基于人因視角的兒童陪伴機器人交互界面設(shè)計研究

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1、基于人因視角的兒童陪伴機器人交互界面設(shè)計研究 摘要：基于人因工程以及交互設(shè)計理論方法，進行兒童陪伴機器人的界面設(shè)計，使之與兒童形成良好的人機交互體驗。通過文獻法對3～6歲兒童的感知能力、認知能力以及行動水平特點進行具有針對性、詳細的概括;從3～6歲兒童的生理、心理、行動需求3個角度出發(fā)，采用認知實驗方法通過統(tǒng)計學數(shù)據(jù)分析對學前期兒童的顏色和造型偏好進行人因分析。通過顏色和造型偏好的認知實驗，數(shù)據(jù)分析得出3歲兒童喜歡紅色、黃色鮮艷的暖色，最不喜歡紫、黑這類暗色，3～6歲兒童最喜愛的顏色的順序依次是紅色、藍色、綠色、黃色;學前期兒童易于理解識別正方形、圓形、三角形3種根本形態(tài)。在未來，基于人機

2、工程學以及交互設(shè)計的理論方法下設(shè)計的兒童陪伴機器人會隨著智能科技的不斷開展得到更廣泛的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：兒童陪伴機器人;人因工程;人機交互;界面設(shè)計 中圖分類號：TB11044-04 Abstract：Basedonhumanfactorsengineeringandinteractivedesigntheory，theinterfacedesignofchildrenscompanionrobotismadetoformagoodhuman-computerinteractionexperiencewithchildren.Throughtheliteraturemethod，thepe

3、rceptualability，cognitiveabilityandactionlevelcharacteristicsofchildrenaged3～6yearsweretargetedanddetailed.Fromtheperspectivesofphysical，psychologicalandactionneedsofchildrenaged3～6years，therecognitionwasadopted.Theexperimentalmethodwasusedtoanalyzethecolorandstylingpreferencesofpreschoolchildrenthr

4、oughstatisticaldataanalysis.Throughcognitiveexperimentsofcolorandstylingpreferences，dataanalysisshowedthat3-year-oldchildrenlikeredandyellowbrightwarmcolors，andmostdonotlikedarkcolorssuchaspurpleandblack.Theorderofthefavoritecolorsofchildrenaged3～6isred.Blue，green，andyellow;preschoolersareeasytounde

5、rstandandrecognizethethreebasicformsofsquare，circle，andtriangle.Inthefuture，childrenscompanionshipdesignedbasedonergonomicsandinteractivedesigntheorywillbemorewidelyusedwiththedevelopmentofintelligenttechnology. Keywords：childrenscompanionrobot;humanfactorsengineering;human-computerinteraction;inte

6、rfacedesign 0引言目前，機器人應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類：工業(yè)機器人和效勞機器人。根據(jù)IFR〔InternationalFederationofRobotics〕統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示【1】2021年供個人和家庭使用的效勞機器人總數(shù)比2021年增加了25%;娛樂陪伴機器人比2021年增長12%.在恒定和持續(xù)增長的假設(shè)條件下，根據(jù)復(fù)合年增長率計算，平均年增長率為21%.通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析兒童陪伴機器人的市場份額正在逐步提升，在全球工業(yè)化的大背景下，可以預(yù)見該行業(yè)具有巨大的開展空間。2021年，商業(yè)化的O2O模式被任宏引入兒童交互產(chǎn)品設(shè)計中，并提出了兒童產(chǎn)品在O2O模式下的特征【2】。2021年，彭瓊和

7、張立群提出學前期兒童早教App交互策略，分別從3個局部進行解釋說明，依次是信息架構(gòu)、信息呈現(xiàn)和信息效率【3】。同年，蔡小芳提出兒童交互問題要在兒童精神需求和行為需求的根底上再去滿足兒童對界面的審美要求【4】。2021年，楊明朗在幼兒產(chǎn)品的交互界面研究中，指出產(chǎn)品交互中除視覺體驗外其他感官體驗的重要性，提出了圖形、聲音交互界面的相關(guān)研究成果【5】。SunminLee和TheclaSchiphorst在2021年提出了一種親子互動設(shè)計中運用熱感覺多種方式的全新互動方式實現(xiàn)可穿戴的遠程交互【6】。2021年VickyCharisi和DanielDavison等人建立以用戶為中心的兒童機器人交互評價方

