機(jī)器人表現(xiàn)力與主動(dòng)性在交互中對(duì)用戶的感知影響

馮訣宵

(武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070)

機(jī)器人系統(tǒng)，特別是家用機(jī)器人，在我們的日常生活中變得越來越普遍。隨著家用機(jī)器人不斷融入我們的家庭生活和工作空間，我們與它們的互動(dòng)和協(xié)作也逐漸增多。但是，C.Breazeal等[1-2]指出，當(dāng)前機(jī)器人和人類在很多時(shí)候視對(duì)方為障礙而不是幫助，兩者之間幾乎沒有互動(dòng)和交流。此外，當(dāng)人們與機(jī)器人協(xié)作來完成任務(wù)時(shí)，交互方式通常是非語言的。因此，為了讓機(jī)器人能夠有效地與人類用戶一起工作，機(jī)器人需要在基于任務(wù)的活動(dòng)中使用社交性但非語言的行為來進(jìn)行協(xié)作和交流。J.Fink等[3]和O.Mubin等[4]研究表明，當(dāng)機(jī)器人與人類用戶一起工作時(shí)，主動(dòng)性可能是一個(gè)影響工作效率的重要因素。在機(jī)器人和人類用戶的社交互動(dòng)方面，已經(jīng)有了廣泛的研究。其中以J.Fink為代表的一個(gè)分支探討了機(jī)器人擬人化的使用，他們?cè)谘芯恐袑M人元素加入到機(jī)器人的動(dòng)作當(dāng)中[5]。H.Osawa等[6]研究了現(xiàn)有家用機(jī)器人對(duì)擬人特征的利用情況，發(fā)現(xiàn)擬人化的動(dòng)作可以促進(jìn)機(jī)器人與用戶的順暢溝通。然而，在基于任務(wù)的應(yīng)用程序中使用擬人化的挑戰(zhàn)之一是機(jī)器人的動(dòng)作通常由任務(wù)決定，較難加入易被理解的社交動(dòng)作。當(dāng)設(shè)計(jì)師能為機(jī)器人添加的擬人化動(dòng)作的范圍很有限時(shí)，擬人化的方法就很難實(shí)現(xiàn)。

另一個(gè)研究分支更側(cè)重于手勢(shì)等不同形式的非語言交流。G.Haffman等[7]的研究表明大多數(shù)人對(duì)身體運(yùn)動(dòng)非常敏感。因此，通過對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的精心設(shè)計(jì)，機(jī)器人也能有效地與人類用戶進(jìn)行交流和溝通。D.Sirkin等[8]研究了遙現(xiàn)機(jī)器人屏幕內(nèi)和屏幕外運(yùn)動(dòng)的使用，發(fā)現(xiàn)遙現(xiàn)機(jī)器人屏幕外的額外動(dòng)作提高了用戶對(duì)消息的理解，并增強(qiáng)了用戶協(xié)作感。M.Sharma等[9]和D.Szafir等[10]研究了飛行機(jī)器人通過具有表達(dá)性的運(yùn)動(dòng)傳達(dá)意圖的能力。總而言之，機(jī)器人已經(jīng)有能力通過不同的動(dòng)作完成指定的具體任務(wù)，而我們希望探究通過增強(qiáng)、擴(kuò)展這些動(dòng)作讓機(jī)器人擁有交流表達(dá)等功能的可能性和難點(diǎn)[11-13]。

