自動(dòng)駕駛車(chē)輛與行人交互：基于手勢(shì)的意圖傳達(dá)行為實(shí)驗(yàn)研究

章薇，吳昌旭，Leo Kust,Yijie Chen

(1.清華大學(xué) 工業(yè)工程系，北京，100000；2.美國(guó)紐約州立大學(xué) 布法羅分校,美國(guó)，紐約州，布法羅 14222；3.亞利桑那州立大學(xué)，美國(guó)，亞利桑那州，鳳凰城 85281)

1 前言

自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展給未來(lái)的交通出行帶來(lái)很大程度的改變，如優(yōu)化交通流，降低交通事故發(fā)生率，緩解空氣污染問(wèn)題，提升駕駛舒適度等[1-2]。美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)[3]將自動(dòng)駕駛分為六個(gè)等級(jí)，其中，Level 3以上的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)不再要求人們監(jiān)控交通環(huán)境，因此，自動(dòng)駕駛車(chē)內(nèi)的駕駛員往往會(huì)執(zhí)行各種非駕駛相關(guān)任務(wù)如看視頻、打游戲、睡覺(jué)等[4]。在這種情況下，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和其他的道路使用者需要相互理解以維持一個(gè)安全和有秩序的交通環(huán)境[2,5]。

從自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的視角出發(fā)，算法工程師不斷地設(shè)計(jì)和提升自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的算法來(lái)處理由雷達(dá)和相機(jī)等傳感器收集的信息以理解人類的行為[6-8]。然而，人類進(jìn)行信息加工和處理的大腦的認(rèn)知資源是有限的[9]。傳統(tǒng)地，道路交通者(包括駕駛員、行人、騎自行車(chē)者)依賴車(chē)輛的移動(dòng)(如超速或逐漸靠近左車(chē)道)、非語(yǔ)言交流(如面部表情、眼神交流、手勢(shì)、身體移動(dòng))和語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行意圖交流[10-11]。然而，在自動(dòng)駕駛車(chē)輛環(huán)境下，自動(dòng)駕駛車(chē)內(nèi)的駕駛員往會(huì)因執(zhí)行非駕駛相關(guān)任務(wù)而大概率不再參與意圖交流。如果道路使用者(尤其是行人)誤解了自動(dòng)駕駛車(chē)輛的意圖，他們可能會(huì)采取不恰當(dāng)?shù)男袨椋蚨赡軙?huì)增加事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)并影響交通效率[12]。因此，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要和道路使用者[5]進(jìn)行有效地交流以使得其他道路使用者能理解其意圖[13-14]。

前人研究對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛和道路使用者的意圖交流方法和內(nèi)容進(jìn)行了廣泛的探索[5]。意圖交流方法包括被動(dòng)地交流信號(hào)(如利用手環(huán)或智能手機(jī))[15]、車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)特征[12]、以及車(chē)外的人機(jī)交互界面(如LED顯示屏)[16-18]。此外，傳輸?shù)膬?nèi)容信息包括基礎(chǔ)信息(即駕駛模式和對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的感知)、意圖信息(即告知道路使用者自動(dòng)駕駛車(chē)輛的意圖和接下來(lái)的行為決策)和指示信息(即指示道路使用者該如何進(jìn)行行為反應(yīng))。其中，相比其他信息，意圖信息相對(duì)更為重要。

然而，上述研究中提出的意圖交流的方法存在一定的局限性。首先，一些車(chē)外的人機(jī)交互界面存在學(xué)習(xí)成本。例如，被試需要提前學(xué)習(xí)研究者提出的代表自動(dòng)駕駛車(chē)輛狀態(tài)的燈光顯示方式才能進(jìn)行決策[18]。其次，研究者們提出的自動(dòng)駕駛車(chē)輛和人的交流界面可能不適用于來(lái)自不同文化背景的人?；谝豁?xiàng)全球調(diào)查研究，Zandi 等(2020)發(fā)現(xiàn)來(lái)自不同國(guó)家的人對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛和行人交流信息的重要性持不同的觀點(diǎn)。在自動(dòng)駕駛車(chē)輛忽略行人意圖的情況下，“小心，我很危險(xiǎn)”這一信息對(duì)美國(guó)人來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要而對(duì)德國(guó)人來(lái)說(shuō)相對(duì)沒(méi)有意義。這可能是因?yàn)椴煌瑖?guó)家和地區(qū)的語(yǔ)言、道路文化和交通規(guī)則不同[19-20]，人們和自動(dòng)駕駛車(chē)輛的交互也不同，因此他們對(duì)人機(jī)交互界面的預(yù)期也存在差異[21-22]。

