基于人因视角的儿童陪伴机器人交互界面设计研究

王秋惠 代欣

摘 要：基于人因工程以及交互设计理论方法，进行儿童陪伴机器人的界面设计，使之与儿童形成良好的人机交互体验。通过文献法对3～6岁儿童的感知能力、认知能力以及行动水平特点进行具有针对性、详细的概括;从3～6岁儿童的生理、心理、行动需求3个角度出发，采用认知实验方法通过统计学数据分析对学前期儿童的颜色和造型偏好进行人因分析。通过颜色和造型偏好的认知实验，数据分析得出3岁儿童喜欢红色、黄色鲜艳的暖色，最不喜欢紫、黑这类暗色，3～6岁儿童最喜爱的颜色的顺序依次是红色、蓝色、绿色、黄色;学前期儿童易于理解识别正方形、圆形、三角形3种基本形态。在未来，基于人机工程学以及交互设计的理论方法下设计的儿童陪伴机器人会随着智能科技的不断发展得到更广泛的应用。

关键词：儿童陪伴机器人;人因工程;人机交互;界面设计

中图分类号：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，机器人应用领域分为两大类：工业机器人和服务机器人。根据IFR（International Federation of Robotics）统计数据显示[1]2017年供个人和家庭使用的服务机器人总数比2016年增加了25%;娱乐陪伴机器人比2016年增长12%.在恒定和持续增长的假设条件下，根据复合年增长率计算，平均年增长率为21%.通过统计数据分析儿童陪伴机器人的市场份额正在逐步提升，在全球工业化的大背景下，可以预见该行业具有巨大的发展空间。2016年，商业化的O2O模式被任宏引入儿童交互产品设计中，并提出了儿童产品在O2O模式下的特征[2]。2013年，彭琼和张立群提出学前期儿童早教App交互策略，分别从3个部分进行解释说明，依次是信息架构、信息呈现和信息效率[3]。同年，蔡小芳提出儿童交互问题要在儿童精神需求和行为需求的基础上再去满足儿童对界面的审美要求[4]。2012年，杨明朗在幼儿产品的交互界面研究中，指出产品交互中除视觉体验外其他感官体验的重要性，提出了图形、声音交互界面的相关研究成果[5]。Sunmin Lee和Thecla Schiphorst在2016年提出了一种亲子互动设计中运用热感觉多种方式的全新互动方式实现可穿戴的远程交互[6]。2015年Vicky Charisi和Daniel Davison等人建立以用户为中心的儿童机器人交互评价方法[7]。Asmaa Aslumatit等人2010年提出，当幼儿进行应用软件的游戏时，应该积极帮助儿童理解界面存在的对象和交互方式可延展性的自由灵活操作性原则[8]。传統的儿童陪伴机器人，更加注重儿童的教育、游戏与之交互，却忽视了儿童成长中所需要的亲子交互，远程交互这一重要因素。学前期儿童缺少的是父母陪伴的安全与依恋，因此在设计上，基于人因工程的理论着重设计远程交互这一方面，使陪伴机器人更加符合儿童生理需求，心理需求，以及行为需求，在满足儿童寓教于乐的基本需求条件下，更加有利于帮助儿童提高智力，解决儿童安全隐患问题。

1 关键人因分析基于人因视角儿童陪伴机器人的设计首要任务是分析用户人群并了解用户特征和用户操作需求。皮亚杰建立了儿童认知发展心理学，认为儿童时期是人类成长过程中发展最快的阶段，儿童在各阶段会形成不同的认知能力和行为操作能力[9]，儿童陪伴机器人造型设计应满足儿童身心发展的阶段性需要，因此将儿童的年龄细致划分为3个阶段1～3岁为婴儿期，3～6岁为学前期（图1），6～12岁为童年中期。文中以学前期儿童作为研究对象，通过文献法对3～6岁儿童的感知能力、认知能力以及行动水平特点进行具有针对性、详细的概括;从3～6岁儿童的生理、心理、行动需求3个角度出发，采用认知实验方法通过统计学数据分析对学前期儿童的颜色和造型偏好进行人因分析。

