自閉癥兒童社交機器人外觀形態設計研究

孫福旭 張丙辰 王瑞

摘? 要：本文針對目前ASD兒童社交機器人的外觀形態設計問題，從功能、情感、市場多方面分析社交機器人的設計需求。首先，筆者通過走訪調研，獲取機器人功能需求，并通過Kano模型確定最終功能定位；其次，收集機器人樣本，對其進行分類，利用PAD情感模型獲取用戶情感傾向，結合市場調研確定設計定位；最后，結合Kano模型和PAD情感模型獲得的數據分析，總結ASD兒童社交機器人的設計原則。利用Kano模型和PAD情感模型獲取設計需求，可以為ASD兒童的機器人設計提供理論依據，更好地促進ASD兒童干預機器人的發展。

關鍵詞：Kano模型；PAD情感模型；ASD兒童；社交機器人；造型設計

基金項目：本文系2022年江蘇師范大學研究生科研與實踐創新計劃項目（2022XKT0362）階段性研究成果。

美國疾病控制與預防中心公布的最新自閉癥譜系障礙（Autism Spectrum Disorders，ASD）兒童患病率報告顯示，每44名兒童中就有1名ASD患者，其主要癥狀為社會交往障礙、興趣狹隘和重復刻板行為[1]。目前我們針對ASD還沒有藥物可以治療，但通過干預訓練可以改善情況，而且越早干預效果越好。隨著技術的發展，將人形機器人用于ASD兒童干預訓練正成為一個新的趨勢。一方面，機器人的言語和動作可控制，具有規律性，可以保證干預動作的準確性和重復性；另一方面，ASD兒童更喜歡非生命物體，機器人在外觀上與人類存在區別，可以有效緩解ASD兒童與外界交往時的抵觸情緒[2]。機器人不只是一個玩具，更像是兒童的伙伴。因此在設計機器人時，我們需要充分考慮功能與形態的關系，滿足其功能與情感需求，從而提升干預訓練的效果。

一、研究背景

（一）ASD兒童介紹

自閉癥又稱孤獨癥，是一種廣泛性的發育障礙。它是一種天然的發展性障礙，與父母的教育方式、性格特點等都無關。ASD兒童往往與普通兒童存在差異，在行為特征、認知特點、學習特點等方面均存在一定缺陷（如表1），對患者家庭造成沉重負擔。3～6歲是ASD兒童思維和學習能力逐漸形成、發展的時期，也是進行干預訓練的最佳時期。該時間段內對兒童進行干預治療，能夠最大限度的激發ASD兒童的潛能，最大程度減少ASD兒童長遠發展過程中遇到的問題[3]。

（二）社交機器人應用場景及功能介紹

社交機器人是指以人類的社交模式運行和互動的機器人。1976年，機器人首次被應用于ASD兒童社交行為干預訓練，后被發現其簡化的外形設計，易于操控的交互方式，更容易引起ASD兒童的興趣，改善他們的社交溝通能力，也減輕了康復人員的工作壓力[4]。近幾年，機器人變得更加靈活智能，可以滿足越來越多的功能和場景。目前，社交機器人的主要應用場景及功能包括：

1.早期診斷：傳統的自閉癥診斷依賴于醫生的經驗，而機器人能提供標準化診斷流程。它們通過與兒童互動記錄社交信號和行為，從而獲得有效數據，無需醫生現場操作（如圖1）。

2.模仿：模仿是兒童了解世界的主要方式，通過模仿可以學習動作、語言、表情，模仿的建立需要教輔人員重復的動作教學，而機器人可編程，可以很好地滿足干預訓練的要求。機器人與人體結構相似，簡化的外觀更容易被兒童接受，并可對兒童的動作進行評估與反饋（如圖2）。

