老年陪護(hù)機(jī)器人的人格化類童特征情感表達(dá)研究

黃朝暉，劉順，朱春雪，付艷，黃雪

老年陪護(hù)機(jī)器人的人格化類童特征情感表達(dá)研究

黃朝暉1，劉順1*，朱春雪1，付艷1，黃雪2

（1.華中科技大學(xué)，武漢 430074；2.湖北美術(shù)學(xué)院，武漢 430202）

在面向醫(yī)養(yǎng)結(jié)合的智慧養(yǎng)老服務(wù)模式下，研究用戶對(duì)老年陪護(hù)機(jī)器人情感表達(dá)的感知結(jié)果和形態(tài)偏好，以減少用戶的使用障礙和對(duì)機(jī)器人的不信任感。采用文獻(xiàn)分析的方法，對(duì)老年陪護(hù)機(jī)器人CareBot提出6種類童特征的情感表達(dá)設(shè)計(jì)原則，通過(guò)與機(jī)器人的互動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，形成可視化的數(shù)據(jù)報(bào)告來(lái)深入探討用戶對(duì)機(jī)器人的評(píng)估結(jié)果。參與者能較好識(shí)別其中3種情感表達(dá)（熱情的、冷漠的和驚訝的），參與者的年齡與熟悉兒童或智能產(chǎn)品的程度對(duì)評(píng)估結(jié)果有明顯影響。同時(shí)，機(jī)器人具有大眼睛表情、可愛動(dòng)作和兒童聲音的類童特征形態(tài)，對(duì)老年人更具親和力。而情感表達(dá)原則中“表情”“表情與聲音的組合”適用性和一致性較高。適當(dāng)?shù)念愅卣骺梢栽鰪?qiáng)機(jī)器人的情感表達(dá)能力，增加機(jī)器人正面情感表達(dá)、減少負(fù)面情感表達(dá)的設(shè)計(jì)，有助于提高養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人的接受度。

老年陪護(hù)機(jī)器人；情感表達(dá)評(píng)估；類童特征；形態(tài)偏好

人口老齡化的持續(xù)發(fā)展將會(huì)給醫(yī)療資源、服務(wù)設(shè)施和養(yǎng)老服務(wù)人員帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用和推廣[1]，智能養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人能夠在很大程度上幫助家庭成員、醫(yī)療人員和社區(qū)人員照顧老年群體，以減輕醫(yī)療資源和服務(wù)人員的負(fù)擔(dān)[2]。在服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展中，機(jī)器人的情感表達(dá)已經(jīng)引起了廣泛的研究[3]，如何通過(guò)機(jī)器人的情緒表達(dá)與用戶建立良好的情感連接，提高機(jī)器人的使用接受度，成為養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵。

1 理論基礎(chǔ)

國(guó)內(nèi)外研究表明，提升機(jī)器人對(duì)用戶的情感體驗(yàn)會(huì)增加人們使用機(jī)器人的意愿[4]，人與機(jī)器人的互動(dòng)，對(duì)于人和機(jī)器人之間建立良好的關(guān)系非常重要。然而，老年用戶對(duì)智能設(shè)備的生疏和不信任，阻礙了養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用和推廣。首先，機(jī)器人怪異的外觀會(huì)引起用戶的恐懼和擔(dān)憂[5]，不合適的外觀設(shè)計(jì)會(huì)直接導(dǎo)致用戶對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生抵觸和排斥。其次，機(jī)器人的情感表達(dá)能力會(huì)影響用戶的情緒感知[6]，也就是說(shuō)有效地向用戶傳達(dá)正面的情感，是提升互動(dòng)體驗(yàn)和信任感的良好方式。最重要的是針對(duì)不同用戶，服務(wù)機(jī)器人應(yīng)該在設(shè)計(jì)上考慮他們的偏好特點(diǎn)。

在過(guò)去的幾十年中，研究人員通過(guò)探索機(jī)器人的動(dòng)作行為、面部表情、聲音、手勢(shì)和擬人化特征來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人的情感表達(dá)。例如，Takahashi等[7]使用了一種人形機(jī)器人NAO，該機(jī)器人通過(guò)身體運(yùn)動(dòng)、LED燈光和語(yǔ)言與人類進(jìn)行友好的互動(dòng)合作。值得注意的是，過(guò)去的許多研究，大多數(shù)都是對(duì)類人或仿生機(jī)器人的情感表達(dá)和感知的研究，側(cè)重研究擬人化特點(diǎn)或模仿動(dòng)物的行為[8]，也有一部分研究嘗試讓機(jī)器人模仿兒童的特征，與用戶創(chuàng)造出有效的互動(dòng)。事實(shí)上，機(jī)器人模仿兒童特征確實(shí)會(huì)給用戶帶來(lái)情緒的變化。比如，人們對(duì)像嬰兒一樣有大眼睛的機(jī)器人容易產(chǎn)生較高的信任感[9]。也有研究表明，老年人喜歡圓形和擬人化的機(jī)器人[10]，圓潤(rùn)代表了可愛的設(shè)計(jì)元素，更具有親和力。

