(dá)到預(yù)期的情感表達(dá)效果。

六、結(jié)語

國外機(jī)器人在上世紀(jì)中旬進(jìn)入人們視線，隨著國情發(fā)展導(dǎo)致人口老齡化問題嚴(yán)重，老年人的情感需求也越發(fā)得到重視，基于對老年人助老機(jī)器人進(jìn)行深入設(shè)計(jì)分析調(diào)研，分析老年人的日常喜歡以及內(nèi)心需求，根據(jù)老年人的需求來設(shè)計(jì)機(jī)器人的表達(dá)動作，使機(jī)器人能真正的滿足老年人行為習(xí)慣和情感需求，在生活上幫助老人。