任务场景对人机交互需求的影响

赵 迪, 张占武

(1.北京建筑大学 机电与车辆工程学院， 北京 100044； 2.河南裕展精密科技有限公司， 河南 郑州 450000)

根据国际机器人联盟统计数据显示，2019年中国服务类机器人市场规模约22亿美元，约占全球25%的市场份额，中国电子学会预测未来这一比例有望达到30%[1]。随着信息技术快速发展以及互联网的快速普及，服务机器人在家用、医疗以及公共服务等场景的应用将会进一步扩大，面对如此广阔的应用市场，准确、高效地满足人机交互过程的各种需求变得至关重要。

目前，人机交互的设计主要是以人的任务需求为导向，对人的内在需求关注较少，从而导致人在交互过程中存在怀疑、排斥的态度，使得交互效率低下、交互体验不理想[2]。生活中传统的人工服务方式逐渐被以机器人为代表的自动化服务所取代，而人的内在需求却得不到满足，因此改善人机交互体验成了亟待解决的问题。针对上述问题，本文从交互情境的角度，对人机交互过程中的心理需求、交互方式、任务绩效进行分析，并选取与人们生活关系紧密的家庭陪伴、医疗看护、物流配送3类任务场景，研究不同任务场景下人的内在需求特征。通过调查问卷，对3类任务场景下人的内在需求进行分析总结，以期对人机交互的应用及设计具有一定参考价值。

1 人机交互情境

情境的概念由哥伦比亚大学SCHILIT在1994年提出，情境被定义为位置、物体和人外在的表现以及这些事物的变化[3]。情境分为5个部分：环境、场景、角色、概念和信息[4]。对于人机交互情境而言，环境及场景就是人机交互的任务场景，而角色则是人和机器人，概念及信息则主要指人机交互的任务及相关的任务绩效。

1.1 心理需求

人的交互需求受到个人能力、性格、心理以及态度的影响，这些影响既有积极作用也有消极作用，且容易被人们忽略。人随着年纪增长导致身体机能及认知能力下降，并自身感受到由此带来的学习困难[5]，从而认为自己没有进行这种人机交互的能力，致使人机交互需求淡化。LEMAIGNAN等[6]在研究中指出，认知能力对人的态度和行为具有重要影响，积极的认知和交流能力对交互需求能起到促进作用，而认知能力的缺失则会淡化人的交互需求。ROBERT等[7]考察了性格与人机交互需求的关系，得出互补型的人格可以促进人的交互需求的产生，即促进人机之间的互动。此外，人的心理水平对人机交互需求也有影响，WAYTZ等[8]在社交机器人的拟人化程度研究中发现，除了能力因素，人的心理疏离(如情感，意图)也是交互需求重要的影响因素。但是目前，人机交互设计中，对人的心理需求的关注较少，缺少心理需求特征方面的研究。

美国社会心理学家马斯洛通过多年临床研究实验，将人的心理需求从低到高进一步分为5个层次(图1)，即生理需求、安全需求、社会需求、尊重需求、自我实现需求(包括审美需求和求知需求)[9]。目前，马斯洛层次需求理论在心理需求方面的研究，得到了大部分学者的认可，基于此，本文选择马斯洛层次需求理论，对不同任务场景下人的心理需求特征进行探究。

图1 马斯洛需求层次Fig.1 Maslow’s hierarchy of needs

1.2 交互方式

从语言方式来看，人机交互方式大体可以分为2类，即语言类交互和非语言类交互(图2)，目前对交互方式因素的研究主要集中在不同交互方式对人的行为决策的影响。例如，在机器人辅助康复训练中，CHIDAMBARAM等[10]发现仅使用声音提示比使用身体或言语提示更容易让人接受机器人的建议，即符合人的交互需求的交互方式可以建立友好互信的人机交互关系。HUANG等[11]通过对比无计时器提示与语言加计时器2种交互方式对部队任务绩效的影响，发现高音量及计时器这类交互方式可以提高人机交互的任务绩效，尤其是对于敏感类型的人。而最近的文献综述中也证实，人们更愿意与具有相似外向性格的机器人交互，而外向型的机器人的主要特点就是交互方式为自然语言。

图2 人机交互方式Fig.2 Human-robot interaction mode

由此可见，同一任务场景下，不同的交互方式会影响人的交互体验，从而做出不同的决策行为。因此在人机交互设计中，人机交互方式的设计应对人的交互需求进行考察，使其交互方式的需求得到满足。

