服务机器人的屏幕设计偏好研究

葛翔，许诗卉，王璟铭，杨帆，刘玳言，赵敏，徐濛

(百度(中国)有限公司，北京 100193)

1 引言

随着各类传感器、语音交互、机器视觉、SLAM等技术的不断成熟，以及公众和B端客户(如商家、各类机构)对机器人的认知越来越高，服务机器人行业蓬勃发展，服务机器人走进越多越多的公共场合，比如银行、机场、酒店、博物馆、餐厅等等，提供信息查询、业务办理、引导、娱乐等服务。

凭借在信息展示(视觉)和交互上(触觉)的优势，屏幕仍然是人和机器人交互的主要界面[1]，几乎成为服务机器人的标配。按照外型和屏幕形态，现有的公共场合服务机器人大致可分为两大类：第一大类是有“头部”这一拟人特征，这样的拟人机器人的屏幕设计可以分为三种，第一种是单屏，胸口带着一块屏幕，如日本软银的Pepper[2]；第二种也是单屏，但机器人头部就是一块屏幕，如科沃斯的旺宝[3]；第三种是双屏，其头部是屏幕，身体上也有一块屏幕，比如百度的小度机器人[4]；第二大类是没有“头部”这一拟人特征，机器人由一体化大屏幕组成，其形态拟人度较低，如云迹科技的云帆机器人[5]。那么，不同的屏幕形态是否会影响用户的偏好、认知甚至行为呢？如果存在影响，又是何种影响呢？这是本研究聚焦的问题。

机器人外观一直是人—机器人交互领域的研究热点。已有大量研究发现，机器人的外观会影响人们对机器人的认知和行为[6-9]，这种影响甚至在无意识层面起作用，影响人们的行为和感知[10]。尤其是在公共场合，许多与机器人互动的人都是经验很少的新手，他们的初步印象可能都是基于机器人的外观形成的[11]。遗憾的是，现有机器人外观研究主要集中在整体造型、身体形状、头部与面部设计、拟人化等方面，而对机器人屏幕涉猎较少。

当前针对机器人屏幕的研究主要集中在屏幕显示内容，对屏幕形态研究较少。Broadbent等研究发现，机器人头部屏幕上的“脸”会影响人对机器人的感知，具有人形面部表情的机器人最受欢迎，被认为最有头脑、最有活力、最善交际以及最和蔼可亲[12]；Jung等人研究发现，和机器人身体相比，位于机器人屏幕上的性别线索对用户感知机器人性别影响更大。这意味着，机器人的屏幕为嵌入社交线索提供了一个令人信服的“场所”，在不改变机器人形态和运动设计的情况下，就能获得用户强烈的社交反应[13]。Broadbent等人研究了用户对8类不同形状机器人的偏好，发现和头部屏幕相比，用户更喜欢机器人身体上的屏幕，部分原因是屏幕比较大[14]。但是该研究针对的是老年护理机器人，且设计的屏幕形态也比较有限，研究结论能否推论到公共场合的服务机器人值得商榷。

本研究中，探索了用户对公共场合服务机器人屏幕形态的偏好，关注了三类屏幕形态：头部单屏(机器人头部为屏幕)；双屏(机器人头部和身体均带有屏幕)以及一体屏，Pepper这类单屏机器人(胸口带屏幕)并不在本次研究范围。之所以如此，是因为越来越多的商业机器人在头部使用屏幕，并将“脸”渲染到屏幕上，以此来代替静态的机械头部[15]。这是由平板电脑的易用性、编程的便捷性等推动的，并且在屏幕上呈现脸部使其设计更加灵活，同时也可以让脸部更易展示眨眼、凝视和面部表情[15]，因此我们有理由相信，头部为屏幕是未来机器人发展的一大趋势。

2 研究方法

2.1 实验目的

针对服务机器人的屏幕设计，了解用户三类屏幕形态(头部单屏、双屏、一体屏)的偏好。考虑到屏幕是信息呈现的载体，同时探索屏幕是否呈现信息时，用户偏好是否有差异。

2.2 实验设计

实验采用3*2被试内设计，自变量一为屏幕设计方案，包括头部单屏(在后续研究中简称单屏)、双屏、一体屏三个水平；自变量二为屏幕是否显示信息，包括有信息显示和无信息显示两个水平。

实验因变量为用户的偏好选择、互动意愿以及用户对于机器人的智能度、拟人度感知。用户的偏好选择通过对偶比较法得到，互动意愿、智能度、以及拟人度使用李克特7点量表评分获取。