1.1 需求分析

1.1.1 学前期儿童的生理需求学前期儿童的生理需求主要包括孩子的视觉感知、触觉感知、听觉感知特征等。从人机工程学视角分析，学龄前的儿童身体生长和发育不是直线上升的，男孩平均身高从93 cm平稳增长至126.1 cm，同龄女孩的身高增长比男孩低1 cm.儿童在3岁时的抓握力2 kg左右，到了6岁能够拿起6～7 kg的物品。因此在陪伴机器人与儿童之间的交互中要考虑到儿童的身髙，产品的高度尺寸与儿童相协调，保证儿童与陪伴机器人的良好交互。儿童陪伴机器人重量不能超过这个阶段儿童握力，设计出符合儿童身体生长规律的机器人有助于儿童身心的健康发展。皮亚杰认为，触觉是儿童最初获得外部环境知识的一种方式，这对儿童早期的认知发展至关重要。触觉感知包括很多因素，文中着重说明材料性质对儿童产生的影响，材料性质、人际关系和环境事件对儿童产生情绪的影响最大，高兴和惊奇常常由材料性质引起[10]。不同材质的产品会让儿童产生相应不同的触觉感受，柔软的触感能给儿童带来快乐、幸福的感受，磨砂、光滑的触感带来安全稳固、安全的感受。在设计上不同频率的振动可以通过触觉达到产品的人机互动反馈。比如，家长可以通过手机终端远程对机器人控制，对儿童做对的行为奖励一个拥抱，让儿童从触觉的感受上得到正确的导向。

1.1.2 学前期儿童的心理需求从儿童的表情行为语气等方式进行观察和调研，3～6岁儿童发展心理发展变化比较大，儿童具有极强的模仿性，通过父母、玩伴、动画片主人公的行为跟语言，儿童会对这些行为跟语言进行模仿学习。在交互设计中可以将游戏和模仿相结合，利用儿童这种爱模仿的个性来设置交互游戏。学前期儿童对没见过的未知事物以及不断变化运动的新鲜事物具有强烈好奇心，因此要利用儿童对未知事物的好奇心，抓住儿童好学好问的特点，在机器人设计中加入语音交互的引导方式，有助于帮助儿童发现事物间的关联性，这种交互方式既可以满足儿童的求知欲望，又能促进心智和思维能力的提高。语音交互可分多种模式，如儿童面对面提问能够得到机器人相应解答，儿童能正确回答儿童陪伴机器人的问题机器人则以生动语言加以鼓励。针对儿童对不断变化运动的新鲜事物的好奇心，在界面设计中运用变化的画面和富有韵律的声音捕捉儿童注意力。儿童与父母保持身体和情感联系的一种心理特征，心理学上称之为依恋特征，0～6岁的儿童对父母都具有此特征[11]。依恋不仅是一种儿童现象，并且关系到父母对儿童日后发展的深远影响[12]。

1.1.3 学前期儿童的行为需求学前期儿童的运动发展也处于质变阶段。3岁幼儿基本能够完成许多粗大运动技能，如跳起、小跑等。4岁儿童可以进行精细运动，能够进行简单的折纸游戏或者可以画出简单的现实物体，到了5岁，儿童能够熟练握住并使用铅笔等小工具。4～5岁时，儿童身体对于自己肌肉控制能力愈发加强，使得技能更加精细化[13]。根据帕顿的研究，3～6岁儿童游戏类型有明显的分层，3～4岁会无意识的对同伴行为进行模仿平行的游戏行为;4～5岁儿童逐渐有了和同伴共同游戏的意识，从一开始的相互间的松散关系，逐渐变得有了相同的游戏目的的联合的游戏方式;5～6岁儿童有了和同伴一起共同游戏的愿望，在游戏前进行游戏任务的分工，为达到目的，会克服困难完成游戏任务的合作游戏的行为方式。

1.2 学前儿童认知实验文中做了颜色和形态偏好的两个认知实验，通过统计学数据分析对学前期儿童的颜色和造型偏好进行人因分析。

1.2.1 参与者实验地点在天津市宝坻区亚一幼儿园;该幼儿园未开展过认知实验项目;幼儿园满足学前期儿童的条件有210名，其中知道儿童机器人的儿童有93名（男孩48名，女孩45名）从93人中共随机抽取30名儿童参加实验，其中15名男孩，15名女孩，平均年龄在5虚岁;实验进行过程中同等对待每名被抽取儿童，老师一直在旁监督，试验现场无尖锐物品，无安全隐患，实验员对儿童无刺激性言语，无过激行为，该实验不会对儿童造成不好的心理影响以及生理影响。

1.2.2 材料及工具实验主题是分析学期前儿童对颜色和造型偏好的两个实验，实验一需要准备的材料工具：A4纸30张，24色蜡笔30套或者水彩笔30套，一部苹果8plus手机，一台华硕i7处理器电脑。实验二需要准备的材料：8个形状的积木，依次是方形积木、圆形积木、三角形积木、心形积木、五边形积木、五角星积木、梯形积木、平行四边形积木。

