馮訣宵

(武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070)

機器人系統(tǒng)，特別是家用機器人，在我們的日常生活中變得越來越普遍。隨著家用機器人不斷融入我們的家庭生活和工作空間，我們與它們的互動和協(xié)作也逐漸增多。但是，C.Breazeal等[1-2]指出，當(dāng)前機器人和人類在很多時候視對方為障礙而不是幫助，兩者之間幾乎沒有互動和交流。此外，當(dāng)人們與機器人協(xié)作來完成任務(wù)時，交互方式通常是非語言的。因此，為了讓機器人能夠有效地與人類用戶一起工作，機器人需要在基于任務(wù)的活動中使用社交性但非語言的行為來進行協(xié)作和交流。J.Fink等[3]和O.Mubin等[4]研究表明，當(dāng)機器人與人類用戶一起工作時，主動性可能是一個影響工作效率的重要因素。在機器人和人類用戶的社交互動方面，已經(jīng)有了廣泛的研究。其中以J.Fink為代表的一個分支探討了機器人擬人化的使用，他們在研究中將擬人元素加入到機器人的動作當(dāng)中[5]。H.Osawa等[6]研究了現(xiàn)有家用機器人對擬人特征的利用情況，發(fā)現(xiàn)擬人化的動作可以促進機器人與用戶的順暢溝通。然而，在基于任務(wù)的應(yīng)用程序中使用擬人化的挑戰(zhàn)之一是機器人的動作通常由任務(wù)決定，較難加入易被理解的社交動作。當(dāng)設(shè)計師能為機器人添加的擬人化動作的范圍很有限時，擬人化的方法就很難實現(xiàn)。

另一個研究分支更側(cè)重于手勢等不同形式的非語言交流。G.Haffman等[7]的研究表明大多數(shù)人對身體運動非常敏感。因此，通過對機器人動作的精心設(shè)計，機器人也能有效地與人類用戶進行交流和溝通。D.Sirkin等[8]研究了遙現(xiàn)機器人屏幕內(nèi)和屏幕外運動的使用，發(fā)現(xiàn)遙現(xiàn)機器人屏幕外的額外動作提高了用戶對消息的理解，并增強了用戶協(xié)作感。M.Sharma等[9]和D.Szafir等[10]研究了飛行機器人通過具有表達性的運動傳達意圖的能力?？偠灾?，機器人已經(jīng)有能力通過不同的動作完成指定的具體任務(wù)，而我們希望探究通過增強、擴展這些動作讓機器人擁有交流表達等功能的可能性和難點[11-13]。

因此，當(dāng)前的研究重點是改善智能機器人的互動功能，特別是通過手勢和其他形式的非言語交流[14]。在這項研究中，我們探索了人類用戶與一組機器人抽屜之間的互動，讓這些機器人抽屜與人協(xié)同工作以完成裝配任務(wù)。實驗控制了機器人抽屜的2個變量：表現(xiàn)力和主動性。對于第一個變量，我們將機器人分為“不具有表現(xiàn)力”的機器人(以下簡稱“非表現(xiàn)型機器人”)和“具有表現(xiàn)力”的機器人(以下簡稱“表現(xiàn)型機器人”)2類。C.Breazeal等[2]注意到機器人在提供有效溝通方面的表現(xiàn)力的重要性。在我們的研究中，將非表現(xiàn)型機器人定義為僅執(zhí)行基本的實用性動作以幫助完成任務(wù)的機器人。相反，表現(xiàn)型機器人為了交流的目的能夠進行額外的動作，甚至表達情緒[15]。對于第二個變量“主動性”，我們將機器人分為“被動型機器人”和“主動型機器人”2類。將被動型機器人定義為根據(jù)用戶的手勢響應(yīng)并執(zhí)行操作的機器人，而主動型機器人則預(yù)測用戶即將發(fā)生的需求并啟動完成任務(wù)的操作。為了探索這兩個維度的影響，我們進行了一系列對照研究。