2.3 实验材料

机器人模型制作成本高、周期长，为了还原用户对机器人设计(如：机器人高度、屏幕大小等)的真实感知，研究员通过Rhino建模制作了三种不同屏幕形态的机器人(如图1)，并使用1:1等高投影设计方案。双屏和单屏机器人具有典型的头部。为了控制其它因素的影响，三种设计形态遵循以下原则：(1)控制尺寸，保证每个模型的高度和宽度一致；(2)控制颜色，统一使用白色作为机器人的主要颜色，排除颜色对用户的影响；(3)控制肢体设计，机器人模型没有设计双手，在实验中向用户明示并强调忽略该影响；(4)所有机器人都具备双轮，并告知用户机器人可移动。

在信息呈现方面，考虑到机场是机器人未来的使用场景之一，研究员在屏幕上呈现某一航班信息(如图1)，并保证三类屏幕上的信息含量一致(注：向用户说明单屏机器人的头部屏幕将会表情和信息交替呈现)。

2.4 实验环境和设备

本次实验使用1:1等高投影设计方案，机器人高度为1.5 m。并且为了能让用户近距离感受，使用了摄影硫酸纸作为屏幕进行背面投影，投影设备为极米Z6，分辨率：1 920*1 080，亮度：700ANSI流明。为保证投影效果在实验过程中严格控制灯光。

2.5 实验流程

首先进行屏幕无信息显示时对偶比较。研究员将设计方案按照1:1等高投影，两两呈现，用户选择自己更喜欢的方案(方案用A/B代替)，总共比较3次。为了控制顺序对实验结果的影响，通过拉丁方平衡对比呈现顺序。选择完毕后，邀请用户针对每个设计方案进行相应指标评分并阐述原因。

然后进行屏幕有信息显示时对偶比较，实验流程同上。

2.6 被试

实验邀请了30名用户，男女各半，年龄在18-44岁之间，用户均为互联网公司员工，涵盖不同岗位(包括：人事、财务、技术、产品等)，且均有公共场所服务机器人使用经验。实验后每名用户都能收到一定价值的礼品卡作为酬谢。

3 研究结果

3.1 对偶结果的处理及检验

首先，将对偶结果转化为每种设计被选择的概率，计算方法为：每种设计实际被选择的次数与每种设计最多可能被选择的次数(此处为2次)的比率，即为每种设计被选择的概率。对每种设计的选择概率进行描述统计，结果如表1。

表1 每种设计的选择概率的平均值(标准差)

为了检验用户对三种屏幕设计的偏好是否具有显著差异，我们分别在有或无信息的条件下，对三种屏幕设计选择概率进行Friedman双向方差分析。我们发现三种设计的选择概率在有无信息呈现条件下均存在显著差异(无信息时：χ2(2) = 16.759,P<0.001；有信息时，χ2(2) = 34.067,P<0.001)。随后，我们使用Wilcoxon T检验对三种屏幕设计进行进一步的成对比较，发现在无信息时，双屏设计的选择概率显著高于单屏与一体屏，而单屏和一体屏之间无显著差异。而在有信息时，单屏设计的选择概率显著低于双屏设计与一体屏设计。此外，双屏的选择概率高于一体屏，达到了边缘显著(P=0.051)的水平(结果如表2所示)。因此，总体而言，无论在有无信息的条件下，双屏设计的优势较其它两种设计都较为明显。

表2 有无信息时，各个设计的成对比较(基于Wilcoxon T 检验)

*表示差异在统计上显著(P<=0.05)。

此外，我们想检验呈现信息是否会使用户对每种屏幕设计的偏好产生影响。因此，针对三种屏幕设计，分别对有无信息设计选择概率进行Wilcoxon T检验，发现在有信息时，单屏设计的选择概率显著低于无信息时(Z=-3.398，P=0.001)，而一体屏设计的选择概率显著高于无信息时(Z=-2.831，P=0.005)。而双屏设计在有无信息时选择概率无显著区别(-0.258,P=1.000)。即用户对双屏设计的偏好不受有无信息呈现的影响，而呈现信息，使用户对一体屏的偏好升高，对单屏的偏好下降。

3.2 主观评分结果

每个设计在各个维度的主观评分结果如表3所示。

表3 每种设计的观评分的平均值和标准差

为了检验用户对于三种设计在不同的维度打分是否具有差异，我们分别在有无信息的情况下对三种设计的打分进行显著性检验。由于数据不满足单因素重复测量方差分析的假设，因此我们依旧采用了非参数检验。首先以各个维度为因变量，分别在有无信息的情况下，对三种设计的评分进行了Friedman双向方差分析(如表4所示)。如果发现显著差异，再进一步用Wilcoxon T检验进行成对检验。

表4 有无信息时，三个设计各个维度的得分Friedman检验

互动意愿 在无信息时，用户对双屏的互动意愿显著高于单屏和一体屏设计，而它们之间无显著差异。在有信息时，单屏的互动意愿最低，而双屏和一体屏之间没有区别(见表5)。

表5 有无信息时，各个设计互动意愿的成对比较(基于Wilcoxon T 检验)

