廖錚 張凌浩
關(guān)鍵詞:點云 三維地圖 體驗設(shè)計 掃地機(jī)器人 智能清潔
引言
互聯(lián)網(wǎng)時代的大背景下,人工智能(AI)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和消費升級。消費級的服務(wù)機(jī)器人能夠在家庭環(huán)境中勝任某些簡單的工作,減輕生活壓力,改善人類居住體驗。采用智能服務(wù)機(jī)器人替代人類完成地面清潔勞動,其目的就是利用機(jī)器人自主定位、自主清潔的特性,解放用戶的家務(wù)負(fù)擔(dān),為客戶提供更優(yōu)質(zhì)、更舒適的生活體驗。隨著體驗經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動新一輪消費升級,越來越多的家庭也不再滿足于現(xiàn)有掃地機(jī)器人的體驗,開始追求高品質(zhì)、精細(xì)化的清潔服務(wù),掃地機(jī)器人的競爭從提升吸塵功率、續(xù)航時間向拓展深度清潔、智能交互等方向轉(zhuǎn)變。
一、研究現(xiàn)狀
(一)掃地機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
1. 基本概念
掃地機(jī)器人是家庭清潔功能與服務(wù)型機(jī)器人概念的結(jié)合,是最早進(jìn)入生活消費領(lǐng)域的智能服務(wù)機(jī)器人品類?;诂F(xiàn)有機(jī)器人產(chǎn)品的概念,本文將掃地機(jī)器人定義為:以減輕清潔負(fù)擔(dān)、提高生活質(zhì)量為目的,在家庭環(huán)境內(nèi)工作,掃地機(jī)器人的智能體現(xiàn)為具備一定自主行動能力、自主判斷能力、自主學(xué)習(xí)能力,能夠根據(jù)路徑導(dǎo)航完成設(shè)定的清潔任務(wù)。AI(Artificial Intelligence)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等概念深植于工業(yè)制造,推動了整個社會對機(jī)器人智能服務(wù)的需求,掃地機(jī)器人成為智能家居系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)。掃地機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計,應(yīng)致力于多維度地為家居生活創(chuàng)造更舒適、更便捷、更健康、更安全的生活環(huán)境[1]。
2. 掃地機(jī)器人設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀
國際機(jī)器人聯(lián)合會(IFR)統(tǒng)計指出,2015-2019 年間銷售額持續(xù)增長;在 2016 年后,掃地機(jī)器人市場增速放緩。據(jù)《2020中國服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告》顯示,技術(shù)創(chuàng)新、內(nèi)在價值、經(jīng)濟(jì)環(huán)境成為驅(qū)動機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵因素。基于產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)及分析報告歸納掃地機(jī)器人設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀。