8、法【7】。AsmaaAslumatit等人2021年提出，當幼兒進行應(yīng)用軟件的游戲時，應(yīng)該積極幫助兒童理解界面存在的對象和交互方式可延展性的自由靈活操作性原那么[8]。傳統(tǒng)的兒童陪伴機器人，更加注重兒童的教育、游戲與之交互，卻無視了兒童成長中所需要的親子交互，遠程交互這一重要因素。學前期兒童缺少的是父母陪伴的平安與依戀，因此在設(shè)計上，基于人因工程的理論著重設(shè)計遠程交互這一方面，使陪伴機器人更加符合兒童生理需求，心理需求，以及行為需求，在滿足兒童寓教于樂的根本需求條件下，更加有利于幫助兒童提高智力，解決兒童平安隱患問題。 1關(guān)鍵人因分析基于人因視角兒童陪伴機器人的設(shè)計首要任務(wù)是分析用戶人群并了

9、解用戶特征和用戶操作需求。皮亞杰建立了兒童認知開展心理學，認為兒童時期是人類成長過程中開展最快的階段，兒童在各階段會形成不同的認知能力和行為操作能力[9]，兒童陪伴機器人造型設(shè)計應(yīng)滿足兒童身心開展的階段性需要，因此將兒童的年齡細致劃分為3個階段1～3歲為嬰兒期，3～6歲為學前期〔圖1〕，6～12歲為童年中期。文中以學前期兒童作為研究對象，通過文獻法對3～6歲兒童的感知能力、認知能力以及行動水平特點進行具有針對性、詳細的概括;從3～6歲兒童的生理、心理、行動需求3個角度出發(fā)，采用認知實驗方法通過統(tǒng)計學數(shù)據(jù)分析對學前期兒童的顏色和造型偏好進行人因分析。 1.1.1學前期兒童的生理需求學前期兒

10、童的生理需求主要包括孩子的視覺感知、觸覺感知、聽覺感知特征等。從人機工程學視角分析，學齡前的兒童身體生長和發(fā)育不是直線上升的，男孩平均身高從93cm平穩(wěn)增長至126.1cm，同齡女孩的身高增長比男孩低1cm.兒童在3歲時的抓握力2kg左右，到了6歲能夠拿起6～7kg的物品。因此在陪伴機器人與兒童之間的交互中要考慮到兒童的身髙，產(chǎn)品的高度尺寸與兒童相協(xié)調(diào)，保證兒童與陪伴機器人的良好交互。兒童陪伴機器人重量不能超過這個階段兒童握力，設(shè)計出符合兒童身體生長規(guī)律的機器人有助于兒童身心的健康開展。皮亞杰認為，觸覺是兒童最初獲得外部環(huán)境知識的一種方式，這對兒童早期的認知開展至關(guān)重要。觸覺感知包括很多因素，

11、文中著重說明材料性質(zhì)對兒童產(chǎn)生的影響，材料性質(zhì)、人際關(guān)系和環(huán)境事件對兒童產(chǎn)生情緒的影響最大，快樂和驚奇常常由材料性質(zhì)引起[10]。不同材質(zhì)的產(chǎn)品會讓兒童產(chǎn)生相應(yīng)不同的觸覺感受，柔軟的觸感能給兒童帶來快樂、幸福的感受，磨砂、光滑的觸感帶來平安穩(wěn)固、平安的感受。在設(shè)計上不同頻率的振動可以通過觸覺到達產(chǎn)品的人機互動反響。比方，家長可以通過 終端遠程對機器人控制，對兒童做對的行為獎勵一個擁抱，讓兒童從觸覺的感受上得到正確的導(dǎo)向。 觀察和調(diào)研，3～6歲兒童開展心理開展變化比較大，兒童具有極強的模仿性，通過父母、玩伴、動畫片主人公的行為跟語言，兒童會對這些行為跟語言進行模仿學習。在交互設(shè)計中可以將游

12、戲和模仿相結(jié)合，利用兒童這種愛模仿的個性來設(shè)置交互游戲。學前期兒童對沒見過的未知事物以及不斷變化運動的新鮮事物具有強烈好奇心，因此要利用兒童對未知事物的好奇心，抓住兒童好學好問的特點，在機器人設(shè)計中參加語音交互的引導(dǎo)方式，有助于幫助兒童發(fā)現(xiàn)事物間的關(guān)聯(lián)性，這種交互方式既可以滿足兒童的求知欲望，又能促進心智和思維能力的提高。語音交互可分多種模式，如兒童面對面提問能夠得到機器人相應(yīng)解答，兒童能正確答復(fù)兒童陪伴機器人的問題機器人那么以生動語言加以鼓勵。針對兒童對不斷變化運動的新鮮事物的好奇心，在界面設(shè)計中運用變化的畫面和富有韻律的聲音捕捉兒童注意力。兒童與父母保持身體和情感聯(lián)系的一種心理特征，心理學

