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1、基于人因視角的兒童陪伴機(jī)器人交互界面設(shè)計(jì)研究 摘要：基于人因工程以及交互設(shè)計(jì)理論方法，進(jìn)行兒童陪伴機(jī)器人的界面設(shè)計(jì)，使之與兒童形成良好的人機(jī)交互體驗(yàn)。通過(guò)文獻(xiàn)法對(duì)3～6歲兒童的感知能力、認(rèn)知能力以及行動(dòng)水平特點(diǎn)進(jìn)行具有針對(duì)性、詳細(xì)的概括;從3～6歲兒童的生理、心理、行動(dòng)需求3個(gè)角度出發(fā)，采用認(rèn)知實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)前期兒童的顏色和造型偏好進(jìn)行人因分析。通過(guò)顏色和造型偏好的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)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(lèi)暗色，3～6歲兒童最喜愛(ài)的顏色的順序依次是紅色、藍(lán)色、綠色、黃色;學(xué)前期兒童易于理解識(shí)別正方形、圓形、三角形3種根本形態(tài)。在未來(lái)，基于人機(jī)

2、工程學(xué)以及交互設(shè)計(jì)的理論方法下設(shè)計(jì)的兒童陪伴機(jī)器人會(huì)隨著智能科技的不斷開(kāi)展得到更廣泛的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：兒童陪伴機(jī)器人;人因工程;人機(jī)交互;界面設(shè)計(jì) 中圖分類(lèi)號(hào)：TB11044-04 Abstract：Basedonhumanfactorsengineeringandinteractivedesigntheory，theinterfacedesignofchildrenscompanionrobotismadetoformagoodhuman-computerinteractionexperiencewithchildren.Throughtheliteraturemethod，thepe

3、rceptualability，cognitiveabilityandactionlevelcharacteristicsofchildrenaged3～6yearsweretargetedanddetailed.Fromtheperspectivesofphysical，psychologicalandactionneedsofchildrenaged3～6years，therecognitionwasadopted.Theexperimentalmethodwasusedtoanalyzethecolorandstylingpreferencesofpreschoolchildrenthr

4、oughstatisticaldataanalysis.Throughcognitiveexperimentsofcolorandstylingpreferences，dataanalysisshowedthat3-year-oldchildrenlikeredandyellowbrightwarmcolors，andmostdonotlikedarkcolorssuchaspurpleandblack.Theorderofthefavoritecolorsofchildrenaged3～6isred.Blue，green，andyellow;preschoolersareeasytounde

5、rstandandrecognizethethreebasicformsofsquare，circle，andtriangle.Inthefuture，childrenscompanionshipdesignedbasedonergonomicsandinteractivedesigntheorywillbemorewidelyusedwiththedevelopmentofintelligenttechnology. Keywords：childrenscompanionrobot;humanfactorsengineering;human-computerinteraction;inte

6、rfacedesign 0引言目前，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類(lèi)：工業(yè)機(jī)器人和效勞機(jī)器人。根據(jù)IFR〔InternationalFederationofRobotics〕統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示【1】2021年供個(gè)人和家庭使用的效勞機(jī)器人總數(shù)比2021年增加了25%;娛樂(lè)陪伴機(jī)器人比2021年增長(zhǎng)12%.在恒定和持續(xù)增長(zhǎng)的假設(shè)條件下，根據(jù)復(fù)合年增長(zhǎng)率計(jì)算，平均年增長(zhǎng)率為21%.通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析兒童陪伴機(jī)器人的市場(chǎng)份額正在逐步提升，在全球工業(yè)化的大背景下，可以預(yù)見(jiàn)該行業(yè)具有巨大的開(kāi)展空間。2021年，商業(yè)化的O2O模式被任宏引入兒童交互產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，并提出了兒童產(chǎn)品在O2O模式下的特征【2】。2021年，彭瓊和