因此，當(dāng)前的研究重點(diǎn)是改善智能機(jī)器人的互動(dòng)功能，特別是通過手勢(shì)和其他形式的非言語交流[14]。在這項(xiàng)研究中，我們探索了人類用戶與一組機(jī)器人抽屜之間的互動(dòng)，讓這些機(jī)器人抽屜與人協(xié)同工作以完成裝配任務(wù)。實(shí)驗(yàn)控制了機(jī)器人抽屜的2個(gè)變量：表現(xiàn)力和主動(dòng)性。對(duì)于第一個(gè)變量，我們將機(jī)器人分為“不具有表現(xiàn)力”的機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱“非表現(xiàn)型機(jī)器人”)和“具有表現(xiàn)力”的機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱“表現(xiàn)型機(jī)器人”)2類。C.Breazeal等[2]注意到機(jī)器人在提供有效溝通方面的表現(xiàn)力的重要性。在我們的研究中，將非表現(xiàn)型機(jī)器人定義為僅執(zhí)行基本的實(shí)用性動(dòng)作以幫助完成任務(wù)的機(jī)器人。相反，表現(xiàn)型機(jī)器人為了交流的目的能夠進(jìn)行額外的動(dòng)作，甚至表達(dá)情緒[15]。對(duì)于第二個(gè)變量“主動(dòng)性”，我們將機(jī)器人分為“被動(dòng)型機(jī)器人”和“主動(dòng)型機(jī)器人”2類。將被動(dòng)型機(jī)器人定義為根據(jù)用戶的手勢(shì)響應(yīng)并執(zhí)行操作的機(jī)器人，而主動(dòng)型機(jī)器人則預(yù)測(cè)用戶即將發(fā)生的需求并啟動(dòng)完成任務(wù)的操作。為了探索這兩個(gè)維度的影響，我們進(jìn)行了一系列對(duì)照研究。

在之前的研究中，研究了如何設(shè)計(jì)非擬人機(jī)器人與人進(jìn)行溝通的方式，尤其是交互式家具和電器。我們感興趣的是機(jī)器人應(yīng)該如何響應(yīng)用戶的行為和情緒。我們使用視頻原型來探索人類用戶(演員)和一組機(jī)器人抽屜之間的相互作用，通過手勢(shì)等非語言交流方式，讓人類演員和機(jī)器人各自展示了5種可能的情緒狀態(tài)：憤怒、快樂、冷漠、悲傷和怯懦。然后，將這些視頻發(fā)送到80位調(diào)查者手中，讓他們回答了一系列關(guān)于交互感知的問題。調(diào)查結(jié)果顯示人們更喜歡那些表現(xiàn)出與人類演員相匹配的情感的抽屜。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 方法

我們的目標(biāo)是評(píng)估家庭環(huán)境中的人如何與機(jī)器人互動(dòng)，為此，我們使用綠野仙蹤技術(shù)進(jìn)行研究。一個(gè)遠(yuǎn)程操控員可以幫助我們?cè)谌狈χ悄芑到y(tǒng)的情況下模擬人與智能機(jī)器人的交互情感。A.Weiss等[16]已經(jīng)證明了綠野仙蹤在探索用戶體驗(yàn)因素方面的有效性，并以此研究了人機(jī)交互中的最佳實(shí)踐、用戶接受度等問題。同樣，J.Fink等[5]也使用綠野仙蹤技術(shù)觀察機(jī)器人如何與兒童互動(dòng)，比如探索機(jī)器人如何鼓勵(lì)兒童參與到家務(wù)活動(dòng)當(dāng)中。

1.2 機(jī)器模型

機(jī)器人抽屜模型由普通的抽屜進(jìn)行改造，為了使抽屜能夠執(zhí)行一致且可重復(fù)的運(yùn)動(dòng)，前3個(gè)抽屜在齒輪和齒條系統(tǒng)上使用直流電機(jī)進(jìn)行了改裝。此外，安裝在抽屜上的旋轉(zhuǎn)編碼器，使我們能夠跟蹤每個(gè)抽屜的位置。最底部抽屜包含驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的零件和硬件。該驅(qū)動(dòng)由Arduino微控制器控制，該微控制器通過USB電纜與本地客戶端程序進(jìn)行通信。

本地客戶端程序?yàn)槌閷咸峁┝艘粋€(gè)綠野仙蹤式的遙控器。相鄰房間的人類“向?qū)А笨赏ㄟ^鍵盤熱鍵遠(yuǎn)程操作抽屜原型(圖1)。 向?qū)I呈現(xiàn)了15個(gè)按鈕，每個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)于預(yù)編程的抽屜動(dòng)作序列。捕捉抽屜動(dòng)作和參與者行為的音頻、視頻會(huì)單項(xiàng)傳導(dǎo)給相鄰房間中的人類“向?qū)А保跋驅(qū)А币罁?jù)規(guī)則操控抽屜。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.1 The experimental setup

