袁曉芳，周大濤，吳瑜,b

【工業(yè)設(shè)計】

基于文獻(xiàn)計量的服務(wù)機(jī)器人交互研究態(tài)勢分析

袁曉芳a，周大濤a，吳瑜a,b

（武漢理工大學(xué) a.藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院 b.高端裝備智能工業(yè)設(shè)計湖北省工程研究中心，武漢 430070）

為全面剖析中國服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究態(tài)勢，探究人-服務(wù)機(jī)器人交互（Human-Robot Interaction，HRI）的研究創(chuàng)新方向。對CNKI數(shù)據(jù)庫收錄的309篇（2001-2020年）與“服務(wù)機(jī)器人+交互”主題有關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行計量分析，并展開CiteSpace時區(qū)演化圖譜、VOSviewer密度熱點圖譜和BibExcel戰(zhàn)略坐標(biāo)圖譜等知識圖譜的繪制。從研究演化、研究熱點和研究質(zhì)量三個角度揭示了中國HRI研究的狀態(tài)和趨勢。結(jié)果表明，在新的角色屬性和深層交互需求產(chǎn)生和發(fā)展的趨勢背景下，相較于在定位、規(guī)劃、識別等“計算智能”層面上進(jìn)行的HRI研究和應(yīng)用，中國現(xiàn)階段的HRI研究缺少對用戶體驗、多模態(tài)自然交互和社會交互等“人本智能”的設(shè)計考量，成為制約服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題點?？梢哉f，考慮人本設(shè)計（Human-centered Design）及應(yīng)該如何塑造HRI變得至關(guān)重要。

人機(jī)交互；服務(wù)機(jī)器人；文獻(xiàn)計量；知識圖譜；HRI設(shè)計

國際機(jī)器人聯(lián)合會（International Federation of Robotics，IFR）將服務(wù)機(jī)器人定義為“一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能完成有益于人類的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備”[1]。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的典型代表之一，服務(wù)機(jī)器人的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用在各國科技發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位[2]，在服務(wù)民生福祉、推動科技創(chuàng)新、刺激經(jīng)濟(jì)發(fā)展和增強(qiáng)國防力量等方面都具有重要的價值和意義[3]。隨著人工智能技術(shù)的突破、核心零部件成本的下降，服務(wù)機(jī)器人開始面向家庭、教育、醫(yī)療和商業(yè)等市場開展服務(wù)工作，同時，在人口結(jié)構(gòu)、社會服務(wù)成本、教育成本和突發(fā)公共衛(wèi)生事件等現(xiàn)實壓力和高質(zhì)量服務(wù)需求的催化下，服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)未來仍將迅速擴(kuò)張且潛力巨大，無論是在個人/家庭服務(wù)領(lǐng)域，還是在專業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人都將會有非常多的應(yīng)用[4]。區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)環(huán)境中重復(fù)、規(guī)范和高精度的程序化交互，服務(wù)機(jī)器人需要在非結(jié)構(gòu)化生活環(huán)境中執(zhí)行更加復(fù)雜的交互任務(wù)[5]，具有動態(tài)、多樣和模糊的交互特征。技術(shù)的進(jìn)步驅(qū)動著服務(wù)機(jī)器人能夠以自主方式完成越來越多的任務(wù)，這使人與機(jī)器人之間的“社交”距離已經(jīng)由相互隔離、互不干預(yù)，發(fā)展到了充分的人機(jī)協(xié)作、交互融合，其角色屬性不斷深入和多樣化，影響到越來越多的個人環(huán)境和人類需求[6]，考慮如何重新定義人-機(jī)器人之間的相互關(guān)系變得至關(guān)重要[7]。在這種背景下，人-服務(wù)機(jī)器人交互（Human-Robot Interaction，HRI）作為消融人機(jī)交流界限、使服務(wù)機(jī)器人更好地融入人類日常生活的關(guān)鍵，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點。