3.眼神交流和共同注意：眼神交流是面對面交往所必需的，但ASD兒童往往不與他人對視。機器人可以通過感應器感受與兒童的距離，時刻保持近距離接觸。當兒童進行眼神交流時，兒童會得到獎勵。此外，機器人可以引導孩子的注意力，指導兒童與他人通過眼神動作等共同關注到同一個目標，還可以判斷兒童的眼神注視方向，提高共同注意水平（如圖3）。

4.情緒識別和表達：機器人可以模仿人類面部表情，如開心、生氣、恐懼等。自閉癥譜系障礙兒童對于面部表情識別以及肢體語言等方面的理解不足，這與人的面部表情線索比較復雜，變換比較快有一定的關系。而機器人的表情或情緒是經過程序化設計的，比較單一的，易于他們識別（如圖4）。

5.游戲互動：機器人通過游戲可以使自閉癥譜系障礙兒童理解和掌握交流的技能。另外，自閉癥兒童存在難以參與想象性游戲的障礙，相對于人來說，自閉癥兒童與機器人的互動更為融洽。機器人技術可創造一個簡單的交互式環境，以“同伴”身份與自閉癥兒童進行游戲互動，訓練各種技能（如圖5）。

（三）社交機器人形態設計研究現狀

市面上的社交機器人種類繁多，它們在外觀、行為和用途上均有所不同。目前對于機器人的形態研究，國內外學者做出了大量的探究。

國內，侯婷婷等[5]研究表明，使用類人形機器人進行戲劇表演干預可以增強ASD兒童的敘事表達和理解能力。陳國強等[6]指出機身輪廓線、顯示屏、頭部形狀、整體尺寸、色彩和活動方式等會對用戶的感性意象產生影響。王艷群等[7]運用眼動追蹤方法展開實驗，了解了ASD兒童對基本幾何形、仿生形、不規則形機器人的視覺偏好。

國外，AlfioPuglisi等[8]指出具有擬人外觀的社交機器人是最佳的干預實踐工具，能提高ASD兒童眼神交流和社交技能。Robins等[9]設計了一款弱化細節，減少復雜性的人形機器人KASPER，并證明了其對ASD兒童的有效性。John等[10]指出機器人可以分為不同的類型，如動物機器人、仿人機器人、擬物機器人等。某些情況下，ASD兒童喜歡非人形機器人，如動物機器人、車輛機器人。類人機器人可能更受青睞，這是因為通過類人機器人學到的技能可以推廣到其他人身上。

可以看出，機器人能夠有效的干預ASD兒童社交行為，不同類型的機器人有其獨特的優勢。ASD兒童社交機器人造型設計不只是單純的外觀設計，機器人往往被兒童視為玩伴，其造型是與用戶產品交互的中介，因此，必須充分考慮產品的功能設定和用戶的心理特征及情感體驗。

二、ASD兒童社交機器人設計需求定位

（一）基于Kano模型的功能需求定位

1.確定功能需求

本團隊通過走訪本地福利院、兒童康復醫院以及兒童發展中心等相關機構，采訪多名教輔人員以及相關行業專家，并查閱書籍文獻，與專家團進行深度訪談，了解ASD兒童機器人的主要功能需求，后邀請3名兒童產品設計專家以及多名產品設計研究生，篩選出9項社交機器人的核心功能設計需求如圖6。

圖6? 核心功能設計需求

2.基于Kano模型的功能需求分析

基于Kano模型的用戶需求分類主要包括4個步驟：Kano問卷設計、用戶需求整理、滿意度系數計算和需求分類、剔除無差異需求和反向型需求。Kano模型按照正向問題和負向問題的回答填寫需求分類表（如表2）是通過把產品服務的具體屬性轉化成用戶需求，依據需求要素的詳細分類，尋求和理解用戶對于這些需求的態度，以指導設計師做相關決策[11]。

