家庭智能机器人可用性与造型设计的年龄差异研究

关键词：家庭智能机器人 可用性 造型 年龄差异 组间重复测量

引言

习近平总书记指出，“中国将成为机器人的最大市场”。按照核心支持技术的演变，机器人经历了三个发展阶段：电气时代的一代产品由既定程序控制，只做固定动作，无感应和适应能力;数字时代的二代产品装有传感器，通过计算机控制获取服务环境和对象信息，初步具备简单智能;人工智能时代的三代产品是基于知识的控制，使用机器视觉、自然语音处理和神经网络等技术[1] ，具备高级智能，被广泛应用到家庭生活领域。家庭智能机器人的运行主要聚焦在家庭中的生活场景和行为，感知能力和交互能力更高。因此，对于此类产品的开发和设计而言，进行深入的人机交互可用性以及造型研究就显得非常关键。当下，此类产品的开发流程仍然是凭借设计师的主观经验，采用手绘、计算机三维仿真、样机制作等方法来推进。设计方案定稿之后，通过制作样机来反复测试产品和用户的人机交互可用性以及修改整体造型设计方案，导致开发周期很长。

一、相关研究现状述评

虚拟现实运用计算机图形、仿真和传感等技术[2] ，能给用户提供非常有沉浸感的产品交互体验。在已有的研究中，曹国忠[3] 等搭建了清分扎把机产品的虚拟现实平台，让用户在其中进行体验并提出造型修改意见;李太然[4] 等将工业机器人的操作过程置入虚拟现实环境去执行人机交互，减轻了用户操作负担;李婷婷[5] 等利用虚拟和增强现实技术开发了博物馆互动展示系统。上述研究验证了使用虚拟现实技术开展产品人机交互体验的可行性，但未对产品可用性进行分析和测试。朱彦[6] 运用主成分分析法对用户的感性意象进行量化，运用人工神经网络架构了某一特定造型风格的家庭服务机器人造型设计要素模型;娄熙纯[7] 等基于老年人的情感诉求设计了智能陪伴机器人的人机交互方案，使用户有更好的使用体验。上述研究均没有对设计完成的智能机器人方案进行交互体验量化研究，更没有设计恰当的多因素实验去检验不同用户在使用同一产品时的差异性。

人工智能技术的推广，使得智能机器人将会更普遍地走进寻常百姓家庭。智能机器人是所有家庭设备交互的中枢和智能运算的终端，其将要面对的用户不仅有年轻人，还有老年人和儿童等。这些家庭成员在使用智能机器人时，都有自己特定的使用场景，呈现出需求多元化的发展趋势。只有针对家庭中的不同用户进行深入细致的研究，细分用户群体，才能推出满足用户差异的个性化服务。本研究旨在运用家庭智能机器人的人机交互虚拟现实体验平台，进行实验设计来测量机器人的可用性与造型设计在面对不同用户时是否存在差异。即选取家庭智能机器人的可用性和整体造型作为研究对象，探究适合年轻人使用的产品是否也能让老年人接受并乐于使用。

二、测量指标和数据采集

邀请两位专家对30个家庭智能机器人设计方案进行比较和研究，挑选出4个典型方案参加实验评估，如图1所示。机器人的可用性评价采用ASQ量表（After scenario Questionnaire，ASQ），具有客观性、复用性、量化性、经济性、普适性的特征。该量表由James R. Lewis编制，探测用户整体上完成任务的难易度、完成时间和对支持信息的满意度，包括易用性、有用性和满意度三个层面。整体ASQ得分是各个题目所反馈得分的均值，其测量的信度范围为0.9-0.96（Lewis，1990b，1991，1995）。ASQ在Lewis等（1990，分析报告Lewis，1995）中的使用显示，ASQ分数与场景任务的成功率之间存在显著相关[8] （r（46）=-0.4，p<0.01）。机器人的造型评价采用用户主观评分的方式，以Likert 7级量表完成测评。本实验的虚拟平台系统选用HTC VIVE设备进行交互，过程中需要实现的点选功能集中在两个操作手柄上。运用虚拟现实技术在家庭智能机器人早期三维模型设计阶段构建用户与产品的交互场景，用户通过虚拟平台与产品进行交互并得到体验反馈，能帮助设计者及时修改设计方案，比制作产品实物样机进行可用性测试的成本低，同时又能完成多次快速迭代。

三、实验设计

（一）实验被试招募。实验被试对象为年轻人和老年人，两组被试分别招募了22人。其中，年轻人均具有本科以上学历，年龄在25—35岁之间，平均年龄为30.5岁，标准差是3.16;老年人均具有高中以上学历，年龄在60—70岁之间，平均年龄为65.7岁，标准差是2.66。为了消除性别对于实验结果的影响，控制两组被试的性别人数比基本接近1：1。

