用戶感性需求驅動的兒童陪伴機器人情感化設計研究

張倚歌 張建敏

關鍵詞：情感化設計 兒童陪伴機器人 感性工學 聚類分析 多元回歸分析法

引言

根據我國第七次人口普查的數據結果顯示，0—14歲人口為2.5億，占總人口的17.95%，其中3—6歲學齡前兒童超過1.8億[1]。隨著我國在2021年三胎政策的開放，新生兒的出生呈現上漲的趨勢，學齡前兒童的數量也隨之急劇增加。由于受到社會環境的影響，大部分家庭都是雙職工家庭，父母都要外出工作，因朝九晚五、“996”“007”式等工作模式，父母都會選擇把孩子托付給長輩、保姆或者托管班等進行照看。尤其經濟發達的城市，學齡前兒童數量較多，兒童看護的市場需求較大，托管班的數量也遠遠不能滿足需求[2]。

當前社會屬于智能化的移動互聯網時代，兒童的學習、娛樂方式從玩具、書本延伸到了手機、IPAD、電腦等，科技的發展豐富了兒童獲取知識的途徑，年輕一代的父母也會選擇新奇的教育方式；因此，兒童陪伴機器人的出現是必然的，作為兒童與父母之間溝通的橋梁，用智能與技術連接父母與兒童情感的道路。

一、研究綜述

情感是人對外界事物作用于自身時的一種生理反應，主要由需要和期望決定[3]。當這種潛在欲望獲得滿足時，會出現愉悅、欣喜的心理情感，相反，會產生痛苦和厭倦。情感化設計三層次理論是唐納德·A·諾曼在著作《情感化設計》中提出的，將產品設計分為了三個層次，分別對應用戶情感需求的三個階段，這三個層次分別為本能層、行為層與反思層[4]。本能層指產品的外觀設計，由人的感官起直接的作用，人們會在一開始就判斷出自己對這個產品的喜愛、無感、或者厭惡；行為層是無意識的，與產品的功能息息相關，功能要易懂，產品要具有易用性才能在本能層之上延續；反思層則更注重一個產品背后傳達的意義和情感，在使用產品后能否獲得愉悅的體驗，使用戶在情感上與產品達到共鳴。感性工學中通過感性意象挖掘使用者對產品的關注點、印象是產品造型設計中常使用的一種提取設計要素的方法，產品所呈現的特征、情感能使人們對產品形成特有的印象和想法。

錢皓等[5]基于用戶需求，找出5個與兒童遙控車性能相關的語意，篩選出5個與之匹配的動物，建立李克特量表通過問卷調查選出最優意象仿生對象對兒童遙控車進行指導設計；李曉杰等[6]運用INPD結合感性工學為老年人輔助陪護機器人進行設計，通過SET因素角度分析產品來明確目標用戶的需求，從市場上選取符合老年人需求的感性意象詞匯樣本，結合形態分析法為老年人多功能陪護產品進行再設計；陳豪強等[7]基于感性意象理論，搜集大量感性詞匯，采用語義差異法得到被測者對住艙設計方案的感性評價，依此建立住艙內裝關鍵設計要素模型，為艙室設計提供參考。

上述的諸多研究者，通過構建感性意象空間篩選最佳方案指導產品設計，在很大程度上將用戶的情感需求量化在了產品設計中，本文由剖析市場上的兒童陪伴機器人現狀，并總結其優缺點后，再經過研究篩選情感詞匯并構建情感意象空間，用語義差異法對用戶偏好進行定量分析，提取造型設計要素，結合情感化設計三層次理論對兒童陪伴機器人進行優化設計，為兒童陪伴機器人的造型設計提供新的思路。

二、兒童陪伴機器人產品現狀分析

當前社會學齡前兒童的父母多為80、90后，這些年輕的父母對生活質量期望更高，且更注重孩子的成長與教育[8]。在時間和金錢都有限的情況下，這一群體更愿意嘗試新型的教育方式，早教機器人、兒童陪伴機器人則更加契合年輕父母的工作與生活方式。但市場上現有的兒童陪伴機器人在外觀、功能上都比較相似且單一，對于驚喜型的創新點研究較少[9]。筆者通過電商、線下商店、網站等搜集了30個經典兒童陪伴機器人產品，去掉功能重合、造型過于相似的產品后，從中挑選了三個具有代表性的不同造型、功能的陪伴機器人進行分析。

