基于人因視角的兒童陪伴機器人交互界面設計研究

王秋惠 代欣

摘 要：基于人因工程以及交互設計理論方法，進行兒童陪伴機器人的界面設計，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，采用認知實驗方法通過統計學數據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，數據分析得出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種基本形態。在未來，基于人機工程學以及交互設計的理論方法下設計的兒童陪伴機器人會隨著智能科技的不斷發展得到更廣泛的應用。

關鍵詞：兒童陪伴機器人;人因工程;人機交互;界面設計

中圖分類號：TB 11044-04

Abstract：Based on human factors engineering and interactive design theory，the interface design of childrens companion robot is made to form a good human-computer interaction experience with children.Through the literature method，the perceptual ability，cognitive ability and action level characteristics of children aged 3～6 years were targeted and detailed.From the perspectives of physical，psychological and action needs of children aged 3～6 years，the recognition was adopted.The experimental method was used to analyze the color and styling preferences of preschool children through statistical data analysis.Through cognitive experiments of color and styling preferences，data analysis showed that 3-year-old children like red and yellow bright warm colors，and most do not like dark colors such as purple and black.The order of the favorite colors of children aged 3～6 is red.Blue，green，and yellow;preschoolers are easy to understand and recognize the three basic forms of square，circle，and triangle.In the future，childrens companionship designed based on ergonomics and interactive design theory will be more widely used with the development of intelligent technology.

Key words：childrens companion robot;human factors engineering;human-computer interaction;interface design

0 引 言目前，機器人應用領域分為兩大類：工業機器人和服務機器人。根據IFR（International Federation of Robotics）統計數據顯示[1]2017年供個人和家庭使用的服務機器人總數比2016年增加了25%;娛樂陪伴機器人比2016年增長12%.在恒定和持續增長的假設條件下，根據復合年增長率計算，平均年增長率為21%.通過統計數據分析兒童陪伴機器人的市場份額正在逐步提升，在全球工業化的大背景下，可以預見該行業具有巨大的發展空間。2016年，商業化的O2O模式被任宏引入兒童交互產品設計中，并提出了兒童產品在O2O模式下的特征[2]。2013年，彭瓊和張立群提出學前期兒童早教App交互策略，分別從3個部分進行解釋說明，依次是信息架構、信息呈現和信息效率[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基礎上再去滿足兒童對界面的審美要求[4]。2012年，楊明朗在幼兒產品的交互界面研究中，指出產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研究成果[5]。Sunmin Lee和Thecla Schiphorst在2016年提出了一種親子互動設計中運用熱感覺多種方式的全新互動方式實現可穿戴的遠程交互[6]。2015年Vicky Charisi和Daniel Davison等人建立以用戶為中心的兒童機器人交互評價方法[7]。Asmaa Aslumatit等人2010年提出，當幼兒進行應用軟件的游戲時，應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則[8]。傳統的兒童陪伴機器人，更加注重兒童的教育、游戲與之交互，卻忽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安全與依戀，因此在設計上，基于人因工程的理論著重設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基本需求條件下，更加有利于幫助兒童提高智力，解決兒童安全隱患問題。

1 關鍵人因分析基于人因視角兒童陪伴機器人的設計首要任務是分析用戶人群并了解用戶特征和用戶操作需求。皮亞杰建立了兒童認知發展心理學，認為兒童時期是人類成長過程中發展最快的階段，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計應滿足兒童身心發展的階段性需要，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，采用認知實驗方法通過統計學數據分析對學前期兒童的顏色和造型偏好進行人因分析。

1.1 需求分析

1.1.1 學前期兒童的生理需求學前期兒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育不是直線上升的，男孩平均身高從93 cm平穩增長至126.1 cm，同齡女孩的身高增長比男孩低1 cm.兒童在3歲時的抓握力2 kg左右，到了6歲能夠拿起6～7 kg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，產品的高度尺寸與兒童相協調，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，設計出符合兒童身體生長規律的機器人有助于兒童身心的健康發展。皮亞杰認為，觸覺是兒童最初獲得外部環境知識的一種方式，這對兒童早期的認知發展至關重要。觸覺感知包括很多因素，文中著重說明材料性質對兒童產生的影響，材料性質、人際關系和環境事件對兒童產生情緒的影響最大，高興和驚奇常常由材料性質引起[10]。不同材質的產品會讓兒童產生相應不同的觸覺感受，柔軟的觸感能給兒童帶來快樂、幸福的感受，磨砂、光滑的觸感帶來安全穩固、安全的感受。在設計上不同頻率的振動可以通過觸覺達到產品的人機互動反饋。比如，家長可以通過手機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向。