（二）实验方案。实验采用组间重复测量的实验设计方案，要求每位被试依次观看4个家庭智能机器人的虚拟现实影像。在构建交互场景时，首先梳理研究用户的需求点。赵雅婷[9] 等利用Kano模型计算出老年人对服务机器人的功能需求并进行了重要度排序，依据此方法同样可以得到年轻人的需求点;整理后，根据每个家庭智能机器人的功能定位和造型特征，分别赋予不同的典型交互任务，如表1所示。此外，根据测试目的的不同和设计展开的具体情况，每次实验时家庭智能机器人的选择和交互任务的定义都可以有不同的组合情况。

被试与每个家庭智能机器人在虚拟场景中的交互时间为1分钟。严格控制任务数量和交互时间的目的是避免被试参加实验时间过长，可能会产生生理疲劳，影响实验结果的准确性。确定典型任务后，利用虚拟现实开发系统进行场景设计，为了消除室内环境可能对被试产生的外在影响，将4个家庭智能机器人均置入同一个虚拟家居环境中，如图2所示。

（三）实验流程。实验正式开始前，被试进入用户体验与可用性实验室，先静坐休息5分钟。主试详细讲解具体实验内容和操作要求。然后，在主试的协助下，被试佩戴HTC VIVE設备，调试设备确保正常使用。正式开始实验，用户逐一观看每个家庭智能机器人的人机交互虚拟现实影像并进行互动。每观看完一段影像，主试均会提醒被试暂时取下实验设备，填写ASQ量表和Likert量表;然后，主试安排被试休息5分钟后继续观看下一个家庭智能机器人影像，结束后再填写量表;如此循环，直到实验全部结束。在整个实验期间，每位被试共观看4段家庭智能机器人影像，填写4次量表，约需20-30分钟完成所有内容。为了消除实验时可能产生的顺序效应和疲劳效应，按照拉丁方顺序排列4个家庭智能机器人的虚拟影像让被试观看。实验从上午8点开始，到下午5点全部结束。

（四）研究假设。本研究旨在推导出适合年轻人使用的家庭智能机器人是否同样能满足老年人的使用需求。根据此研究问题，提出以下5个研究假设，并用实验来验证。

假设1：相同的交互任务场景下，家庭智能机器人可用性存在显著年龄差异。假设2：相同的交互任务场景下，家庭智能机器人易用性存在显著年龄差异。假设3：相同的交互任务场景下，家庭智能机器人有用性存在显著年龄差异。假设4：相同的交互任务场景下，家庭智能机器人满意度存在显著年龄差异。假设5：用户欣赏相同的家庭智能机器人时，造型评价存在显著年龄差异。

四、结果

实验结束后，首先运用Excel软件对数据进行汇总和预处理，在去除异常值和无效评分后整理出有效问卷共40份，其中年轻人和老年人各20份。然后运用Spss Statistics 19.0版本软件进行数据分析，经检验显示，所有数据呈正态分布，通过K-S法和S-W法对数据进行验证，得到方差齐结果。最后，对处理和验证后的数据进行独立样本t检验，比较两组被试间的差异情况，输出如下分析结果。

（一）家庭智能机器人可用性评价结果。分析方法是对家庭智能机器人的可用性主观评价数据求均值，即对A SQ量表中各项分值求和后再求均值，以此来计算出可用性总体得分。由表2结果可见，机器人1（t=12.58，p<0.001）、机器人3（t=10.172，p<0.001）、机器人4（t=18.104，p<0.001）的可用性评分存在显著差异，机器人2（t=1.028，p=0.311）的可用性评分无显著差异。总体上年轻人对家庭智能机器人的可用性评分高于老年人，且存在显著差异，仅机器人2的评分没有显著差异。从评分数值来看，年轻人和老年人对机器人2的评分数值是所有机器人中最高的。

为了更加深入剖析两组被试对易用性、有用性和满意度的差异，进一步对三个维度分别进行数据的描述统计与分析。见表3所示，在易用性评分中，机器人2（t=0.632，p=0.531）、机器人3（t=7.061，p=0.162）无显著差异。在有用性评分中，机器人2（t = 0.6 2 3，p = 0. 537）、机器人3（t=9.245，p=0.268）无显著差异。在满意度评分中，机器人2（t=0.000，p=1.000）无显著差异，机器人3（t=6.200，p<0.001）存在显著差异。因此，从总体来看，机器人2的可用性评分无显著差异，而机器人3可用性评分的显著差异主要是受满意度的影响，在易用性和有用性层面并没有显著差异。

针对智能机器人可用性评价的差异，本文提出4个研究假设，即相同的交互任务场景下，家庭智能机器人可用性、易用性、有用性、满意度的评价存在显著年龄差异，实验的测试与分析结果支持部分假设内容。在可用性评价层面，4个家庭智能机器人中有3个的结果差异是显著的，不存在显著差异的是机器人2。将可用性细化拆分至易用性、有用性和满意度三个层面，分析后发现并不是每个可用性评价有显著差异的机器人在这三个层面都有差异。机器人3在易用性和有用性方面都没有差异，仅在满意度上存在差异，说明机器人3的交互任务内容更能满足年轻人的期望和要求。