研究發(fā)現(xiàn)，越來(lái)越多的商業(yè)產(chǎn)品開始具有兒童特點(diǎn)，并且很受歡迎。例如迪士尼的“米老鼠”、豐田汽車公司開發(fā)的機(jī)器人“Kirobo Mini”等。除此之外，還有2022年北京冬奧會(huì)吉祥物“冰墩墩”和中國(guó)傳統(tǒng)春節(jié)的“福娃”等，都是以兒童的可愛、圓潤(rùn)為設(shè)計(jì)特點(diǎn)的典型代表，且受到了廣大人群的青睞，因?yàn)橛醒芯孔C明嬰兒特征比成年人更具有吸引力、更可愛[11]。也有研究稱，采用一款兒童特征的機(jī)器人來(lái)緩解老年人的抑郁癥是有效的[12]。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，老年人對(duì)卡通風(fēng)格的人形智能設(shè)備使用意愿最高，評(píng)價(jià)也更積極[13]。因此，基于以上的研究報(bào)告和分析，本研究考慮在養(yǎng)老陪護(hù)機(jī)器人的互動(dòng)中采用模仿兒童特征的情感表達(dá)方法，調(diào)查哪些類童特征給老年用戶帶來(lái)親和力，讓他們?nèi)菀捉邮軝C(jī)器人的表達(dá)和互動(dòng)。

2 情感表達(dá)設(shè)計(jì)

2.2 CareBot機(jī)器人

本研究使用的CareBot老年陪護(hù)機(jī)器人，其整體采用的是抽象擬人化的形態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)格，造型飽滿、圓潤(rùn)，具有人格化特征和科技感。該機(jī)器人的主體由華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院自主設(shè)計(jì)和研發(fā)，它是基于UB·TECH Inc的Cruzr機(jī)器人的自動(dòng)駕駛底盤研發(fā)制造的，其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)方式可以完成機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中的自主駕駛以及各種移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。機(jī)身兩側(cè)的儲(chǔ)物盒用來(lái)儲(chǔ)藏血壓儀和藥盒，當(dāng)兩組儲(chǔ)物盒打開的時(shí)候可以被認(rèn)為是機(jī)器人張開手臂的狀態(tài)。同時(shí)，機(jī)身的正面被安裝了一塊用來(lái)與老人交互的屏幕，它可以與親人進(jìn)行視頻通話，還可以用來(lái)娛樂(lè)消遣，顯示機(jī)器人的一些表情?？缮档膫鞲衅髂＝M可以看作是機(jī)器人的帽子，它有兩個(gè)自由度，可以支持升降和俯仰，里面布置有攝像頭和一些傳感器，可以感知環(huán)境的變化。在這項(xiàng)研究中，研究人員專注于它在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)體態(tài)、行為特征和表達(dá)能力，包括移動(dòng)速度、語(yǔ)音大小、表情表露和燈光變幻。

圖1 CareBot機(jī)器人的功能與形態(tài)

2.3 CareBot機(jī)器人的情感表達(dá)設(shè)計(jì)

服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的目的是創(chuàng)造與人類關(guān)系密切而非疏遠(yuǎn)的產(chǎn)品[14]，而機(jī)器人情感的表現(xiàn)就是利用情感化的設(shè)計(jì)在人與機(jī)器人之間建立一種親密聯(lián)系[15]，它可以顯著影響人機(jī)交互體驗(yàn)的效率和質(zhì)量。而中國(guó)老年人的“隔代親”是一種特殊的情感，它代表了老年人與孫輩之間親密的感情特征，老年人與兒童之間有較強(qiáng)的依戀感，會(huì)影響他們對(duì)相似事物行為特征的判斷與偏好，并且更容易建立起親密的聯(lián)系[16]。與此同時(shí)，面向?qū)O輩的關(guān)懷對(duì)老年人能夠起到治愈的作用。研究表明，隔代的照顧會(huì)使老年人獲得更多的自我價(jià)值感、成就感、生活滿意度以及來(lái)自子孫的尊重[17]。

本研究基于對(duì)先前研究的分析，從行為動(dòng)作、表情、語(yǔ)音方面為機(jī)器人設(shè)計(jì)了6種情感（驚訝的、友好的、愉悅的、平靜的、熱情的、冷漠的）狀態(tài)的表達(dá)?？梢詮膶?duì)兒童情緒和行為研究的文獻(xiàn)中得出：在兒童依戀看護(hù)者、心情愉悅的狀態(tài)下，喜歡睜大眼睛注視著別人的臉[18]。模仿兒童形象的機(jī)器人體積、質(zhì)量較小，語(yǔ)速較慢的性質(zhì)會(huì)降低接觸者的心理壓力，從而獲得安全感[19]。兒童經(jīng)常會(huì)做出一些滑稽的、夸張的動(dòng)作和表情，以此來(lái)表達(dá)對(duì)接觸者的親近與熱情[20]。冷酷的、自閉的兒童對(duì)情緒狀態(tài)的識(shí)別和表達(dá)是相對(duì)困難的，他們往往不會(huì)直接注視別人的眼睛，同時(shí)也缺乏與他人溝通[21]。此外，兒童展現(xiàn)出緩慢的行為一般是比較平靜的，嘴角上揚(yáng)和眼睛上挑也會(huì)使人產(chǎn)生驚訝的感覺(jué)，而憤怒和沒(méi)有表情的臉則是冷漠、不值得信任的[22]。