被廣泛應(yīng)用于日常生活中的手勢(shì)被視為普遍和有潛力的交流方法[23]。相比先前提到的意圖交流方法，通過(guò)手勢(shì)來(lái)傳達(dá)意圖可能存在獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，手勢(shì)是自然的和直接的[24]。人往往不需要額外的學(xué)習(xí)成本就可以在第一眼看到手勢(shì)的時(shí)候快速地感知和理解手勢(shì)的意圖。其次，相比人機(jī)交互界面(尤其與文本和語(yǔ)言相關(guān))，不同國(guó)家和地區(qū)間的手勢(shì)相對(duì)更加一致。基于前人研究發(fā)現(xiàn)的不同國(guó)家間在手勢(shì)理解上的一致性[25]，通過(guò)手勢(shì)傳達(dá)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的意圖可能可以得到一致的理解。最后，通過(guò)簡(jiǎn)單地?cái)[動(dòng)手臂，手勢(shì)可以傳遞復(fù)雜和清晰明了的信號(hào)。例如，手掌朝上的姿勢(shì)代表“走吧，我給你讓道”[20,23]。因此，綜上所述，使用手勢(shì)傳遞自動(dòng)駕駛車(chē)輛的意圖將會(huì)是一種人性化的促進(jìn)人們直接和快速地理解自動(dòng)駕駛車(chē)輛意圖的方式。

基于手勢(shì)在傳遞自動(dòng)駕駛車(chē)輛意圖上的潛在優(yōu)勢(shì)，本研究進(jìn)一步提出如下問(wèn)題：如何讓自動(dòng)駕駛車(chē)輛來(lái)傳遞這些手勢(shì)呢？前人研究表明，用機(jī)械臂來(lái)傳遞手勢(shì)可以有效地促進(jìn)人和系統(tǒng)的交互[26-29]。例如，在探索使用機(jī)械手傳達(dá)指示性手勢(shì)對(duì)裝配任務(wù)中的人機(jī)交互的影響時(shí)，Sheikholeslami 等(2017年)發(fā)現(xiàn)人們識(shí)別機(jī)械手傳達(dá)的手勢(shì)的正確率高于60%。Gleeson 等(2013年)同樣發(fā)現(xiàn)人們可以容易地理解由機(jī)器人系統(tǒng)傳達(dá)的手勢(shì)。機(jī)械手臂除了易于理解，還能在呈現(xiàn)和感知上獲得人們的積極評(píng)價(jià)[27]。綜上，基于機(jī)械手在人機(jī)交互中的有效性，通過(guò)機(jī)械手來(lái)產(chǎn)生手勢(shì)以傳達(dá)自動(dòng)駕駛意圖可能是促進(jìn)自動(dòng)駕駛車(chē)輛和道路使用者溝通的有效方式。

運(yùn)動(dòng)速度是影響機(jī)械手傳遞手勢(shì)的有效性的關(guān)鍵重要參數(shù)[30]。前人研究表明，速度會(huì)影響人們對(duì)機(jī)械傳達(dá)的手勢(shì)的感知[31-33]，而且是人們理解機(jī)器人意圖的重要線索[34]。例如，Berger 等(2021年)發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變機(jī)械手的速度時(shí)，人們會(huì)把手勢(shì)理解成不同的含義。多樣化的手勢(shì)意圖對(duì)于社會(huì)環(huán)境下的人機(jī)交互十分有用。然而，對(duì)于人和自動(dòng)駕駛的意圖交流而言，最重要的是保證人能正確地感知和理解自動(dòng)駕駛車(chē)輛的手勢(shì)。如果不同的揮動(dòng)速度導(dǎo)致駕駛員誤解了手勢(shì)的意圖，可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的交通事故的發(fā)生。但當(dāng)前并未有研究關(guān)注基于機(jī)械手的手勢(shì)來(lái)傳達(dá)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的意圖，以促進(jìn)人和自動(dòng)駕駛車(chē)輛的交流，使得機(jī)械手在自動(dòng)駕駛車(chē)輛意圖傳達(dá)的有效性尚不清楚。