HRI作為一個特定的研究方向開始于20世紀(jì)90年代初期，其致力于理解、設(shè)計和評估供人類使用或與人類一起使用的機(jī)器人系統(tǒng)，其目的是實現(xiàn)人類和機(jī)器人交互的可用性、適用性和實用性[8]。從技術(shù)發(fā)展角度，機(jī)器人交互可以歸類為受限（Formal）和非受限（Informal）兩種交互方式[9]：其中，受限人機(jī)交互是指必須通過中間介質(zhì)（工具、載具、軟件或編程等）進(jìn)行任務(wù)表述的間接交互方式，如機(jī)器人的示教再現(xiàn)、編程語言和圖形交互等就屬于典型的受限交互方式；隨著語音識別、圖像分析、手勢識別和情感識別等人工智能技術(shù)的發(fā)展，語音交互、手勢交互、情感交互和腦機(jī)交互等自然、高效的服務(wù)機(jī)器人非受限人機(jī)交互獲得了廣泛應(yīng)用。從用戶體驗的角度來看，這種非受限人機(jī)交互更能滿足服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用需求，成為當(dāng)前HRI領(lǐng)域的研究熱點。總的來說，HRI是一種需求導(dǎo)向性明顯的研究領(lǐng)域，能夠積極響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，并滿足隨之而來的、新的用戶需求，對服務(wù)機(jī)器人行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有直接驅(qū)動作用。因此，及時、全面、有效地對中國服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究態(tài)勢進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究或創(chuàng)新機(jī)會點，對推動服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的理論深化、技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)新等具有重要意義。基于此，本研究對2001-2020年中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫收錄的“服務(wù)機(jī)器人+交互”主題的有效文獻(xiàn)進(jìn)行計量分析，使用CiteSpace[10]、VOSviewer[11]和BibExcel[12]等文獻(xiàn)計量工具繪制相關(guān)知識圖譜，以此明確過去20年間中國服務(wù)機(jī)器人交互的研究演化、研究熱點和研究質(zhì)量，探討HRI未來的發(fā)展方向，為相關(guān)人員或工程師的創(chuàng)新設(shè)計提供借鑒。

1 研究設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)來源

從資源傳播的角度，在機(jī)器人或人機(jī)交互學(xué)科上所發(fā)表的研究文獻(xiàn)是推動該領(lǐng)域發(fā)展的重要基礎(chǔ)[13]，通過對該類主題文獻(xiàn)的提取和分析能夠探究服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究態(tài)勢。因此，本研究選擇中國知網(wǎng)（CNKI）作為文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源，以“服務(wù)機(jī)器人AND交互”為主題檢索詞，對時間跨度為2001年1月1日至2020年12月31日的目標(biāo)文獻(xiàn)進(jìn)行全面檢索，在逐條去除重復(fù)文獻(xiàn)、非研究性文獻(xiàn)（報紙、啟事）以及與研究主題無關(guān)的文獻(xiàn)后，共獲得有效文獻(xiàn)309條，包括28條期刊數(shù)據(jù)、169條學(xué)位論文數(shù)據(jù)、3條會議數(shù)據(jù)和9條成果數(shù)據(jù)，選擇“Refworks”作為文獻(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的導(dǎo)出格式，并存儲為txt文件。

1.2 研究方法

隨著新興主題研究和多學(xué)科交叉研究的不斷涌現(xiàn)，相較于同行專家的經(jīng)驗述評，文獻(xiàn)計量提供的定量指標(biāo)能夠確保分析的系統(tǒng)性和客觀性[14]，成為開展學(xué)科和行業(yè)情報分析的有力手段[15]。本研究使用文獻(xiàn)計量方法對上述309條文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依據(jù)文獻(xiàn)計量的規(guī)則和相關(guān)研究經(jīng)驗[16-18]，選擇能夠描述文獻(xiàn)研究主題的關(guān)鍵詞作為計量對象，主要的研究步驟如圖1所示。

1）系統(tǒng)化采集。在CNKI數(shù)據(jù)庫中，通過設(shè)置主題詞、時間跨度、文獻(xiàn)類型和語言等檢索條件，實現(xiàn)對相關(guān)研究文獻(xiàn)的查準(zhǔn)、查全，這是文獻(xiàn)計量分析的前提基礎(chǔ)。

2）規(guī)范化處理。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范主要包括兩個方面：一是由于數(shù)據(jù)庫信息收錄的規(guī)范問題，在多數(shù)情況下，導(dǎo)出的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)信息會存在符號使用不規(guī)范（大小寫、全稱與縮寫、標(biāo)點符號等）、部分信息缺失等問題；二是由于不同的表達(dá)習(xí)慣，造成關(guān)鍵詞表述存在多詞一義的現(xiàn)象，如“人機(jī)交互”“人-機(jī)器人交互”“人-機(jī)器人交互技術(shù)”和“人機(jī)交互（HRI）”。規(guī)范數(shù)據(jù)信息是保證后續(xù)文獻(xiàn)分析質(zhì)量的必要條件，因此，本研究在一名HRI領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?，通過多次調(diào)研分析，對關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)進(jìn)行了符號統(tǒng)一、信息補(bǔ)充和同義詞合并。

