基于人因視角的兒童陪伴機(jī)器人交互界面設(shè)計(jì)研究

王秋惠 代欣

摘 要：基于人因工程以及交互設(shè)計(jì)理論方法，進(jìn)行兒童陪伴機(jī)器人的界面設(shè)計(jì)，使之與兒童形成良好的人機(jī)交互體驗(yàn)。通過文獻(xiàn)法對(duì)3～6歲兒童的感知能力、認(rèn)知能力以及行動(dòng)水平特點(diǎn)進(jìn)行具有針對(duì)性、詳細(xì)的概括;從3～6歲兒童的生理、心理、行動(dòng)需求3個(gè)角度出發(fā)，采用認(rèn)知實(shí)驗(yàn)方法通過統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)前期兒童的顏色和造型偏好進(jìn)行人因分析。通過顏色和造型偏好的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析得出3歲兒童喜歡紅色、黃色鮮艷的暖色，最不喜歡紫、黑這類暗色，3～6歲兒童最喜愛的顏色的順序依次是紅色、藍(lán)色、綠色、黃色;學(xué)前期兒童易于理解識(shí)別正方形、圓形、三角形3種基本形態(tài)。在未來，基于人機(jī)工程學(xué)以及交互設(shè)計(jì)的理論方法下設(shè)計(jì)的兒童陪伴機(jī)器人會(huì)隨著智能科技的不斷發(fā)展得到更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：兒童陪伴機(jī)器人;人因工程;人機(jī)交互;界面設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB 11044-04

Abstract：Based on human factors engineering and interactive design theory，the interface design of childrens companion robot is made to form a good human-computer interaction experience with children.Through the literature method，the perceptual ability，cognitive ability and action level characteristics of children aged 3～6 years were targeted and detailed.From the perspectives of physical，psychological and action needs of children aged 3～6 years，the recognition was adopted.The experimental method was used to analyze the color and styling preferences of preschool children through statistical data analysis.Through cognitive experiments of color and styling preferences，data analysis showed that 3-year-old children like red and yellow bright warm colors，and most do not like dark colors such as purple and black.The order of the favorite colors of children aged 3～6 is red.Blue，green，and yellow;preschoolers are easy to understand and recognize the three basic forms of square，circle，and triangle.In the future，childrens companionship designed based on ergonomics and interactive design theory will be more widely used with the development of intelligent technology.

Key words：childrens companion robot;human factors engineering;human-computer interaction;interface design

0 引 言目前，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類：工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。根據(jù)IFR（International Federation of Robotics）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[1]2017年供個(gè)人和家庭使用的服務(wù)機(jī)器人總數(shù)比2016年增加了25%;娛樂陪伴機(jī)器人比2016年增長12%.在恒定和持續(xù)增長的假設(shè)條件下，根據(jù)復(fù)合年增長率計(jì)算，平均年增長率為21%.通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析兒童陪伴機(jī)器人的市場份額正在逐步提升，在全球工業(yè)化的大背景下，可以預(yù)見該行業(yè)具有巨大的發(fā)展空間。2016年，商業(yè)化的O2O模式被任宏引入兒童交互產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，并提出了兒童產(chǎn)品在O2O模式下的特征[2]。2013年，彭瓊和張立群提出學(xué)前期兒童早教App交互策略，分別從3個(gè)部分進(jìn)行解釋說明，依次是信息架構(gòu)、信息呈現(xiàn)和信息效率[3]。同年，蔡小芳提出兒童交互問題要在兒童精神需求和行為需求的基礎(chǔ)上再去滿足兒童對(duì)界面的審美要求[4]。2012年，楊明朗在幼兒產(chǎn)品的交互界面研究中，指出產(chǎn)品交互中除視覺體驗(yàn)外其他感官體驗(yàn)的重要性，提出了圖形、聲音交互界面的相關(guān)研究成果[5]。Sunmin Lee和Thecla Schiphorst在2016年提出了一種親子互動(dòng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用熱感覺多種方式的全新互動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)可穿戴的遠(yuǎn)程交互[6]。2015年Vicky Charisi和Daniel Davison等人建立以用戶為中心的兒童機(jī)器人交互評(píng)價(jià)方法[7]。Asmaa Aslumatit等人2010年提出，當(dāng)幼兒進(jìn)行應(yīng)用軟件的游戲時(shí)，應(yīng)該積極幫助兒童理解界面存在的對(duì)象和交互方式可延展性的自由靈活操作性原則[8]。傳統(tǒng)的兒童陪伴機(jī)器人，更加注重兒童的教育、游戲與之交互，卻忽視了兒童成長中所需要的親子交互，遠(yuǎn)程交互這一重要因素。學(xué)前期兒童缺少的是父母陪伴的安全與依戀，因此在設(shè)計(jì)上，基于人因工程的理論著重設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程交互這一方面，使陪伴機(jī)器人更加符合兒童生理需求，心理需求，以及行為需求，在滿足兒童寓教于樂的基本需求條件下，更加有利于幫助兒童提高智力，解決兒童安全隱患問題。