1.3 任务绩效

为建立更好的人机交互体验，提高人机交互任务的满意度，通常会对人机交互任务绩效进行评估。评估范围按照角色分类主要包含人、机器人两方面。

人的绩效评估主要集中在工作负荷，而机器人的任务绩效评估则是人们关注的重点，主要包含生产工作能力(布置任务时间、自主性等)、安全性、效率(完成动作效率)、可靠性(无故障执行时间、有效性等)以及合作性(拟人化)等方面。HEIKKINEN等[12]在对移动机器人的生存能力进行研究时，通过调查发现可靠性对移动机器人的生存能力具有重要影响，可靠性高的机器人，在与人交互过程中生存能力往往比较强。张汉琪等[13]在研究中指出，通过任务分解使人的脑力负荷降低，可以提高人机交互有效性。此外，人机交互的安全性也是影响任务绩效的重要因素。TUSSYADIAH等[14]在研究拟人化的设计对用于登机的服务机器人的影响时发现，拟人化的设计可以提高人的安全感知和合作意识，进而影响交互效率。

2 任务场景

国际机器人联盟(IFR)将服务机器人的应用场景分为了三大类：家用、医疗、公共服务。根据机器人产业发展报告显示，家用服务机器人市场规模高于医疗及公共服务领域，特别是在2020年疫情期间，人们处于居家隔离状态，对家用机器人需求急速增大。人们对家用服务机器人的需求主要集中在家务、娱乐以及陪伴等任务方面。辅助老年人完成家务设计的类人机器人系统，提高了老年人家庭活动的便捷性和效率[15]。而在家庭娱乐方面则主要以语音助手类的机器人为主，百度公司推出的小度机器人以及小米公司的小i机器人等都具有语音交流以及进行一些语音类娱乐活动的能力，满足了人们对家庭娱乐的部分需求。

此外，医疗看护也是服务类机器人中一个重要的应用领域。我国人口老龄化问题日益严重，对医疗看护类机器人的需求与日俱增。MYNATT等[16]认为年龄越大，老年人在独立生活中所面临的挑战就越大。这些挑战包括行动不便、沟通障碍等导致的情感健康、身体健康和心理健康问题[17]。因此，医疗服务类的机器人，不仅要满足人对身体健康的需求，还要考虑人的心理及情感的需求。

公共服务机器人主要指在医学领域外的农业、金融、物流等公共场合为人类提供一般服务的机器人。针对试验区农作物表征测量分析困难导致农作物产量低的问题，MUELLER等[18]提出了新型地面机器人平台，通过非接触式传感器收集表征数据，从而提高农作物产量。IVANOV等[19]对酒店服务机器人的调查中发现，酒店服务机器人已经由开始的迎宾导航扩展到送餐、清洁服务领域，并且在调查中发现人们更倾向于入住具有多种服务机器人的酒店。目前，国内快递数量逐年增加，人们对物流服务的需求越来越高，而物流服务机器人还处于初期发展阶段，因此对物流机器人需求的问题进行考察显得尤为必要。

以往对人机交互需求的研究，关注的重点主要是人机交互的任务绩效，缺少对人的心理需求的考察，并且尚未讨论不同任务场景下人的交互需求特征。通过分析，发现心理需求、交互方式以及任务绩效对人机的交互需求具有重要影响，并且家庭陪伴、医疗看护、物流配送任务场景的需求特征尚不明确，因此对这3类任务场景下人的交互需求进行探究，对服务类机器人的应用发展具有非常重要的指导意义。

3 研究方法

通过对人机交互情境中心理需求、交互方式、任务绩效的分析，运用李克特量表法进行问卷设计，通过在线发放问卷的方式收集人的主观评价数据，并对收集的数据进行分析总结。

3.1 数据来源

调查对象主要为在校学生，年龄大多集中在19～28岁。调查中共发放问卷206份，收回有效问卷192份，有效样本量满足样本量至少为测量问项5倍的要求。其中女性106名，男性86名。参与调查者的文化程度均在专科以上。

问卷内容主要包含两部分，第一部分是根据家庭、医疗、物流3类与生活联系较为密切的任务场景，分别拟定3类任务：与陪伴机器人进行跳棋游戏、医疗看护机器人帮助不能起身的人坐起、物流配送机器人取快递，通过3类任务分别对人的心理需求、任务绩效等相关的12个指标进行打分，被调查人员采用5级李克特量表法为每个指标打分，打分的高低代表用户的满意程度，并且对各任务场景下的交互方式进行选择，选择题型为多选。第二部分是个人信息部分，包括被调查人员的性别、年龄、学历、职业等。