3）科學(xué)化統(tǒng)計。使用BibExcel對文獻(xiàn)數(shù)據(jù)記錄中的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次進(jìn)行統(tǒng)計和篩選，并結(jié)合關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和聚類分析來揭示各個研究主題間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和內(nèi)容，這是文獻(xiàn)計量分析的關(guān)鍵步驟。在這一步驟中，為避免范圍過大的低頻詞對后續(xù)文獻(xiàn)計量分析的干擾，依據(jù)相關(guān)使用經(jīng)驗，本研究選擇高頻詞（詞頻≥3）作為分析對象，并過濾掉“服務(wù)機(jī)器人”“人機(jī)交互”2個干擾高頻詞（高頻但無意義的關(guān)鍵詞），共獲得有效高頻關(guān)鍵詞116個（累積詞頻占比為67%），用以計量中國服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究特點。

4）可視化呈現(xiàn)。為直觀展示各個研究主題間的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)情況，結(jié)合上述步驟輸出的高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行知識圖譜繪制，這是文獻(xiàn)計量分析的重要手段。本研究獲得的圖譜類型及作用主要為：基于CiteSpace的時區(qū)演化圖譜來全面梳理服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域在過去20年間的研究演化；基于VOSviewer的密度熱點圖譜來直觀標(biāo)識服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究熱點；基于BibExcel的戰(zhàn)略坐標(biāo)圖譜來定量揭示服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究質(zhì)量。

5）建構(gòu)性解讀。結(jié)合可視化知識圖譜，從研究與應(yīng)用的角度提出相應(yīng)的趨勢、問題與挑戰(zhàn)，這是文獻(xiàn)計量分析的重要內(nèi)容，能夠為未來服務(wù)機(jī)器人交互的研究工作提供參考。

圖1 文獻(xiàn)計量的分析過程

2 圖譜分析

2.1 研究演化圖譜

為梳理中國服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究演化過程，本研究將規(guī)范處理后的309條文獻(xiàn)數(shù)據(jù)加載到CiteSpace軟件（5.0 R1版本）中進(jìn)行時區(qū)演化圖譜（一種考慮時間因素的關(guān)鍵詞關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖）[19]的繪制，從而在時間維度上可視化展示各個關(guān)鍵詞的演化過程。具體的參數(shù)設(shè)置為：選擇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間切片（Time Slicing）標(biāo)準(zhǔn)為5年；節(jié)點類型（Node Types）設(shè)置為Keywords；設(shè)置每個切片中保留頻率最高的前200個關(guān)鍵詞；選擇Pathfinder對圖譜中的細(xì)小分支進(jìn)行修剪，以保證圖譜的可讀性。結(jié)果如圖2所示：一個圓圈節(jié)點代表一個關(guān)鍵詞，節(jié)點越大表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率越高；線條表示關(guān)鍵詞之間存在聯(lián)系；關(guān)鍵詞所屬時區(qū)以該關(guān)鍵詞首次出現(xiàn)的時間為依據(jù)進(jìn)行劃分（每5年為一個時區(qū)，共4個時區(qū)）。

由圖2可知，依據(jù)主題關(guān)鍵詞所在的時區(qū)位置、技術(shù)類型和應(yīng)用方向，可以將中國服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域在過去20年間的研究演化過程劃分為HRI 1.0弱人期、HRI 2.0智人期和HRI 3.0類人期：

1）HRI 1.0弱人期（2001-2005年）主要關(guān)注路徑規(guī)劃、運動規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)技術(shù)，其應(yīng)用研究對象主要包括移動機(jī)器人、智能機(jī)器人和商業(yè)服務(wù)機(jī)器人，這一時期的研究內(nèi)容主要以技術(shù)發(fā)展為導(dǎo)向，目標(biāo)是實現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人的自動規(guī)劃和運動，主要執(zhí)行信息層面的交互內(nèi)容，具有重控制、弱感知和多離散的交互特點。

2）隨著智能技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用場景的延伸，研究進(jìn)入HRI 2.0智人期的技術(shù)積累階段（2006-2010年），該階段主要關(guān)注語音識別、手勢交互、人臉識別、情感計算、視覺交互、自然語言處理和腦機(jī)接口等智能交互方面，是智能HRI技術(shù)探索和開發(fā)的集中爆發(fā)期。

3）隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，研究進(jìn)入HRI 2.0智人期的技術(shù)應(yīng)用階段（2010-2015年），該階段主要以市場應(yīng)用為導(dǎo)向，關(guān)注醫(yī)療、助老、陪伴、商業(yè)及社交等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，形成了較為獨立的應(yīng)用市場細(xì)分，并圍繞人機(jī)協(xié)作、環(huán)境理解等方面的應(yīng)用需求開展了人體檢測、目標(biāo)追蹤、行為識別、動作識別、物體識別和體感交互等方面的研究，同時，云技術(shù)作為新概念也首次出現(xiàn)在HRI研究領(lǐng)域，可以說，整個HRI 2.0智人期是一個多元化發(fā)展時期，主要強(qiáng)調(diào)行為層面的交互內(nèi)容。