兒童圓潤(rùn)的身材、可愛的表情和溫柔的動(dòng)作與性格，容易給人產(chǎn)生親和力的感覺(jué)。機(jī)器人的類童特征指的是機(jī)器人采用模仿兒童特征的方式來(lái)表達(dá)相應(yīng)的情感，其中表情特征相對(duì)比較直接，如眼睛睜大代表了模仿兒童大眼可愛的表情，嘴巴張開（嘴角上揚(yáng)）意味著微笑；而身體的左右扭動(dòng)對(duì)應(yīng)兒童撒嬌的動(dòng)作，引起正面情感的共鳴；移動(dòng)速度快象征著歡快、愉悅，相比成年人的聲音兒童的語(yǔ)音也相對(duì)柔和與可愛。經(jīng)過(guò)分析，本文從表情、動(dòng)作和語(yǔ)音三種模態(tài)為機(jī)器人設(shè)置了不同的參數(shù)特征，最終，機(jī)器人的情感表達(dá)被賦予了不同程度的類童特征形態(tài)（如表1所示）。

表1 模仿兒童特征提出的機(jī)器人情感表達(dá)設(shè)計(jì)原則

Tab.1 Design principles for emotional expression of robots proposed to children-like characteristics

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 研究問(wèn)題

RQ1：參與者是否能在實(shí)驗(yàn)互動(dòng)中正確識(shí)別類童特征的機(jī)器人情感表達(dá)？本研究對(duì)參與者做了哪些選擇以及如何做出這些選擇的理由。

RQ2：參與者的哪些因素會(huì)影響他們對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)的情感表達(dá)的認(rèn)知？本文將從他們的年齡、對(duì)兒童的熟悉程度和對(duì)智能電子產(chǎn)品的熟悉程度進(jìn)行調(diào)查研究，并假設(shè)年齡越大的參與者越難識(shí)別設(shè)計(jì)的情感表達(dá)，且與兒童相處時(shí)間較長(zhǎng)的參與者或者會(huì)操作手機(jī)、電腦和機(jī)器人的參與者會(huì)更好地識(shí)別這些表情。

RQ3：參與者對(duì)機(jī)器人的類童特征的偏好是哪些？本研究將分析參與者對(duì)兒童身上特點(diǎn)的偏好和對(duì)機(jī)器人情感表達(dá)的評(píng)估結(jié)果，研究他們喜歡機(jī)器人的哪些形態(tài)特征。

3.2 方法

研究分為兩個(gè)部分：對(duì)CareBot機(jī)器人行為動(dòng)作的評(píng)估選擇和問(wèn)卷調(diào)查。

3.2.1 對(duì)CareBot機(jī)器人情感表達(dá)行為的評(píng)估

在這一部分中，為CareBot機(jī)器人設(shè)計(jì)的6種情感表達(dá)對(duì)應(yīng)了6種行為動(dòng)作，這些動(dòng)作將會(huì)以隨機(jī)的順序向參與者展示，參與者在觀看完了每一套行為動(dòng)作后選擇他們認(rèn)為機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)互動(dòng)中的情感表達(dá)類別。在實(shí)驗(yàn)互動(dòng)前，參與者可以要求調(diào)整機(jī)器人與他們座位的相對(duì)位置，保證更清晰地觀察機(jī)器人的動(dòng)作行為，更好地聽清機(jī)器人發(fā)出的語(yǔ)音。參與者可以重復(fù)觀看機(jī)器人的行為動(dòng)作，確保充分理解這些行為表達(dá)后進(jìn)行選擇。機(jī)器人所有的情感表達(dá)行為都是由計(jì)算機(jī)編程輸入，因此，機(jī)器人在重復(fù)相同行為動(dòng)作時(shí)可以完全保持一致。為了解參與者的選擇與本文假設(shè)的偏差，以改進(jìn)當(dāng)初的情感表達(dá)的設(shè)計(jì)原則，當(dāng)他們無(wú)法確定或者他們的選擇與本研究最初設(shè)計(jì)的不同時(shí)，需要對(duì)他們選擇的答案進(jìn)行解釋。

3.2.2 調(diào)查問(wèn)卷

使用三種問(wèn)卷來(lái)收集參與者的信息：人口統(tǒng)計(jì)學(xué)與電子產(chǎn)品素養(yǎng)的信息；類童特征的偏好調(diào)查；情感表達(dá)的評(píng)估結(jié)果調(diào)查。

1）人口統(tǒng)計(jì)和電子產(chǎn)品素養(yǎng)的信息問(wèn)卷：參與者的年齡、性別、教育水平和文化/地域，以及他們對(duì)機(jī)器人與其他電子產(chǎn)品熟悉的程度。

2）類童屬性偏好的問(wèn)卷調(diào)查：（1）老人是否與兒童一起生活？（2）家中有幾個(gè)兒童？（3）平時(shí)與兒童相處的時(shí)間一般為多長(zhǎng)？（4）最喜歡兒童身上哪些特點(diǎn)？（5）對(duì)大眼睛兒童的喜歡程度？（6）對(duì)兒童體型的偏好是什么？

3）情感表達(dá)評(píng)估量表：（1）選擇您認(rèn)為最符合這套特征的情感表達(dá)類型；（2）請(qǐng)描述您做出這個(gè)選擇的理由。

3.3 實(shí)驗(yàn)流程

本研究在華中科技大學(xué)智能健康建筑研究中心的居家養(yǎng)老空間完成了實(shí)驗(yàn)調(diào)查，養(yǎng)老空間分為客廳和起居室，專門模擬居家養(yǎng)老的生活環(huán)境。首先，向參與者介紹了實(shí)驗(yàn)過(guò)程和注意事項(xiàng)。在簽署同意書后，對(duì)他們進(jìn)行了人口信息的統(tǒng)計(jì)和類童特征偏好的問(wèn)卷調(diào)查。然后要求他們坐在機(jī)器人前面，開始展示CareBot機(jī)器人的行為動(dòng)作和語(yǔ)音。機(jī)器人每顯示一套行為表情動(dòng)作后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)選擇他們認(rèn)為機(jī)器人所表達(dá)出來(lái)的情感類別，并對(duì)情感量表進(jìn)行程度打分。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，回收問(wèn)卷進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，輸入SPPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