*表示差异在统计上显著(P<=0.05)。

智能度 无论有无信息，双屏设计的智能度评价都显著高于单屏和一体屏。而在无信息时，单屏和一体屏之间没有显著差异，但在有信息时，一体屏的智能度评价比单屏更高(见表6)。

表6 有无信息时，各个设计智能度的成对比较(基于Wilcoxon T 检验)

*表示差异在统计上显著(P<=0.05)。

拟人度 在有无信息时，一体屏的拟人度评价都显著低于单屏和双屏，在无信息时，单屏和双屏之间无显著差异。但在有信息时双屏的拟人度显著高于单屏(见表7)。

表7 有无信息时，各个设计拟人度的成对比较(基于Wilcoxon T 检验)

*表示差异在统计上显著(P<=0.05)。

4 讨论

本研究探讨了用户对三种机器人屏幕设计的偏好,结果发现：无论屏幕是否呈现信息，用户最偏好的都是双屏设计。结合定性分析发现，用户选择时主要考虑了“拟人度”与 “信息展现效率”两个因素。双屏设计同时具备“拟人度高”以及“信息展现效率高”两个优势。首先，双屏具有“头部”这一拟人的特征，一方面头部是拟人机器人的拟人程度最直观的标志[16]，另一方面用户期待“头部”呈现“表情”，表情是人际交往中传达信息很重要的一个部分，尤其是情绪的传递[17]。所以主观评分中其拟人度感知显著高于一体屏。而拟人度会进一步影响用户“互动意愿”。用户认为服务机器人承担一定社会职能，拟人化显得更加友好，能够增加互动意愿。其次，人-机器人交互效率备受用户关注。服务机器人承担着信息查询、业务办理、引导等功能，屏幕是重要的信息载体和交互载体，在第一轮对比中，机器人并未呈现信息，部分用户会主动代入使用场景，认为双屏设计屏幕大，在交互的过程中效率更高，体验更好。第二轮对比中，机器人屏幕呈现信息进一步加强了用户的选择。最后，拟人度、屏幕也会影响用户对于机器人智能度的感知。一方面，用户认为机器人在造型、表情等层面拟人度高时，其智能度越高，这一点在Mirnig[18]等人的研究中也得到验证。另一方面，当机器人的屏幕面积越大，其所能承担的功能更多，“办事”效率更高，因此也会被认为更加智能。

有意思的是，用户对单屏、一体屏的偏好因屏幕是否呈现信息而存在差异。无信息时，单屏和一体屏没有显著差异；而有信息时，用户对一体屏偏好显著高于单屏。 这一差异反映出用户在“感性”和“理性”中取舍。第一轮对偶比较不呈现信息，虽然部分用户会代入使用场景考虑交互效率，但整体上单屏设计因其因拟人度，营造了亲切友好的想象，受到用户青睐。第二轮对偶比较呈现信息，单屏受到两方面影响。首先，头部屏幕用户呈现信息，表情传递受到影响。其次，单屏屏幕更小，信息传递效率不如一体屏。相反，一体屏屏幕上方显示了表情，使其拟人度评分较无信息时有所升高，同时信息更易读、交互更便捷，所以用户对于一体屏的偏好显著高于单屏，甚至接近双屏。该结果对于后续设计和研究重要启示。在设计上，当因为各种成本、场景等各种因素只能采用一体屏设计时，可以考虑在屏幕的上添加部分“拟人”元素来弥补用户诉求。在研究上，我们在测试某一因素而控制其它因素得出结论时，也需考虑其它被控制的因素会对结果产生什么样的影响。尤其是当用户纯粹从外观考虑偏好时，容易低估实用性的影响。

5 研究局限和展望

考虑到机器人设计初期，制作机器人真实模型时间和金钱成本高，本次研究采用建模并投影的方式最大程度还原用户对于机器人的感知。实验中用户不能和机器人实际交互，所以采用主观评价作为衡量指标。但在人机互动中，用户的客观行为是反应用户体验、偏好的重要衡量标准。后续将待机器人投入市场后，深入用户使用场景研究用户和机器人交互的各类行为，优化双屏类机器人的交互体验。

6 结论

(1)双屏设计的机器人最受用户偏好，因其“拟人度高”且“信息展现效率高”；(2)当不呈现信息时，用户对头部单屏和一体屏设计存在个体差异，但整体无显著差异，但当呈现信息时，用户对一体屏设计的偏好显著高于头部单屏设计，这可能是由于呈现信息时，“信息展现效率”这一因素的影响被放大；(3)在进行外观屏幕设计时，需考虑用户的选择误差。