4）2016年開始，人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)在HRI領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，為機(jī)器人提供了強(qiáng)大的“后腦”[20]，開展了如智能家居、情景感知、仿人服務(wù)機(jī)器人、擬人化、自然人機(jī)交互等更具類人屬性的HRI研究，在這種技術(shù)應(yīng)用的驅(qū)動下，研究進(jìn)入HRI 3.0類人期，這一時期以用戶需求為導(dǎo)向，集中開展了圍繞HRI體驗設(shè)計的研究，包括用戶體驗、服務(wù)設(shè)計、需求分析、情感體驗與設(shè)計評估、功效學(xué)研究等，這一時期的機(jī)器人、交互場景和人類之間的邊界變得模糊，趨于融合共存，同時，基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺等具有普適計算特征的HRI也獲得了發(fā)展，主要關(guān)注如何把信息空間編織到人類生活的物理空間中，即實現(xiàn)人（Human）-機(jī)（Robot）-環(huán)（Context）的集成和融合，改善或提升類人交互體驗的自然感和真實感，可以說這一時期是服務(wù)機(jī)器人“智商”與“情商”的融合階段，主要突出社會層面的交互內(nèi)容。

圖2 關(guān)鍵詞（主題）時區(qū)演化圖譜

2.2 研究熱點圖譜

為了標(biāo)識中國服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究熱點，本研究采用關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和VOSviewer軟件進(jìn)行密度熱點圖譜的計算和生成。其中，關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析是指統(tǒng)計一組“詞匯對”共同出現(xiàn)在文檔中的次數(shù)，一般認(rèn)為詞匯對共同出現(xiàn)的次數(shù)越多，代表該詞匯對所表述的主題關(guān)系越密切[21]，進(jìn)而用以分析各個研究主題之間的親疏關(guān)系。使用BibExcel統(tǒng)計116個高頻關(guān)鍵詞兩兩之間的共現(xiàn)次數(shù)，結(jié)果如表1所示。

將上述116個高頻關(guān)鍵詞的共現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入VOSviewer進(jìn)行密度熱點圖譜的繪制，通過VOS-viewer密度熱點圖譜上的顏色變化可以直觀、快速地發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的研究熱點。結(jié)果如圖3所示：關(guān)鍵詞標(biāo)簽的字號大小代表該研究主題的權(quán)重大小（即共現(xiàn)次數(shù)），標(biāo)簽越大，權(quán)重越大；關(guān)鍵詞標(biāo)簽的背景顏色（紅、黃、綠的漸變色）依據(jù)其密度的大小來填充，密度的大小依賴于周圍關(guān)鍵詞的數(shù)量以及這些關(guān)鍵詞的權(quán)重大小，綠色表示密度熱點低的區(qū)域，紅色代表密度熱點高的區(qū)域，而黃色為密度熱點的中間區(qū)。

表1 高頻關(guān)鍵詞的共現(xiàn)次數(shù)（部分）

Tab.1 Co-occurrence frequency of high frequency keywords (part)

圖3 關(guān)鍵詞（主題）的密度熱點圖譜

由圖3可知，2001-2020年中國服務(wù)機(jī)器人交互研究的主要內(nèi)容集中在“以機(jī)器為中心”的工程技術(shù)方面（該部分內(nèi)容的紅色偏多），主要關(guān)注如何實現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行有效感知、認(rèn)知和行動的能力，如語音識別、避障、人臉識別、人體檢測、路徑規(guī)劃和定位導(dǎo)航等識別決策技術(shù)，其次是手勢交互、SLAM（即時定位與地圖構(gòu)建）等技術(shù)研究；多模式人機(jī)交互、信息融合、情感交互、自然人機(jī)交互、用戶體驗和人性化設(shè)計等“以人為中心”的交互體驗研究處在整個研究領(lǐng)域的邊緣區(qū)域（該部分內(nèi)容的黃色和綠色偏多）。從整體上來看，相較于在“計算智能”方面的技術(shù)導(dǎo)入，現(xiàn)階段的HRI研究缺少對“人本智能”（Human-centered AI，HAI）[22]的設(shè)計考量。

2.3 研究質(zhì)量圖譜

為了揭示中國服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究質(zhì)量，在上述關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，采用聚類分析和戰(zhàn)略坐標(biāo)分析來系統(tǒng)地計算和表達(dá)各個研究主題的關(guān)聯(lián)情況和發(fā)展?fàn)顩r。在聚類分析中，為避免過于分散（異常）的主題關(guān)鍵詞對后續(xù)研究質(zhì)量分析的干擾，結(jié)合SPSS系統(tǒng)聚類結(jié)果，本研究共去除了43個指向性明顯的技術(shù)類關(guān)鍵詞（如任務(wù)規(guī)劃、運動規(guī)劃、路徑規(guī)劃、避障、定位導(dǎo)航等）和指向性泛化的關(guān)鍵詞（如機(jī)器人市場、發(fā)展趨勢、智能機(jī)器人等），最終保留了73個與HRI應(yīng)用場景、交互技術(shù)和行為體驗相關(guān)的關(guān)鍵詞。同時，為保證各個關(guān)鍵詞在語義層面上具有類內(nèi)的最大相關(guān)性和類間的最小相關(guān)性，本研究多次組織小組進(jìn)行調(diào)研和討論，進(jìn)行人工逐項對比分析，最終將73個關(guān)鍵詞劃分為15個主題類團(tuán)，結(jié)果見表2。