1 關(guān)鍵人因分析基于人因視角兒童陪伴機(jī)器人的設(shè)計(jì)首要任務(wù)是分析用戶人群并了解用戶特征和用戶操作需求。皮亞杰建立了兒童認(rèn)知發(fā)展心理學(xué)，認(rèn)為兒童時(shí)期是人類成長過程中發(fā)展最快的階段，兒童在各階段會(huì)形成不同的認(rèn)知能力和行為操作能力[9]，兒童陪伴機(jī)器人造型設(shè)計(jì)應(yīng)滿足兒童身心發(fā)展的階段性需要，因此將兒童的年齡細(xì)致劃分為3個(gè)階段1～3歲為嬰兒期，3～6歲為學(xué)前期（圖1），6～12歲為童年中期。文中以學(xué)前期兒童作為研究對(duì)象，通過文獻(xiàn)法對(duì)3～6歲兒童的感知能力、認(rèn)知能力以及行動(dòng)水平特點(diǎn)進(jìn)行具有針對(duì)性、詳細(xì)的概括;從3～6歲兒童的生理、心理、行動(dòng)需求3個(gè)角度出發(fā)，采用認(rèn)知實(shí)驗(yàn)方法通過統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)前期兒童的顏色和造型偏好進(jìn)行人因分析。

1.1 需求分析

1.1.1 學(xué)前期兒童的生理需求學(xué)前期兒童的生理需求主要包括孩子的視覺感知、觸覺感知、聽覺感知特征等。從人機(jī)工程學(xué)視角分析，學(xué)齡前的兒童身體生長和發(fā)育不是直線上升的，男孩平均身高從93 cm平穩(wěn)增長至126.1 cm，同齡女孩的身高增長比男孩低1 cm.兒童在3歲時(shí)的抓握力2 kg左右，到了6歲能夠拿起6～7 kg的物品。因此在陪伴機(jī)器人與兒童之間的交互中要考慮到兒童的身髙，產(chǎn)品的高度尺寸與兒童相協(xié)調(diào)，保證兒童與陪伴機(jī)器人的良好交互。兒童陪伴機(jī)器人重量不能超過這個(gè)階段兒童握力，設(shè)計(jì)出符合兒童身體生長規(guī)律的機(jī)器人有助于兒童身心的健康發(fā)展。皮亞杰認(rèn)為，觸覺是兒童最初獲得外部環(huán)境知識(shí)的一種方式，這對(duì)兒童早期的認(rèn)知發(fā)展至關(guān)重要。觸覺感知包括很多因素，文中著重說明材料性質(zhì)對(duì)兒童產(chǎn)生的影響，材料性質(zhì)、人際關(guān)系和環(huán)境事件對(duì)兒童產(chǎn)生情緒的影響最大，高興和驚奇常常由材料性質(zhì)引起[10]。不同材質(zhì)的產(chǎn)品會(huì)讓兒童產(chǎn)生相應(yīng)不同的觸覺感受，柔軟的觸感能給兒童帶來快樂、幸福的感受，磨砂、光滑的觸感帶來安全穩(wěn)固、安全的感受。在設(shè)計(jì)上不同頻率的振動(dòng)可以通過觸覺達(dá)到產(chǎn)品的人機(jī)互動(dòng)反饋。比如，家長可以通過手機(jī)終端遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人控制，對(duì)兒童做對(duì)的行為獎(jiǎng)勵(lì)一個(gè)擁抱，讓兒童從觸覺的感受上得到正確的導(dǎo)向。

