任務場景對人機交互需求的影響

趙 迪, 張占武

(1.北京建筑大學 機電與車輛工程學院， 北京 100044； 2.河南裕展精密科技有限公司， 河南 鄭州 450000)

根據國際機器人聯盟統計數據顯示，2019年中國服務類機器人市場規模約22億美元，約占全球25%的市場份額，中國電子學會預測未來這一比例有望達到30%[1]。隨著信息技術快速發展以及互聯網的快速普及，服務機器人在家用、醫療以及公共服務等場景的應用將會進一步擴大，面對如此廣闊的應用市場，準確、高效地滿足人機交互過程的各種需求變得至關重要。

目前，人機交互的設計主要是以人的任務需求為導向，對人的內在需求關注較少，從而導致人在交互過程中存在懷疑、排斥的態度，使得交互效率低下、交互體驗不理想[2]。生活中傳統的人工服務方式逐漸被以機器人為代表的自動化服務所取代，而人的內在需求卻得不到滿足，因此改善人機交互體驗成了亟待解決的問題。針對上述問題，本文從交互情境的角度，對人機交互過程中的心理需求、交互方式、任務績效進行分析，并選取與人們生活關系緊密的家庭陪伴、醫療看護、物流配送3類任務場景，研究不同任務場景下人的內在需求特征。通過調查問卷，對3類任務場景下人的內在需求進行分析總結，以期對人機交互的應用及設計具有一定參考價值。

1 人機交互情境

情境的概念由哥倫比亞大學SCHILIT在1994年提出，情境被定義為位置、物體和人外在的表現以及這些事物的變化[3]。情境分為5個部分：環境、場景、角色、概念和信息[4]。對于人機交互情境而言，環境及場景就是人機交互的任務場景，而角色則是人和機器人，概念及信息則主要指人機交互的任務及相關的任務績效。

1.1 心理需求

人的交互需求受到個人能力、性格、心理以及態度的影響，這些影響既有積極作用也有消極作用，且容易被人們忽略。人隨著年紀增長導致身體機能及認知能力下降，并自身感受到由此帶來的學習困難[5]，從而認為自己沒有進行這種人機交互的能力，致使人機交互需求淡化。LEMAIGNAN等[6]在研究中指出，認知能力對人的態度和行為具有重要影響，積極的認知和交流能力對交互需求能起到促進作用，而認知能力的缺失則會淡化人的交互需求。ROBERT等[7]考察了性格與人機交互需求的關系，得出互補型的人格可以促進人的交互需求的產生，即促進人機之間的互動。此外，人的心理水平對人機交互需求也有影響，WAYTZ等[8]在社交機器人的擬人化程度研究中發現，除了能力因素，人的心理疏離(如情感，意圖)也是交互需求重要的影響因素。但是目前，人機交互設計中，對人的心理需求的關注較少，缺少心理需求特征方面的研究。

美國社會心理學家馬斯洛通過多年臨床研究實驗，將人的心理需求從低到高進一步分為5個層次(圖1)，即生理需求、安全需求、社會需求、尊重需求、自我實現需求(包括審美需求和求知需求)[9]。目前，馬斯洛層次需求理論在心理需求方面的研究，得到了大部分學者的認可，基于此，本文選擇馬斯洛層次需求理論，對不同任務場景下人的心理需求特征進行探究。

圖1 馬斯洛需求層次Fig.1 Maslow’s hierarchy of needs

1.2 交互方式

從語言方式來看，人機交互方式大體可以分為2類，即語言類交互和非語言類交互(圖2)，目前對交互方式因素的研究主要集中在不同交互方式對人的行為決策的影響。例如，在機器人輔助康復訓練中，CHIDAMBARAM等[10]發現僅使用聲音提示比使用身體或言語提示更容易讓人接受機器人的建議，即符合人的交互需求的交互方式可以建立友好互信的人機交互關系。HUANG等[11]通過對比無計時器提示與語言加計時器2種交互方式對部隊任務績效的影響，發現高音量及計時器這類交互方式可以提高人機交互的任務績效，尤其是對于敏感類型的人。而最近的文獻綜述中也證實，人們更愿意與具有相似外向性格的機器人交互，而外向型的機器人的主要特點就是交互方式為自然語言。

圖2 人機交互方式Fig.2 Human-robot interaction mode

由此可見，同一任務場景下，不同的交互方式會影響人的交互體驗，從而做出不同的決策行為。因此在人機交互設計中，人機交互方式的設計應對人的交互需求進行考察，使其交互方式的需求得到滿足。

