本篇文章是系列文章“機(jī)器人高效能交互模型（被CMU和NASA多次引用）”的第三篇。

在研究人與機(jī)器人的交互時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這遠(yuǎn)比研究普通的人機(jī)交互（電腦，手機(jī)）要難的多。原因主要有以下幾點(diǎn)：

交互過(guò)程直接影響物理環(huán)境

當(dāng)用戶操作機(jī)器人時(shí)，其實(shí)是在操作機(jī)器人身邊的物理環(huán)境，機(jī)器人的動(dòng)作會(huì)直接對(duì)它身邊的物理環(huán)境產(chǎn)生影響。交互過(guò)程中也有大量復(fù)雜的物理環(huán)境數(shù)據(jù)和信息需要被用戶理解。

機(jī)器人物理功能的不確定性

當(dāng)我們?cè)谑謾C(jī)上和電腦上進(jìn)行交互，我們認(rèn)為系統(tǒng)的響應(yīng)和功能是確定的和可預(yù)期的，然而一個(gè)物理世界下的機(jī)器人有各種各樣的傳感器，工作過(guò)程中可能會(huì)失效或降級(jí)變?nèi)?，所以我們需要著重研究：如何能保證在機(jī)器人失去部分傳感器的情況下還盡可能完成更多任務(wù)。

環(huán)境的不確定性

機(jī)器人運(yùn)行的物理環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，光照強(qiáng)度會(huì)影響CV，灰塵過(guò)多會(huì)影響超聲波，路面結(jié)冰回影響電機(jī)控制，周圍建筑環(huán)境會(huì)影響wifi質(zhì)量等。

并行一對(duì)多的交互關(guān)系

當(dāng)人與電腦在交互時(shí)，通常一個(gè)用戶只專心的與一個(gè)軟件進(jìn)行操作。但是當(dāng)人與機(jī)器人交互時(shí)，我們的終極期望是，一個(gè)用戶可以同時(shí)管理多個(gè)機(jī)器人。這種交互關(guān)系很挑戰(zhàn)用戶的short term memory。

Jean Scholtz將人與機(jī)器人的交互分為以下五種經(jīng)典場(chǎng)景，并著重分析了這五種場(chǎng)景如何對(duì)應(yīng)Norman的Action?theory。

Norman的Action?theory是HCI領(lǐng)域的根基理論，模型化了人與計(jì)算機(jī)在交互時(shí)的七種狀態(tài)：

1. 生成目的；
2. 生成意圖；
3. 規(guī)劃出一系列的動(dòng)作；
4. 執(zhí)行一系列的動(dòng)作；
5. 觀測(cè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)；
6. 理解翻譯系統(tǒng)的響應(yīng)；
7. 評(píng)估系統(tǒng)的響應(yīng)是否滿足了自己的目標(biāo)或意圖。

這七個(gè)環(huán)節(jié)是反復(fù)循環(huán)的直到用戶完成或更改了自己的目的

監(jiān)督管理

在“監(jiān)督管理”場(chǎng)景下下，人與機(jī)器人的關(guān)系是遠(yuǎn)程狀態(tài)下的任務(wù)監(jiān)督和長(zhǎng)期任務(wù)的制定。而在Action層面，機(jī)器人處于自己完成任務(wù)的狀態(tài)。

上圖是“監(jiān)督管理”場(chǎng)景下人與機(jī)器人交互的HRI模型，在這種情況下，用戶需要不斷的評(píng)估機(jī)器人任務(wù)完成狀態(tài)是否能達(dá)到目標(biāo)要求。為了讓用戶達(dá)到這個(gè)目的，Jean建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)至少為用戶提供以下信息元素：

• 當(dāng)前機(jī)器人任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)
• 整體任務(wù)種類和目的以及完成情況
• 任何可能有偏差的機(jī)器人行為
• 機(jī)器人的效率是否在下降
• 機(jī)器人與其他人之間的交互內(nèi)容，包括機(jī)器人之間的交互

在“監(jiān)督管理”場(chǎng)景下，用戶的核心任務(wù)是盯著機(jī)器人不要犯錯(cuò)誤。所以，一個(gè)要解決的問(wèn)題是要告訴用戶什么狀態(tài)才是“正常狀態(tài)”，什么狀態(tài)是“快要出錯(cuò)的狀態(tài)”，什么狀態(tài)是“已經(jīng)出錯(cuò)的狀態(tài)” ?另外系統(tǒng)需要允許用戶通過(guò)設(shè)定主動(dòng)警報(bào)來(lái)減少用戶的記憶負(fù)擔(dān)。

直接控制

直接控制模式下，用戶不會(huì)改變機(jī)器人的主要任務(wù)，通常不會(huì)改變整體任務(wù)的目標(biāo)和意圖，而只是通過(guò)一系列的具體操作達(dá)到遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的目的。

上圖是“直接控制”場(chǎng)景下人與機(jī)器人交互的HRI模型，用戶通常是具有機(jī)器人操控能力的熟練用戶，通過(guò)直接控制來(lái)彌補(bǔ)機(jī)器人自動(dòng)能力的不足。 這是HRI最傳統(tǒng)的交互模式，即遠(yuǎn)程控制。 此外，隨著機(jī)器人的能力和作用的擴(kuò)大，這一角色必須能夠在更復(fù)雜的情況下支持交互。在這種直接控制的場(chǎng)景下，Jean建議系統(tǒng)至少為用戶提供以下信息元素：