1.1.2 學(xué)前期兒童的心理需求從兒童的表情行為語氣等方式進(jìn)行觀察和調(diào)研，3～6歲兒童發(fā)展心理發(fā)展變化比較大，兒童具有極強(qiáng)的模仿性，通過父母、玩伴、動(dòng)畫片主人公的行為跟語言，兒童會(huì)對(duì)這些行為跟語言進(jìn)行模仿學(xué)習(xí)。在交互設(shè)計(jì)中可以將游戲和模仿相結(jié)合，利用兒童這種愛模仿的個(gè)性來設(shè)置交互游戲。學(xué)前期兒童對(duì)沒見過的未知事物以及不斷變化運(yùn)動(dòng)的新鮮事物具有強(qiáng)烈好奇心，因此要利用兒童對(duì)未知事物的好奇心，抓住兒童好學(xué)好問的特點(diǎn)，在機(jī)器人設(shè)計(jì)中加入語音交互的引導(dǎo)方式，有助于幫助兒童發(fā)現(xiàn)事物間的關(guān)聯(lián)性，這種交互方式既可以滿足兒童的求知欲望，又能促進(jìn)心智和思維能力的提高。語音交互可分多種模式，如兒童面對(duì)面提問能夠得到機(jī)器人相應(yīng)解答，兒童能正確回答兒童陪伴機(jī)器人的問題機(jī)器人則以生動(dòng)語言加以鼓勵(lì)。針對(duì)兒童對(duì)不斷變化運(yùn)動(dòng)的新鮮事物的好奇心，在界面設(shè)計(jì)中運(yùn)用變化的畫面和富有韻律的聲音捕捉兒童注意力。兒童與父母保持身體和情感聯(lián)系的一種心理特征，心理學(xué)上稱之為依戀特征，0～6歲的兒童對(duì)父母都具有此特征[11]。依戀不僅是一種兒童現(xiàn)象，并且關(guān)系到父母對(duì)兒童日后發(fā)展的深遠(yuǎn)影響[12]。

1.1.3 學(xué)前期兒童的行為需求學(xué)前期兒童的運(yùn)動(dòng)發(fā)展也處于質(zhì)變階段。3歲幼兒基本能夠完成許多粗大運(yùn)動(dòng)技能，如跳起、小跑等。4歲兒童可以進(jìn)行精細(xì)運(yùn)動(dòng)，能夠進(jìn)行簡單的折紙游戲或者可以畫出簡單的現(xiàn)實(shí)物體，到了5歲，兒童能夠熟練握住并使用鉛筆等小工具。4～5歲時(shí)，兒童身體對(duì)于自己肌肉控制能力愈發(fā)加強(qiáng)，使得技能更加精細(xì)化[13]。根據(jù)帕頓的研究，3～6歲兒童游戲類型有明顯的分層，3～4歲會(huì)無意識(shí)的對(duì)同伴行為進(jìn)行模仿平行的游戲行為;4～5歲兒童逐漸有了和同伴共同游戲的意識(shí)，從一開始的相互間的松散關(guān)系，逐漸變得有了相同的游戲目的的聯(lián)合的游戲方式;5～6歲兒童有了和同伴一起共同游戲的愿望，在游戲前進(jìn)行游戲任務(wù)的分工，為達(dá)到目的，會(huì)克服困難完成游戲任務(wù)的合作游戲的行為方式。