13、上稱之為依戀特征，0～6歲的兒童對父母都具有此特征[11]。依戀不僅是一種兒童現(xiàn)象，并且關(guān)系到父母對兒童日后開展的深遠影響[12]。 1.1.3學前期兒童的行為需求學前期兒童的運動開展也處于質(zhì)變階段。3歲幼兒根本能夠完成許多粗大運動技能，如跳起、小跑等。4歲兒童可以進行精細運動，能夠進行簡單的折紙游戲或者可以畫出簡單的現(xiàn)實物體，到了5歲，兒童能夠熟練握住并使用鉛筆等小工具。4～5歲時，兒童身體對于自己肌肉控制能力愈發(fā)加強，使得技能更加精細化[13]。根據(jù)帕頓的研究，3～6歲兒童游戲類型有明顯的分層，3～4歲會無意識的對同伴行為進行模仿平行的游戲行為;4～5歲兒童逐漸有了和同伴共同游戲的意識，

14、從一開始的相互間的松散關(guān)系，逐漸變得有了相同的游戲目的的聯(lián)合的游戲方式;5～6歲兒童有了和同伴一起共同游戲的愿望，在游戲前進行游戲任務(wù)的分工，為到達目的，會克服困難完成游戲任務(wù)的合作游戲的行為方式。 1.2學前兒童認知實驗文中做了顏色和形態(tài)偏好的兩個認知實驗，通過統(tǒng)計學數(shù)據(jù)分析對學前期兒童的顏色和造型偏好進行人因分析。 1.2.1參與者實驗地點在天津市寶坻區(qū)亞一幼兒園;該幼兒園未開展過認知實驗工程;幼兒園滿足學前期兒童的條件有210名，其中知道兒童機器人的兒童有93名〔男孩48名，女孩45名〕從93人中共隨機抽取30名兒童參加實驗，其中15名男孩，15名女孩，平均年齡在5虛歲;實驗進行過程

15、中同等對待每名被抽取兒童，老師一直在旁監(jiān)督，試驗現(xiàn)場無鋒利物品，無平安隱患，實驗員對兒童無刺激性言語，無過激行為，該實驗不會對兒童造成不好的心理影響以及生理影響。 1.2.2材料及工具實驗主題是分析學期前兒童對顏色和造型偏好的兩個實驗，實驗一需要準備的材料工具：A4紙30張，24色蠟筆30套或者水彩筆30套，一部蘋果8plus ，一臺華碩i7處理器電腦。實驗二需要準備的材料：8個形狀的積木，依次是方形積木、圓形積木、三角形積木、心形積木、五邊形積木、五角星積木、梯形積木、平行四邊形積木。 1.2.3實驗設(shè)計實驗一：幼兒教師組織30名被測試兒童在A4紙上運用手里的彩色工具根據(jù)自己的顏色喜

16、好畫一幅作品，90min內(nèi)完成，畫面完整實驗結(jié)果即視為有效。90min后收取30張作品，將作品平放在測試臺上， 與畫面呈90垂直狀態(tài)進入掃描，掃描傳到電腦中，用Photoshop軟件翻開需檢測圖片，將白色背景局部摳除，再對需要測量的顏色的相近像素點進行統(tǒng)計求比，得出顏色使用面積比例圖。實驗二：幼兒教師組織30名被測試兒童根據(jù)實驗員的要求指出與之匹配的積木形狀。 1.2.4統(tǒng)計分析實驗一分析結(jié)果：兒童繪畫使用顏色面積的大小與喜好程度呈正相關(guān)，通過調(diào)研結(jié)果可以得出下面8種顏色使用面積比〔表1〕。3歲兒童喜歡紅色、黃色鮮艷的暖色，最不喜歡紫、黑這類暗色[14]，3～6歲兒童最喜愛的顏色依次是紅