在產(chǎn)品驅(qū)動力方面,掃地機(jī)器人從早期關(guān)注吸力、續(xù)航、越障等基本功能參數(shù),逐步向關(guān)注交互、控制、集成、識別等體驗要素轉(zhuǎn)變。在經(jīng)歷從無到有的普及階段后,產(chǎn)品逐漸重視依靠體驗提升來驅(qū)動消費需求。家庭清潔任務(wù)的多樣化與復(fù)雜化,要求機(jī)器人具備更高的清潔效率和好的使用體驗。例如云鯨拖掃一體機(jī)器人,采用雙水箱基站設(shè)計以解決自動換洗拖布的使用痛點;使用磁吸更換的方式增強(qiáng)刷頭更換的便捷性,見圖1。
從用戶價值驅(qū)動力方面來看,用戶從只追求功能使用的價值轉(zhuǎn)向更加重視情感與自我實現(xiàn)的價值。在繁忙的工作中,人們期望更省力輕松的生活,也希望通過更智能的清潔產(chǎn)品獲得更好的生活體驗。
而年齡、使用經(jīng)驗等的差異導(dǎo)致了用戶人群細(xì)化;用戶追求產(chǎn)品的情感價值,認(rèn)可符合自身價值的品牌,選擇符合自身定位的智能清潔產(chǎn)品,從而創(chuàng)造出具有獨特性的家庭清潔用戶場景。
(二)掃地機(jī)器人設(shè)計關(guān)注的問題
《2020中國服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告》中提出:能否解放勞動、提高效率、提升服務(wù)質(zhì)量,是服務(wù)型機(jī)器人的內(nèi)在價值基礎(chǔ)。
對掃地機(jī)器人來說,最大程度解放用戶家務(wù)勞動、提升清潔效率、提供高質(zhì)量的清潔服務(wù),就是其核心價值所在。
1. 應(yīng)對復(fù)雜清潔場景的使用問題:清潔機(jī)器人在清潔地面死角方面有無可替代的優(yōu)勢,但受限于自身結(jié)構(gòu),不可控的噪音、碰撞、纏繞問題,在工作中對家庭成員的正常生活產(chǎn)生較強(qiáng)干擾;對毛發(fā)的處理能力與手持吸塵器相比又有著明顯劣勢。相比之下,清潔機(jī)器人缺乏豐富的拓展模塊,獨自應(yīng)對家庭環(huán)境的所有復(fù)雜性??v觀其他的智能清潔產(chǎn)品——手持吸塵器、蒸汽拖把等產(chǎn)品創(chuàng)新層出不窮,向用戶描繪了家務(wù)勞動的新場景。在復(fù)雜變化的家庭環(huán)境中,吸塵器具有的拓展性、可控性及清潔的細(xì)致程度遠(yuǎn)優(yōu)于掃地機(jī)器人。體感交互的融合發(fā)展及可替模塊、集成基站等系統(tǒng)化的創(chuàng)新形式也成為功能設(shè)計的重要方向。
2. 定位與地圖服務(wù)的交互問題:現(xiàn)階段對于如何將智能技術(shù)內(nèi)化至日常清潔活動缺乏相應(yīng)的研究。大部分研究從技術(shù)原理與算法應(yīng)用角度展開闡述,缺乏用戶體驗的角度。對于產(chǎn)品技術(shù)升級過分關(guān)注,也一定程度忽視了購買者對機(jī)器人清潔體驗的實際需求。定位能力不足、地圖信息抽象且單一對使用體驗有著重要影響。平面地圖具有天生的信息缺陷,對高維信息的表達(dá)缺失使得在交互表達(dá)上無法提供足夠的細(xì)節(jié)。
現(xiàn)階段掃地機(jī)器人App地圖中仍然存在大量無意義噪音;且環(huán)境中高度、形狀、材質(zhì)等信息仍然缺失,人眼視覺感知與 App 地圖呈現(xiàn)效果存在巨大差異,見圖2。在已有的設(shè)計嘗試中,科沃斯掃地機(jī)器人 DG70與 T8使用了單目視覺攝像頭與激光雷達(dá)融合的方案,在實際使用過程中,“AIVI”現(xiàn)階段只停留在“提示”“標(biāo)記”階段,并不能基于物體識別實現(xiàn)更多功能,無法顯著改善掃地的用戶體驗,見圖3 。
從以人為中心的設(shè)計角度出發(fā),應(yīng)更多關(guān)注地圖從二維升向三維的表達(dá)方式,探索更多基于多維數(shù)據(jù)的交互邏輯和使用流程。
二、三維點云地圖與清潔體驗構(gòu)成要素分析
(一)解讀點云技術(shù)