1.3 設(shè)計(jì)方案

這項(xiàng)研究旨在探索機(jī)器人的表現(xiàn)力和主動(dòng)性如何影響人的感知。為了研究這個(gè)問題，我們用4種情景進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。每個(gè)場(chǎng)景的場(chǎng)景設(shè)置、任務(wù)流程都一樣，但2個(gè)因素不同。第一個(gè)變量是抽屜的表現(xiàn)力。非表現(xiàn)型抽屜組的抽屜僅具備基本的打開和關(guān)閉動(dòng)作，而表現(xiàn)型抽屜組的抽屜通過額外的動(dòng)作表達(dá)了某種特定情緒。第二個(gè)變量是抽屜的主動(dòng)性。在主動(dòng)型抽屜組中，抽屜對(duì)下一步任務(wù)的預(yù)測(cè)，主動(dòng)發(fā)起打開和關(guān)閉的動(dòng)作。在被動(dòng)型抽屜組，抽屜等待實(shí)驗(yàn)參與者的手勢(shì)再行動(dòng)。

圖2 非表現(xiàn)型抽屜的動(dòng)作序列Fig.2 The sequence of actions in a phenotype drawer

1.4 機(jī)器運(yùn)動(dòng)

非表現(xiàn)型抽屜僅使用最基本和功能性的動(dòng)畫來與參與者互動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式只有勻速打開和勻速關(guān)閉2種(圖2)。對(duì)表現(xiàn)型抽屜，通過為其設(shè)計(jì)傳達(dá)不同情緒或建議的動(dòng)作來賦予抽屜表現(xiàn)力。動(dòng)作設(shè)計(jì)基于G.Haffman等[7]的研究。表現(xiàn)型抽屜使用“擺動(dòng)開啟”的動(dòng)作(圖3-A)來示意用戶將某件工具放回該抽屜，抽屜在打開前會(huì)小范圍前后擺動(dòng)。表現(xiàn)型抽屜還可以示意用戶取走某件工具，打開的抽屜關(guān)閉一半并以半速重新打開(圖3-B)

圖3 表現(xiàn)型抽屜的提示動(dòng)作序列Fig.3 The sequence of prompt actions in a phenotype drawer

另外添加了一些表達(dá)情緒的動(dòng)作，比如用戶完成某一個(gè)階段性任務(wù)后執(zhí)行的慶祝動(dòng)作，以及當(dāng)用戶犯錯(cuò)時(shí)的偷笑動(dòng)作。慶祝動(dòng)作是3個(gè)抽屜模仿漣漪效果(圖4-A)。偷笑動(dòng)作是所有抽屜都打開到隨機(jī)位置，擺動(dòng)2次，然后關(guān)閉(圖4-B)。

圖4 表現(xiàn)型抽屜的情緒動(dòng)作序列Fig.4 The sequence of emotional actions in a phenotype drawer

1.5 實(shí)驗(yàn)流程

被試的任務(wù)是組裝一個(gè)踏腳凳，由10個(gè)支撐柱和2個(gè)支撐板組成，相互銜接部分涉及到不同的部件和工具，被試會(huì)有一套完整的安裝流程和所需工具。參與者被告知完成這項(xiàng)任務(wù)所需的工具存放在3個(gè)抽屜里。每個(gè)工具的位置在抽屜內(nèi)用標(biāo)簽紙注明，以便參與者可以將這些工具返回到固定的位置。