1.3 任務績效

為建立更好的人機交互體驗，提高人機交互任務的滿意度，通常會對人機交互任務績效進行評估。評估范圍按照角色分類主要包含人、機器人兩方面。

人的績效評估主要集中在工作負荷，而機器人的任務績效評估則是人們關注的重點，主要包含生產工作能力(布置任務時間、自主性等)、安全性、效率(完成動作效率)、可靠性(無故障執行時間、有效性等)以及合作性(擬人化)等方面。HEIKKINEN等[12]在對移動機器人的生存能力進行研究時，通過調查發現可靠性對移動機器人的生存能力具有重要影響，可靠性高的機器人，在與人交互過程中生存能力往往比較強。張漢琪等[13]在研究中指出，通過任務分解使人的腦力負荷降低，可以提高人機交互有效性。此外，人機交互的安全性也是影響任務績效的重要因素。TUSSYADIAH等[14]在研究擬人化的設計對用于登機的服務機器人的影響時發現，擬人化的設計可以提高人的安全感知和合作意識，進而影響交互效率。

2 任務場景

國際機器人聯盟(IFR)將服務機器人的應用場景分為了三大類：家用、醫療、公共服務。根據機器人產業發展報告顯示，家用服務機器人市場規模高于醫療及公共服務領域，特別是在2020年疫情期間，人們處于居家隔離狀態，對家用機器人需求急速增大。人們對家用服務機器人的需求主要集中在家務、娛樂以及陪伴等任務方面。輔助老年人完成家務設計的類人機器人系統，提高了老年人家庭活動的便捷性和效率[15]。而在家庭娛樂方面則主要以語音助手類的機器人為主，百度公司推出的小度機器人以及小米公司的小i機器人等都具有語音交流以及進行一些語音類娛樂活動的能力，滿足了人們對家庭娛樂的部分需求。

此外，醫療看護也是服務類機器人中一個重要的應用領域。我國人口老齡化問題日益嚴重，對醫療看護類機器人的需求與日俱增。MYNATT等[16]認為年齡越大，老年人在獨立生活中所面臨的挑戰就越大。這些挑戰包括行動不便、溝通障礙等導致的情感健康、身體健康和心理健康問題[17]。因此，醫療服務類的機器人，不僅要滿足人對身體健康的需求，還要考慮人的心理及情感的需求。

公共服務機器人主要指在醫學領域外的農業、金融、物流等公共場合為人類提供一般服務的機器人。針對試驗區農作物表征測量分析困難導致農作物產量低的問題，MUELLER等[18]提出了新型地面機器人平臺，通過非接觸式傳感器收集表征數據，從而提高農作物產量。IVANOV等[19]對酒店服務機器人的調查中發現，酒店服務機器人已經由開始的迎賓導航擴展到送餐、清潔服務領域，并且在調查中發現人們更傾向于入住具有多種服務機器人的酒店。目前，國內快遞數量逐年增加，人們對物流服務的需求越來越高，而物流服務機器人還處于初期發展階段，因此對物流機器人需求的問題進行考察顯得尤為必要。

以往對人機交互需求的研究，關注的重點主要是人機交互的任務績效，缺少對人的心理需求的考察，并且尚未討論不同任務場景下人的交互需求特征。通過分析，發現心理需求、交互方式以及任務績效對人機的交互需求具有重要影響，并且家庭陪伴、醫療看護、物流配送任務場景的需求特征尚不明確，因此對這3類任務場景下人的交互需求進行探究，對服務類機器人的應用發展具有非常重要的指導意義。

3 研究方法

通過對人機交互情境中心理需求、交互方式、任務績效的分析，運用李克特量表法進行問卷設計，通過在線發放問卷的方式收集人的主觀評價數據，并對收集的數據進行分析總結。

3.1 數據來源

調查對象主要為在校學生，年齡大多集中在19～28歲。調查中共發放問卷206份，收回有效問卷192份，有效樣本量滿足樣本量至少為測量問項5倍的要求。其中女性106名，男性86名。參與調查者的文化程度均在專科以上。

問卷內容主要包含兩部分，第一部分是根據家庭、醫療、物流3類與生活聯系較為密切的任務場景，分別擬定3類任務：與陪伴機器人進行跳棋游戲、醫療看護機器人幫助不能起身的人坐起、物流配送機器人取快遞，通過3類任務分別對人的心理需求、任務績效等相關的12個指標進行打分，被調查人員采用5級李克特量表法為每個指標打分，打分的高低代表用戶的滿意程度，并且對各任務場景下的交互方式進行選擇，選擇題型為多選。第二部分是個人信息部分，包括被調查人員的性別、年齡、學歷、職業等。