在之前的研究中，研究了如何設(shè)計非擬人機器人與人進行溝通的方式，尤其是交互式家具和電器。我們感興趣的是機器人應(yīng)該如何響應(yīng)用戶的行為和情緒。我們使用視頻原型來探索人類用戶(演員)和一組機器人抽屜之間的相互作用，通過手勢等非語言交流方式，讓人類演員和機器人各自展示了5種可能的情緒狀態(tài)：憤怒、快樂、冷漠、悲傷和怯懦。然后，將這些視頻發(fā)送到80位調(diào)查者手中，讓他們回答了一系列關(guān)于交互感知的問題。調(diào)查結(jié)果顯示人們更喜歡那些表現(xiàn)出與人類演員相匹配的情感的抽屜。

1 實 驗

1.1 方法

我們的目標是評估家庭環(huán)境中的人如何與機器人互動，為此，我們使用綠野仙蹤技術(shù)進行研究。一個遠程操控員可以幫助我們在缺乏智能化系統(tǒng)的情況下模擬人與智能機器人的交互情感。A.Weiss等[16]已經(jīng)證明了綠野仙蹤在探索用戶體驗因素方面的有效性，并以此研究了人機交互中的最佳實踐、用戶接受度等問題。同樣，J.Fink等[5]也使用綠野仙蹤技術(shù)觀察機器人如何與兒童互動，比如探索機器人如何鼓勵兒童參與到家務(wù)活動當(dāng)中。

1.2 機器模型

機器人抽屜模型由普通的抽屜進行改造，為了使抽屜能夠執(zhí)行一致且可重復(fù)的運動，前3個抽屜在齒輪和齒條系統(tǒng)上使用直流電機進行了改裝。此外，安裝在抽屜上的旋轉(zhuǎn)編碼器，使我們能夠跟蹤每個抽屜的位置。最底部抽屜包含驅(qū)動系統(tǒng)的零件和硬件。該驅(qū)動由Arduino微控制器控制，該微控制器通過USB電纜與本地客戶端程序進行通信。

本地客戶端程序為抽屜提供了一個綠野仙蹤式的遙控器。相鄰房間的人類“向?qū)А笨赏ㄟ^鍵盤熱鍵遠程操作抽屜原型(圖1)。 向?qū)I呈現(xiàn)了15個按鈕，每個按鈕對應(yīng)于預(yù)編程的抽屜動作序列。捕捉抽屜動作和參與者行為的音頻、視頻會單項傳導(dǎo)給相鄰房間中的人類“向?qū)А?，“向?qū)А币罁?jù)規(guī)則操控抽屜。

圖1 實驗設(shè)置Fig.1 The experimental setup

1.3 設(shè)計方案

這項研究旨在探索機器人的表現(xiàn)力和主動性如何影響人的感知。為了研究這個問題，我們用4種情景進行對比實驗。每個場景的場景設(shè)置、任務(wù)流程都一樣，但2個因素不同。第一個變量是抽屜的表現(xiàn)力。非表現(xiàn)型抽屜組的抽屜僅具備基本的打開和關(guān)閉動作，而表現(xiàn)型抽屜組的抽屜通過額外的動作表達了某種特定情緒。第二個變量是抽屜的主動性。在主動型抽屜組中，抽屜對下一步任務(wù)的預(yù)測，主動發(fā)起打開和關(guān)閉的動作。在被動型抽屜組，抽屜等待實驗參與者的手勢再行動。

圖2 非表現(xiàn)型抽屜的動作序列Fig.2 The sequence of actions in a phenotype drawer

1.4 機器運動

非表現(xiàn)型抽屜僅使用最基本和功能性的動畫來與參與者互動，其運動方式只有勻速打開和勻速關(guān)閉2種(圖2)。對表現(xiàn)型抽屜，通過為其設(shè)計傳達不同情緒或建議的動作來賦予抽屜表現(xiàn)力。動作設(shè)計基于G.Haffman等[7]的研究。表現(xiàn)型抽屜使用“擺動開啟”的動作(圖3-A)來示意用戶將某件工具放回該抽屜，抽屜在打開前會小范圍前后擺動。表現(xiàn)型抽屜還可以示意用戶取走某件工具，打開的抽屜關(guān)閉一半并以半速重新打開(圖3-B)