結(jié)合BibExcel分析的高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)數(shù)據(jù)，使用Matlab程序來計算上述15個主題類團(tuán)向心度（Centrality）和密度（Density）的絕對坐標(biāo)值：向心度可以用類團(tuán)關(guān)鍵詞與其余類團(tuán)關(guān)鍵詞兩兩共現(xiàn)頻次的均值來計算，密度可以用類團(tuán)內(nèi)部關(guān)鍵詞兩兩共現(xiàn)頻次的均值來計算，結(jié)果見表3。進(jìn)一步以表3中的坐標(biāo)值為參數(shù)，繪制戰(zhàn)略坐標(biāo)圖，結(jié)果如圖4所示。戰(zhàn)略坐標(biāo)圖是一種依據(jù)向心度和密度坐標(biāo)值來劃分4個象限的二維平面圖，用以概括性地描述某研究主題的內(nèi)部發(fā)展情況以及主題間的相互影響情況。其中，軸為向心度，表示主題類團(tuán)之間的聯(lián)系強(qiáng)弱，向心度越大，說明該主題類團(tuán)與其他主題類團(tuán)之間有著緊密的聯(lián)系，趨于核心地位；軸為密度，表示主題類團(tuán)內(nèi)部的發(fā)展強(qiáng)弱，密度值越大，說明該主題類團(tuán)自身的發(fā)展越趨于成熟，研究關(guān)注度越高。

表2 73個高頻關(guān)鍵詞的聚類結(jié)果

Tab.2 Clustering results of 73 high frequency keywords

表3 15個主題類團(tuán)的戰(zhàn)略坐標(biāo)值

Tab.3 Strategic coordinates of 15 thematic clusters

由圖4可知，中國服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究質(zhì)量情況如下：

1）老年服務(wù)和語音交互是第一象限主題類團(tuán)，具有較高的向心度和密度。該類研究主題的內(nèi)部和外部聯(lián)系密切，表明老年服務(wù)和語音交互與其他眾多研究主題關(guān)系緊密，且自身的研究發(fā)展也趨于成熟，已經(jīng)形成了系統(tǒng)化的研究內(nèi)容或方向，對該類主題的研究能夠影響到其他研究主題的發(fā)展，是現(xiàn)階段HRI的研究熱點。

2）體態(tài)交互、體驗設(shè)計與評估、環(huán)境智能和醫(yī)療監(jiān)護(hù)是第二象限主題類團(tuán)，具有較高的密度和較低的向心度。該類研究主題的內(nèi)部聯(lián)系緊密，但外部關(guān)聯(lián)不強(qiáng)，表明該類研究雖然受到了研究人員的廣泛關(guān)注，也已開展了相關(guān)研究來完善相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，但該類研究主題較為獨立，在與其他主題的深化合作和交叉應(yīng)用等方面仍會有較大的研究空間，是現(xiàn)階段HRI的研究重點。

3）多模態(tài)交互、情感交互、腦機(jī)交互和云服務(wù)是第三象限主題類團(tuán)，具有較低的向心度和密度。該類研究主題外部關(guān)聯(lián)不強(qiáng)，內(nèi)部聯(lián)系松散，表明這種以自然交互為目標(biāo)的研究主題仍處在HRI研究的邊緣，且自身發(fā)展也不夠成熟，缺少系統(tǒng)的理論研究體系，應(yīng)用發(fā)展受限，是現(xiàn)階段HRI的研究缺口。

4）社會交互、智能認(rèn)知、擬人化交互、視覺交互和人機(jī)協(xié)作是第四象限主題類團(tuán)，具有較高的向心度和較低的密度。該類研究主題的外部關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，內(nèi)部聯(lián)系松散，表明以人為中心的社會化交互已經(jīng)成為HRI的研究核心，對其他研究主題的發(fā)展具有影響作用，但其自身的研究方向或內(nèi)容較為松散，可能會被分解為多個研究主題，具有較大的研究潛力，是現(xiàn)階段HRI的研究亮點。