3.2 自变量

本研究的自变量为任务场景，选择家庭陪伴、医疗看护、物流配送3类任务场景作为主要研究对象，即本研究的自变量。

3.3 因变量

因变量包括心理需求、交互方式、任务绩效。

人的心理需求归纳为生理需求、安全需求、社会需求、尊重需求、审美需求和求知需求，根据马斯洛需求层次理论可知，只有低层心理需求得到满足，人们才会追求高层次的心理需求。而人的生理需求是人生存的基本需求，因此认为被调查人员的生理需求均得到满足。

交互方式包括自然语言、触屏式、动/静态手势、人脸识别、脑控及其他交互方式。

任务绩效包括机器人的布置任务时间、自主性、安全性、完成动作效率、无故障执行时间、有效性以及拟人化。

3.4 信效度分析

信度分析即可靠性分析，用来检验结果的一致性程度，一致性程度越高结果可信度越强，本文采用Alpha信度系数法，得出心理需求、任务绩效指标Alpha值均大于0.6，表明信度良好，可以接受。效度是指测量指标正确反映所要测量事物的程度，本文采用KMO样本测度和巴莱特球体检验方法，得出心理需求、任务绩效各指标值均大于0.6，各测量指标效度有效。

4 结果与分析

4.1 描述性结果分析

3类任务场景中被试者的心理需求得分的统计结果见表1。数据表明，3类任务场景下，社会需求均值普遍较高，均在4.10以上；此外，在家庭陪伴任务场景中，人们的审美需求均值最低，得分仅为3.96；而在医疗看护任务场景中，人们的审美需求均值最高，为4.34；在物流配送任务场景中，人们的安全需求均值最高，为4.47。

表1 心理需求描述性统计分析

3类任务场景中交互方式选择统计结果见表2。数据表明，3类任务场景下，自然语言交互方式的均值最高。触屏式交互方式下，家庭陪伴任务场景的均值明显低于另外2类任务场景。物流配送任务场景中，除自然语言交互方式外，触屏式交互方式的均值最高，为0.59。在医疗看护任务场景中，除“其他”交互方式外，脑控交互方式的均值最低，为0.35。

3类任务场景中人们对各类任务绩效的关注度的统计结果见表3。数据表明，在家庭陪伴、物流配送任务场景中，人们对机器人的布置任务时间、完成动作效率、有效性关注较高；而在医疗看护任务场景中，人们更关注机器人的无故障执行时间及自主性。

4.2 非参数检验及分析

由于本文对样本研究中并不包括总体参数，并且样本分布状况未知，因此采用非参数检验来探究任务场景对人机交互需求的差异影响。

表2 交互方式描述性统计分析

表3 任务绩效描述性统计分析

4.2.1 不同任务场景的心理需求差异分析

根据数据，建立原假设H0：任务场景对人的心理需求的影响没有差异；备择假设H1：任务场景对人的心理需求的影响有差异。检验方法为Kruskal Wallis 检验，分组变量为任务场景类别，结果见表4。

表4 心理需求差异检验统计量

表4数据表明，不同任务场景下的被调查者之间的大部分心理需求存在显著性差异(p<0.050)，而求知需求普遍较高，差异性不显著(p=0.914)。由表1可知家庭陪伴及医疗看护的社会需求的均值明显高于物流配送；对于尊重需求及安全需求的均值，物流配送任务场景又高于家庭陪伴及医疗看护任务场景。

3类任务场景中，人的最基本的生理需求均得到满足，因此人们开始渴求高层次的心理需求。物流配送任务场景下的安全需求高于家庭陪伴及医疗看护任务场景，造成这种现象的原因可能是由于上述2类场景下的机器人均为类人机器人，这种类型机器人提高了人们的安全感知，因此对安全需求反而不高。而家庭陪伴及医疗看护任务场景下，人与机器人交互的时间往往比物流配送机器人与人交互时间长，因此人们更愿意与自己共处时间长的机器人交朋友，以满足自己的社会需求。

3类任务场景下，人的求知需求普遍较高，这是由于类人机器人及配送机器人还尚未普及，人们出于好奇更渴望了解这些新奇的机器人，此外求知需求也会激发人们的消费行为，基于此，机器人设计人员应在满足基本要求的基础上，保证功能多样。