陪伴機器人是伴隨著互聯網時代快速發展的一個新興家庭機器人產品，最早可以追溯到1999年，日本索尼公司推出狗狗形機器人AIBO，意為人工智能機器人，如圖1所示，AIBO的誕生標志著機器寵物的面世，也意味著結合人工智能的娛樂型機器人正式步入家庭的日常生活。金屬質感的噴漆和裸露的關節為AIBO增添了科幻感，當用戶對AIBO進行撫摸時，AIBO會通過搖尾巴等行為進行反饋，以此增加用戶與AIBO的情感聯系，有不少家庭在購入AIBO后，把它當作真正的家人對待。

智伴機器人是智伴科技于2016年推出并延續升級至今的點觸式教育機器人，如圖2所示，主要功能為人工智能互動、輔導孩子課后學習、提供在線教學資源等。該款陪伴機器人造型圓潤可愛，以白色和藍色為主色調，通過觸摸可以進行語音互動，該款機器人以實現功能為主，相比其他機器人少了科技感，靠外形與功能的多樣化來吸引兒童，但國內市場上的同類型陪伴機器人不管是外觀還是功能都同質化嚴重。

優必選AlphaEot機器人是深圳優必選公司研發的教育類人形機器人，和傳統機器人的外觀造型一樣，采用黑白灰經典配色，整體由頭部、軀干和四肢共同組成，具有簡潔、帥氣的科技感，可以實現教育、娛樂、少兒編程等功能，這些功能由語音和終端軟件控制，盡管AlphaEbot定位為陪伴機器人，但缺乏對兒童主體的情感表達，傳統機器人的造型雖然在外觀上增加了酷炫感，但對于作為用戶的學齡前兒童來說，是否能滿足兒童的感性需求還有待考察。

綜上所述，市場上的陪伴型機器人功能大多以作業輔導、在線學習、娛樂以及即時通訊為主，除了傳統服務型機器人的類人形造型外，兒童陪伴機器人的外觀設計同質化嚴重，且對于不同年齡階段兒童的針對性較弱，導致了很多功能的浪費；也會造成家長作為消費主體對產品感到滿意，而作為使用主體的兒童，卻無法獲得良好使用感的情況，缺乏對于兒童的情感表達與感性需求。

三、兒童陪伴機器人設計分析

（一）學齡前兒童心理與認知分析

3—6歲階段的學齡前兒童已具備了基本的表象思維能力和一定的創造力，且想象力豐富[10]。該階段的孩子對任何事情都產生了興趣和探求欲，但由于大腦發育正處于起步階段，因此注意力不持久，需要靠反復提醒、引導與加強記憶來提升邏輯思維能力。同時，這一時期的兒童活潑好動且熱衷于模仿身邊人的行為，而現階段行動力的提升與他們的思考能力并不匹配，所以往往會做出危險舉動而不自知。因此正確的家庭教育方式對學齡前兒童的成長與發展有很大的影響。

在視覺方面，該階段兒童更偏愛色彩鮮明、飽和度高的顏色；在聽覺方面，悅耳的聲音更能帶來愉悅感，兒童更容易對悅耳、溫柔的聲音產生正向反饋[11]；在觸覺方面，相比冰冷的金屬外殼，兒童對于柔軟的觸感更容易感到安心與熟悉。

（二）需求分析

根據上述對學齡前兒童特征與陪伴機器人現狀的分析，可結合情感化設計三層次理論得出下表。

（三）感性意象詞匯的選取

通過查閱大量兒童書籍、繪本、雜志、文獻與線上電商評價等共收集到符合本次研究的感性詞匯共200個，通過刪掉語意相近的詞匯并結合兒童需求后共整理出105個詞匯作為第一步篩選的感性意象語意。邀請三十位設計人員在觀察所給的標志性樣本后，勾選最適合兒童陪伴機器人的形容詞，將形容詞被勾選的頻次進行計算，選取勾選頻次高達1/3（10次）的形容詞共28個。

請受測者在仔細看過形容詞后，應用人工分類法把受測者認為有相同或相似含義的形容詞放入同一組群，各族群的詞匯數量可以各不相同，人工分為4—6個群。

本次問卷調查共回收33份，其中失效問卷3份，隨后對另外30份有效問卷進行整理統計。將上表中的28個意象詞組成一個行、列項目相同的矩陣。對每兩個感性詞匯被歸為同一組的次數進行統計，并將統計結果輸入到該矩陣中，得到28x28的感性意象詞匯相似性矩陣，進行降維處理。