17、、藍、綠、黃。此外研究可以發(fā)現(xiàn)，兒童的顏色偏好有異于成人，而3～6歲兒童對顏色的偏好幾乎不存在差異[15]。 實驗二分析結(jié)果：兒童3歲以后一般能對所觀察事物的大體輪廓外觀進行簡單描述，通過形狀辨識實驗可知，學期前兒童對于根本圖形的認知根本保持一致，正方形、圓形、三角形3種根本形態(tài)對于3～6歲兒童而言易于理解識別。 2人機界面設(shè)計方案 2.1設(shè)計靈感來源兒童陪伴機器人手繪草圖如圖2所示。 方案優(yōu)化 2.2.1平安性兒童陪伴機器人的平安性是家長在選擇產(chǎn)品時首先要考慮的因素，設(shè)計過程中需要注意到以下幾點：材質(zhì)采用環(huán)保食品級材質(zhì);其次是產(chǎn)品方案的尺寸、形態(tài)要基于人機工程學設(shè)計，整體造型圓潤，

18、邊緣處理要采取倒角方式;產(chǎn)品操作方式具有容錯性，操作不當不會造成不良后果;采用護眼燈源。 2.2.2材質(zhì)及配色設(shè)計機器人在材質(zhì)選擇上主要是以ABS材料為主，這種材料能有效的降低本錢且比較容易上色;在配色方案的選擇上，選擇的是白色、藍色明度較高的顏色搭配，通過上述色彩辨識實驗可知，學前兒童對暖色以及色彩純度高的顏色偏愛，這款白藍顏色搭配符合該年齡階段對于色彩的認知，有利于引導(dǎo)兒童正常的色彩心理開展，如圖3所示。 圖3效果圖方案 2.3人因形態(tài)要素分析機身輪廓線的形態(tài)效果對兒童意象有重要影響。學期前兒童對生活中所見簡單物體形態(tài)有根本的認知，因此設(shè)計機器人機身輪廓線采用了飛碟的仿生元素，梯形輪

19、廓線具有穩(wěn)重感和平安感;圓形非常圓潤，顯得飽滿和可愛。機器人設(shè)計形態(tài)應(yīng)符合兒童的生理、心理、行為特征。 2.4人因尺寸分析通過調(diào)查對與3～6歲兒童的身高、臂長以及坐姿狀態(tài)下的尺寸，做出以下分析。3～6歲兒童的身高在90～120cm左右，臂長在42～47cm左右，坐姿的高度在58～96cm左右;兒童陪伴機器人的高度在20cm，對于3～6歲兒童來講，無論是站姿還是坐姿，都能以更符合人機的角度與機器人進行人機交互。 3結(jié)語文中基于人因工程以及交互設(shè)計理論方法，進行兒童陪伴機器人的界面設(shè)計，分析學期前兒童的生理心理以及行為特征，分別得到兒童的心理、生理、行為需求，根據(jù)需求和認知實驗結(jié)果設(shè)計全新方案

20、。通過顏色和造型偏好的認知實驗，數(shù)據(jù)分析得出3歲兒童喜歡紅色、黃色鮮艷的暖色，最不喜歡紫、黑這類暗色[14]，3～6歲兒童最喜愛的顏色的順序是紅色、藍色、綠色、黃色;學前期兒童易于理解識別正方形、圓形、三角形3種根本形態(tài)。實驗結(jié)論為陪伴機器人的顏色搭配以及輪廓線設(shè)計提供了科學依據(jù)，使其界面設(shè)計更符合人機工程學，便于兒童與之形成良好的交互體驗。在認知實驗制定方案中通過權(quán)衡減掉了材質(zhì)等與形態(tài)相關(guān)的一些不是特別重要的要素，對結(jié)果有一定的影響;其次應(yīng)對所有的形態(tài)要素進行分析，進一步完善回歸關(guān)系模型，驗證兒童陪伴機器人的可用性。在未來，基于人機工程學以及交互設(shè)計的理論方法下設(shè)計的兒童陪伴機器人會隨著智能

21、科技的不斷開展得到更廣泛的應(yīng)用。 參考文獻： 【1】LutherE.Internationalfederationofrobotics[M].AcuPublishing，2021. 【2】任宏，張婧.O2O模式下的兒童交互產(chǎn)品設(shè)計分析[J].設(shè)計，2021〔01〕：138-139. 風格的移動數(shù)字化早教軟件交互設(shè)計[J].機械設(shè)計，2021，30〔04〕：122-124. 2021清華國際設(shè)計管理大會論文集〔中文局部〕.北京理工大學，2021：280-286. 【5】楊明朗，郭峰，劉賀.兒童學習型游戲人機交互界面的設(shè)計研究[J].包裝工程，2021〔01〕：45-48. 【6】L

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