圖3 表現(xiàn)型抽屜的提示動作序列Fig.3 The sequence of prompt actions in a phenotype drawer

另外添加了一些表達情緒的動作，比如用戶完成某一個階段性任務(wù)后執(zhí)行的慶祝動作，以及當(dāng)用戶犯錯時的偷笑動作。慶祝動作是3個抽屜模仿漣漪效果(圖4-A)。偷笑動作是所有抽屜都打開到隨機位置，擺動2次，然后關(guān)閉(圖4-B)。

圖4 表現(xiàn)型抽屜的情緒動作序列Fig.4 The sequence of emotional actions in a phenotype drawer

1.5 實驗流程

被試的任務(wù)是組裝一個踏腳凳，由10個支撐柱和2個支撐板組成，相互銜接部分涉及到不同的部件和工具，被試會有一套完整的安裝流程和所需工具。參與者被告知完成這項任務(wù)所需的工具存放在3個抽屜里。每個工具的位置在抽屜內(nèi)用標簽紙注明，以便參與者可以將這些工具返回到固定的位置。

對于主動型抽屜組的被試人，我們告訴他們“抽屜將提供您所需的工具”；對于被動型抽屜組的被試人，我們將會告知“您可以向抽屜做出姿勢以獲取所需的工具”。另外，為了防止被試人一次性拿出所有工具而不和抽屜互動，每個被試人一次最多只能取出2個工具，并按照說明組裝踏腳凳。 在按照指示完成后，被試人還將接受訪談和問卷調(diào)查。

1.6 向?qū)Р倏卣?/h3>

在整個研究過程中，向?qū)У娜蝿?wù)是啟動抽屜并在適當(dāng)?shù)臅r間執(zhí)行操控抽屜執(zhí)行一定的動作。如果被試人遵循安裝說明，并嚴格遵守“每次只取出2個工具”的規(guī)則，向?qū)枰獔?zhí)行至少8次工具交換(獲取和歸還)，具體的交換方式取決于當(dāng)前抽屜的表現(xiàn)力和主動性。

為了區(qū)別表現(xiàn)型抽屜和非表現(xiàn)型抽屜，向?qū)П仨氃谙鄳?yīng)的條件下按規(guī)則操控抽屜發(fā)生動作。在非表現(xiàn)型抽屜組中，當(dāng)被試人需要從抽屜中取出或歸還工具時，向?qū)Р倏爻閷蠄?zhí)行基本的打開和關(guān)閉動作。但是，對表現(xiàn)型抽屜，當(dāng)需要取出或返回一個工具時，向?qū)褂脭[動開啟動作打開應(yīng)當(dāng)被打開的抽屜。此外，向?qū)倏爻閷媳磉_某些情緒：如果被試人犯了一個錯誤，例如掉了一個緊固件或拿起錯誤的工具，向?qū)褂贸閷系耐敌幼?。此外，被試人完成一個階段時，抽屜會啟動慶祝動作。

為了區(qū)別主動型抽屜和被動型抽屜，我們改變了抽屜行為的時間。對于主動型抽屜，根據(jù)被試人完成的安裝步驟，當(dāng)他需要一個工具時，抽屜會做出預(yù)測，并提前打開所需工具所在的抽屜。當(dāng)被試人拿走工具時，向?qū)ё灾麝P(guān)閉抽屜。如果被試人已經(jīng)拿了2個工具并且需要第三個工具，則向?qū)蜷_需要被放回工具應(yīng)當(dāng)歸還的抽屜，示意被試人歸還一個暫時不需要的工具。在被動型抽屜組實驗時，抽屜僅根據(jù)參與者的手勢打開和關(guān)閉。因此，參與者需要向抽屜指出他們想要打開哪一個。然后，抽屜保持打開，直到參與者指示它關(guān)閉。

