助老機器人四肢動作情感表達設(shè)計及研究

一、現(xiàn)有國內(nèi)外仿人機器人現(xiàn)狀

在早期機器人的設(shè)計研究中，機器人與人的交互方式都是通過機械型的肢體或卡通型的面部設(shè)計結(jié)合相對機械式的肢體動作和人產(chǎn)生互動。具體設(shè)計如下圖1所示，左一為日本早稻田大學研制設(shè)計的Waseda Eye No.3仿人機器人，可做出部分全身動作，微笑的表情也能表達出驚訝的姿態(tài)，左二為“WE-4R”仿人機器人，該機器人更加精細，更與人相似，且看上去輕盈了一些。左三為新研制的“KOBIAN-R”雙足仿人機器人系列，有68個自由度，可以實現(xiàn)完整的動作加上表情的交互過程，能完美復刻6種不同的情感需求表達。最右為深圳機器人工程技術(shù)中心開發(fā)的“百智星”老年教學機器人，卡通面部的造型，多種靈活自由度的安裝使其能傳達一些面部表情可根據(jù)講述的內(nèi)容配合做出相應的頭部，頸部以及四肢的情感動作

現(xiàn)有機器人雖然可以與人達到一定的交互，但不能完全形象的表現(xiàn)出真實交互狀態(tài)里的語境，有的肢體動作不能夠準確的接收到對應的情感含義，因此這種機械式且不流暢的肢體動作導致交互過程受阻。雖然目前機器人能夠表達基本的情感，但在具體確定的環(huán)境中對社會中每一個人都是同樣的動作，對于助老機器人，其肢體動作應符合老年人的生活及情感需求的，設(shè)計應該在機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠正常安裝的基礎(chǔ)上加入老年人能夠理解的肢體語言。

圖1 現(xiàn)有國內(nèi)外仿人形機器人

二、機器人情感表達

機器人與人的交互和人與人之間的交流存在著不同是源自情感表達有著不同的情感觸發(fā)方式，情感的豐富復雜和表達方式的多樣性是造成機器人在模擬人類情感困難的主要因素。學者們通過大量數(shù)據(jù)調(diào)查將人類肢體語言分析歸納和編譯，通過復刻人的肢體語言并嵌入分析及選擇性表達情感的算法，使其在人類表露情感的同時給予人匹配的情感反饋。機器人依靠非常簡單的命令或者是一些遙控控制器——人通過按一個適當?shù)陌粹o產(chǎn)生一個已組織好的命令，或者從一個菜單中選擇任務，使得機器人完成相應的情感表達以表達出不同情感時的肢體表征。機器人的大腦是由一組編碼，由代碼和算法來控制機器該在什么情況下做什么動作但單肢體語言的高相似度不足以將機器人合理地融入到人類生活中。

機器人從執(zhí)行重復工作到具有選擇性表達情感的能力變化是人類科技進展的見證。其中也包含著人類內(nèi)心的需求，渴望與機器人建立交往與溝通，從而在反饋信息和表達內(nèi)容的同時包含更多的情感。進而演變成與人類情感交流最密切的一部分。

三、老年人需求

產(chǎn)品實現(xiàn)的支撐理論、用戶需求調(diào)研、生產(chǎn)以及銷售相關(guān)調(diào)研報告在整個產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)中處于同一級別，只有滿足了需求的產(chǎn)品才會被市場接受。

1.老年人的心理需求

如下圖2為馬斯洛1943年提出的金字塔式需求層次理論。需求層次從高到低分為五種：生理需求，安全需求，社會需求，對尊重的需求，最頂層是人的自我超越。因此人的需求主要是包括心理和生理需求。在滿足了生存需求之后會有渴望社會需求和尊重需求。

對于助老機器人的肢體動作需要適應老人的心理情感，助老機器人人性化，情感化的設(shè)計應該以老人的需求為原則，對于老年人的產(chǎn)品設(shè)計應該以老年人為起始出發(fā)點。根據(jù)問卷調(diào)查，可以老年人需求歸納如下圖2所示：

圖2 老年人心理渴求

可見老人的心理愿望里，談心交流和不添麻煩的愿望所占比例最多，參考老人內(nèi)部的心理特征，即：眷戀感、回歸感、共生感、共生性及孤寂性。通過情感記憶調(diào)查，可大致得出老人情感記憶數(shù)據(jù)，再根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的原則，借鑒一些元素在助老機器人的外觀和造型設(shè)計上，使機器人更吸引老人的關(guān)注。

2.老年人的生活需求

讓機器人融入到老人生活中，真正成為老人的親近助手、伙伴，機器人需要了解老人生活起居，知道該與老人以及老人身邊的該建立什么樣的交往方式，根據(jù)老人需求繼而做出相應的四肢動作進行語義表達。

四、助老機器人的情感化設(shè)計

1.助老機器人的外觀改良設(shè)計

造型設(shè)計要滿足標準審美，在突破現(xiàn)有機器人外觀造型的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，根據(jù)調(diào)查得出的老年人的喜好，結(jié)合內(nèi)心情感元素融入，并使之穩(wěn)合當代的審美標準。在情感記憶上，兒孫輩于老人最為溫暖，能引起很大的情感回饋，為了能從腦海里映射出兒童的樣子，造型上對機器人的機械的造型改為更加圓潤可愛，偏向兒童。

2.機器人肢體動作改良設(shè)計

日常生活中人們交流中表達情感時也會有一定的肢體動作的變換與交替，肢體的變換來表達和傳遞情感亦是能夠被普遍人們理解的情感表達方式。肢體動作主要包括有包含面部和四肢的變化動作。四肢是指臂、手、膝、腿、腳等幾個部位。作為助老伴老機器人，肢體動作應符合老人的年齡，助老機器人肢體動作情感設(shè)計應遵循以下的動作分類，如表2：

表1 不同年齡的動作情感表達

助老機器人的動作方案設(shè)計還應配合老人的日常生活需求，在老人喝水的時候報告水溫，或是在交流時沒聽清能表現(xiàn)出疑惑表情等等，這些動作的設(shè)計應該基于老人的理解層次上。

五、設(shè)計結(jié)果及橫縱向?qū)Ρ?/h2>

根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，數(shù)據(jù)整理如下表2：

表2 肢體動作問卷調(diào)查結(jié)果

將建立好的模型在進行調(diào)查分析以判斷這種肢體動作是否可以真正表達出當時的情境狀態(tài)。

可知四種指令識別率分別為70.83%、66.67%，87.5%，70.83%，動作合理，模型可用，達到預期的情感表達效果。

六、結(jié)語

國外機器人在上世紀中旬進入人們視線，隨著國情發(fā)展導致人口老齡化問題嚴重，老年人的情感需求也越發(fā)得到重視，基于對老年人助老機器人進行深入設(shè)計分析調(diào)研，分析老年人的日常喜歡以及內(nèi)心需求，根據(jù)老年人的需求來設(shè)計機器人的表達動作，使機器人能真正的滿足老年人行為習慣和情感需求，在生活上幫助老人。