基于以上前人研究，本研究考慮的自動(dòng)駕駛等級(jí)為L(zhǎng)3級(jí)及以上，因?yàn)橐陨献詣?dòng)駕駛等級(jí)車(chē)輛中的駕駛員不再需要監(jiān)控道路(SAE International,2021年)且大概率不會(huì)參與和其他道路使用者的意圖交流。此外，本研究主要考慮了兩大經(jīng)典的手勢(shì)類型，即讓道和占道[22,25]。本研究旨在探究：(1)相比人手，使用機(jī)械手產(chǎn)生的手勢(shì)在傳遞自動(dòng)駕駛車(chē)輛意圖的有效性；(2)機(jī)械手的揮動(dòng)速度是否會(huì)影響人們對(duì)不同手勢(shì)的行為反應(yīng)和意圖理解。

2 對(duì)象與方法

2.1 被試

募集志愿者30名被試(15名男性，15名女性)作為行人，年齡18到30歲(Mean=21.43,SD=3.18)參與了本次實(shí)驗(yàn)。所有被試都要求視力正?；虺C正視力正常，并且擁有有效的駕照。被試的駕駛經(jīng)驗(yàn)從一年到五年不等(Mean=2.0,SD=0.83)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用了2 × 3 被試內(nèi)設(shè)計(jì)。自變量包括手勢(shì)類型(讓道 vs.占道)和手臂類型(人手 vs.快速揮動(dòng)的機(jī)械手 vs.慢速揮動(dòng)的機(jī)械手)。研究中將給被試傳遞兩大常用的手勢(shì)：一個(gè)垂直設(shè)計(jì)的手臂被設(shè)計(jì)為占道，一個(gè)手掌朝向被試的移動(dòng)手勢(shì)被設(shè)計(jì)為讓道。三種類型的手臂被用來(lái)傳遞這些手勢(shì)。所有被試均要體驗(yàn)用快速揮動(dòng)(每分鐘120次)和慢速揮動(dòng)(每分鐘80次)的機(jī)械手臂，以及人手(控制條件)傳遞的手勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)收集了被試對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛所傳達(dá)的手勢(shì)的客觀反應(yīng)和主觀態(tài)度。研究中共收集了兩個(gè)客觀指標(biāo)以評(píng)估參與者的行為：(1)反應(yīng)時(shí)間：從手勢(shì)發(fā)出到被試按下鍵盤(pán)上的空格鍵之間的時(shí)間，這個(gè)動(dòng)作意味著被試?yán)斫饬耸謩?shì)。(2)反應(yīng)的準(zhǔn)確性：參與者對(duì)相應(yīng)的傳遞的手勢(shì)反應(yīng)是否準(zhǔn)確(記為1)或不準(zhǔn)確(記為0)。研究中共收集了三個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估被試對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛所傳達(dá)的手勢(shì)的主觀態(tài)度：(1)可理解度：通過(guò)詢問(wèn)“你對(duì)所給出的手勢(shì)理解程度如何？”來(lái)了解參與者對(duì)不同手臂所傳遞的手勢(shì)的理解程度; (2)禮貌度：通過(guò)詢問(wèn)“你感覺(jué)這個(gè)手勢(shì)有多禮貌?”來(lái)了解不同手臂傳達(dá)的手勢(shì)的禮貌度；(3)舒適度：通過(guò)詢問(wèn)“你對(duì)不同手臂傳遞的手勢(shì)感覺(jué)有多舒服？”來(lái)了解被試體驗(yàn)到的手勢(shì)的舒適度。本研究采用李克特量表對(duì)以上三個(gè)主觀指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為了盡量減少被試對(duì)中值點(diǎn)的誤用并找到一個(gè)最佳的評(píng)價(jià)值，上述主觀測(cè)量都是基于一個(gè)四點(diǎn)李克特量表，即從“一點(diǎn)也不”到“非?！盵35]。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