為了消除多種屬性給結(jié)果帶來(lái)的不一致性，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的通用性，本研究使用了“表情（Expression）與語(yǔ)音（Voice）”情感表達(dá)的原則對(duì)一般產(chǎn)品（Ipad）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比在機(jī)器人CareBot上的評(píng)價(jià)表現(xiàn)，保持相等數(shù)量的樣本量來(lái)調(diào)查評(píng)估結(jié)果的差異。

3.4 參與者

參加實(shí)驗(yàn)的參與者（32人，18名男性和14名女性，最小的年齡為63歲，最大的年齡為83歲）是從華中科技大學(xué)老年活動(dòng)中心招募的無(wú)償志愿者（如圖3所示），所有參與者的聽力和視力沒(méi)有明顯下降，身體狀況和語(yǔ)言表達(dá)能力良好。

圖2 消融實(shí)驗(yàn)

圖3 參與者年齡及性別分布

4 結(jié)果

4.1 RQ1：評(píng)估CareBot機(jī)器人的情感表達(dá)

參與者對(duì)CareBot機(jī)器人6種情感表達(dá)的評(píng)估正確率如圖4所示，數(shù)據(jù)以百分比表示（正確選擇的人數(shù)除以總?cè)藬?shù)，樣本量=32），其中藍(lán)色柱狀圖為正確的選擇，紅色為錯(cuò)誤的選擇。在所有的情感表達(dá)中，參與者對(duì)“驚訝的”“冷漠的”“熱情的”表達(dá)、識(shí)別正確率最高，有超過(guò)90%的人正確地選擇了正面情感“熱情的”，80%以上的人正確地選擇了負(fù)面情感“冷漠的”，而對(duì)“友好的”“平靜的”和“愉悅的”情感表達(dá)，有一半以上的人都做了錯(cuò)誤的選擇。

圖4 參與者對(duì)6種情感表達(dá)評(píng)估的結(jié)果

為了更深一步了解參與者評(píng)估哪些情感表達(dá)時(shí)容易產(chǎn)生錯(cuò)誤和混淆，制作了關(guān)于評(píng)估結(jié)果的混淆矩陣，數(shù)據(jù)以百分比表示（正確選擇的人數(shù)除以總?cè)藬?shù)，=32）。結(jié)果如表2所示，表2中加深粗體的數(shù)據(jù)為正確的選擇，表中斜體的數(shù)據(jù)為最容易混淆的選擇（至少被30%以上的參與者錯(cuò)誤地選擇）。其中“友好的”與“愉悅的”“平靜的”容易被混淆，當(dāng)機(jī)器人表達(dá)“友好的”情感時(shí)，有37.5%的參與者錯(cuò)誤地選擇了“愉悅的”，還有31.3%的參與者錯(cuò)誤地選擇了“平靜的”。同時(shí)“愉悅的”又容易與“友好的”相混淆，當(dāng)機(jī)器人表達(dá)“愉悅的”時(shí)，有40.6%的人錯(cuò)誤地選擇了“友好的”。而“平靜的”又容易與“友好的”混淆，當(dāng)機(jī)器人表達(dá)“平靜的”情感時(shí)，有34.4%的人錯(cuò)誤地選擇了“友好的”。

除此之外，為了研究設(shè)計(jì)的哪些方面導(dǎo)致了某些情感表達(dá)方式與其他表達(dá)方式相混淆，并有助于優(yōu)化本文提出的設(shè)計(jì)原則。本研究還分析并提煉了參與者在進(jìn)行評(píng)估實(shí)驗(yàn)時(shí)的主觀評(píng)論（如表3所示），發(fā)現(xiàn)大多數(shù)參與者在第一眼看到CareBot機(jī)器人時(shí)會(huì)注意到它前面顯示屏幕中的表情，特別是它眼睛和嘴巴的特征。然后當(dāng)參與者聽到兒童的語(yǔ)音，認(rèn)為這是一種安全可靠的音色（相比成年人的聲音），最后是對(duì)機(jī)器人左右扭動(dòng)的動(dòng)作表示印象深刻。當(dāng)然也發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)參與者對(duì)“友好的”和“愉悅的”最難以分辨，是因?yàn)檫@兩種情感表達(dá)動(dòng)作太相似而導(dǎo)致的，比如在表情和聲音方面基本一樣。

表2 機(jī)器人情感表達(dá)評(píng)估結(jié)果的混淆矩陣

Tab.2 Confusion matrix for evaluation results of the robot's emotional expression

表3 參與者對(duì)情感表達(dá)評(píng)估的解釋與評(píng)論

Tab.3 Participants' interpretations and comments on the evaluation of emotional expression

4.2 RQ2：影響評(píng)估結(jié)果的因素

4.2.1 參與者的年齡

參與者年齡被分為63～73歲、74～80歲和80歲以上三組，用以研究年齡對(duì)評(píng)估正確率的影響。如圖5所示，綠色區(qū)間表明第一組普遍答對(duì)了3個(gè)和4個(gè)以上（共6種），藍(lán)色區(qū)間表明第二組平均答對(duì)了3個(gè)以上，而紅色區(qū)間表明第三組平均只答對(duì)了2個(gè)左右。通過(guò)單因素方差分析，結(jié)果表明參與者年齡對(duì)整體情感表達(dá)「（2，29）=8.837,=0.001」的評(píng)估有顯著的影響。