7、張立群提出學(xué)前期兒童早教App交互策略，分別從3個(gè)局部進(jìn)行解釋說(shuō)明，依次是信息架構(gòu)、信息呈現(xiàn)和信息效率【3】。同年，蔡小芳提出兒童交互問(wèn)題要在兒童精神需求和行為需求的根底上再去滿(mǎn)足兒童對(duì)界面的審美要求【4】。2021年，楊明朗在幼兒產(chǎn)品的交互界面研究中，指出產(chǎn)品交互中除視覺(jué)體驗(yàn)外其他感官體驗(yàn)的重要性，提出了圖形、聲音交互界面的相關(guān)研究成果【5】。SunminLee和TheclaSchiphorst在2021年提出了一種親子互動(dòng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用熱感覺(jué)多種方式的全新互動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)可穿戴的遠(yuǎn)程交互【6】。2021年VickyCharisi和DanielDavison等人建立以用戶(hù)為中心的兒童機(jī)器人交互評(píng)價(jià)方

8、法【7】。AsmaaAslumatit等人2021年提出，當(dāng)幼兒進(jìn)行應(yīng)用軟件的游戲時(shí)，應(yīng)該積極幫助兒童理解界面存在的對(duì)象和交互方式可延展性的自由靈活操作性原那么[8]。傳統(tǒng)的兒童陪伴機(jī)器人，更加注重兒童的教育、游戲與之交互，卻無(wú)視了兒童成長(zhǎng)中所需要的親子交互，遠(yuǎn)程交互這一重要因素。學(xué)前期兒童缺少的是父母陪伴的平安與依戀，因此在設(shè)計(jì)上，基于人因工程的理論著重設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程交互這一方面，使陪伴機(jī)器人更加符合兒童生理需求，心理需求，以及行為需求，在滿(mǎn)足兒童寓教于樂(lè)的根本需求條件下，更加有利于幫助兒童提高智力，解決兒童平安隱患問(wèn)題。 1關(guān)鍵人因分析基于人因視角兒童陪伴機(jī)器人的設(shè)計(jì)首要任務(wù)是分析用戶(hù)人群并了

9、解用戶(hù)特征和用戶(hù)操作需求。皮亞杰建立了兒童認(rèn)知開(kāi)展心理學(xué)，認(rèn)為兒童時(shí)期是人類(lèi)成長(zhǎng)過(guò)程中開(kāi)展最快的階段，兒童在各階段會(huì)形成不同的認(rèn)知能力和行為操作能力[9]，兒童陪伴機(jī)器人造型設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足兒童身心開(kāi)展的階段性需要，因此將兒童的年齡細(xì)致劃分為3個(gè)階段1～3歲為嬰兒期，3～6歲為學(xué)前期〔圖1〕，6～12歲為童年中期。文中以學(xué)前期兒童作為研究對(duì)象，通過(guò)文獻(xiàn)法對(duì)3～6歲兒童的感知能力、認(rèn)知能力以及行動(dòng)水平特點(diǎn)進(jìn)行具有針對(duì)性、詳細(xì)的概括;從3～6歲兒童的生理、心理、行動(dòng)需求3個(gè)角度出發(fā)，采用認(rèn)知實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)前期兒童的顏色和造型偏好進(jìn)行人因分析。 1.1.1學(xué)前期兒童的生理需求學(xué)前期兒

10、童的生理需求主要包括孩子的視覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、聽(tīng)覺(jué)感知特征等。從人機(jī)工程學(xué)視角分析，學(xué)齡前的兒童身體生長(zhǎng)和發(fā)育不是直線(xiàn)上升的，男孩平均身高從93cm平穩(wěn)增長(zhǎng)至126.1cm，同齡女孩的身高增長(zhǎng)比男孩低1cm.兒童在3歲時(shí)的抓握力2kg左右，到了6歲能夠拿起6～7kg的物品。因此在陪伴機(jī)器人與兒童之間的交互中要考慮到兒童的身髙，產(chǎn)品的高度尺寸與兒童相協(xié)調(diào)，保證兒童與陪伴機(jī)器人的良好交互。兒童陪伴機(jī)器人重量不能超過(guò)這個(gè)階段兒童握力，設(shè)計(jì)出符合兒童身體生長(zhǎng)規(guī)律的機(jī)器人有助于兒童身心的健康開(kāi)展。皮亞杰認(rèn)為，觸覺(jué)是兒童最初獲得外部環(huán)境知識(shí)的一種方式，這對(duì)兒童早期的認(rèn)知開(kāi)展至關(guān)重要。觸覺(jué)感知包括很多因素，