出于安全考慮，本研究采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方法，真正的手勢(shì)傳遞場(chǎng)景將事先被拍攝成視頻。以下是生成手勢(shì)傳遞場(chǎng)景的步驟。

步驟1：建立一個(gè)機(jī)械手并生成手勢(shì)

機(jī)械手包括塑料手掌和手臂部分。塑料手掌的大小基于平均男性手掌的人體測(cè)量數(shù)據(jù)，即手掌的長(zhǎng)度為0.188 m，手掌的寬度為0.08 m[36]。為了區(qū)分機(jī)械手與汽車(chē)儀表盤(pán)的區(qū)別，以及在視覺(jué)上區(qū)分手掌和手臂，研究中將手掌的部分涂成白色，將手臂的部分涂成黃色。將手掌定位在手腕的固定角度，拇指朝上并從手腕開(kāi)始擺動(dòng)。

如圖1所示，本研究中設(shè)計(jì)了兩個(gè)動(dòng)作來(lái)產(chǎn)生“讓道”和“占道”的手勢(shì)?！白尩馈?手勢(shì)包括水平揮動(dòng)的手掌和手臂的動(dòng)作，表明自動(dòng)駕駛車(chē)輛希望被試先行通過(guò)。在 “占道” 手勢(shì)中，機(jī)械手的手掌垂直于中控臺(tái)，這表明自動(dòng)車(chē)輛希望被試等待。快速揮動(dòng)的手臂和慢速揮動(dòng)的手臂的擺動(dòng)速度分別為每分鐘120次和每分鐘80次。研究者在距離方向盤(pán) 0.2 m的駕駛座右側(cè)的儀表板上安裝了觸發(fā)手臂的裝置。通過(guò)以上方式，被試可以很容易地看到自動(dòng)駕駛車(chē)輛上的手勢(shì)。

圖1 用不同類型的手傳遞手勢(shì)的場(chǎng)景

步驟2：視頻拍攝和剪輯

本研究共拍攝了六個(gè)與實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)應(yīng)的視頻。我們邀請(qǐng)了一位中年男性駕駛員參加拍攝。駕駛員坐在汽車(chē)?yán)锬M自動(dòng)駕駛汽車(chē)的駕駛員。汽車(chē)的左轉(zhuǎn)信號(hào)燈是亮著并在閃爍的，以模擬自動(dòng)駕駛車(chē)輛打算左轉(zhuǎn)的場(chǎng)景。在人手條件下，駕駛員使用手掌和手臂在接近十字路口時(shí)傳遞手勢(shì)。駕駛員戴著墨鏡面對(duì)鏡頭，眼睛向下看，盡量減少與其他道路使用者的眼神接觸和面部表情交流。在機(jī)械手條件下，分別由快速揮動(dòng)的機(jī)械手和緩慢揮動(dòng)的機(jī)械手傳遞手勢(shì)，在這個(gè)過(guò)程中，駕駛員低頭以模擬其正在執(zhí)行非駕駛相關(guān)任務(wù)。在駕駛員開(kāi)始揮手的同一個(gè)位置，手臂裝置觸發(fā)機(jī)械手以產(chǎn)生手勢(shì)。

視頻錄制結(jié)束后，每段視頻都被編輯為6 s，在機(jī)械臂裝置或駕駛員做出任何動(dòng)作前都有2秒的準(zhǔn)備時(shí)間，手勢(shì)呈現(xiàn)的時(shí)間為4 s。隨后，這些視頻被編碼為Visual Basic Application(VBA)格式，通過(guò)這種方式，視頻在被播放的同時(shí)能記錄被試的按鍵反應(yīng)。

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置

提前錄制的視頻由Epson投影儀及投影屏幕裝置呈現(xiàn)，被試與屏幕之間的距離由屏幕大小和視頻拍攝距離決定。通過(guò)調(diào)節(jié)距離，視頻中展示的車(chē)輛將與真實(shí)世界中的車(chē)輛大小和距離相同，視角也相對(duì)固定。