4.2.2 不同任务场景的交互方式差异分析

从交互方式来看，3类任务场景中，人们更偏向于自然语言及触屏式交互。根据调查数据建立原假设H3：任务场景对交互方式的影响没有差异；备择假设H4：任务场景对交互方式的影响有差异。检验方法为Kruskal Wallis 检验，分组变量为任务场景类别，结果见表5。

表5 交互方式差异检验统计量

表5数据表明，不同任务场景下的被调查者之间的交互方式差异性不显著性(p>0.050)；根据表2可知，医疗看护任务场景下“其他”交互方式的均值为0.01，而另外2类任务场景下“其他”交互方式的均值远远大于0.01，因此该项差异性十分显著。

人们在3类任务场景中对交互方式的选择，普遍偏向于自然语言交互，一方面是因为自然语言交互方式简单明了，另一方面是这3类任务场景与人们自身联系紧密，因此人们更倾向于自然语言沟通。尤其是在家庭陪伴任务场景中，对于陪伴机器人，人们对自然语言交互方式的选择率远高于其他交互方式，表1数据表明在家庭陪伴任务场景中，人们的社会需求希望得到满足，而对于社交方式，自然语言显然是最符合人们生活常态的方式，这也符合人机交互方式的发展趋势[20]。医疗看护任务场景中，选择脑控交互方式的人最少。现阶段的脑控交互技术尚不成熟，需要人在头部佩戴相应的传感设备，而根据表1数据可知，医疗看护任务场景中对审美需求比较高，头部佩戴传感设备无疑会影响美观，这可能是脑控交互选择人数较少的一部分原因。

4.2.3 不同任务场景的任务绩效差异分析

对于任务绩效的差异性检验，根据数据，建立原假设H5：任务场景对任务绩效的影响没有差异；备择假设H6：任务场景对任务绩效的影响有差异。检验方法为Kruskal Wallis检验，分组变量为任务场景类别，结果见表6。

表6 任务绩效差异检验统计量

表6数据表明，不同任务场景下的被调查者之间对任务绩效存在显著性差异(p<0.050)；而对于机器人拟人化指标，差异性不显著(p=0.320)，即表明3类任务场景下人们均倾向于与类人机器人交互。由表3可知人们对家庭陪伴及物流配送任务场景下给机器人布置任务时间以及机器人完成动作效率关注度最高；对于医疗看护任务场景，人们更关注机器人自主性及无故障执行时间。

家庭陪伴任务场景中，当人与机器人下棋时，人们希望与自己交互的机器人动作流畅，抓取棋子有效性高，同时，安全性也是人们关注的重点，具有机械手及五官的拟人机器人会提高人的安全感知。而对于物流配送机器人，人与机器人交互的主要任务就是取快递，因此对于机器人完成动作效率要求较高。调查中还发现人们对于医疗看护机器人的布置任务时间及完成动作效率的关注度远低于另外2类任务场景。在医疗看护任务场景中，人的身体机能相对于机器人处于劣势，因此人们更倾向于无故障执行时间少及自主性能高的医疗看护机器人，并且这2个指标优先级高于机器人完成动作效率，表3的数据也验证了这一点。

综上所述，在家庭陪伴、医疗看护、物流配送任务场景中，人的求知需求普遍较高；人们对于家庭陪伴及医疗看护任务场景的社会需求高于物流配送任务场景下的社会需求。

5 结论

本文研究了任务场景对人机交互需求的影响，通过文献分析影响人机交互情境的相关因素，选取家庭陪伴、医疗看护、物流配送3类与生活联系较为紧密的任务场景，通过问卷调查了解人们在不同任务场景下交互方式的偏好以及各个任务绩效指标的关注度，并分析了任务场景对人机交互心理需求的影响，结果表明：

1)人们在不同任务场景下人机交互的心理需求差异显著。家庭陪伴场景中人的社会需求和审美需求较高；医疗看护场景中人的社会需求较高；物流配送场景中人的安全需求和尊重需求较高；3类任务场景下人们的求知需求普遍较高。

2)人们在不同任务场景下交互方式的偏好差异性不显著，表现为在不同任务场景中人们的交互方式普遍偏向于自然语言和触屏式交互的方式。

3)人们在不同任务场景下对任务绩效指标的关注度差异性显著。家庭陪伴和物流配送场景中，人们对机器人的完成动作效率和有效性关注较高；而在医疗看护场景中人们更关注机器人的无故障执行时间和自主性。

本文得到的结果可以应用在家庭陪伴、医疗看护、物流配送类机器人的需求分析和交互设计等方面。