11、文中著重說(shuō)明材料性質(zhì)對(duì)兒童產(chǎn)生的影響，材料性質(zhì)、人際關(guān)系和環(huán)境事件對(duì)兒童產(chǎn)生情緒的影響最大，快樂(lè)和驚奇常常由材料性質(zhì)引起[10]。不同材質(zhì)的產(chǎn)品會(huì)讓兒童產(chǎn)生相應(yīng)不同的觸覺(jué)感受，柔軟的觸感能給兒童帶來(lái)快樂(lè)、幸福的感受，磨砂、光滑的觸感帶來(lái)平安穩(wěn)固、平安的感受。在設(shè)計(jì)上不同頻率的振動(dòng)可以通過(guò)觸覺(jué)到達(dá)產(chǎn)品的人機(jī)互動(dòng)反響。比方，家長(zhǎng)可以通過(guò) 終端遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人控制，對(duì)兒童做對(duì)的行為獎(jiǎng)勵(lì)一個(gè)擁抱，讓兒童從觸覺(jué)的感受上得到正確的導(dǎo)向。 觀察和調(diào)研，3～6歲兒童開(kāi)展心理開(kāi)展變化比較大，兒童具有極強(qiáng)的模仿性，通過(guò)父母、玩伴、動(dòng)畫(huà)片主人公的行為跟語(yǔ)言，兒童會(huì)對(duì)這些行為跟語(yǔ)言進(jìn)行模仿學(xué)習(xí)。在交互設(shè)計(jì)中可以將游

12、戲和模仿相結(jié)合，利用兒童這種愛(ài)模仿的個(gè)性來(lái)設(shè)置交互游戲。學(xué)前期兒童對(duì)沒(méi)見(jiàn)過(guò)的未知事物以及不斷變化運(yùn)動(dòng)的新鮮事物具有強(qiáng)烈好奇心，因此要利用兒童對(duì)未知事物的好奇心，抓住兒童好學(xué)好問(wèn)的特點(diǎn)，在機(jī)器人設(shè)計(jì)中參加語(yǔ)音交互的引導(dǎo)方式，有助于幫助兒童發(fā)現(xiàn)事物間的關(guān)聯(lián)性，這種交互方式既可以滿(mǎn)足兒童的求知欲望，又能促進(jìn)心智和思維能力的提高。語(yǔ)音交互可分多種模式，如兒童面對(duì)面提問(wèn)能夠得到機(jī)器人相應(yīng)解答，兒童能正確答復(fù)兒童陪伴機(jī)器人的問(wèn)題機(jī)器人那么以生動(dòng)語(yǔ)言加以鼓勵(lì)。針對(duì)兒童對(duì)不斷變化運(yùn)動(dòng)的新鮮事物的好奇心，在界面設(shè)計(jì)中運(yùn)用變化的畫(huà)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(lián)系的一種心理特征，心理學(xué)

13、上稱(chēng)之為依戀特征，0～6歲的兒童對(duì)父母都具有此特征[11]。依戀不僅是一種兒童現(xiàn)象，并且關(guān)系到父母對(duì)兒童日后開(kāi)展的深遠(yuǎn)影響[12]。 1.1.3學(xué)前期兒童的行為需求學(xué)前期兒童的運(yùn)動(dòng)開(kāi)展也處于質(zhì)變階段。3歲幼兒根本能夠完成許多粗大運(yùn)動(dòng)技能，如跳起、小跑等。4歲兒童可以進(jìn)行精細(xì)運(yùn)動(dòng)，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的折紙游戲或者可以畫(huà)出簡(jiǎn)單的現(xiàn)實(shí)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(shí)，兒童身體對(duì)于自己肌肉控制能力愈發(fā)加強(qiáng)，使得技能更加精細(xì)化[13]。根據(jù)帕頓的研究，3～6歲兒童游戲類(lèi)型有明顯的分層，3～4歲會(huì)無(wú)意識(shí)的對(duì)同伴行為進(jìn)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(shí)，