3.2 自變量

本研究的自變量為任務場景，選擇家庭陪伴、醫療看護、物流配送3類任務場景作為主要研究對象，即本研究的自變量。

3.3 因變量

因變量包括心理需求、交互方式、任務績效。

人的心理需求歸納為生理需求、安全需求、社會需求、尊重需求、審美需求和求知需求，根據馬斯洛需求層次理論可知，只有低層心理需求得到滿足，人們才會追求高層次的心理需求。而人的生理需求是人生存的基本需求，因此認為被調查人員的生理需求均得到滿足。

交互方式包括自然語言、觸屏式、動/靜態手勢、人臉識別、腦控及其他交互方式。

任務績效包括機器人的布置任務時間、自主性、安全性、完成動作效率、無故障執行時間、有效性以及擬人化。

3.4 信效度分析

信度分析即可靠性分析，用來檢驗結果的一致性程度，一致性程度越高結果可信度越強，本文采用Alpha信度系數法，得出心理需求、任務績效指標Alpha值均大于0.6，表明信度良好，可以接受。效度是指測量指標正確反映所要測量事物的程度，本文采用KMO樣本測度和巴萊特球體檢驗方法，得出心理需求、任務績效各指標值均大于0.6，各測量指標效度有效。

4 結果與分析

4.1 描述性結果分析

3類任務場景中被試者的心理需求得分的統計結果見表1。數據表明，3類任務場景下，社會需求均值普遍較高，均在4.10以上；此外，在家庭陪伴任務場景中，人們的審美需求均值最低，得分僅為3.96；而在醫療看護任務場景中，人們的審美需求均值最高，為4.34；在物流配送任務場景中，人們的安全需求均值最高，為4.47。

表1 心理需求描述性統計分析

3類任務場景中交互方式選擇統計結果見表2。數據表明，3類任務場景下，自然語言交互方式的均值最高。觸屏式交互方式下，家庭陪伴任務場景的均值明顯低于另外2類任務場景。物流配送任務場景中，除自然語言交互方式外，觸屏式交互方式的均值最高，為0.59。在醫療看護任務場景中，除“其他”交互方式外，腦控交互方式的均值最低，為0.35。

3類任務場景中人們對各類任務績效的關注度的統計結果見表3。數據表明，在家庭陪伴、物流配送任務場景中，人們對機器人的布置任務時間、完成動作效率、有效性關注較高；而在醫療看護任務場景中，人們更關注機器人的無故障執行時間及自主性。

4.2 非參數檢驗及分析

由于本文對樣本研究中并不包括總體參數，并且樣本分布狀況未知，因此采用非參數檢驗來探究任務場景對人機交互需求的差異影響。

表2 交互方式描述性統計分析

表3 任務績效描述性統計分析

4.2.1 不同任務場景的心理需求差異分析

根據數據，建立原假設H0：任務場景對人的心理需求的影響沒有差異；備擇假設H1：任務場景對人的心理需求的影響有差異。檢驗方法為Kruskal Wallis 檢驗，分組變量為任務場景類別，結果見表4。

表4 心理需求差異檢驗統計量

表4數據表明，不同任務場景下的被調查者之間的大部分心理需求存在顯著性差異(p<0.050)，而求知需求普遍較高，差異性不顯著(p=0.914)。由表1可知家庭陪伴及醫療看護的社會需求的均值明顯高于物流配送；對于尊重需求及安全需求的均值，物流配送任務場景又高于家庭陪伴及醫療看護任務場景。

3類任務場景中，人的最基本的生理需求均得到滿足，因此人們開始渴求高層次的心理需求。物流配送任務場景下的安全需求高于家庭陪伴及醫療看護任務場景，造成這種現象的原因可能是由于上述2類場景下的機器人均為類人機器人，這種類型機器人提高了人們的安全感知，因此對安全需求反而不高。而家庭陪伴及醫療看護任務場景下，人與機器人交互的時間往往比物流配送機器人與人交互時間長，因此人們更愿意與自己共處時間長的機器人交朋友，以滿足自己的社會需求。

3類任務場景下，人的求知需求普遍較高，這是由于類人機器人及配送機器人還尚未普及，人們出于好奇更渴望了解這些新奇的機器人，此外求知需求也會激發人們的消費行為，基于此，機器人設計人員應在滿足基本要求的基礎上，保證功能多樣。