表2 需求分類表

不具備某需求

非常喜歡 喜歡 沒意見 不喜歡 很不喜歡

具備某需求 非常喜歡 —— A A A O

喜歡 R I I I M

沒意見 R I I I M

不喜歡 R I I I M

很不喜歡 R R R R ——

為了更加準確地判斷用戶的需求分類，需要計算用戶滿意度系數比值，滿意度系數計算公式如下：

其中，表示相對滿意度系數，即產品具備某需求時對用戶滿意度的影響；表示相對不滿意度系數，即產品不具備某需求時對用戶滿意度的影響。、、、分別表示在問卷調查中，用戶對于同一需求問題選擇該類需求類型的比值。

用戶滿意度系數比值即為/的絕對值，的取值范圍如表3所示。這種分類方法既可以對用戶需求指標進行準確的分類，又可以清楚的了解到具備或者不具備某需求時對用戶滿意度的影響程度。

表3 對應的需求類型

范圍 <0.9 0.9～1.1 >1.1

需求類型 M O A

根據9項功能需求，進行Kano模型的雙因素問卷設計，本次實驗的被試主要為具有豐富經驗的教輔人員、專家及兒童家長。共發放問卷105份。收回90份，有效問卷85份，最終問卷調研結果如表4所示。

3.功能需求定位

由表4可知，用戶需求X3、X4為興奮型需求，是提升魅力、帶來愉悅的用戶體驗的關鍵因素，應予以重視；用戶需求X5、X8、X9為期望型需求是影響用戶滿意度的重要的影響因素，也是建立用戶忠誠度的關鍵要素；X1、X2、X6為基本型需求是基礎設計元素，最大程度降低用戶不滿意度；X7為無差異需求，是用戶較少關注的需求，對機器人設計產生較小影響，應予以剔除。

（二）基于PAD情感模型的造型需求定位

1.收集造型樣本

本課題組走訪相關康復機構、醫院，查閱相關文獻書籍，瀏覽主流購物平臺以及各大機器人品牌官網，共計收集整理132款干預機器人樣本造型。后團隊邀請20位從事產品設計相關專業的研究生對其進行分類，結合相關參考文獻，將機器人大致分為擬物型、動物型、類人型、真人型；在上述基礎上，進一步結合銷量和獲獎情況進行篩選，我們選取造型特征最為顯著、差異性最大的機器人圖片作為典型性樣本。以R1＼R2＼R3＼R4＼R5＼R6＼R7＼R8對樣本進行編號，樣本如表5。

2.基于PAD情感模型的造型需求分析

Mehrabian等人[12]提出了一種維度情感模型——PAD三維情感模型，將人的情緒分為三個維度，即愉悅度P（Pleasure-Displeasure）、激活度A（Arousal-Nonarousal）和優勢度D（Dominance-Submissiveness），可以快速直觀的測量用戶情感傾向。對于愉悅度（P）、喚醒度（A）、支配度（D）的測定，目前最流行的工具是Bradley 和 Lang在PAD 三維情緒模型的基礎上，于1994年提出的圖像化情緒量表SAM[13]，如圖7。SAM可以很好地追蹤個人對情感刺激的反應，并且圖形化量表更側重被試對情緒反應的感覺與知覺，其優勢在于可以快速地進行自我情緒評價，且界面友好。三行小人圖標分別代表對應的三個維度，根據個人感受在對應位置勾選即可得到其情感反應。

由于ASD兒童的語言表達能力較弱，故本次實驗的被實驗對象均為具有豐富經驗的教輔人員和家長，實驗聯系徐州市康復醫院、五彩鹿兒童行為矯正中心、禾潤福利院的教輔人員及家長填寫問卷，首先對被實驗對象詳細講解實驗流程和要求，并介紹語義量表中每個評分等級的含義。實驗時，讓被實驗對象觀察實驗樣本，并在設計人員的指導下在語義量表中的對應位置勾選，最后進行匯總分析，得出P、A、D值。