4.2.2 與兒童相處的經(jīng)歷

與兒童一起相處的情況，在一定程度上會(huì)影響參與者對(duì)情感表達(dá)的評(píng)估結(jié)果。如圖6所示，圖6a表明有與兒童共同生活經(jīng)歷的參與者，平均選擇正確數(shù)超過(guò)了3.5個(gè)（共6個(gè)），而圖6b表明與兒童相處時(shí)間越多，參與者平均選擇正確數(shù)越高。通過(guò)單因素方差分析，結(jié)果表明“是否與兒童一起生活”對(duì)“友好的”「（1，30）=8.864,=0.006」和“愉悅的”「（1，30）=8.262,=0.007」情感表達(dá)有顯著的影響。同時(shí)，與兒童相處時(shí)間的長(zhǎng)短，對(duì)評(píng)估“友好的”「（2，29）=4.227,=0.024」和“愉悅的”「（2，29）=5.039,=0.013」情感表達(dá)也有顯著的影響。

圖5 參與者的年齡對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響

4.2.3 熟悉智能電子產(chǎn)品的程度

當(dāng)參與者能夠操作一些常見的電子產(chǎn)品，如手機(jī)、電腦和機(jī)器人時(shí)，也會(huì)對(duì)情感表達(dá)的評(píng)估產(chǎn)生一定的影響。如圖7所示，對(duì)電子產(chǎn)品或機(jī)器人熟悉的參與者，平均的選擇正確數(shù)超過(guò)了4個(gè)（共6個(gè)）。單因素方差分析的結(jié)果表明，熟悉智能電子產(chǎn)品的參與者，對(duì)評(píng)估“友好的”「（3，28）=6.973,=0.001」和“愉悅的”「（3，28）=5.230,=0.005」情感表達(dá)有非常顯著的影響。尤其是熟悉和了解機(jī)器人的參與者，對(duì)評(píng)估“友好的”「（2，29）=8.385,=0.001」和“愉悅的”「（2，29）=4.049,=0.028」情感表達(dá)有顯著的影響。

圖6 (a)與兒童一起生活的經(jīng)歷對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，(b)與兒童相處時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響

圖7 (a)參與者熟悉電子產(chǎn)品的程度對(duì)結(jié)果的影響，(b)參與者了解機(jī)器人的程度對(duì)結(jié)果的影響

4.3 RQ3：參與者對(duì)機(jī)器人類童特征形態(tài)的偏好

為了解參與者對(duì)機(jī)器人類童特征的偏好，首先調(diào)查了他們對(duì)兒童特點(diǎn)的喜好。如圖8所示，參與者對(duì)兒童特點(diǎn)的偏好主要為大眼睛（=0.75，=0.44）、可愛的（=0.72，=0.46）、活潑的（=0.66，=0.48）和胖的（=0.36，=0.49）。在對(duì)比最初情感表達(dá)的設(shè)計(jì)原則、參與者評(píng)論的關(guān)鍵信息和參與者對(duì)兒童特征的偏好調(diào)查結(jié)果后，結(jié)果顯示，機(jī)器人類童屬性的主要特征體現(xiàn)在與兒童相似的動(dòng)作、聲音與表情方面。具體來(lái)講，就像在RQ1中參與者的評(píng)論提到的一樣，參與者首先關(guān)注的是機(jī)器人的表情，具體體現(xiàn)為大眼睛的可愛表情特征，其次是模仿兒童聲音的語(yǔ)音，最后是模仿兒童身體扭動(dòng)的活潑動(dòng)作。

圖8 參與者對(duì)兒童特點(diǎn)的偏好

4.4 消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究從動(dòng)作（Action）、表情（Expression）、語(yǔ)音（Voice）三個(gè)不同模態(tài)為CareBot機(jī)器人提出了類童特征的情感表達(dá)原則，機(jī)器人通過(guò)這三種不同模態(tài)下要素的動(dòng)態(tài)組合產(chǎn)生不同的情感表達(dá)（Robot-Emotional- Expression），為了驗(yàn)證本研究提出這些情感表達(dá)原則的通用性，除了在機(jī)器人CareBot上具有可行性以外，研究人員還在機(jī)器人CareBot和一般的產(chǎn)品上進(jìn)行了消融實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，評(píng)估正確率為正確選擇的人數(shù)除以總?cè)藬?shù)（=32），其中REE(A+E+V)表示在機(jī)器人上同時(shí)使用“動(dòng)作、表情和語(yǔ)音”的情感表達(dá)要素，REE(E)表示只使用了“表情”的情感表達(dá)要素等；而NREE(E+V)則表示在一般產(chǎn)品（非機(jī)器人）上同時(shí)使用了“表情和語(yǔ)音”的情感表達(dá)要素，NREE(E)表示只使用了“表情”的情感表達(dá)要素等。從最終的評(píng)估結(jié)果可知，參與者對(duì)機(jī)器人情感表達(dá)整體的評(píng)估正確率比一般電子產(chǎn)品稍高，其中REE(A+E+V)模型平均正確率最高，為53.1%，表明在機(jī)器人身上同時(shí)使用“動(dòng)作、表情和語(yǔ)音”對(duì)情感表達(dá)的效果最好。無(wú)論是在機(jī)器人REE(V)上還是一般產(chǎn)品NREE(V)上只使用“語(yǔ)音”模態(tài)的情感表達(dá)效果最差（評(píng)估正確率相對(duì)最低，分別為37.5%和35.4%），有趣的是如果只使用“表情（Expression）”，一般產(chǎn)品的情感表達(dá)效果比機(jī)器人的還要好一些。而如果在機(jī)器人REE(E+V)和一般產(chǎn)品NREE(E+V)中同時(shí)使用“表情和聲音”模態(tài)，兩者的情感表達(dá)效果相對(duì)較好且接近，分別為52.1%和51%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終表明，本研究提出的“表情”模態(tài)的情感表達(dá)原則的通用性相對(duì)較強(qiáng)，其次是“表情和語(yǔ)音”的組合，無(wú)論是在機(jī)器人還是一般產(chǎn)品上得到了評(píng)估結(jié)果的驗(yàn)證。