圖4 15個主題類團(tuán)的戰(zhàn)略坐標(biāo)圖譜

3 態(tài)勢討論

3.1 緊跟研究趨勢——人本設(shè)計介入HRI研究的必要性

由圖2研究演化圖譜可知，隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的變化，中國服務(wù)機(jī)器人交互領(lǐng)域的研究過程可以劃分為：HRI 1.0弱人期—HRI 2.0智人期—HRI 3.0類人期，呈現(xiàn)出服務(wù)機(jī)器人交互技術(shù)越來越豐富、應(yīng)用場景越來越廣泛和交互需求越來越深層的發(fā)展趨勢。交互技術(shù)由基礎(chǔ)的運動和路徑規(guī)劃，發(fā)展到語音、人臉、體態(tài)，甚至是情感交互、自然交互；應(yīng)用場景已由最開始的商業(yè)服務(wù)延伸到家居、醫(yī)療、個人和社交場景；交互需求也由單一的信息交互轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У男袨榻换?，并發(fā)展成為類人的社會交互。這一趨勢的轉(zhuǎn)變給HRI研究帶來了挑戰(zhàn)：一方面，進(jìn)入HRI 3.0類人期，服務(wù)機(jī)器人交互的角色屬性已由被動的輔助工具轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訁⑴c社會活動的類人載體[23]，其功能表現(xiàn)不僅要求具備自然的交互方式，如語音交互、視覺交互、體態(tài)交互等，還應(yīng)滿足與目標(biāo)用戶群體在特定場景下的感知、認(rèn)知和行為習(xí)慣等相匹配的社會交互體驗；另一方面，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步給人帶來種種便利的同時也影響到了越來越多的個人環(huán)境和敏感的人類需求[24]，從而引發(fā)一系列社會和情感問題[25-27]。

在這種趨勢背景下，可以明確HRI的最終目標(biāo)不僅是開發(fā)省時、省力的機(jī)器人，而且要開發(fā)人們可以接受的，能夠滿足社交和情感需求，并尊重人類價值的機(jī)器人，重點在于人們對機(jī)器人的行為和態(tài)度，以及人們與機(jī)器人物理、技術(shù)和交互功能之間的關(guān)系[28]。因此，對服務(wù)機(jī)器人來說，要想為人們的生活提供長期、緊密和深入的附加價值，就必須強(qiáng)調(diào)通過設(shè)計塑造一個“以人為中心”的用戶體驗[29]（User Experience，UX/UE）的必要性。這里的用戶體驗包含了用戶的情緒、信念、偏好、感知和使用服務(wù)機(jī)器人之前、期間和之后的態(tài)度等眾多的人本設(shè)計（Human-centered Design），積極的人本體驗設(shè)計能夠驅(qū)動服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)散，而負(fù)面的人本設(shè)計可能會阻止人類從服務(wù)機(jī)器人的特性中獲益[30]。

3.2 轉(zhuǎn)變研究思維——人本設(shè)計介入HRI研究的重要性

由圖3密度熱點圖譜可知，當(dāng)前中國服務(wù)機(jī)器人交互研究主要集中于“計算智能”（技術(shù)屬性為主）的工程技術(shù)研究，依賴于從工程人員的角度提升機(jī)器人的個別技能，缺少對“人本智能”（技術(shù)環(huán)境與社會屬性并重）的設(shè)計考量。盡管計算智能技術(shù)的發(fā)展使服務(wù)機(jī)器人的識別和推理能力大幅提升，甚至部分已超越了人類智能，但服務(wù)機(jī)器人作為“社會伙伴”[31]的角色，在教育、醫(yī)療、家庭和商業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用價值仍然未能被大眾所接受[32-34]。主要原因是面對復(fù)雜環(huán)境下工作任務(wù)多變的服務(wù)機(jī)器人，使其完全類人地與人進(jìn)行自主交互還難以實現(xiàn)，且當(dāng)前技術(shù)水平下的HRI應(yīng)用存在“技術(shù)的感性局限”，即只追求技術(shù)理性的手段和目的，而不關(guān)心這種手段和目的在人的自然感性、社會感性和理性感性等本質(zhì)規(guī)律中的合理性。如教育機(jī)器人的語音功能和背景故事對兒童情緒、融洽關(guān)系、人際關(guān)系和學(xué)習(xí)質(zhì)量的影響[35]；社交機(jī)器人的擬人化對熟悉度、信任感等良性人機(jī)交互的影響[36]；機(jī)器人表達(dá)任務(wù)失敗時的透明度，即“出丑效應(yīng)”（Pratfall Effect）對提升人機(jī)關(guān)系的作用[37-38]；“嘗鮮效應(yīng)”（新奇性消失后，用戶對機(jī)器人的興趣下降）對HRI長期互動的影響[39-40]。從上述服務(wù)機(jī)器人交互的研究趨勢上看，隨著語音、手勢、表情等交互技術(shù)的成熟和普及，計算智能技術(shù)的導(dǎo)入將不再是驅(qū)動HRI發(fā)展應(yīng)用的唯一力量，未來需要將更多人本因素（用戶體驗、用戶研究、社會交互、情感道德、人機(jī)信任等）納入設(shè)計考量范圍。