“點云(Point Cloud)”,是指通過激光雷達(dá)、單目、雙目視覺攝像頭等機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,獲取在同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點的集合。點云數(shù)據(jù)對高維的特征信息有著極強(qiáng)的包容性與可擴(kuò)展性,適合應(yīng)用于3D目標(biāo)檢測任務(wù)。
其中激光雷達(dá)是最主流的點云獲取方案之一。如今,激光雷達(dá)SLAM(simultaneous localization and mapping)與視覺 SLAM已在掃地機(jī)器人中廣泛應(yīng)用,但是依靠傳統(tǒng)單一傳感器的SLAM 構(gòu)建的地圖中缺少語義信息[2],仍然難以適用于家庭環(huán)境中的高動態(tài)場景,基于視覺的場景識別與理解是機(jī)器人認(rèn)識周圍環(huán)境、提高智能化水平的關(guān)鍵[3]。AI 場景識別是機(jī)器視覺與深度學(xué)習(xí)的融合應(yīng)用,它基于單目、雙目視覺相機(jī)采集環(huán)境圖像,獲得當(dāng)前場景中的實時位姿數(shù)據(jù),是機(jī)器人構(gòu)建環(huán)境地圖的重要步驟。視覺是多級且自下而上的分析過程,其核心是由圖像結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出外部環(huán)境結(jié)構(gòu),最終實現(xiàn)對外部現(xiàn)實世界的認(rèn)知[4]。趙曉東等在《清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃算法研究綜述》中指出進(jìn)一步研究的方向,在強(qiáng)大的硬件平臺下,發(fā)展建立精確的環(huán)境模型信息,包括在某些場景下建立三維模型,通過多種方法融合設(shè)計新的定位及規(guī)劃算法[5],如圖4。
對掃地機(jī)器人來說,人工智能、地圖及相關(guān)的交互體驗是決定機(jī)器人好用與否的關(guān)鍵。通過從不同維度分析掃地機(jī)器人的特征,提煉對市場、用戶、體驗有決定性影響的關(guān)鍵要素,前瞻地圖與定位驅(qū)動的體驗設(shè)計研究趨勢。
(二)三維點云地圖的體驗設(shè)計研究趨勢
掃地機(jī)器人地圖與定位的技術(shù)要素是其提供清潔服務(wù)的基礎(chǔ);而地圖與人工智能(AI)的融合又將為未來體驗創(chuàng)造更多可能性?;谝陨习l(fā)展趨勢,機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)將進(jìn)一步推動地圖形式的變革,從信息匱乏、交互形式單一的平面地圖逐步轉(zhuǎn)向信息呈現(xiàn)多樣、交互通道豐富的多維立體地圖,如圖5。
1.圍繞三維點云硬件的趨勢:傳統(tǒng)的功能設(shè)計集中于機(jī)器人本體,實際上通過對其他產(chǎn)品的橫向研究,脫離本體進(jìn)行功能模塊的構(gòu)思有著更多操作上的可行性。通過掛載視覺和點云融合的硬件構(gòu)成,可以幫助機(jī)器人更深入地感知和理解家庭環(huán)境,支持三維地圖情感化、人性化的體驗。智能清潔體驗依賴于完整且豐富的地圖信息,充分考慮到機(jī)器人低矮的工作特性與高視角掃描效果間的矛盾,以升降式攝像頭或拆卸式掃描儀的方式創(chuàng)造高低搭配的建圖策略,或使用戶也參與掃描的過程,增強(qiáng)對機(jī)器人的探索欲,建立起更豐富的情緒體驗。