表4 消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Results of ablation experiments

5 討論

本研究在機(jī)器人行為表達(dá)方式中，增加具有類童特征的形態(tài)設(shè)計(jì)，用以測(cè)量用戶對(duì)情感表達(dá)的感知能力以及影響這些感知結(jié)果的因素，并調(diào)查老年用戶對(duì)養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人的形態(tài)特征偏好。本文為CareBot機(jī)器人提出了6種不同的情感表達(dá)設(shè)計(jì)原則，并對(duì)其進(jìn)行了交互實(shí)驗(yàn)評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，老年用戶容易與具有大眼睛的表情、可愛的動(dòng)作以及兒童聲音的語(yǔ)音交互，建立起具有親和力的情感連接。結(jié)合老年人的心理特征、生理特征、情感需求，以及對(duì)兒童特征的偏好研究，擬人化（模仿兒童）的特點(diǎn)更容易獲得老年用戶的好感，如機(jī)器人扭動(dòng)身軀并伴隨前進(jìn)的動(dòng)作呈現(xiàn)出兒童萌化的特點(diǎn)，眼睛睜大注視（模仿兒童大眼象征著可愛與活力）和兒童語(yǔ)音的交互方式（如“爺爺，爺爺，該吃藥了，我來(lái)給您送水送藥”），均會(huì)有效提升使用體驗(yàn)。

在正面的情感表達(dá)中“熱情的”是所有表達(dá)評(píng)估中正確率最高的，而在負(fù)面的情感表達(dá)中“冷漠的”正確率最高。盡管“冷漠的”類童特征僅占很少的部分，但它非常容易被識(shí)別，無(wú)論年齡多大的參與者，明顯認(rèn)為冷酷、無(wú)交流的表情和動(dòng)作是負(fù)面的情感。但是中性的情感如“友好的”“愉悅的”和“平靜的”由于其行為、動(dòng)作和表情的相似性，導(dǎo)致容易被混淆，因此，首先應(yīng)該增大它們情感表達(dá)原則的差異，如動(dòng)作模態(tài)中身體扭動(dòng)的幅度差異、表情模態(tài)中眼睛與嘴巴開合的角度。其次是改變主動(dòng)交互和被動(dòng)交互方面創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原則，如針對(duì)“友好的”設(shè)計(jì)原則，適當(dāng)增加“以中等速度接近用戶”的行為或“主人可以摸摸我”的語(yǔ)音來(lái)發(fā)起主動(dòng)交互的信息，而“愉悅的”與“平靜的”可通過(guò)自身行為動(dòng)作與表情的幅度大小來(lái)區(qū)分。

認(rèn)知能力強(qiáng)的參與者對(duì)機(jī)器人的反應(yīng)更靈敏，年齡相對(duì)較小的老年人整體的評(píng)估正確率也較高。相比其他的老年人，年齡在80歲以上的參與者評(píng)估結(jié)果的錯(cuò)誤率明顯偏高，可能是身體機(jī)能的下降導(dǎo)致了他們的認(rèn)知能力衰退。因此，針對(duì)年齡較大的用戶，應(yīng)該提高機(jī)器人的可感知性，比如適當(dāng)增大語(yǔ)音交互的音量、提高燈光或屏幕的亮度等。其次，與兒童相處時(shí)間較長(zhǎng)的老年人，對(duì)類童特征的情感表達(dá)有較好的識(shí)別能力。因?yàn)橹袊?guó)老年人更容易與孫輩培養(yǎng)良好的情感關(guān)系，人們對(duì)自己熟悉的事物更容易理解和辨別。最后，本研究還得出，那些會(huì)使用智能電子產(chǎn)品（如智能手機(jī)、電腦或機(jī)器人）的參與者擁有更好的認(rèn)知能力。

通過(guò)消融實(shí)驗(yàn)的評(píng)估結(jié)果來(lái)看，對(duì)比一般產(chǎn)品和機(jī)器人的情感表達(dá)效果，當(dāng)兩者只被賦予了“表情”的模態(tài)，6種情感表達(dá)中的4種評(píng)估結(jié)果一致，說(shuō)明“表情”模態(tài)的情感表達(dá)原則通用性較強(qiáng)，其次是“表情和語(yǔ)音”（6種情感表達(dá)中的3種評(píng)估結(jié)果一致）。而當(dāng)兩者只有“表情”模態(tài)時(shí)，一般產(chǎn)品居然比機(jī)器人的評(píng)估正確率高，可能的原因是，表情是數(shù)字平面的元素，而實(shí)驗(yàn)使用的Ipad產(chǎn)品比機(jī)器人的顯示效果更讓人的視力集中，而不會(huì)被機(jī)器人身體其他部分分散注意力。