3.造型需求定位

根據上述實驗設計及方法，測定了每位被試在觀看不同機器人樣本時對應的P值、A值、D值，經統計分析后得到各個平均值。PAD情緒模型有三個維度，將情緒劃分為八類，如+P+A+D，代表高興的；-P-A-D，代表無聊的；+P+A-D，代表依賴的；-P-A+D，代表蔑視的；+P-A+D，代表放松的；-P+A-D，代表焦慮的；+P-A-D，代表溫順的；-P+A+D，代表敵意的。具體情緒評分結果和情緒類別如表6。

愉悅度代表ASD兒童看到機器人后內心被激發的愉悅程度。根據實驗結果顯示，ASD兒童的愉悅度表現為擬物型>類人型>動物型>真人型。因此，擁有一定擬人度，造型圓潤統一的造型可以帶來更高的愉悅度。

喚醒度代表ASD兒童看到機器人樣本材料后神經生理激活水平及興奮程度。根據實驗結果顯示，ASD兒童的喚醒度表現為真人型>類人型>動物型>幾何型。喚醒度并非越高越好，過高容易導致用戶疲勞。因此，類人型和動物型的機器人處于較為適中的喚醒度。

優勢度代表ASD兒童看到機器人樣本材料后內心被控制的程度。根據實驗結果顯示，ASD兒童的優勢度表現為幾何型>動物型>類人型>真人型。因此，為了增加兒童的優勢度，使其更容易操作，應當弱化產品的細節，幾何簡約的造型會帶來更高的優勢度。

（三）基于市場調研的CMF設計定位

我們通過查閱電商網站以及國內外著名社交機器人品牌官網，對目前市場現狀進行了分析，主要了解了主要競品的尺寸、材料、功能、配色、優缺點等。目前市面上的專門為ASD兒童開發的社交機器人較少，因此我們也參考了普通兒童使用的社交機器人，具體內容如表7。

根據調研，我們發現大部分產品尺寸上控制在與兒童大小近似，可以更好地親近兒童；材料上選擇環保的ABS塑料作為外觀，一方面可以實現復雜的造型，另一方面可以降低成本；功能上會裝配有具備顯示功能的電子屏，部分銷量較好的產品，往往具備更強的自由度，可活動性更強，支持語音、觸摸反饋等等多種功能；配色多以白色搭配較為鮮艷的顏色為主，選擇兒童更喜歡的清新色彩，如藍色、紅色、綠色等。

三、自閉癥兒童社交機器人設計原則

（一）基于Kano模型的功能設定原則

1.優化基本型需求：支持情感識別與表達，提供語言和溝通支持，給予明確、具體的提示和引導，是社交機器人的基本型需求，可以幫助兒童理解和執行互動任務，通過情感表達和語言與兒童建立情感連接，使其更好地理解和處理情感。

2.滿足期望型需求：支持社交互動模擬，提供恰當的反饋和獎勵機制以及個性功能的定制，是期望型需求，通過互動模擬可以教授兒童基本的社交規則和禮儀，在恰當的時間提供積極的反饋和獎勵，可以增強他們的自信心，根據不同兒童不同的情況，可以提供個性化的干預。

3.提供興奮型需求：在特定社交情境中提供指導，創造吸引人的游戲化人物和活動，是用戶的興奮型需求，會大大提升用戶滿意度，在情境中教導兒童與他人互動，可以幫助其適應不同的場景，游戲化的任務，激發其互動興趣。

（二）基于PAD情感模型的造型設定原則

1.較高的愉悅度：愉悅度反映了被實驗對象看到機器人樣本材料后內心被激發的愉悅程度。當愉悅度較高時，用戶往往心情放松，可以更好地完成任務。通過PAD問卷發現，具有較高愉悅度的往往是造型圓潤的機器人，它們往往采用圓柱形、有機形、圓角矩形等組成整體造型，其圓潤飽滿的造型會降低ASD兒童的抵觸情緒，滿足了ASD兒童對于圓形元素的喜愛。此外面部特征簡潔，與真人面部特征存在較大差距的機器人，也會帶來較高的愉悅度。因此在設計機器人時，盡可能減少頭部的造型特征，如幾何型機器人，將頭部與身體進行融合，采用較為圓潤的幾何造型，會帶給ASD兒童更加放松的情感體驗?；騾⒖糝6機器人，對頭部造型做變形處理，變成橫向的圓柱形，使其與真人有所區別，精簡面部五官，讓五官特征視覺特征減小，也可以帶來高興的情感體驗。