2.5 實(shí)驗(yàn)流程

首先，實(shí)驗(yàn)者歡迎被試參與實(shí)驗(yàn)。所有被試需要簽署一份知情同意書(shū)和關(guān)于他們的年齡、性別、駕駛經(jīng)驗(yàn)等信息的基本問(wèn)卷。接下來(lái)，被試需要站在顯示屏幕旁，想象自己是一名在十字路口要過(guò)馬路的行人。與此同時(shí)，一輛迎面而來(lái)的自動(dòng)車(chē)輛將向左轉(zhuǎn)，自動(dòng)駕駛車(chē)輛等級(jí)在L3級(jí)以上。實(shí)驗(yàn)者告訴被試前方車(chē)輛的路徑將與他們的行駛路徑相交，他們需要通過(guò)駕駛員或機(jī)械臂所做的手勢(shì)來(lái)了解即將到來(lái)的自動(dòng)駕駛車(chē)輛的意圖。實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)者檢查并確認(rèn)了參與者對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的理解，所有被試都正確理解實(shí)驗(yàn)任務(wù)才可以進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。在正式實(shí)驗(yàn)中，將之前編輯好的與實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)應(yīng)的視頻分別呈現(xiàn)給參與者。被試一旦理解了手勢(shì)的意圖就立即按下空格鍵，并報(bào)告理解的手勢(shì)的含義。每個(gè)試次結(jié)束后，被試完成李克特量表以評(píng)價(jià)他們對(duì)接收到的手勢(shì)的理解程度，并評(píng)估手勢(shì)的禮貌程度和舒適度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)者并不給被試反饋他們對(duì)當(dāng)前的手勢(shì)理解是否正確。本實(shí)驗(yàn)共包含6個(gè)試次，對(duì)應(yīng)6個(gè)場(chǎng)景視頻，為避免順序效應(yīng)，本研究采用拉丁方平衡實(shí)驗(yàn)順序[37]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)參與者都得到了感謝和10美元的補(bǔ)償。整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)約30 min。

2.6 數(shù)據(jù)分析

本研究使用MATLAB R2021b(Math Works,Inc.MA)繪制反應(yīng)時(shí)、可理解度、禮貌度和舒適度的箱型圖。原始數(shù)據(jù)的箱型圖如圖2所示。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)一步采用IBM SPSS 26.0進(jìn)行分析(IBM,Inc)。首先，本研究采用單樣本Kolmogorov Smirnov 檢驗(yàn)對(duì)反應(yīng)時(shí)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，反應(yīng)時(shí)的原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，因此，在數(shù)據(jù)分析前采用Box-Cox 轉(zhuǎn)換[38]。數(shù)據(jù)分析采用考慮固定效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)的線性混合模型模型[39-40]。線性混合模型(Linear mixed model,LMM)用于分析反應(yīng)時(shí)，帶有二元邏輯回歸選項(xiàng)的廣義線性混合模型(generalized linear mixed model,GLMM)用于分析二分變量(反應(yīng)正確與否)。在本研究中，手勢(shì)類型、手臂類型以及兩者的交互為固定效應(yīng)，個(gè)體差異為隨機(jī)效應(yīng)。如果分析中的主效應(yīng)和交互效應(yīng)顯著，則進(jìn)一步用t檢驗(yàn)進(jìn)行事后檢驗(yàn)和簡(jiǎn)單效應(yīng)分析。對(duì)于數(shù)據(jù)類型為等級(jí)數(shù)據(jù)的三個(gè)主觀變量，首先采用弗里德曼檢驗(yàn)法進(jìn)行主效應(yīng)檢驗(yàn)[41]，如果主效應(yīng)顯著，隨后采用威爾克森符號(hào)秩和檢驗(yàn)法進(jìn)行事后檢驗(yàn)[42]。由于弗里德曼檢驗(yàn)法在交互效應(yīng)上存在局限性，本研究將主觀變量分別放在兩個(gè)不同手勢(shì)下進(jìn)行分析。研究中所有分析的顯著性水平均設(shè)置為0.05且采用Bonferroni法矯正。

3 結(jié)果

3.1 反應(yīng)時(shí)