為了研究哪些類童特征會(huì)使機(jī)器人具有良好的情感表達(dá)，本文對(duì)比了老年人對(duì)兒童特征的偏好調(diào)查結(jié)果，與對(duì)機(jī)器人類童形態(tài)情感表達(dá)的評(píng)估結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了二者的一致性?？梢钥闯?，CareBot機(jī)器人具有大眼睛的表情特征，結(jié)合可愛的動(dòng)作和兒童語(yǔ)音交互的特征，最能夠表現(xiàn)出機(jī)器人的親和力，在老年人的評(píng)估結(jié)果中是最受歡迎的。參與者對(duì)具有兒童語(yǔ)音交互的情感表達(dá)識(shí)別成功率普遍較高，服務(wù)型機(jī)器人使用兒童語(yǔ)音是參與者最能接受的。因此建議在外觀形態(tài)可愛的機(jī)器人身上使用兒童語(yǔ)音，會(huì)讓老年人更容易接受，而不是在大型的、機(jī)械感的機(jī)器人中使用。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著情感的溝通和建立方法在提高智能產(chǎn)品的接受度中變得越來(lái)越重要[23]，本研究為養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人提出了6種類童特征的情感表達(dá)設(shè)計(jì)原則，采用了交互實(shí)驗(yàn)、調(diào)查問(wèn)卷和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)合的研究方法，結(jié)果顯示對(duì)于加入類童特征的機(jī)器人老年人更容易接受。此外，雖然許多情感表達(dá)可以被正確識(shí)別，尤其是正面和負(fù)面的情感，但是CareBot機(jī)器人功能的局限性和參與者的年齡、與兒童相處的經(jīng)歷和熟悉電子產(chǎn)品的程度，導(dǎo)致一些表達(dá)尤其是中性的情感表達(dá)的識(shí)別率不高。結(jié)果還表明，大眼睛的表情、可愛的動(dòng)作以及兒童語(yǔ)音交互的設(shè)計(jì)特征容易受到老年人的青睞。除了在機(jī)器人產(chǎn)品上展開實(shí)驗(yàn)研究，本文還在一般產(chǎn)品上進(jìn)行了消融實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明“性表情”模態(tài)的情感表達(dá)原則的通用性較高，其次是“表情和語(yǔ)音”的組合形式。本研究提出的設(shè)計(jì)原則可以作為陪護(hù)機(jī)器人的情感表達(dá)參考范式，它豐富了擬人化機(jī)器人的情感表達(dá)設(shè)計(jì)理論，解決了老年人使用機(jī)器人的心理不適感，提高了用戶使用機(jī)器人的效率和體驗(yàn)感。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)研究的局限性也為CareBot機(jī)器人的迭代提供了良好的改進(jìn)建議，明確了未來(lái)的研究方向?？偠灾?，希望本研究能夠?yàn)轲B(yǎng)老行業(yè)智能設(shè)備的提升提供參考，從而使服務(wù)機(jī)器人真正成為用戶生活中的智能助手。

[1] 彭輝. 基于CNKI的近二十年我國(guó)老齡化設(shè)計(jì)研究可視化分析[J]. 包裝工程, 2022, 43(4): 286-292.PENG H. Visualization Analysis of China’s Aging Design Research in the Past Two Decades Based on CNKI[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(4): 286-292.

[2] SALICHS M A, CASTRO-GONZáLEZ á, SALICHS E, et al. Mini: A New Social Robot for the Elderly[J]. International Journal of Social Robotics, 2020, 12(6): 1231-1249.

[3] 王秋惠, 杜錦波. 老齡服務(wù)機(jī)器人外觀形態(tài)設(shè)計(jì)的眼動(dòng)評(píng)價(jià)[J]. 包裝工程, 2022, 43(6): 90-95.WANG Q H, DU J B. Appearance Design Preference of Aging Service Robot Based on Eye Movement Technology[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(6): 90-95.

[4] CAMERON D, DE SAILLE S, COLLINS E C, et al. The Effect of Social-Cognitive Recovery Strategies on Likability, Capability and Trust in Social Robots[J]. Computers in Human Behavior, 2021, 114: 106561.

[5] 鐘翔偉, 王軍鋒, 留滄海, 等. 基于情感模糊計(jì)算的恐怖谷效應(yīng)起因分析[J]. 包裝工程, 2018, 39(14): 190-196.ZHONG X W, WANG J F, LIU C H, et al. An Analysis of the Causes of Uncanny Valley Effect Based on Emotional Fuzzy Computation[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(14): 190-196.

[6] TAN H, ZHAO Y, LI S Y, et al. Relationship between Social Robot Proactive Behavior and the Human Perception of Anthropomorphic Attributes[J]. Advanced Robotics, 2020, 34(20): 1324-1336.

[7] TAKAHASHI Y, KAYUKAWA Y, TERADA K, et al. Emotional Expressions of Real Humanoid Robots and Their Influence on Human Decision-Making in a Finite Iterated Prisoner’s Dilemma Game[J]. International Journal of Social Robotics, 2021, 13(7): 1777-1786.

[8] ANDREASSON R, ALENLJUNG B, BILLING E, et al. Affective Touch in Human–Robot Interaction: Conveying Emotion to the Nao Robot[J]. International Journal of Social Robotics, 2018, 10(4): 473-491.