如圖5所示，HRI在本質(zhì)上和必要性上是一個多學(xué)科的、以問題為基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域，成功的HRI既需要來自計算機(jī)科學(xué)、人工智能、機(jī)械科學(xué)及傳感器等工程技術(shù)軟件和硬件的支撐，也需要認(rèn)知科學(xué)、語言學(xué)、心理學(xué)和人類學(xué)等社會科學(xué)方面的貢獻(xiàn)[6]，并最終通過設(shè)計的物化（理解和塑造）來滿足人的需求并被社會接納。因此，相較于當(dāng)前多從“以機(jī)器為中心”的計算智能層面來研究如何創(chuàng)建實用機(jī)器人（Usable Robot）[41]，未來應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變研究思維，考慮“以人為中心”的人本智能對HRI應(yīng)用發(fā)展的驅(qū)動作用。換言之，必須考慮利用人本設(shè)計的協(xié)調(diào)和引導(dǎo)作用，從社會科學(xué)角度理解和辨析用戶在感知、認(rèn)知和行為層面上對服務(wù)機(jī)器人交互的感性認(rèn)識，據(jù)此關(guān)注和指導(dǎo)人本智能層面的工程技術(shù)開發(fā)，實現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人交互的技術(shù)理性和社會感性之間的關(guān)系塑造，從以人為本的設(shè)計視角探索HRI能夠為用戶帶來的積極體驗和社會價值。

圖5 設(shè)計在HRI研究中的協(xié)調(diào)和引導(dǎo)作用

3.3 拓展研究內(nèi)容——人本設(shè)計介入HRI研究的挑戰(zhàn)性

服務(wù)機(jī)器人作為一種虛擬的或機(jī)械的人造工具，多數(shù)具有典型的生命特征[42]，其能夠以一種半自主或全自主工作的方式為人類提供社會生活服務(wù)。相較于人-機(jī)器交互（Human–Machine Interaction，HMI）和人-計算機(jī)交互（Human–Computer Interaction，HCI）所扮演的生產(chǎn)制造、功能延伸和信息支撐等工具角色，HRI明顯兼具伙伴、指導(dǎo)和類人化身[43]的社會角色。因此，在這種先驗動機(jī)的影響下，用戶多追求或習(xí)慣采用類人的社交線索進(jìn)行自然交互[44-45]，且隨著服務(wù)機(jī)器人與人類生活的日漸緊密，這種自然、高效的交互方式必然成為影響用戶體驗的重要指標(biāo)[46-47]。相關(guān)研究表明，人機(jī)自然、本真的交互方式必須是多模態(tài)的（Multimodal）[48-50]，即通過融合視覺、聽覺、觸覺等多個感官通道及其承載的手勢、表情、文字、語音、圖像等多種效應(yīng)媒介來充分模擬人與人之間的信息傳遞方式。與單一模態(tài)交互相比，多模態(tài)交互能夠提供多樣化的交互方式，在移動交互、自然交互上具有明顯優(yōu)勢：從交互體驗角度來說，多模態(tài)交互允許用戶充分利用人的多種感官通道和效應(yīng)媒介以并行、協(xié)作的方式完成三維空間中不精確的交互任務(wù)，旨在為用戶提供更自然、更透明的交互；從機(jī)器感知和意圖推理的角度來說，多模態(tài)融合并行交互能夠利用各個模態(tài)之間信息的互補(bǔ)性、重復(fù)性、等價性等特點，消除復(fù)雜交互環(huán)境下的任務(wù)歧義，提升人機(jī)交互的準(zhǔn)確性和魯棒性；另外，受限于服務(wù)機(jī)器人在外觀結(jié)構(gòu)上的物理條件（無屏幕、小屏幕、無動作或動作受限等），處于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境（高噪音、遠(yuǎn)距離、動態(tài)、復(fù)雜等）中的服務(wù)機(jī)器人在信息展示質(zhì)量和容量上都十分有限，因此，單一模態(tài)的交互反饋往往會存在信息過載或缺相問題，而多模態(tài)交互能夠?qū)崿F(xiàn)跨模式的任務(wù)分配，成為增強(qiáng)信息反饋靈活性和可靠性的有效方式[51]。