1.7 問卷調(diào)查

為了評估被試人如何看待與抽屜的交互過程，我們調(diào)整并利用了迪拉德關(guān)系消息量表[15]。所包含的關(guān)系因素是親密性、相似性、支配性和平等性。我們根據(jù)上述因素設(shè)計了26個關(guān)于與機器人交互的陳述，依照七點李克特量表(1=非常不同意，7=非常同意)，讓被試人回答他們對這些陳述同意的程度。此外，通過訪談收集了所有被試人在與機器人交互過程中的心理感受。

2 結(jié)果分析

首先將調(diào)查答復(fù)導(dǎo)入R進行統(tǒng)計分析。使用雙向方差分析檢驗來確定主動性變量或表現(xiàn)力變量是否對被試人與機器人交互中的感知具有顯著影響。接下來我們將分析一些在主動性變量或表現(xiàn)力變量上形成顯著差異的問題答案。

2.1 親密性

通過詢問了一系列關(guān)于被試人與抽屜間親密感的問題，這些問題主要反映的是被試人在交互中的參與感。與非表現(xiàn)型抽屜相比，被試人認為表現(xiàn)型抽屜更加投入(圖5)。在被問到“抽屜是否覺得與我互動很有趣”這一陳述時，表現(xiàn)型抽屜顯著地比非表現(xiàn)型抽屜具有更大的認同度(表1)，但總體而言積極性不會對親密性的感知產(chǎn)生顯著的差異(表1)。

問題主動性表現(xiàn)力抽屜覺得與我互動很有趣F(1,16)=1.28P=0.287F(1,16)=19.88P<0.01

2.2 相似性

關(guān)于相似性的問題與交互的友好體驗有關(guān)。與親密性一致，表達型抽屜被認為比非表現(xiàn)型抽屜更易親近和更友好。通過對“抽屜似乎希望進一步互動”的認同程度的調(diào)查，可以發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)型動作的抽屜與被試人之間具有更大的相似性(圖6)。 與親密性一樣，主動性變量似乎不會對相似性產(chǎn)生顯著差異(表2)。

表2 相似性調(diào)查結(jié)果Table 2 Similarity survey results

圖6 相似性因素Fig.6 Diagram showing similarity factor

2.3 支配性

支配性相關(guān)的問題有助于確定交互中的交互雙方對地位的感知。 可以看到，無論是表現(xiàn)性還是主動性都會導(dǎo)致抽屜展現(xiàn)出更強的主導(dǎo)性和影響力(表3)。 對于主動型變量，這似乎很好理解，因為主動型抽屜總是在預(yù)測下一步操作，起著主導(dǎo)作用，并且在被試人犯規(guī)的時候強制其按照規(guī)定進行。而對于表現(xiàn)型抽屜，被試人會覺得具有表現(xiàn)力的動作在試圖引起他們的注意，從而對他們施加影響。表現(xiàn)力在“抽屜試圖控制我”(圖7-A)和“抽屜沒有試圖影響我”(圖7-B)的問題上表現(xiàn)出很大的差異。 請注意，“抽屜不試圖影響我”的問題是反向編碼的，值越大表示更多的支配性。

問題主動性表現(xiàn)力抽屜試圖控制我F(1,16)=3.42P=0.079F(1,16)=6.62P=0.019抽屜沒有試圖影響我F(1,16)=18.6P<0.01F(1,16)=26.3P<0.01