[9] SONG Y, LUXIMON A, LUXIMON Y. The Effect of Facial Features on Facial Anthropomorphic Trustworthiness in Social Robots[J]. Applied Ergonomics, 2021, 94: 103420.

[10] OH S, OH Y H, JU D Y. Understanding the Preference of the Elderly for Companion Robot Design[C]//CHEN J. International Conference on Applied Human Factors and Ergonomics. Cham: Springer, 2020: 92-103.

[11] YAO L C, DAI Q, YU Y Y, et al. A Behavior Study on the Effect of Baby Schema on Face Discrimination for Robot Appearance Design[C]//2021 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA). Takamatsu, Japan. IEEE, 2021: 1286-1291.

[12] FURUTA Y, KANOH M, SHIMIZU T, et al. Subjective Evaluation of Use of Babyloid for Doll Therapy[C]// 2012 IEEE International Conference on Fuzzy Systems. Brisbane, QLD, Australia. IEEE, 2012: 1-4.

[13] STRA?MANN C, KR?MER N C, BUSCHMEIER H, et al. Age-Related Differences in the Evaluation of a Virtual Health Agent's Appearance and Embodiment in a Health- Related Interaction: Experimental Lab Study[J]. Journal of Medical Internet Research, 2020, 22(4): e13726.

[14] 何人可, 王玥虹, 馬超民. 家用服務(wù)機(jī)器人人機(jī)交互親密度意象研究[J]. 包裝工程, 2021, 42(6): 77-82, 150. HE R K, WANG Y H, MA C M. Intimacy and Perceptual Imagery of Home-Use Robot Interaction[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(6): 77-82, 150.

[15] 畢翼飛, 王年文, 朱亦吳. 基于感性工學(xué)的老年陪護(hù)機(jī)器人造型設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程, 2018, 39(2): 160-165. BI Y F, WANG N W, ZHU Y W. Form Design of Accompany Robot for the Elderly Based on Kansei Engineering[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(2): 160-165.

[16] WANG C D, HAYSLIP B Jr, SUN Q W, et al. Grandparents as the Primary Care Providers for Their Grandchildren: A Cross-Cultural Comparison of Chinese and U.S. Samples[J]. International Journal of Aging & Human Development, 2019, 89(4): 331-355.

[17] CHOI S W E, ZHANG Z M. Caring as Curing: Grandparenting and Depressive Symptoms in China[J]. Social Science & Medicine, 2021, 289: 114452.

[18] BROZ F, NEHANIV C L, KOSE H, et al. Interaction Histories and Short-Term Memory: Enactive Development of Turn-Taking Behaviours in a Childlike Humanoid Robot[J]. Philosophies, 2019, 4(2): 26.

[19] NAKATA Y, YAGI S, YU S Q, et al. Development of 'Ibuki' an Electrically Actuated Childlike Android with Mobility and Its Potential in the Future Society[J]. Robotica, 2022, 40(4): 933-950.

[20] TAYLOR A, PACINI-KETCHABAW V. Kids, Raccoons, and Roos: Awkward Encounters and Mixed Affects[J]. Children's Geographies, 2017, 15(2): 131-145.

[21] DEMETRIOU C A, FANTI K A. Are Children High on Callous-Unemotional Traits Emotionally Blind? Testing Eye-Gaze Differences[J]. Child Psychiatry & Human Development, 2022, 53(4): 623-634.

[22] SIDDIQUE S, SUTHERLAND C A M, PALERMO R, et al. Development of Face-Based Trustworthiness Impressions in Childhood: A Systematic Review and Metaanalysis[J]. Cognitive Development, 2022, 61: 101131.

[23] 付業(yè)君, 蔣鵬, 李樹. 基于情感化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向與實(shí)踐[J]. 包裝工程, 2021, 42(12): 228-231.FU Y J, JIANG P, LI S. Product Design Direction and Practice Based on Emotional Design[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(12): 228-231.

Emotional Expression of Personified Child-like Characteristics of the Elderly Escort Robots

HUANG Zhaohui1, LIU Shun1*, ZHU Chunxue1, FU Yan1, HUANG Xue2

(1.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2.Hubei Institute of Fine Arts, Wuhan 430202, China)

Under the smart elderly service model oriented to the integration of medical care, the work aims to study the perception of elderly users' morphological preferences and emotional expressions of elderly escort robots to reduce users' barriers to use and distrust of robots. Literature analysis was used to put forward six design principles for the emotional expression of the child-like characteristics for the elderly escort robot CareBot. The statistical analysis of questionnaires was conducted through an experimental study of interaction with robots, and a visualized data report was formed to explore the results of users evaluating the robot. Participants were most able to identify three of these emotional expressions (enthusiastic, indifferent and surprised), and participants' age and familiarity with children or smart products could have a significant effect on the evaluation results. At the same time, the robot had a child-like characteristic morphology with big-eyed expressions, cute movements, and children's voices, which was more affinity to the elderly. The applicability and consistency of "expression" and "combination of expression and voice" in the principle of emotional expression were high. Therefore, the appropriate child-like characteristics can enhance the robot's emotional expression, and the design that increases the robot's positive emotional expression and decreases the negative emotional expression can help improve the acceptance of elderly service robots.

elderlyescortrobot; emotionalexpression evaluation; child-like characteristics; morphological preference

TB472

A

1001-3563(2024)02-0154-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.02.016

2023-08-09