1.2 學(xué)前兒童認(rèn)知實(shí)驗(yàn)文中做了顏色和形態(tài)偏好的兩個(gè)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)前期兒童的顏色和造型偏好進(jìn)行人因分析。

1.2.1 參與者實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在天津市寶坻區(qū)亞一幼兒園;該幼兒園未開展過認(rèn)知實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;幼兒園滿足學(xué)前期兒童的條件有210名，其中知道兒童機(jī)器人的兒童有93名（男孩48名，女孩45名）從93人中共隨機(jī)抽取30名兒童參加實(shí)驗(yàn)，其中15名男孩，15名女孩，平均年齡在5虛歲;實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中同等對(duì)待每名被抽取兒童，老師一直在旁監(jiān)督，試驗(yàn)現(xiàn)場無尖銳物品，無安全隱患，實(shí)驗(yàn)員對(duì)兒童無刺激性言語，無過激行為，該實(shí)驗(yàn)不會(huì)對(duì)兒童造成不好的心理影響以及生理影響。

1.2.2 材料及工具實(shí)驗(yàn)主題是分析學(xué)期前兒童對(duì)顏色和造型偏好的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一需要準(zhǔn)備的材料工具：A4紙30張，24色蠟筆30套或者水彩筆30套，一部蘋果8plus手機(jī)，一臺(tái)華碩i7處理器電腦。實(shí)驗(yàn)二需要準(zhǔn)備的材料：8個(gè)形狀的積木，依次是方形積木、圓形積木、三角形積木、心形積木、五邊形積木、五角星積木、梯形積木、平行四邊形積木。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一：幼兒教師組織30名被測試兒童在A4紙上運(yùn)用手里的彩色工具根據(jù)自己的顏色喜好畫一幅作品，90 min內(nèi)完成，畫面完整實(shí)驗(yàn)結(jié)果即視為有效。90 min后收取30張作品，將作品平放在測試臺(tái)上，手機(jī)與畫面呈90°垂直狀態(tài)進(jìn)入掃描，掃描傳到電腦中，用Photoshop軟件打開需檢測圖片，將白色背景部分摳除，再對(duì)需要測量的顏色的相近像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求比，得出顏色使用面積比例圖。實(shí)驗(yàn)二：幼兒教師組織30名被測試兒童根據(jù)實(shí)驗(yàn)員的要求指出與之匹配的積木形狀。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)一分析結(jié)果：兒童繪畫使用顏色面積的大小與喜好程度呈正相關(guān)，通過調(diào)研結(jié)果可以得出下面8種顏色使用面積比（表1）。3歲兒童喜歡紅色、黃色鮮艷的暖色，最不喜歡紫、黑這類暗色[14]，3～6歲兒童最喜愛的顏色依次是紅、藍(lán)、綠、黃。此外研究可以發(fā)現(xiàn)，兒童的顏色偏好有異于成人，而3～6歲兒童對(duì)顏色的偏好幾乎不存在差異[15]。

實(shí)驗(yàn)二分析結(jié)果：兒童3歲以后一般能對(duì)所觀察事物的大體輪廓外觀進(jìn)行簡單描述，通過形狀辨識(shí)實(shí)驗(yàn)可知，學(xué)期前兒童對(duì)于基本圖形的認(rèn)知基本保持一致，正方形、圓形、三角形3種基本形態(tài)對(duì)于3～6歲兒童而言易于理解識(shí)別。