在將矩陣放入SPSS中進行聚類分析之前，先用多維尺度分析法來確定本次意象詞匯的擬合度，若擬合度為優，方可進行聚類分析[12]；其中，壓力系數表示觀察的距離與模型（即實際的距離）之間的擬合度[11]，擬合度越接近0.01代表結果越趨近于優。

將上述結果數據輸入SPSS軟件中，用多元尺度分析法進行分析，得出Stress=0.03422，說明擬合度接近于優，因此本次感性詞匯的分析可用聚類分析。

進一步將上文數據進行聚類分析得出聚類表如表3所示，表中數據為感性意象詞匯在分析過程中聚類的過程，系數代表兩個意象詞匯之間的距離。在聚類過程中，需先將距離相距最小、親密程度最高的兩個感性詞整合為一類，以此為基準將28個感性詞匯中距離最近的詞匯歸類到同一組中。

下圖是意象語意詞匯進行聚合的樹狀圖，詞匯聚類的實際距離根據詞匯相關性調整為0-25。從對使用人群學齡前兒童及其家長的調研中可以看到，該用戶群體對兒童陪伴機器人的感性需求很簡單，他們更注重這類產品的外觀、功能等方面。因此筆者在圖中距離10-15間虛線處將28個意象詞匯分為4群。

如下表所示，通過分析上表詞匯的分組情況，將4群中的代表詞匯選定為：“圓潤的”“冰冷的”“實用的”“簡潔的”這四個詞匯。

從中挑選具有代表性的詞匯構成4組形容詞對：圓潤的—幾何的；冰冷的—溫暖的；實用的—時尚的；簡潔的—復雜的。

（四）樣本選定

由于市場上的兒童陪伴機器人外觀造型同質化現象嚴重，為避免兒童在對樣本進行觀察時因過于相似的外形導致意象打分模糊，因此樣本沒有在兒童陪伴機器人產品中進行選擇；筆者從動畫、電影等中選擇了與兒童相關的9個意象樣本如下表。

為了明確上述意象的形態語義基因對用戶語意感受的具體影響，將各樣本的外觀造型按輪廓、色彩、尺寸、材質、類型五個方面進行形態語義風格的提取，并將各設計要素進行編碼制成如表所示關系矩陣，其中，尺寸大于60cm為偏大，30—60cm為中等，小于30cm為偏小。

（五）建立意象與造型元素相關性

根據前文構成的4組詞匯建立語意差異5階量表如下表所示。

鑒于兒童群體的特殊性，在貴陽市向3—6周歲的孩子及其父母派發線上量表答卷共80份，由父母指導孩子對樣本進行評價打分，回收答卷72份，其中有效答卷69份。將問卷數據輸入spss計算各樣本感性意象平均值如下。

根據造型設計要素的基本構成元素，對兒童陪伴機器人的輪廓，色彩，尺寸，材質，類型方面細化15個特征元素，隨后對各個造型特征元素展開多元線性回歸分析。根據數量化I類理論的原理[13]，對代表性樣本的外觀設計元素進行編碼并量化，得到只包含“0”和“1”的矩陣，如下表所示。

根據上文樣本將語意詞匯得分與樣本所提取的形態語義基因編碼矩陣輸入SPSS軟件，進行多元線性回歸分析。其中每項語意詞匯作為回歸方程的因變量，樣本造型元素編碼作為自變量，得到包括造型元素類目在語意詞匯上的得分。樣本造型類目與語意評分的擬合優度如下表所示，R2的取值范圍在[0-1]之間。考慮到本次研究代表性樣本的規模偏小，故R2值≤0.4時，可靠性較弱；R2值為04.—0.6時，可靠性中等，0.6以上則可靠性強。

由上表可得，用戶模糊的感性意象量化為了清晰的數據，其中，圓滑的機身輪廓、中性色色彩、30—60cm的中等尺寸、光滑的材質、動物型會給用戶帶來圓潤的、溫暖的、簡潔的和時尚的感性意象。

而硬朗的機身輪廓，中性色或冷色，整體偏小的尺寸等會給用戶帶來冰冷的感覺。因此在對兒童陪伴機器人進行外觀設計時應該注重使用群體的感性需求，將上文得到的數據量化為具體的設計要素，結合意象語意對造型的輪廓、尺寸、材質等進行適當調整。