14、從一開(kāi)始的相互間的松散關(guān)系，逐漸變得有了相同的游戲目的的聯(lián)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(jìn)行游戲任務(wù)的分工，為到達(dá)目的，會(huì)克服困難完成游戲任務(wù)的合作游戲的行為方式。 1.2學(xué)前兒童認(rèn)知實(shí)驗(yàn)文中做了顏色和形態(tài)偏好的兩個(gè)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)前期兒童的顏色和造型偏好進(jìn)行人因分析。 1.2.1參與者實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在天津市寶坻區(qū)亞一幼兒園;該幼兒園未開(kāi)展過(guò)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)工程;幼兒園滿(mǎn)足學(xué)前期兒童的條件有210名，其中知道兒童機(jī)器人的兒童有93名〔男孩48名，女孩45名〕從93人中共隨機(jī)抽取30名兒童參加實(shí)驗(yàn)，其中15名男孩，15名女孩，平均年齡在5虛歲;實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程

15、中同等對(duì)待每名被抽取兒童，老師一直在旁監(jiān)督，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)鋒利物品，無(wú)平安隱患，實(shí)驗(yàn)員對(duì)兒童無(wú)刺激性言語(yǔ)，無(wú)過(guò)激行為，該實(shí)驗(yàn)不會(huì)對(duì)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(shí)驗(yàn)主題是分析學(xué)期前兒童對(duì)顏色和造型偏好的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一需要準(zhǔn)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(píng)果8plus ，一臺(tái)華碩i7處理器電腦。實(shí)驗(yàn)二需要準(zhǔn)備的材料：8個(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一：幼兒教師組織30名被測(cè)試兒童在A4紙上運(yùn)用手里的彩色工具根據(jù)自己的顏色喜

16、好畫(huà)一幅作品，90min內(nèi)完成，畫(huà)面完整實(shí)驗(yàn)結(jié)果即視為有效。90min后收取30張作品，將作品平放在測(cè)試臺(tái)上， 與畫(huà)面呈90垂直狀態(tài)進(jìn)入掃描，掃描傳到電腦中，用Photoshop軟件翻開(kāi)需檢測(cè)圖片，將白色背景局部摳除，再對(duì)需要測(cè)量的顏色的相近像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求比，得出顏色使用面積比例圖。實(shí)驗(yàn)二：幼兒教師組織30名被測(cè)試兒童根據(jù)實(shí)驗(yàn)員的要求指出與之匹配的積木形狀。 1.2.4統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)一分析結(jié)果：兒童繪畫(huà)使用顏色面積的大小與喜好程度呈正相關(guān)，通過(guò)調(diào)研結(jié)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(lèi)暗色[14]，3～6歲兒童最喜愛(ài)的顏色依次是紅

17、、藍(lán)、綠、黃。此外研究可以發(fā)現(xiàn)，兒童的顏色偏好有異于成人，而3～6歲兒童對(duì)顏色的偏好幾乎不存在差異[15]。 實(shí)驗(yàn)二分析結(jié)果：兒童3歲以后一般能對(duì)所觀察事物的大體輪廓外觀進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，通過(guò)形狀辨識(shí)實(shí)驗(yàn)可知，學(xué)期前兒童對(duì)于根本圖形的認(rèn)知根本保持一致，正方形、圓形、三角形3種根本形態(tài)對(duì)于3～6歲兒童而言易于理解識(shí)別。 2人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案 2.1設(shè)計(jì)靈感來(lái)源兒童陪伴機(jī)器人手繪草圖如圖2所示。 方案優(yōu)化 2.2.1平安性?xún)和惆闄C(jī)器人的平安性是家長(zhǎng)在選擇產(chǎn)品時(shí)首先要考慮的因素，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意到以下幾點(diǎn)：材質(zhì)采用環(huán)保食品級(jí)材質(zhì);其次是產(chǎn)品方案的尺寸、形態(tài)要基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，整體造型圓潤(rùn)，