2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)靈感來源兒童陪伴機(jī)器人手繪草圖如圖2所示。

2.2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

2.2.1 安全性兒童陪伴機(jī)器人的安全性是家長在選擇產(chǎn)品時(shí)首先要考慮的因素，設(shè)計(jì)過程中需要注意到以下幾點(diǎn)：材質(zhì)采用環(huán)保食品級(jí)材質(zhì);其次是產(chǎn)品方案的尺寸、形態(tài)要基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，整體造型圓潤，邊緣處理要采取倒角方式;產(chǎn)品操作方式具有容錯(cuò)性，操作不當(dāng)不會(huì)造成不良后果;采用護(hù)眼燈源。

2.2.2 材質(zhì)及配色設(shè)計(jì)機(jī)器人在材質(zhì)選擇上主要是以ABS材料為主，這種材料能有效的降低成本且比較容易上色;在配色方案的選擇上，選擇的是白色、藍(lán)色明度較高的顏色搭配，通過上述色彩辨識(shí)實(shí)驗(yàn)可知，學(xué)前兒童對(duì)暖色以及色彩純度高的顏色偏愛，這款白藍(lán)顏色搭配符合該年齡階段對(duì)于色彩的認(rèn)知，有利于引導(dǎo)兒童正常的色彩心理發(fā)展，如圖3所示。

圖3 效果圖方案

2.3 人因形態(tài)要素分析機(jī)身輪廓線的形態(tài)效果對(duì)兒童意象有重要影響。學(xué)期前兒童對(duì)生活中所見簡單物體形態(tài)有基本的認(rèn)知，因此設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)身輪廓線采用了飛碟的仿生元素，梯形輪廓線具有穩(wěn)重感和安全感;圓形非常圓潤，顯得飽滿和可愛。機(jī)器人設(shè)計(jì)形態(tài)應(yīng)符合兒童的生理、心理、行為特征。

2.4 人因尺寸分析通過調(diào)查對(duì)與3～6歲兒童的身高、臂長以及坐姿狀態(tài)下的尺寸，做出下列分析。3～6歲兒童的身高在90～120 cm左右，臂長在42～47 cm左右，坐姿的高度在58～96 cm左右;兒童陪伴機(jī)器人的高度在20 cm，對(duì)于3～6歲兒童來講，無論是站姿還是坐姿，都能以更符合人機(jī)的角度與機(jī)器人進(jìn)行人機(jī)交互。

3 結(jié) 語文中基于人因工程以及交互設(shè)計(jì)理論方法，進(jìn)行兒童陪伴機(jī)器人的界面設(shè)計(jì)，分析學(xué)期前兒童的生理心理以及行為特征，分別得到兒童的心理、生理、行為需求，根據(jù)需求和認(rèn)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)全新方案。通過顏色和造型偏好的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析得出3歲兒童喜歡紅色、黃色鮮艷的暖色，最不喜歡紫、黑這類暗色[14]，3～6歲兒童最喜愛的顏色的順序是紅色、藍(lán)色、綠色、黃色;學(xué)前期兒童易于理解識(shí)別正方形、圓形、三角形3種基本形態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為陪伴機(jī)器人的顏色搭配以及輪廓線設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，使其界面設(shè)計(jì)更符合人機(jī)工程學(xué)，便于兒童與之形成良好的交互體驗(yàn)。在認(rèn)知實(shí)驗(yàn)制定計(jì)劃中通過權(quán)衡減掉了材質(zhì)等與形態(tài)相關(guān)的一些不是特別重要的要素，對(duì)結(jié)果有一定的影響;其次應(yīng)對(duì)所有的形態(tài)要素進(jìn)行分析，進(jìn)一步完善回歸關(guān)系模型，驗(yàn)證兒童陪伴機(jī)器人的可用性。在未來，基于人機(jī)工程學(xué)以及交互設(shè)計(jì)的理論方法下設(shè)計(jì)的兒童陪伴機(jī)器人會(huì)隨著智能科技的不斷發(fā)展得到更廣泛的應(yīng)用。

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