2.4 平等性

平等關(guān)系描述了被試人是否認為他們在相同的地位下受到對待。盡管在支配性因素的結(jié)果中，表現(xiàn)性有顯著影響；但表達性對平等性因素似乎沒有顯著影響。相反，主動性產(chǎn)生了非常顯著的差異。關(guān)于“抽屜認為我們是平等的”的陳述，與被動型抽屜相比，主動型抽屜讓被試人產(chǎn)生了更大的不平等的感覺(圖8)。 被試認為，主動型抽屜并沒有將他們視為平等的，而表現(xiàn)型抽屜則沒有產(chǎn)生這種感受(表4)。

圖8 平等性因素Fig.8 Diagram showing equality factors

問題主動性表現(xiàn)力抽屜認為我們是平等的F(1,16)=8.25P=0.015F(1,16)=0.026P=0.912

3 討 論

本項研究表明，表現(xiàn)力和積極性會對機器人與人的交互感知產(chǎn)生巨大影響。通過研究后的訪談，我們發(fā)現(xiàn)被試人能夠理解機器人行為的意圖和信息，被試人知道抽屜正試圖通過動作來提醒他們拿走或返回工具，從而引導(dǎo)他們進入下一步。然而，很多被試人表示希望按照自己的節(jié)奏完成任務(wù)，因此，受試者經(jīng)常忽略機器人的建議。此外，看到支配性因素中，主動性和表現(xiàn)力之間存在互動效應(yīng)。但主動型抽屜使被試人感到機器人沒有將他們視為平等的。在問卷后的訪談中，有的被試人表示機器人像“老板”一樣，將被試人降低到較低的社會地位；另一位被試人表示“抽屜打亂了我本身的節(jié)奏”。相反，當(dāng)機器人同時具有表現(xiàn)力和主動性時，這種不平等的效應(yīng)降低了。因此，通過增強表現(xiàn)力，機器人可以在不降低參與者平等感的同時引導(dǎo)兩者之間的互動。在實際設(shè)計生產(chǎn)過程中，機器人不適宜的溝通方式會讓人類用戶產(chǎn)生不適或反感。

表達性的動作對溝通有效性的提高?？傮w來講，被試都能回憶起表現(xiàn)型抽屜偷笑，他們這個時候一般都沒有在看抽屜(根據(jù)錄像顯示)。很大一部分能回憶起“抽屜試圖向我表示祝賀”或“它提醒我犯了一個錯誤”。即使沒有直接看抽屜，被試人仍然能夠回憶起抽屜所傳達的信息。這一發(fā)現(xiàn)再次證實了霍夫曼的論點，即人類對運動很敏感，精心設(shè)計的小動作可以用于提升交流的有效性[7]。

此外，從視頻中還發(fā)現(xiàn)，由于沒有明確指示被試人應(yīng)該如何與抽屜互動，被試人會使用各種不同的手勢與抽屜進行交流，包括觸摸、揮手、敲擊等等。 除了打手勢之外，一些參與者甚至嘗試與抽屜交談。 值得注意的是，參與者很快就會創(chuàng)建一個如何與抽屜互動的心理模型，并且不會嘗試新的手勢或動作。

存在的不足之處是數(shù)據(jù)樣本量較少，導(dǎo)致整個系統(tǒng)性的結(jié)果并不十分完善，今后的工作將繼續(xù)擴大樣本量，進行統(tǒng)計分析對比。

4 結(jié) 論

本文的研究表明，讓機器人的動作具有表達性會影響用戶對交互的感知。與功能更強大的非表現(xiàn)型機器人相比，表現(xiàn)力使機器人看起來更加投入，并對人感興趣，更好進行合作。主動性似乎對與機器人的協(xié)作沒有顯著影響，但是被動而富有表現(xiàn)力的機器人確實對人類用戶來說更易于相處。此外，主動型機器人似乎比被動型機器人更能產(chǎn)生支配感，甚至讓人感到被不平等地對待。發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)力的加入可以幫助緩和這種感覺，因為富有表現(xiàn)力的機器人看似在引導(dǎo)兩人的互動，但不會產(chǎn)生支配的影響力。