18、邊緣處理要采取倒角方式;產(chǎn)品操作方式具有容錯(cuò)性，操作不當(dāng)不會(huì)造成不良后果;采用護(hù)眼燈源。 2.2.2材質(zhì)及配色設(shè)計(jì)機(jī)器人在材質(zhì)選擇上主要是以ABS材料為主，這種材料能有效的降低本錢(qián)且比較容易上色;在配色方案的選擇上，選擇的是白色、藍(lán)色明度較高的顏色搭配，通過(guò)上述色彩辨識(shí)實(shí)驗(yàn)可知，學(xué)前兒童對(duì)暖色以及色彩純度高的顏色偏愛(ài)，這款白藍(lán)顏色搭配符合該年齡階段對(duì)于色彩的認(rèn)知，有利于引導(dǎo)兒童正常的色彩心理開(kāi)展，如圖3所示。 圖3效果圖方案 2.3人因形態(tài)要素分析機(jī)身輪廓線(xiàn)的形態(tài)效果對(duì)兒童意象有重要影響。學(xué)期前兒童對(duì)生活中所見(jiàn)簡(jiǎn)單物體形態(tài)有根本的認(rèn)知，因此設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)身輪廓線(xiàn)采用了飛碟的仿生元素，梯形輪

19、廓線(xiàn)具有穩(wěn)重感和平安感;圓形非常圓潤(rùn)，顯得飽滿(mǎn)和可愛(ài)。機(jī)器人設(shè)計(jì)形態(tài)應(yīng)符合兒童的生理、心理、行為特征。 2.4人因尺寸分析通過(guò)調(diào)查對(duì)與3～6歲兒童的身高、臂長(zhǎng)以及坐姿狀態(tài)下的尺寸，做出以下分析。3～6歲兒童的身高在90～120cm左右，臂長(zhǎng)在42～47cm左右，坐姿的高度在58～96cm左右;兒童陪伴機(jī)器人的高度在20cm，對(duì)于3～6歲兒童來(lái)講，無(wú)論是站姿還是坐姿，都能以更符合人機(jī)的角度與機(jī)器人進(jìn)行人機(jī)交互。 3結(jié)語(yǔ)文中基于人因工程以及交互設(shè)計(jì)理論方法，進(jìn)行兒童陪伴機(jī)器人的界面設(shè)計(jì)，分析學(xué)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(jù)需求和認(rèn)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)全新方案

20、。通過(guò)顏色和造型偏好的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)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(lèi)暗色[14]，3～6歲兒童最喜愛(ài)的顏色的順序是紅色、藍(lán)色、綠色、黃色;學(xué)前期兒童易于理解識(shí)別正方形、圓形、三角形3種根本形態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為陪伴機(jī)器人的顏色搭配以及輪廓線(xiàn)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，使其界面設(shè)計(jì)更符合人機(jī)工程學(xué)，便于兒童與之形成良好的交互體驗(yàn)。在認(rèn)知實(shí)驗(yàn)制定方案中通過(guò)權(quán)衡減掉了材質(zhì)等與形態(tài)相關(guān)的一些不是特別重要的要素，對(duì)結(jié)果有一定的影響;其次應(yīng)對(duì)所有的形態(tài)要素進(jìn)行分析，進(jìn)一步完善回歸關(guān)系模型，驗(yàn)證兒童陪伴機(jī)器人的可用性。在未來(lái)，基于人機(jī)工程學(xué)以及交互設(shè)計(jì)的理論方法下設(shè)計(jì)的兒童陪伴機(jī)器人會(huì)隨著智能

21、科技的不斷開(kāi)展得到更廣泛的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn)： 【1】LutherE.Internationalfederationofrobotics[M].AcuPublishing，2021. 【2】任宏，張婧.O2O模式下的兒童交互產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析[J].設(shè)計(jì)，2021〔01〕：138-139. 風(fēng)格的移動(dòng)數(shù)字化早教軟件交互設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2021，30〔04〕：122-124. 2021清華國(guó)際設(shè)計(jì)管理大會(huì)論文集〔中文局部〕.北京理工大學(xué)，2021：280-286. 【5】楊明朗，郭峰，劉賀.兒童學(xué)習(xí)型游戲人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程，2021〔01〕：45-48. 【6】L

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