由圖4戰(zhàn)略坐標(biāo)圖譜可知，現(xiàn)階段對語音識別、視覺識別、環(huán)境感知等單一模態(tài)交互技術(shù)的研究比較活躍，而對多模態(tài)交互的研究存在明顯缺口。開展技術(shù)研究提升服務(wù)機(jī)器人單一模態(tài)的性能、個性化和適應(yīng)性等有其必要性，但從服務(wù)機(jī)器人的類人應(yīng)用特征和復(fù)雜交互環(huán)境來看，多模態(tài)交互應(yīng)該被視為一種提升服務(wù)機(jī)器人交互靈活性、穩(wěn)健性和高效性的有效手段，作為實現(xiàn)人-服務(wù)機(jī)器人自然（類人）交互的橋梁，多模態(tài)交互必然會成為HRI應(yīng)用中普遍且不可缺少的部分。因此，基于HRI 3.0類人期的趨勢背景，結(jié)合人本智能交互的研究思維，開展面向HRI的多模態(tài)交互設(shè)計方法研究，這應(yīng)該成為服務(wù)機(jī)器人實現(xiàn)人本交互的重點突破方向。

4 結(jié)語

為全面剖析中國服務(wù)機(jī)器人交互的研究態(tài)勢，基于文獻(xiàn)計量方法，對中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫中檢索到的309篇（2001-2020年）與“服務(wù)機(jī)器人+交互”主題相關(guān)的有效文獻(xiàn)進(jìn)行計量分析，并圍繞該領(lǐng)域的關(guān)鍵問題和研究挑戰(zhàn)展開了討論。在研究趨勢上，進(jìn)入HRI 3.0類人期，服務(wù)機(jī)器人的交互技術(shù)、場景和需求都有了明顯的進(jìn)步、拓展和轉(zhuǎn)變，其應(yīng)用角色從具備功能性的工具屬性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧婢哳惾颂卣鞯纳鐣傩?，自然和社交將成為HRI研究的基本目標(biāo)，追求“智商”向“情商”的跳躍；在這種趨勢背景下，相較于從計算智能層面來創(chuàng)建實用機(jī)器人的研究思維，未來更應(yīng)該考慮從人本智能層面開展服務(wù)機(jī)器人交互的開發(fā)和設(shè)計；在研究內(nèi)容上，強(qiáng)調(diào)人本設(shè)計的協(xié)調(diào)和引導(dǎo)作用，著重開展多模態(tài)融合并行交互的設(shè)計方法研究，塑造服務(wù)機(jī)器人交互的技術(shù)理性和社會感性之間的關(guān)系，以提供自然、靈活的積極用戶體驗。

雖然本研究的整個過程嚴(yán)格遵循了文獻(xiàn)計量分析的使用規(guī)范，但在文獻(xiàn)的時效性（文獻(xiàn)發(fā)表時間滯后于研究開展時間）和廣泛性上還存在一定的局限。未來的工作將添加Web of Science、Scopus、Google學(xué)術(shù)等數(shù)據(jù)庫的相關(guān)分析結(jié)果，及時查準(zhǔn)、查全最新的學(xué)術(shù)研究成果，補(bǔ)充和拓展本研究的討論范圍。

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Research Situation Analysis of Service Robot Interaction Based on Bibliometrics

YUAN Xiao-fanga, ZHOU Da-taoa, WU Yua,b

(a.School of Art and Design b.Hubei Provincial Engineering Research Centre for Intelligent Industrial Design of Advanced Equipment, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The paper aims to comprehensively analyze the research situation in the field of service robot interaction in China and explore the research innovation directions of Human-Robot Interaction (HRI). Based on the bibliometric analysis of 309 articles (2001-2020) related to the theme of "Service Robot + Interaction" in the CNKI database, relevant knowledge maps are developed, such as CiteSpace Time Zone Evolution Map, VOSviewer Density Hotspot Map and BibExcel Strategic Coordinate Map, so that the state and trends of HRI research in China can be understood from three aspects: research evolution trend, research hotspots, and research quality. This study shows that, against the background of the trend of new role attributes and deep interaction needs, compared to HRI research and applications conducted at the level of "computational intelligence" such as positioning, planning and recognition, the current HRI research in China lacks the design of "Human-centered AI", such as the lack of attention to user experience, multimodal natural interaction, and social interaction, which has become a problematic point affecting service robot application innovation and industrial development. It is paramount to consider how HRI can and should be shaped by human-centered design.

human-robot interaction; service robot; bibliometric analysis; knowledge map; HRI design

TB472

A

1001-3563(2022)24-0057-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.24.007

2022–07–18

國家重點研發(fā)計劃智能機(jī)器人專項資助（2018YFB1308500）；教育部2021年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（202102055018）

袁曉芳（1982—），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為人機(jī)交互與智能設(shè)計。

周大濤（1992—），男，博士生，主要研究方向為HRI和HMI。

責(zé)任編輯：馬夢遙