2.圍繞三維地圖交互的趨勢:傳統(tǒng)掃地機(jī)器人的 App 應(yīng)用只進(jìn)行抽象的地圖呈現(xiàn),只支持一維的縮放平移操作,缺乏對環(huán)境全景式和微距式的觀察視角,對家庭環(huán)境的表達(dá)呈現(xiàn)單調(diào)且冰冷的狀態(tài)。在交互與視覺設(shè)計層面,對應(yīng)功能模塊進(jìn)行流程和層級的設(shè)計。基于以上發(fā)展趨勢,機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)將進(jìn)一步推動地圖形式的變革,從信息匱乏、交互形式單一的平面地圖逐步轉(zhuǎn)向信息呈現(xiàn)多樣、交互通道豐富的三維立體地圖。AI視覺識別與點云數(shù)據(jù)的融合,可以幫助機(jī)器人更深入地感知和理解家庭環(huán)境,又實現(xiàn)對日常行為的識別與判斷[6]。在應(yīng)用層面為家庭智能清潔帶來精細(xì)化清掃、多層級信息、人機(jī)協(xié)同、智能交互等方面更多的可能性;在硬件層面,更全面的三維數(shù)據(jù)加深了機(jī)器人的空間理解,為機(jī)器人運行提供高精度的路線計算,完成點到點的清潔任務(wù)。
(三)三維點云地圖體驗洞察導(dǎo)出
基于上述設(shè)計趨勢分析與研究框架,展開三維地圖使用場景的洞察聚類和轉(zhuǎn)化。通過對使用經(jīng)驗、使用痛點、未來需求等角度的資料搜集、文獻(xiàn)分析、用戶深訪,從以功能模式、交互方式、視覺體驗三個角度進(jìn)行整合了以下初步洞察,見圖6。并在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出三個具備較高設(shè)計價值的目標(biāo)場景。
洞察導(dǎo)出需要完成向設(shè)計策略的轉(zhuǎn)化,用戶體驗設(shè)計的核心原則在以下方面得到應(yīng)用,見圖7:①功能模式設(shè)計角度:構(gòu)建的 3D 地圖,可以實現(xiàn)在建立三維環(huán)境模型的同時標(biāo)記環(huán)境中的物體位置、功能標(biāo)注、姿態(tài)和等語義信息、要實現(xiàn)與人的認(rèn)知同步,就應(yīng)通過定義地圖節(jié)點的抽象概念和語義關(guān)系,創(chuàng)建包含人類空間概念實體的環(huán)境地圖。
②交互方式設(shè)計角度:多層級信息可以以簡潔、高效的形式呈現(xiàn)的原則。在交互層面,得益于點云立體表達(dá)的優(yōu)勢,經(jīng)過三維圖像后能夠表現(xiàn)包括深度圖、幾何圖、語義圖等在內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù),形式各異的地圖數(shù)據(jù)更需要建立起與之對應(yīng)的交互邏輯。
③視覺體驗設(shè)計角度:動態(tài)變化的環(huán)境信息經(jīng)過可視化處理后提供給用戶。滿足了用戶的參與權(quán)、知情權(quán)、控制權(quán),在實用層面更具體地引導(dǎo)了具備安全感與信任感的智能清潔體驗。
三 、基于三維點云地圖的智能清潔體驗設(shè)計策略
智能是什么?智能是指機(jī)器接近人的行為方式、思維方式。智能系統(tǒng)的設(shè)計,即是通過提供具有合適的場景應(yīng)用和產(chǎn)品功能的AI 解決方案,在此基礎(chǔ)上滿足用戶需求并產(chǎn)生社會效益[7]。通過三維地圖建構(gòu)起家庭智能清潔系統(tǒng),人的認(rèn)知和機(jī)器理解的差異進(jìn)一步縮減,從空間信息采集、篩選、判斷、清潔任務(wù)的不同階段,機(jī)器人能夠越來越接近人的思維方式與行為方式。這種思維與行為的同步化能夠建立除了清潔任務(wù)外的情感連接,更進(jìn)一步帶來自然和諧的生活體驗。
(一)智能清潔體驗設(shè)計策略構(gòu)建
通過前期洞察確立了具體的體驗設(shè)計方向,基于三維點云地圖在多維信息采集與視覺呈現(xiàn)方面的優(yōu)勢,構(gòu)建囊括精細(xì)化、協(xié)同化、情感化三個維度的智能清潔體驗設(shè)計策略,見圖8。
1.精細(xì)化策略