4.2.2 不同任務場景的交互方式差異分析

從交互方式來看，3類任務場景中，人們更偏向于自然語言及觸屏式交互。根據調查數據建立原假設H3：任務場景對交互方式的影響沒有差異；備擇假設H4：任務場景對交互方式的影響有差異。檢驗方法為Kruskal Wallis 檢驗，分組變量為任務場景類別，結果見表5。

表5 交互方式差異檢驗統計量

表5數據表明，不同任務場景下的被調查者之間的交互方式差異性不顯著性(p>0.050)；根據表2可知，醫療看護任務場景下“其他”交互方式的均值為0.01，而另外2類任務場景下“其他”交互方式的均值遠遠大于0.01，因此該項差異性十分顯著。

人們在3類任務場景中對交互方式的選擇，普遍偏向于自然語言交互，一方面是因為自然語言交互方式簡單明了，另一方面是這3類任務場景與人們自身聯系緊密，因此人們更傾向于自然語言溝通。尤其是在家庭陪伴任務場景中，對于陪伴機器人，人們對自然語言交互方式的選擇率遠高于其他交互方式，表1數據表明在家庭陪伴任務場景中，人們的社會需求希望得到滿足，而對于社交方式，自然語言顯然是最符合人們生活常態的方式，這也符合人機交互方式的發展趨勢[20]。醫療看護任務場景中，選擇腦控交互方式的人最少。現階段的腦控交互技術尚不成熟，需要人在頭部佩戴相應的傳感設備，而根據表1數據可知，醫療看護任務場景中對審美需求比較高，頭部佩戴傳感設備無疑會影響美觀，這可能是腦控交互選擇人數較少的一部分原因。

4.2.3 不同任務場景的任務績效差異分析

對于任務績效的差異性檢驗，根據數據，建立原假設H5：任務場景對任務績效的影響沒有差異；備擇假設H6：任務場景對任務績效的影響有差異。檢驗方法為Kruskal Wallis檢驗，分組變量為任務場景類別，結果見表6。

表6 任務績效差異檢驗統計量

表6數據表明，不同任務場景下的被調查者之間對任務績效存在顯著性差異(p<0.050)；而對于機器人擬人化指標，差異性不顯著(p=0.320)，即表明3類任務場景下人們均傾向于與類人機器人交互。由表3可知人們對家庭陪伴及物流配送任務場景下給機器人布置任務時間以及機器人完成動作效率關注度最高；對于醫療看護任務場景，人們更關注機器人自主性及無故障執行時間。

家庭陪伴任務場景中，當人與機器人下棋時，人們希望與自己交互的機器人動作流暢，抓取棋子有效性高，同時，安全性也是人們關注的重點，具有機械手及五官的擬人機器人會提高人的安全感知。而對于物流配送機器人，人與機器人交互的主要任務就是取快遞，因此對于機器人完成動作效率要求較高。調查中還發現人們對于醫療看護機器人的布置任務時間及完成動作效率的關注度遠低于另外2類任務場景。在醫療看護任務場景中，人的身體機能相對于機器人處于劣勢，因此人們更傾向于無故障執行時間少及自主性能高的醫療看護機器人，并且這2個指標優先級高于機器人完成動作效率，表3的數據也驗證了這一點。

綜上所述，在家庭陪伴、醫療看護、物流配送任務場景中，人的求知需求普遍較高；人們對于家庭陪伴及醫療看護任務場景的社會需求高于物流配送任務場景下的社會需求。

5 結論

本文研究了任務場景對人機交互需求的影響，通過文獻分析影響人機交互情境的相關因素，選取家庭陪伴、醫療看護、物流配送3類與生活聯系較為緊密的任務場景，通過問卷調查了解人們在不同任務場景下交互方式的偏好以及各個任務績效指標的關注度，并分析了任務場景對人機交互心理需求的影響，結果表明：

1)人們在不同任務場景下人機交互的心理需求差異顯著。家庭陪伴場景中人的社會需求和審美需求較高；醫療看護場景中人的社會需求較高；物流配送場景中人的安全需求和尊重需求較高；3類任務場景下人們的求知需求普遍較高。

2)人們在不同任務場景下交互方式的偏好差異性不顯著，表現為在不同任務場景中人們的交互方式普遍偏向于自然語言和觸屏式交互的方式。

3)人們在不同任務場景下對任務績效指標的關注度差異性顯著。家庭陪伴和物流配送場景中，人們對機器人的完成動作效率和有效性關注較高；而在醫療看護場景中人們更關注機器人的無故障執行時間和自主性。

本文得到的結果可以應用在家庭陪伴、醫療看護、物流配送類機器人的需求分析和交互設計等方面。