1.1.2 學前期兒童的心理需求從兒童的表情行為語氣等方式進行觀察和調研，3～6歲兒童發展心理發展變化比較大，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。在交互設計中可以將游戲和模仿相結合，利用兒童這種愛模仿的個性來設置交互游戲。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，在機器人設計中加入語音交互的引導方式，有助于幫助兒童發現事物間的關聯性，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解答，兒童能正確回答兒童陪伴機器人的問題機器人則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系的一種心理特征，心理學上稱之為依戀特征，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象，并且關系到父母對兒童日后發展的深遠影響[12]。

1.1.3 學前期兒童的行為需求學前期兒童的運動發展也處于質變階段。3歲幼兒基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加強，使得技能更加精細化[13]。根據帕頓的研究，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，從一開始的相互間的松散關系，逐漸變得有了相同的游戲目的的聯合的游戲方式;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的分工，為達到目的，會克服困難完成游戲任務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偏好的兩個認知實驗，通過統計學數據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亞一幼兒園;該幼兒園未開展過認知實驗項目;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;實驗進行過程中同等對待每名被抽取兒童，老師一直在旁監督，試驗現場無尖銳物品，無安全隱患，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手機，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自己的顏色喜好畫一幅作品，90 min內完成，畫面完整實驗結果即視為有效。90 min后收取30張作品，將作品平放在測試臺上，手機與畫面呈90°垂直狀態進入掃描，掃描傳到電腦中，用Photoshop軟件打開需檢測圖片，將白色背景部分摳除，再對需要測量的顏色的相近像素點進行統計求比，得出顏色使用面積比例圖。實驗二：幼兒教師組織30名被測試兒童根據實驗員的要求指出與之匹配的積木形狀。

1.2.4 統計分析實驗一分析結果：兒童繪畫使用顏色面積的大小與喜好程度呈正相關，通過調研結果可以得出下面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、藍、綠、黃。此外研究可以發現，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，學期前兒童對于基本圖形的認知基本保持一致，正方形、圓形、三角形3種基本形態對于3～6歲兒童而言易于理解識別。

2 人機界面設計方案

2.1 設計靈感來源兒童陪伴機器人手繪草圖如圖2所示。

2.2 設計方案優化

2.2.1 安全性兒童陪伴機器人的安全性是家長在選擇產品時首先要考慮的因素，設計過程中需要注意到以下幾點：材質采用環保食品級材質;其次是產品方案的尺寸、形態要基于人機工程學設計，整體造型圓潤，邊緣處理要采取倒角方式;產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 材質及配色設計機器人在材質選擇上主要是以ABS材料為主，這種材料能有效的降低成本且比較容易上色;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，有利于引導兒童正常的色彩心理發展，如圖3所示。

圖3 效果圖方案

2.3 人因形態要素分析機身輪廓線的形態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有基本的認知，因此設計機器人機身輪廓線采用了飛碟的仿生元素，梯形輪廓線具有穩重感和安全感;圓形非常圓潤，顯得飽滿和可愛。機器人設計形態應符合兒童的生理、心理、行為特征。

2.4 人因尺寸分析通過調查對與3～6歲兒童的身高、臂長以及坐姿狀態下的尺寸，做出下列分析。3～6歲兒童的身高在90～120 cm左右，臂長在42～47 cm左右，坐姿的高度在58～96 cm左右;兒童陪伴機器人的高度在20 cm，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 語文中基于人因工程以及交互設計理論方法，進行兒童陪伴機器人的界面設計，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，根據需求和認知實驗結果設計全新方案。通過顏色和造型偏好的認知實驗，數據分析得出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種基本形態。實驗結論為陪伴機器人的顏色搭配以及輪廓線設計提供了科學依據，使其界面設計更符合人機工程學，便于兒童與之形成良好的交互體驗。在認知實驗制定計劃中通過權衡減掉了材質等與形態相關的一些不是特別重要的要素，對結果有一定的影響;其次應對所有的形態要素進行分析，進一步完善回歸關系模型，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計的理論方法下設計的兒童陪伴機器人會隨著智能科技的不斷發展得到更廣泛的應用。

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