LMM研究結(jié)果顯示，手臂類型在反應(yīng)時(shí)上的主效應(yīng)顯著(F(2,154)=8.977,P<0.001)。如圖2(a)所示，被試在人手條件下的反應(yīng)時(shí)(M=4.213,SD=0.576)分別比快速揮動(dòng)的機(jī)械手(M=4.591,SD=0.772)(ps<0.001)和慢速揮動(dòng)的機(jī)械手(M=4.586,SD=0.873)(ps<0.05)條件下的反應(yīng)時(shí)顯著更低。兩個(gè)機(jī)械手條件下被試的反應(yīng)時(shí)無(wú)顯著差異。

手勢(shì)類型在反應(yīng)時(shí)上的主效應(yīng)(F(1,154)=0.697,P=0.406)以及手勢(shì)類型和手臂類型在反應(yīng)時(shí)上的交互效應(yīng)(F(2,154)=1.409,P= 0.253)均不顯著。手臂類型在不同手勢(shì)條件下的反應(yīng)時(shí)數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2 反應(yīng)正確率

GLMM結(jié)果表明，手臂類型在反應(yīng)正確率上的主效應(yīng)顯著(F(2,174)=5.134,P<0.01)。事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，快速揮動(dòng)的機(jī)械手條件下，被試對(duì)手勢(shì)的反應(yīng)正確率(M=0.97,SD=0.181)顯著高于人手(M=0.90,SD=0.303)(ps

表1 不同類型的手臂和手勢(shì)條件下行人的反應(yīng)時(shí)和反應(yīng)正確率

3.3 可理解度

當(dāng)手勢(shì)為讓道時(shí)，弗里德曼檢驗(yàn)結(jié)果顯示手臂類型在可理解度上的主效應(yīng)顯著(χ2(2)= 8.000,P<0.05)。如圖2(b)所示，事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，被試對(duì)慢速揮動(dòng)的機(jī)械手的可理解度(median=4.0 ,IQR=3.0-4.0)顯著低于對(duì)人手的可理解度(median=4.0,IQR=4.0-4.0)(Z=-2.714,P<0.01,r=0.496)?？焖贀]動(dòng)的機(jī)械手(median=4.0,IQR=4.0-4.0)和人手以及和慢速揮動(dòng)的機(jī)械手在可理解度上均無(wú)顯著差異。

當(dāng)手勢(shì)為占道時(shí)，弗里德曼檢驗(yàn)結(jié)果顯示手臂類型在可理解度上的主效應(yīng)顯著(χ2(2)=7.309,P<0.05)。如圖2(b)所示，事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，被試對(duì)慢速揮動(dòng)的機(jī)械手的可理解度(median=3.0,IQR=2.0-4.0)顯著低于人手(median=3.0,IQR=3.0-4.0)(Z=-2.639,P<0.01,r=-0.482 )和快速揮動(dòng)的機(jī)械手的可理解度(median=3.0,IQR=3.0-4.0)(Z=-2.221,P<0.05,r=-0.406)。人手和快速揮動(dòng)的機(jī)械手條件下的可理解度無(wú)顯著差異。

圖2 人手、快速揮動(dòng)的機(jī)械手和慢速揮動(dòng)的機(jī)械手在讓道和占道條件下的因變量指標(biāo)原始數(shù)據(jù)箱線圖。(a)反應(yīng)時(shí)；(b)可理解度：1=“一點(diǎn)也不理解” ，4=“非常理解” ；(c)禮貌度：1=“一點(diǎn)也不禮貌” ，4=“非常禮貌” ；(d)舒適度：1=“一點(diǎn)也不舒適” ，4=“非常舒適” (箱圖中間的線段代表中位數(shù)，較低或較高的邊界代表Q1(第一百分位數(shù))和Q3(第三百分位數(shù))，虛線不大于1.5倍的四分位距，紅色的加號(hào)代表極端值)

不同的手臂類型在讓道和占道手勢(shì)下的可理解度如表2所示。

3.4 禮貌度

當(dāng)手勢(shì)為讓道時(shí)，弗里德曼檢驗(yàn)結(jié)果顯示手臂在禮貌度上的主效應(yīng)不顯著(χ2(2)= 2.500,P=0.287)。當(dāng)手勢(shì)為占道時(shí)，弗里德曼檢驗(yàn)結(jié)果顯示手臂類型在可理解度上的主效應(yīng)也不顯著(χ2(2)= 0.692,P=0.707)。