(1)用戶清潔需求的精細(xì)化:提供精確到物品的高精度定位,為掃地機(jī)器人全空間的“點對點”清掃奠定基礎(chǔ)。精細(xì)化清掃,即強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確打擊某個點的同時盡量降低對周邊的影響,對于清潔機(jī)器人來說該原則同樣適用。用戶對于“只掃某個區(qū)域就好”的使用需求,并不需要機(jī)器人從出發(fā)就開始清掃,而是以安靜的狀態(tài)出發(fā),走直線以最短距離到達(dá)標(biāo)定區(qū)域,再開始清掃。例如:去主臥床底下擦地、去衛(wèi)生間擦水,去南陽臺清潔貓窩等精確到語義屬性的定點清潔。
(2)地圖標(biāo)簽管理的精細(xì)化:SLAM系統(tǒng)在構(gòu)建地圖時將幾何信息與語義信息融合,利用語義信息輔助定位,從而準(zhǔn)確地感知并適應(yīng)場景[8]。多次掃描的訓(xùn)練后,能夠逐漸識別各類家具物品,確定他們的固定邊界,對環(huán)境中家具種類、功能、使用頻率等信息進(jìn)行區(qū)分,自動為他們添加標(biāo)注。一方面這些物品將作為標(biāo)定行駛軌跡的路標(biāo)輔助機(jī)器人運行;另一方面能夠為精確清掃提供標(biāo)志物,并由此支持文字標(biāo)注到語音控制的轉(zhuǎn)化。在顯示方式上,以圖層疊加的形式呈現(xiàn)不同類別的標(biāo)注,合理排列并控制單次信息量,見圖9。
2. 協(xié)同化策略:通過地圖共建、信息共享,利用三維點云地圖的特點在機(jī)器之間、人與機(jī)器間建立起更高效、更整體的協(xié)作系統(tǒng)。
(1)“分布式”地圖系統(tǒng)構(gòu)建協(xié)同化:“分布式”地圖系統(tǒng)中,展現(xiàn)給用戶的是統(tǒng)一的地圖整體。系統(tǒng)擁有多種通用的物理和邏輯資源,可以動態(tài)的分配任務(wù),分散的地圖資源通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換。
由于單個機(jī)器人的建圖與識別效率有限,需要由低至高逐步構(gòu)建地圖階層,見圖10。更新的地圖信息能夠經(jīng)由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)共享,實現(xiàn)內(nèi)部快速迭代,不同機(jī)器人之間只需通過同一份地圖來完成信息的理解和判斷。設(shè)備間通過環(huán)境認(rèn)知的一致性提升服務(wù)效率,降低錯誤率。
(2)人機(jī)操控構(gòu)建協(xié)同化:智能清潔系統(tǒng)需要人和機(jī)器人的協(xié)同運作——信息的采集和分析、信息的計算、指令的執(zhí)行和反饋。通過對場景任務(wù)的解構(gòu),人作為命令主體,機(jī)器人則是執(zhí)行主體。以這種形式賦予產(chǎn)品可用性,進(jìn)而積累場景下的數(shù)據(jù),使用戶可以通過地圖界面獲取機(jī)器人狀態(tài)及環(huán)境信息,實現(xiàn)對機(jī)器人的全面控制。以“人在環(huán)中”的形式拓展人機(jī)交互的空間,通過優(yōu)化交互設(shè)計來彌補(bǔ)自然語言交互技術(shù)的不足[9]。
3. 情感化策略:情感化設(shè)計幫助在形式化用戶體驗和情感生成之間產(chǎn)生聯(lián)系[10]。情感化一方面源于動態(tài)自然的交互方式,另一方面源于簡單高效的使用體驗。創(chuàng)造人機(jī)間“心有靈犀”的場景是創(chuàng)造人性化的前提。
(1)差異化場景識別實現(xiàn)情感化:人體動作識別是從給定的動作序列中理解人的行為,行為識別的目的就是根據(jù)傳感器觸發(fā)的序列來推斷居民當(dāng)前正在進(jìn)行哪一種日常行為[11]。從點云中提取的三維人體骨架對于差異化的場景識別具有重要意義[12]。差異化的場景識別要求機(jī)器人能夠記錄并判斷包括人的輪廓、動作、語音,指導(dǎo)自身工作。對人體行為的識別感應(yīng)使機(jī)器人在工作中兼顧用戶的生活方式與認(rèn)知習(xí)慣,“四兩撥千斤”,針對性地調(diào)整工作模式,降低存在感,提高工作效率。而另一方面,識別寵物的固定活動區(qū)域,避讓不可觸碰的區(qū)域,清理食物殘渣;及時發(fā)現(xiàn)寵物引發(fā)的突發(fā)狀況,如撕碎紙巾、打翻水瓶等,識別、拍攝并向用戶發(fā)送報告。