對(duì)于主動(dòng)型抽屜組的被試人，我們告訴他們“抽屜將提供您所需的工具”；對(duì)于被動(dòng)型抽屜組的被試人，我們將會(huì)告知“您可以向抽屜做出姿勢(shì)以獲取所需的工具”。另外，為了防止被試人一次性拿出所有工具而不和抽屜互動(dòng)，每個(gè)被試人一次最多只能取出2個(gè)工具，并按照說明組裝踏腳凳。 在按照指示完成后，被試人還將接受訪談和問卷調(diào)查。

1.6 向?qū)Р倏卣?/h3>

在整個(gè)研究過程中，向?qū)У娜蝿?wù)是啟動(dòng)抽屜并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間執(zhí)行操控抽屜執(zhí)行一定的動(dòng)作。如果被試人遵循安裝說明，并嚴(yán)格遵守“每次只取出2個(gè)工具”的規(guī)則，向?qū)枰獔?zhí)行至少8次工具交換(獲取和歸還)，具體的交換方式取決于當(dāng)前抽屜的表現(xiàn)力和主動(dòng)性。

為了區(qū)別表現(xiàn)型抽屜和非表現(xiàn)型抽屜，向?qū)П仨氃谙鄳?yīng)的條件下按規(guī)則操控抽屜發(fā)生動(dòng)作。在非表現(xiàn)型抽屜組中，當(dāng)被試人需要從抽屜中取出或歸還工具時(shí)，向?qū)Р倏爻閷蠄?zhí)行基本的打開和關(guān)閉動(dòng)作。但是，對(duì)表現(xiàn)型抽屜，當(dāng)需要取出或返回一個(gè)工具時(shí)，向?qū)褂脭[動(dòng)開啟動(dòng)作打開應(yīng)當(dāng)被打開的抽屜。此外，向?qū)?huì)操控抽屜表達(dá)某些情緒：如果被試人犯了一個(gè)錯(cuò)誤，例如掉了一個(gè)緊固件或拿起錯(cuò)誤的工具，向?qū)?huì)使用抽屜的偷笑動(dòng)作。此外，被試人完成一個(gè)階段時(shí)，抽屜會(huì)啟動(dòng)慶祝動(dòng)作。

為了區(qū)別主動(dòng)型抽屜和被動(dòng)型抽屜，我們改變了抽屜行為的時(shí)間。對(duì)于主動(dòng)型抽屜，根據(jù)被試人完成的安裝步驟，當(dāng)他需要一個(gè)工具時(shí)，抽屜會(huì)做出預(yù)測(cè)，并提前打開所需工具所在的抽屜。當(dāng)被試人拿走工具時(shí)，向?qū)ё灾麝P(guān)閉抽屜。如果被試人已經(jīng)拿了2個(gè)工具并且需要第三個(gè)工具，則向?qū)?huì)打開需要被放回工具應(yīng)當(dāng)歸還的抽屜，示意被試人歸還一個(gè)暫時(shí)不需要的工具。在被動(dòng)型抽屜組實(shí)驗(yàn)時(shí)，抽屜僅根據(jù)參與者的手勢(shì)打開和關(guān)閉。因此，參與者需要向抽屜指出他們想要打開哪一個(gè)。然后，抽屜保持打開，直到參與者指示它關(guān)閉。

1.7 問卷調(diào)查

為了評(píng)估被試人如何看待與抽屜的交互過程，我們調(diào)整并利用了迪拉德關(guān)系消息量表[15]。所包含的關(guān)系因素是親密性、相似性、支配性和平等性。我們根據(jù)上述因素設(shè)計(jì)了26個(gè)關(guān)于與機(jī)器人交互的陳述，依照七點(diǎn)李克特量表(1=非常不同意，7=非常同意)，讓被試人回答他們對(duì)這些陳述同意的程度。此外，通過訪談收集了所有被試人在與機(jī)器人交互過程中的心理感受。

2 結(jié)果分析

首先將調(diào)查答復(fù)導(dǎo)入R進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用雙向方差分析檢驗(yàn)來確定主動(dòng)性變量或表現(xiàn)力變量是否對(duì)被試人與機(jī)器人交互中的感知具有顯著影響。接下來我們將分析一些在主動(dòng)性變量或表現(xiàn)力變量上形成顯著差異的問題答案。