不同的手臂類型在讓道和占道手勢(shì)下的禮貌度如表2所示。

3.5 舒適度

當(dāng)手勢(shì)為讓道時(shí)，弗里德曼檢驗(yàn)結(jié)果顯示手臂類型在舒適度上的主效應(yīng)不顯著(χ2(2)= 3.868,P=0.145)。但兩兩比較結(jié)果顯示快速揮動(dòng)的機(jī)械手(median=3.0,IQR=3.0-4.0)比慢速揮動(dòng)的機(jī)械手(median=3.0,IQR=2.0-3.25)有更高的舒適度(Z=-1.968,P<0.05,r=-0.360)。

當(dāng)手勢(shì)為占道時(shí)，弗里德曼檢驗(yàn)結(jié)果顯示手臂類型在舒適度上的主效應(yīng)顯著(χ2(2)= 14.805,P<0.001)。如圖2(d)所示，事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，被試對(duì)慢速揮動(dòng)的機(jī)械手的舒適度評(píng)價(jià)(median=2.0,IQR=2.0 -3.0)顯著低于人手(median=3.0,IQR=2.0-4.0)(Z=-3.234,P<0.001,r=-0.590 )和快速揮動(dòng)的機(jī)械手的舒適度評(píng)價(jià)(median=3.0,IQR=1.75-3.25)(Z=-1.985,P<0.05,r=-0.362)。人手和快速揮動(dòng)的機(jī)械手條件下的舒適度評(píng)價(jià)無(wú)顯著差異。

不同的手臂類型在讓道和占道手勢(shì)下的舒適度如表2所示。

表2 不同類型的手臂和手勢(shì)條件下的主觀數(shù)據(jù)的中位數(shù)，四分位距，平均秩

4 討論

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和道路使用者之間有效的交流對(duì)未來(lái)的駕駛安全至關(guān)重要。為了探究由機(jī)械手臂產(chǎn)生的手勢(shì)是否可以用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛向人類傳達(dá)意圖，本研究基于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探究不同類型的手臂(人手 vs.快速揮動(dòng)的機(jī)械手 vs.慢速揮動(dòng)的機(jī)械手)和手勢(shì)(讓道 vs.占道)對(duì)行人的行為反應(yīng)和主觀態(tài)度的影響。

行為結(jié)果反映被試在快速揮動(dòng)的機(jī)械手和人手條件下的行為績(jī)效要好于慢速揮動(dòng)的機(jī)械手。被試在人手條件下的反應(yīng)速度要分別快于快速揮動(dòng)的機(jī)械手和慢速揮動(dòng)的機(jī)械手。這可能是因?yàn)闄C(jī)械手在質(zhì)感和形狀上不如人手，因此在和機(jī)械手交互時(shí)會(huì)產(chǎn)生猶豫[43]。其次，被試在快速揮動(dòng)的機(jī)械手條件下的反應(yīng)正確率要高于人手和慢速揮動(dòng)的機(jī)械手條件下的反應(yīng)正確率，這進(jìn)一步表明了速度在準(zhǔn)確傳達(dá)意圖上的重要作用。此外，快速揮動(dòng)的機(jī)械手和人手在反應(yīng)時(shí)和正確率上各有優(yōu)勢(shì)，即人手能帶來(lái)更快速的反應(yīng)而快速揮動(dòng)的機(jī)械手能帶來(lái)更高的反應(yīng)正確率。人手條件下更快的反應(yīng)可能是因?yàn)槿耸肿屓烁杏X(jué)更熟悉和親切，人們對(duì)人手的理解更加自信，因而傾向于在并不完全理解人手意圖的情況下較快地做出反應(yīng)；相比人手，被試對(duì)機(jī)械手的理解更不確定，傾向于花更多的時(shí)間去理解以確保反應(yīng)的正確性。