1.2.3 实验设计实验一：幼儿教师组织30名被测试儿童在A4纸上运用手里的彩色工具根据自己的颜色喜好画一幅作品，90 min内完成，画面完整实验结果即视为有效。90 min后收取30张作品，将作品平放在测试台上，手机与画面呈90°垂直状态进入扫描，扫描传到电脑中，用Photoshop软件打开需检测图片，将白色背景部分抠除，再对需要测量的颜色的相近像素点进行统计求比，得出颜色使用面积比例图。实验二：幼儿教师组织30名被测试儿童根据实验员的要求指出与之匹配的积木形狀。

1.2.4 统计分析实验一分析结果：儿童绘画使用颜色面积的大小与喜好程度呈正相关，通过调研结果可以得出下面8种颜色使用面积比（表1）。3岁儿童喜欢红色、黄色鲜艳的暖色，最不喜欢紫、黑这类暗色[14]，3～6岁儿童最喜爱的颜色依次是红、蓝、绿、黄。此外研究可以发现，儿童的颜色偏好有异于成人，而3～6岁儿童对颜色的偏好几乎不存在差异[15]。

实验二分析结果：儿童3岁以后一般能对所观察事物的大体轮廓外观进行简单描述，通过形状辨识实验可知，学期前儿童对于基本图形的认知基本保持一致，正方形、圆形、三角形3种基本形态对于3～6岁儿童而言易于理解识别。

2 人机界面设计方案

2.1 设计灵感来源儿童陪伴机器人手绘草图如图2所示。

2.2 设计方案优化

2.2.1 安全性儿童陪伴机器人的安全性是家长在选择产品时首先要考虑的因素，设计过程中需要注意到以下几点：材质采用环保食品级材质;其次是产品方案的尺寸、形态要基于人机工程学设计，整体造型圆润，边缘处理要采取倒角方式;产品操作方式具有容错性，操作不当不会造成不良后果;采用护眼灯源。

2.2.2 材质及配色设计机器人在材质选择上主要是以ABS材料为主，这种材料能有效的降低成本且比较容易上色;在配色方案的选择上，选择的是白色、蓝色明度较高的颜色搭配，通过上述色彩辨识实验可知，学前儿童对暖色以及色彩纯度高的颜色偏爱，这款白蓝颜色搭配符合该年龄阶段对于色彩的认知，有利于引导儿童正常的色彩心理发展，如图3所示。

图3 效果图方案

2.3 人因形态要素分析机身轮廓线的形态效果对儿童意象有重要影响。学期前儿童对生活中所见简单物体形态有基本的认知，因此设计机器人机身轮廓线采用了飞碟的仿生元素，梯形轮廓线具有稳重感和安全感;圆形非常圆润，显得饱满和可爱。机器人设计形态应符合儿童的生理、心理、行为特征。

2.4 人因尺寸分析通过调查对与3～6岁儿童的身高、臂长以及坐姿状态下的尺寸，做出下列分析。3～6岁儿童的身高在90～120 cm左右，臂长在42～47 cm左右，坐姿的高度在58～96 cm左右;儿童陪伴机器人的高度在20 cm，对于3～6岁儿童来讲，无论是站姿还是坐姿，都能以更符合人机的角度与机器人进行人机交互。

3 结 语文中基于人因工程以及交互设计理论方法，进行儿童陪伴机器人的界面设计，分析学期前儿童的生理心理以及行为特征，分别得到儿童的心理、生理、行为需求，根据需求和认知实验结果设计全新方案。通过颜色和造型偏好的认知实验，数据分析得出3岁儿童喜欢红色、黄色鲜艳的暖色，最不喜欢紫、黑这类暗色[14]，3～6岁儿童最喜爱的颜色的顺序是红色、蓝色、绿色、黄色;学前期儿童易于理解识别正方形、圆形、三角形3种基本形态。实验结论为陪伴机器人的颜色搭配以及轮廓线设计提供了科学依据，使其界面设计更符合人机工程学，便于儿童与之形成良好的交互体验。在认知实验制定计划中通过权衡减掉了材质等与形态相关的一些不是特别重要的要素，对结果有一定的影响;其次应对所有的形态要素进行分析，进一步完善回归关系模型，验证儿童陪伴机器人的可用性。在未来，基于人机工程学以及交互设计的理论方法下设计的儿童陪伴机器人会随着智能科技的不断发展得到更广泛的应用。

参考文献：

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