2.1 親密性

通過詢問了一系列關(guān)于被試人與抽屜間親密感的問題，這些問題主要反映的是被試人在交互中的參與感。與非表現(xiàn)型抽屜相比，被試人認(rèn)為表現(xiàn)型抽屜更加投入(圖5)。在被問到“抽屜是否覺得與我互動(dòng)很有趣”這一陳述時(shí)，表現(xiàn)型抽屜顯著地比非表現(xiàn)型抽屜具有更大的認(rèn)同度(表1)，但總體而言積極性不會(huì)對(duì)親密性的感知產(chǎn)生顯著的差異(表1)。

問題主動(dòng)性表現(xiàn)力抽屜覺得與我互動(dòng)很有趣F(1,16)=1.28P=0.287F(1,16)=19.88P<0.01

2.2 相似性

關(guān)于相似性的問題與交互的友好體驗(yàn)有關(guān)。與親密性一致，表達(dá)型抽屜被認(rèn)為比非表現(xiàn)型抽屜更易親近和更友好。通過對(duì)“抽屜似乎希望進(jìn)一步互動(dòng)”的認(rèn)同程度的調(diào)查，可以發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)型動(dòng)作的抽屜與被試人之間具有更大的相似性(圖6)。 與親密性一樣，主動(dòng)性變量似乎不會(huì)對(duì)相似性產(chǎn)生顯著差異(表2)。

表2 相似性調(diào)查結(jié)果Table 2 Similarity survey results

圖6 相似性因素Fig.6 Diagram showing similarity factor

2.3 支配性

支配性相關(guān)的問題有助于確定交互中的交互雙方對(duì)地位的感知。 可以看到，無論是表現(xiàn)性還是主動(dòng)性都會(huì)導(dǎo)致抽屜展現(xiàn)出更強(qiáng)的主導(dǎo)性和影響力(表3)。 對(duì)于主動(dòng)型變量，這似乎很好理解，因?yàn)橹鲃?dòng)型抽屜總是在預(yù)測(cè)下一步操作，起著主導(dǎo)作用，并且在被試人犯規(guī)的時(shí)候強(qiáng)制其按照規(guī)定進(jìn)行。而對(duì)于表現(xiàn)型抽屜，被試人會(huì)覺得具有表現(xiàn)力的動(dòng)作在試圖引起他們的注意，從而對(duì)他們施加影響。表現(xiàn)力在“抽屜試圖控制我”(圖7-A)和“抽屜沒有試圖影響我”(圖7-B)的問題上表現(xiàn)出很大的差異。 請(qǐng)注意，“抽屜不試圖影響我”的問題是反向編碼的，值越大表示更多的支配性。

問題主動(dòng)性表現(xiàn)力抽屜試圖控制我F(1,16)=3.42P=0.079F(1,16)=6.62P=0.019抽屜沒有試圖影響我F(1,16)=18.6P<0.01F(1,16)=26.3P<0.01

2.4 平等性

平等關(guān)系描述了被試人是否認(rèn)為他們?cè)谙嗤牡匚幌率艿綄?duì)待。盡管在支配性因素的結(jié)果中，表現(xiàn)性有顯著影響；但表達(dá)性對(duì)平等性因素似乎沒有顯著影響。相反，主動(dòng)性產(chǎn)生了非常顯著的差異。關(guān)于“抽屜認(rèn)為我們是平等的”的陳述，與被動(dòng)型抽屜相比，主動(dòng)型抽屜讓被試人產(chǎn)生了更大的不平等的感覺(圖8)。 被試認(rèn)為，主動(dòng)型抽屜并沒有將他們視為平等的，而表現(xiàn)型抽屜則沒有產(chǎn)生這種感受(表4)。