(2)動態(tài)可視化實現(xiàn)情感化:三維地圖作為屏幕交互的第一層界面,以和諧的交互邏輯和自然的動態(tài)效果能夠有效提升使用體驗,傳遞情感化的價值。例如在掃描建圖階段,更快輸出密度高、噪聲低的地圖,能夠以較快速度勾勒空間的深度和高度信息。例如強(qiáng)調(diào)與實景畫面融合的低面網(wǎng)格效果,能夠直觀反映已掃描的區(qū)域及大致的環(huán)境形態(tài)。對于建圖過程而言,低面風(fēng)格能夠營造充足的動態(tài)感,隨著掃描推進(jìn)網(wǎng)格逐步延伸,能夠向用戶傳達(dá)積極的信息反饋。以清掃過程為例,通常是用戶非在場狀態(tài),但系統(tǒng)應(yīng)該通過動態(tài)交互設(shè)計“讓清掃優(yōu)化過程觸手可得”,例如,通過漸變色的App動效、粒子狀的渲染特效等方式,將家庭環(huán)境質(zhì)量的變化呈現(xiàn)給用戶。
(二)智能清潔概念系統(tǒng)架構(gòu)
基于三維點云地圖在多維信息采集與立體視覺呈現(xiàn)方面的優(yōu)勢,提出自上而下囊括產(chǎn)品硬件、交互方式、視覺表現(xiàn)的設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu),見圖11。針對體驗思維主導(dǎo)下的家庭清潔機(jī)器人開發(fā)產(chǎn)生的諸多需求,通過以用戶為中心的設(shè)計方法,為智能清潔系統(tǒng)構(gòu)建提供可行思路與前期概念。
具體到交互環(huán)節(jié),則應(yīng)包含了從清潔場景提煉出的細(xì)分需求:①保留符合用戶偏好的傳統(tǒng)交互方式如屏幕交互和物理邏輯等;②不同用戶對新交互形式的接受程度和探索欲望不同,應(yīng)提供體感控制與語音控制的拓展選項;③通過自然的交互形式采集環(huán)境/人體數(shù)據(jù),維持家庭基本健康安全的需求;④選擇合適的顯示載體,以三維動畫形式對滿足用戶對動態(tài)數(shù)據(jù)的感知需求等。
結(jié)語
近年來對于掃地機(jī)器人的研究,逐漸開始注重智能技術(shù)、交互方式與用戶情感之間的關(guān)聯(lián)。對掃地機(jī)器人清潔體驗的研究思維,本質(zhì)就是以人為本的設(shè)計思維。面對單一機(jī)器人或單一功能模塊難以應(yīng)對復(fù)雜性與特殊性的現(xiàn)實狀況,3D視覺的應(yīng)用還是要從具體場景的使用訴求和成本等多重因素共同考慮。構(gòu)建“三維點云地圖”與掃地機(jī)器人家庭清潔融合的系統(tǒng),是從體驗設(shè)計的角度對當(dāng)前機(jī)器人應(yīng)用研究的新探索,勾勒未來基于機(jī)器人服務(wù)的智能家居系統(tǒng)的發(fā)展輪廓。
利用三維點云地圖數(shù)據(jù)精確、表達(dá)形式豐富的特征,開拓新應(yīng)用場景與新交互方式,為智能家居系統(tǒng)融入更多積極的的情緒體驗。通過構(gòu)建信息共享系統(tǒng)與機(jī)器人工作聯(lián)動機(jī)制,完成家庭清潔的協(xié)同化調(diào)度;服務(wù)機(jī)器人共享了更強(qiáng)的分析能力、更快的建圖能力、更精細(xì)的場景識別能力;依靠語義地圖,智能機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)精確移動、精細(xì)清潔、物體跟蹤、安全巡航等多重功能,最終為用戶打造高效、互聯(lián)、自然、系統(tǒng)、多維、安全的家居生活體驗。