（二）家庭智能机器人造型评价结果。家庭智能机器人的造型评价采用主观评分的方式，用户观看完每段虚拟现实影像后，回答一道问题，具体为“整体上，我觉得这个家庭智能机器人造型是好看的”。问题的答案以Likert量表7级尺度评分，1分代表非常不同意，4分代表中立，7分代表非常同意。由表4结果可见，机器人1（t=0.6，p=0.552）、机器人2（t=1.525，p=0.135）的造型评分无显著差异;机器人3（t=3.416，p=0.002）、机器人4（t=2.707，p=0.01）的造型评分存在显著差异。

两组被试对于不同机器人的造型评价，实验结果部分支持原假设，且年轻人对4个机器人的评分均高于老年人。机器人3和机器人4的造型评价结果存在显著差异，机器人3的造型整体机械感强，特别是头部扁长狭窄，显得冰冷酷炫，更像科幻电影里的机器人形象。机器人4是双足行走机器人，胸前没有传统智能机器人的触摸屏，缺乏明确的引导交互标识，左前胸位置设计了圆形感应区，可以感应手势交互动作。年轻人对机器人3和机器人4的造型更喜欢。

五、讨论和分析

本研究邀请了年轻人和老年人作为两组不同的被试人群，参加了家庭智能机器人可用性测试和造型评价的实验。选取实验材料时，挑选了4个不同的设计方案，并针对每个家庭智能机器人的功能和角色定位，设计了各具特色的交互任务供测试使用。研究结果发现，两组不同年龄段的人群在使用相同的家庭智能机器人时，可用性评价和造型评价均存在显著差异，设计应尊重用户差异，根据不同类型用户的需求开展智能机器人设计。

1.年轻人对于机器人融入日常生活的接受度更高：对照交互任务表和用户的评分数值，发现年轻人的可用性评分普遍要高于老年人，年轻人更加愿意使用机器人控制家庭的智能家居家电设备，更加乐意听到机器人主动播报天气预报、提醒生活细节，更加享受和机器人娱乐共舞的互动，说明年轻人对于机器人融入日常家庭生活的接受度更高，在以年轻人为目标群体设计方案时可以将机器人作为用户与家庭生活环境之间的交流媒介，引入更多的智能控制和交互功能。

2.语音交互操作是智能机器人重要的交互方式：在人类的视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉这五感中，听觉非常重要，对于任何类型的用户而言，语音都是最自然的交流方式。此外，语音交互，让用户进行多任务的操作处理。机器人2的评分无显著差异，说明老年人与年轻人一样，都喜欢用语音交互方式来控制机器人播放他们各自感兴趣的娱乐休闲节目。这是因为语言是传递信息和交流沟通的最重要手段，用户进行语音交互的学习成本最低，又可以解放双手，同时处理多个任务。因此，智能机器人要想在情感交互体验上取得突破，必须在语音交互方式上去重点思考和设计。因为语音交互方式让用户在使用机器人时更像是在和一个有生命力的对象交流，感到机器人“能听、会说、懂你”，从而得到良好的人机交互反馈。

3.年轻人对于机器人造型的包容度更大：对照4个机器人的造型图片分析，发现造型特征为整体圆润饱满[10] 、线型流畅、没有锐利拐角的智能机器人，能同时得到年轻人和老年人的喜爱，因为这样的造型与居家环境有非常好的融入感，不会额外打扰用户的日常生活，能让他们产生安全感。此外，两个机器人的头部造型都具备动漫中孩童形象的外貌特质[11] ，能引起用户的喜爱和愉悦共情。相形之下，造型特征具有很强现代感和科技感的智能机器人，居家感较弱，在心理层面很难塑造亲近感，较难让老年人接受。年轻人对于新鲜事物的接受能力强，乐于尝试新技术体验，对于机器人造型的包容度更大。

六、研究局限

研究在选取家庭智能机器人的设计方案时，邀请两位专家凭经验进行比较和筛选，存在一定程度的主观影响。若合理增加专家人数，以及充分考虑专家团队中学科背景的差异，可以降低这样的影响;其次，为了控制每位被试观看虚拟现实影像的时间，避免产生生理疲勞影响实验结果的准确性，只选择了4个典型方案参加实验测试。后续可以增加更多不同的家庭智能机器人设计方案和交互任务，合理编排实验的流程细节，以便能做更深入的研究。最后，本次实验选择了年轻人和老年人作为比较样本，后续可以将儿童纳入到样本中，以及将样本人群按照性别等其他属性划分继续研究。

结论

本文通过组间重复测量实验的方法对年轻人和老年人使用家庭智能机器人可用性和造型感知的主观差异进行了量化研究，发现两类人群的可用性和造型评价存在显著差异，探究了产生差异的内在原因，并归纳了具体差异的表现形式。研究认为智能家庭机器人走进日常家庭生活中后能让每一位家庭成员都有机会感受智能科技带来的便捷，设计应当尊重用户的差异性，充分满足不同用户的需求，更好提升他们的使用体验。