2.適中的喚醒度：喚醒度反映了被實驗對象看到機器人樣本材料后內心被激活的興奮程度。當用戶處于一定激活或興奮狀態時，往往有利于注意力集中。但激活度不易過高，用戶如果長期處于高度精神集中的狀態，反而容易產生疲憊。因此一般在產品設計中，往往采用適中的正向的激活度，這樣更有助于提高用戶的體驗。通過分析PAD情感數值，我們發現真人型機器人喚醒度過高，幾何型喚醒度較低，說明擬人度過高會使ASD兒童感到緊張，為ASD兒童設計的機器人應當近似人，但不能過于復雜。

3.較好的優勢度：優勢度反映了被實驗對象看到機器人樣本材料后內心被控制的程度，往往代表產品對于用戶是否可控。當優勢度較高時，可以更加自如的操作使用產品，學習成本和認知負荷相應降低，也就不容易出現操作失誤。真人型機器人優勢度較低，說明容易讓ASD兒童感到焦慮，而擁有抽象簡化造型的幾何型、動物型、類人型機器人都具有較好的優勢度，在設計機器人要盡可能簡化產品外形。

（三）基于市場調研的CMF設定原則

1.配色簡潔

根據本文前期基于市場調研的CMF設計定位，考慮到ASD兒童視覺信息認知程度高，理解能力更強，對形狀和顏色的識別較為敏感。不同配色對其識別性、喜好程度均有影響。通過了解目前市場需求，我們發現目前機器人產品大多采用鮮艷的顏色，搭配較為簡潔干凈的白色，使其具有一定的科技感，因此最終配色以飽和度適中的藍色和粉色搭配白色，并提供不同的配色選擇滿足不同用戶的需求。

2.材料環保

在材料選擇方面，為了更好地滿足機器人復雜的形體需求，采用環保ABS塑料最為最終產品，與兒童接觸的機身部分采用硅膠材質，更好地保護兒童安全。

3.加工工藝成熟

材料成型方式可以選擇注塑成型，可以實現產品的批量化生產，不同的材料零部件采用機械連接的方式，如采用螺釘、卡扣等。表面處理工藝采用環保的涂料，保證產品的絕緣、防水等功能，充分考慮可持續設計原則，進一步降低成本。

四、結論及展望

機器人不僅可以作為兒童的玩伴，還可以作為提供干預治療的工具。隨著機器人技術的愈加成熟，我們將機器人技術應用于ASD兒童的干預訓練中將成為一種趨勢。目前，機器人輔助干預已經應用于情緒行為，社交互動訓練等多方面研究。未來，針對機器人干預效果的評估以及外形特征的研究將越來越多。但目前仍存在許多問題，有待我們進一步深入研究與拓展。本文研究過程中主要選取徐州的ASD兒童作為實驗對象，后續希望能夠引入更多樣的ASD兒童個體建立更為完整的研究體系。在機器人類別的劃分較少，后續希望拓展更為寬泛的機器人類別，以期對ASD兒童干預機器人的設計提供更為精準的方法和思路。

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[13]Bradley M M，Lang P J. Measuring emotion： the self-assessment manikin and the semantic differential[J].Journal of behavior therapy and experimental psychiatry，1994（1）：49-59.

作者簡介：

孫福旭，江蘇師范大學機電工程學院研究生。研究方向：設計學。

張丙辰，江蘇師范大學機電工程學院副教授。研究方向：設計學。

王瑞，江蘇師范大學機電工程學院研究生。研究方向：設計學。