圖8 平等性因素Fig.8 Diagram showing equality factors

問題主動(dòng)性表現(xiàn)力抽屜認(rèn)為我們是平等的F(1,16)=8.25P=0.015F(1,16)=0.026P=0.912

3 討 論

本項(xiàng)研究表明，表現(xiàn)力和積極性會(huì)對(duì)機(jī)器人與人的交互感知產(chǎn)生巨大影響。通過研究后的訪談，我們發(fā)現(xiàn)被試人能夠理解機(jī)器人行為的意圖和信息，被試人知道抽屜正試圖通過動(dòng)作來提醒他們拿走或返回工具，從而引導(dǎo)他們進(jìn)入下一步。然而，很多被試人表示希望按照自己的節(jié)奏完成任務(wù)，因此，受試者經(jīng)常忽略機(jī)器人的建議。此外，看到支配性因素中，主動(dòng)性和表現(xiàn)力之間存在互動(dòng)效應(yīng)。但主動(dòng)型抽屜使被試人感到機(jī)器人沒有將他們視為平等的。在問卷后的訪談中，有的被試人表示機(jī)器人像“老板”一樣，將被試人降低到較低的社會(huì)地位；另一位被試人表示“抽屜打亂了我本身的節(jié)奏”。相反，當(dāng)機(jī)器人同時(shí)具有表現(xiàn)力和主動(dòng)性時(shí)，這種不平等的效應(yīng)降低了。因此，通過增強(qiáng)表現(xiàn)力，機(jī)器人可以在不降低參與者平等感的同時(shí)引導(dǎo)兩者之間的互動(dòng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，機(jī)器人不適宜的溝通方式會(huì)讓人類用戶產(chǎn)生不適或反感。

表達(dá)性的動(dòng)作對(duì)溝通有效性的提高?？傮w來講，被試都能回憶起表現(xiàn)型抽屜偷笑，他們這個(gè)時(shí)候一般都沒有在看抽屜(根據(jù)錄像顯示)。很大一部分能回憶起“抽屜試圖向我表示祝賀”或“它提醒我犯了一個(gè)錯(cuò)誤”。即使沒有直接看抽屜，被試人仍然能夠回憶起抽屜所傳達(dá)的信息。這一發(fā)現(xiàn)再次證實(shí)了霍夫曼的論點(diǎn)，即人類對(duì)運(yùn)動(dòng)很敏感，精心設(shè)計(jì)的小動(dòng)作可以用于提升交流的有效性[7]。

此外，從視頻中還發(fā)現(xiàn)，由于沒有明確指示被試人應(yīng)該如何與抽屜互動(dòng)，被試人會(huì)使用各種不同的手勢(shì)與抽屜進(jìn)行交流，包括觸摸、揮手、敲擊等等。 除了打手勢(shì)之外，一些參與者甚至嘗試與抽屜交談。 值得注意的是，參與者很快就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)如何與抽屜互動(dòng)的心理模型，并且不會(huì)嘗試新的手勢(shì)或動(dòng)作。

存在的不足之處是數(shù)據(jù)樣本量較少，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性的結(jié)果并不十分完善，今后的工作將繼續(xù)擴(kuò)大樣本量，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比。

4 結(jié) 論

本文的研究表明，讓機(jī)器人的動(dòng)作具有表達(dá)性會(huì)影響用戶對(duì)交互的感知。與功能更強(qiáng)大的非表現(xiàn)型機(jī)器人相比，表現(xiàn)力使機(jī)器人看起來更加投入，并對(duì)人感興趣，更好進(jìn)行合作。主動(dòng)性似乎對(duì)與機(jī)器人的協(xié)作沒有顯著影響，但是被動(dòng)而富有表現(xiàn)力的機(jī)器人確實(shí)對(duì)人類用戶來說更易于相處。此外，主動(dòng)型機(jī)器人似乎比被動(dòng)型機(jī)器人更能產(chǎn)生支配感，甚至讓人感到被不平等地對(duì)待。發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)力的加入可以幫助緩和這種感覺，因?yàn)楦挥斜憩F(xiàn)力的機(jī)器人看似在引導(dǎo)兩人的互動(dòng)，但不會(huì)產(chǎn)生支配的影響力。