四、兒童陪伴機器人造型設計與實踐

根據前文情感化設計理論和兒童陪伴機器人形態語義風格分析，設計一款針對3—7歲學齡前兒童的陪伴機器人。用三維建模軟件將兒童陪伴機器人設計方案進行建模與渲染，最終效果圖如圖5、6所示。

將設計方案與前文感性語意詞匯制成下述5階里克特量表，向貴陽市學齡前兒童及家長發放問卷共133份，讓受測者對該方案進行評分，回收有效問卷119份；由下表可知，結合前文調研所得結果，問卷感性意象詞匯的意象均值絕對值均為較高分數，故該款兒童陪伴機器人的造型設計方案滿足圓潤的、溫暖的、時尚的與簡潔的感性意象；機器人可愛的動物外形符合學齡前兒童的審美，教學、陪伴、守護等實用功能實現了搭建父母與孩子間交流、溝通的橋梁，滿足了父母與兒童對陪伴型機器人的期望與潛在感性需求，因此該方案可行。

該款兒童陪伴機器人的外觀符合圓潤、溫暖、簡潔和時尚的特點。在外觀上，采用中性色的組合搭配，以大面積白色為主色調，按鍵部分和顯示屏金屬外框采用灰色，白色、灰色與黑色的顯示屏中和了外形的可愛與活潑，使機器人在外觀上更具有科技感，符合用戶的感性需求。機器人的材質選用ABS塑料，比金屬材料更輕便，耐腐蝕性強，不易磨損；機身輪廓由圓滑的曲線體現，突出一體式線條的簡潔感和流暢感，類似小浣熊的外觀設計讓機器人整體看起來圓潤、可愛，卡通造型也更受小朋友喜愛，符合兒童感性需求，讓兒童感到安心、親近；該款兒童陪伴機器人為固定式，機身長350mm，寬480mm，小巧的小熊外形使機器人更輕巧，不會因為材質、重量對兒童造成傷害，使用的場景也更多，可以放在書桌上、茶幾上和床上，讓機器人可以像寵物一樣陪伴兒童玩耍、學習，更有利于拉近與兒童的距離，建立親密的關系。

機器人有開心、生氣、難過三種表情，根據與用戶的交互過程切換表情，如孩子今天在家完成了家庭作業，機器人會露出開心的表情陪孩子玩耍，如果孩子不小心打到或踢到機器人，會露出難過的表情；如果孩子玩游戲的時長超過家長規定的時間或持續玩游戲超過一小時，機器人會露出生氣的表情并立刻關掉游戲進入待機模式，等候家長重新開啟，如圖7。

聽筒位于機器人兩只耳朵處，兒童通過語音按鈕可以和機器人進行簡單、日常的對話與互動，顯示屏不僅可以表現當前機器人的情緒、兒童進行互動，還可以通過bluetooth連接手機、電腦等電子產品，將顯示屏作為投影儀、與父母、朋友等視頻通訊、線上課程學習、益智游戲等使用。在藍牙連接成功后，按下音樂按鈕可以選擇歌單進行播放，作為智能音響使用；也可以點擊語音按鈕與機器人對話，可以對機器人進行語音控制；點擊投影按鈕可以使顯示屏中播放的內容投影到大屏幕進行觀看，實現家庭影院功能；將機器人與家長手機進行綁定后，點擊視頻按鈕可以一鍵與父母進行視頻通訊，便于與家長及時聯系。該款產品與市場上其他兒童陪伴機器人相比，增加了監督與守護功能，家長外出不在家時，可以給機器人設定一小時學習時間或二十分鐘益智游戲時間，通過手機藍牙連接可以觀看兒童的學習情況和進度，也可以查看兒童在家的安全情況；需要和兒童聯系時，點擊視頻通話即可以和兒童進行通訊。如果家長發現兒童處于緊急情況，在無法聯系其他人的情況下，可以在手機上一鍵報警，保護兒童安全，降低獨自在家的風險。

結論

通過運用情感化設計三層次理論與感性工學的定量分析法研究用戶的情感偏好與感性需求，將模糊的感性語意利用數據模型進行量化分析，提取產品的造型元素特征；通過分析感性語意和樣本造型元素的相關性，提取造型風格語義和形態設計要素，構建基于用戶感性需求與情感偏好的意象映射模型，得到產品造型元素設計方案；經過驗證，代表該方案具有可行性，為兒童陪伴機器人的外觀創新設計提供了思路與方法。但在實驗過程中，由于兒童的不可控性，由家長引導完成問卷的可靠性有待考察，因此在后續研究中，將使用更為客觀的方法進行實驗。