主觀結(jié)果表明人手和快速揮動(dòng)的機(jī)械手比慢速揮動(dòng)的機(jī)械手有高的可理解性和舒適度。在讓道條件下，人手比慢速揮動(dòng)的機(jī)械手具有更高的可理解性，而人手和快速揮動(dòng)的機(jī)械手在可理解性評(píng)價(jià)上無(wú)顯著差異。在占道條件下，人手和快速揮動(dòng)的機(jī)械分別比慢速揮動(dòng)更多機(jī)械手有更高的可理解性和舒適度。以上結(jié)果進(jìn)一步表明了當(dāng)手臂揮動(dòng)的速度較快時(shí)，機(jī)械手在主觀感受上能帶來(lái)和人手相比擬的效果，但該效應(yīng)可能會(huì)隨著手臂揮動(dòng)速度的降低而消失。值得一提的是，三種手臂在禮貌度上并無(wú)顯著差異，這可能是因?yàn)橄啾扔谥苯硬扇⌒袨椋峁┦謩?shì)以溝通意圖本身就是十分禮貌的行為，不管手勢(shì)是由哪種類型的手臂傳達(dá)的。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)使用快速揮動(dòng)的機(jī)械手產(chǎn)生手勢(shì)以傳達(dá)自動(dòng)駕駛的意圖能帶來(lái)和人手類似的主觀評(píng)價(jià)，并且比人手能帶來(lái)更高的反應(yīng)準(zhǔn)確率，雖然在反應(yīng)速度上慢于人手。因此，基于本研究結(jié)果，在非緊急不追求反應(yīng)速度的交通情況下，未來(lái)可以考慮應(yīng)用快速揮動(dòng)的機(jī)械手來(lái)傳達(dá)自動(dòng)駕駛意圖以使行人能有較正確的理解和主觀可接受度。

本研究存在一定的局限性。首先，使用機(jī)械手來(lái)傳達(dá)車(chē)輛的意圖需要考慮交通環(huán)境。行人能看清機(jī)械手的前提是保證環(huán)境有一定的可見(jiàn)度。當(dāng)由于光線、視角、天氣等原因?qū)е挛锢憝h(huán)境的視覺(jué)可見(jiàn)度較低時(shí)[44]，機(jī)械手的有效性也會(huì)隨之降低。在這種情況下，可以進(jìn)一步考慮帶有其他功能(如亮度)的機(jī)械手。其次，本研究主要考慮了兩大典型的手勢(shì)，讓道和占道。其他手勢(shì)(如左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn))或傳達(dá)更復(fù)雜意圖的手勢(shì)(如“感謝”或“預(yù)警”)，應(yīng)該在未來(lái)的研究中進(jìn)一步考慮。最后，本研究采用了基于視頻的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探究行人和自動(dòng)駕駛車(chē)輛的交互，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)可能存在一定的局限性，使得研究的生態(tài)效度受到限制。未來(lái)可考慮更加真實(shí)的環(huán)境并考慮采用Wizard of Oz的方法[45]來(lái)控制自動(dòng)駕駛系統(tǒng)以獲得更加真實(shí)的數(shù)據(jù) 。

5 小結(jié)

本研究提出了采用機(jī)械手臂來(lái)產(chǎn)生手勢(shì)以傳達(dá)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的意圖，并通過(guò)基于視頻的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探究不同類型的機(jī)械手臂和手勢(shì)類型對(duì)行人的行為反應(yīng)和主觀態(tài)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是傳遞讓道手勢(shì)還是占道手勢(shì)，行人在慢速揮動(dòng)的機(jī)械手條件下的行為績(jī)效要差于人手和快速揮動(dòng)的機(jī)械手。而人手和快速揮動(dòng)的機(jī)械手在行為指標(biāo)上各有優(yōu)勢(shì)，人手條件下行人的反應(yīng)快于快速揮動(dòng)的機(jī)械手，而快速揮動(dòng)的機(jī)械手比人手能帶來(lái)更高的行人反應(yīng)正確率。此外，在主觀態(tài)度上，快速揮動(dòng)的機(jī)械手能帶來(lái)和人手相似程度的可理解性和舒適度評(píng)價(jià)。本研究進(jìn)一步表明，在非緊急的交通環(huán)境下，快速揮動(dòng)的機(jī)械手(120下/min)可以替代人手以傳達(dá)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的意圖。本研究結(jié)果為制造商和設(shè)計(jì)者采用簡(jiǎn)單的基于機(jī)械手的裝置來(lái)設(shè)計(jì)傳達(dá)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的意圖提供了借鑒意義。