• 機(jī)器人周邊的具體環(huán)境信息
• 機(jī)器人自身的計(jì)劃與安排
• 實(shí)時(shí)的機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)
• 機(jī)器人與其他人之間的交互內(nèi)容，包括機(jī)器人之間的交互
• 除了當(dāng)前機(jī)器人外，其它需要用戶注意力的內(nèi)容
• 對(duì)機(jī)器人操作的實(shí)時(shí)反饋
• 整體任務(wù)目標(biāo)，包括時(shí)間條件

在“直接控制”場(chǎng)景下，通常系統(tǒng)的通信帶寬會(huì)為設(shè)計(jì)帶來(lái)限制條件。設(shè)計(jì)師需要解決在有限的通信帶寬下為用戶呈現(xiàn)盡可能在此時(shí)此刻有用的交互信息。這種場(chǎng)景下，重復(fù)的工作也很容易讓用戶感到厭倦，復(fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)會(huì)增加用戶的操作成本。

面對(duì)面協(xié)作

在“面對(duì)面協(xié)作”場(chǎng)景下，用戶隨時(shí)可以根據(jù)機(jī)器人的反應(yīng)來(lái)調(diào)整整體目標(biāo)。這就好比人與人在面對(duì)面協(xié)作的時(shí)候，溝通時(shí)通常會(huì)說(shuō)高階的目的而不是具體的指令。例如：跟我走；向左轉(zhuǎn)；走到下一個(gè)路口右拐等。

在“面對(duì)面協(xié)作”場(chǎng)景下，如何讓用戶與機(jī)器人自然的溝通就是需要解決的主要問(wèn)題，Jean建議系統(tǒng)至少為用戶提供以下信息元素：

• 機(jī)器人與其他人之間的交互內(nèi)容，包括機(jī)器人之間的交互
• 機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)
• 機(jī)器人能做出哪些動(dòng)作
• 機(jī)器人可以被操控時(shí)人與機(jī)器人的最遠(yuǎn)物理距離

周邊環(huán)境路人

在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，我們不僅需要考慮機(jī)器人的操作者，還需要考慮環(huán)境中的路人。路人和機(jī)器人在同一個(gè)環(huán)境里，相互影響，不可分離。機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作都會(huì)直接或間接的影響著路人。路人可能在園區(qū)里看到一個(gè)安防機(jī)器人巡邏，路人可能開(kāi)著車和物流機(jī)器人在同一條車道上。

通常情況下，路人的出現(xiàn)會(huì)給機(jī)器人帶來(lái)執(zhí)行層面的輕微改動(dòng)，通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)子任務(wù)，但路人的出現(xiàn)并不會(huì)改變機(jī)器人整體的目的和意圖。這個(gè)子任務(wù)通常是“繞過(guò)”、“緩行避讓”或是“對(duì)路人提供簡(jiǎn)單的服務(wù)”等。為了讓路人和機(jī)器人在同一個(gè)物理環(huán)境中相互地更融洽，Jean建議系統(tǒng)至少為路人提供以下信息元素

• 造成機(jī)器人目前狀態(tài)的原因（環(huán)境因素，路人行為，操作者行為）
• 機(jī)器人接下來(lái)的動(dòng)作是什么，尤其是可能跟路人有關(guān)系的動(dòng)作是什么
• 機(jī)器人的能力范圍
• 機(jī)器人的能力范圍中有哪些是會(huì)受到路人影響的

運(yùn)行維護(hù)

在現(xiàn)階段的科技和工程能力下，機(jī)器人很難做到真正意義上的穩(wěn)定，所以“運(yùn)行維護(hù)”在實(shí)際機(jī)器人的工作場(chǎng)景中會(huì)是一個(gè)至關(guān)重要的場(chǎng)景。這個(gè)場(chǎng)景的交互好壞影響了機(jī)器人長(zhǎng)期的工作價(jià)值。在運(yùn)行維護(hù)場(chǎng)景中，普通用戶是沒(méi)有能力維護(hù)軟件的，所以機(jī)器人需要有對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試，并通過(guò)軟件顯示出系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果的能力。整體模型見(jiàn)下圖

對(duì)于“運(yùn)行維護(hù)”場(chǎng)景，Jean建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)至少包含以下信息元素：

• 哪個(gè)功能壞掉了，壞掉的程度是什么
• 傳感器和零部件的工作信息
• 跟傳感器或零部件有關(guān)的軟件設(shè)置

對(duì)于“運(yùn)行維護(hù)”場(chǎng)景，我們需要特別考慮的一個(gè)點(diǎn)是，機(jī)器人需要一個(gè)“off-line”模式用來(lái)進(jìn)行維修和調(diào)試。如何讓操作者知道更多關(guān)于機(jī)器人的信息呢？是否需要一個(gè)外接顯示屏能講機(jī)器人內(nèi)部信息可視化？這些問(wèn)題值得思考。

本系列文章部分借鑒Olsen與Goodrich的經(jīng)典論文“Metrics for Evaluating Human-Robot Interactions” 以及Scholtz 的“Theory an Evaluation of Human Robot Interaction”.筆者是歐盟創(chuàng)新技術(shù)院HCI專業(yè)，最近在創(chuàng)業(yè)做低速自動(dòng)駕駛。在讀CMU和NASA的文章時(shí)發(fā)現(xiàn)這片論文被多次引用提及。仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn)字字干貨，于是吸收整理后輸出給大家。

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作者：石大大，知乎：石大大，微信公眾號(hào)：Thirsty

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