服务机器人融入建筑环境系统设计_李洁.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：李洁，张盛耕，舒平，等 服务机器人融入建筑环境系统设计 科学技术与工程，（）：.，（）：.服务机器人融入建筑环境系统设计李洁，张盛耕，舒平，刘帅，郭士杰（.河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津；.河北省机器人感知与人机融合重点实验室，天津；.河北省健康人居环境重点实验室，天津）摘 要 未来服务机器人将与人类一起生活在建筑环境内，机器人的融入必将对建筑环境和人类活动产生深刻影响。设计并开展建筑环境内人机器人自然交互实验，参考相机标定原理提出室内坐标转换方程，采用定帧法获取服务机器人融入建筑环境后行人运动构型、运动速度、偏移距离等运动特征参数，在宏观层面基于交互主体、交互运动构型、交互意愿展开定性分析，在微观层面对建筑通道内人机交互运动速度与交互偏移距离展开定量统计分析。研究结果表明服务机器人融入建筑环境后对行人运动行为、运动速度、偏移距离均产生显著影响，人机共生系统势必对建筑尺度和设计产生深远影响。以期引发服务机器人融入建筑环境的思考，为构建人、机器人、建筑环境系统设计框架奠定基础。关键词 交互设计；服务机器人；行人流动；运动特征中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目（）第一作者：李洁（），女，汉族，河北秦皇岛人，硕士，副教授。研究方向：智能产品人机交互。：。通信作者：郭士杰（），男，汉族，河北任丘人，博士，教授。研究方向：人机共融系统、机器人智能传感技术。：。，（.，；.，；.，），；随着人工智能以及机器人相关技术的发展，服务机器人融入生活将在未来实现。目前，服务机器人已在机场、车站、商场等公共环境中得以应用，未来可移动式服务机器人必将广泛融入人类生活场景，如医院护理机器人、办公配送机器人、博物馆导览机器人等，服务机器人将与人类一起生活在建筑环境内，构成人、机器人、建筑环境的新范式。机器人的融入必将对建筑环境和人类活动产生深刻影响，面向机器人与人及建筑环境的交互型系统设计是未来发展趋势。徐卫国等指出在建筑机器人人环境的新系统中如何持续进行积极的互动，以维护人类聚居空间的合理性、舒适性及宜居性，成为建筑学科需要研究的新的基础理论问题。机器人可以给人带来新的场所感觉，帮助场所形成新的特投稿网址：性、使人对环境产生新的认知；机器人可以作为建筑空间的调和者，帮助建筑空间增加活力，并增加人际交流的可能性。国内外学者已逐步开展机器人融入生活环境的探索性研究。胡学敏等将机器人应用于室内人群疏散场景，提出一种有效疏散人群的人机社会力模型方法。等设计人机器人过闸实验发现服务机器人的出现显著影响行人运动轨迹与疏散效率。张森等提出多维度服务情景概念，通过工作环境、参与者数量及参与者动态情况等多维度因素量化与理解服务机器人全部服务情景。等通过对室内电梯共享场景下机器人的导航研究，认为机器人行为应平衡机器人性能与人类偏好。项祯桢将人机交互思想引入机器人运动规划，提出服务机器人交互式运动规划框架。马小陆等、杨桂华等、刘冠一等提出基于真实环境交互的机器人路径规划方法，使得机器人更好融入真实社会环境，提升交互体验。综上，尽管目前面向服务机器人人机交互已取得部分研究成果，但面向真实交互场景综合考虑人、机器人、建筑环境交互的研究成果较少。随着服务机器人技术不断发展，真实场景中服务机器人的应用将更加丰富。现基于真实场景实验研究现有建筑环境尺度下人与机器人的交互行为，以期为未来面向人、机器人、建筑环境交互系统设计奠定基础。图 家乐机器人与扫描建立空间图.研究方法建筑尺度和空间形式均基于人的尺度、行为和运动规律开展设计。为探究现有建筑空间尺度下服务机器人对人群运动行为的影响，开展室内环境下人机自然交互实验，观测不同环境尺度下人群与机器人的交互行为，测量不同环境尺度下机器人对人群密度、运动速度、运动路径及运动构型的影响。.实验设计实验地点为大学教学楼通道，走廊宽度分别为.和.，机器人选用新松家乐智能服务机器人，图 为机器人扫描环境建立空间图。机器人在楼道内执行巡视任务，同时提供咨询、引路服务。实验设置实验组和对照组，实验组观察人群与服务机器人自然交互的运动特征，对照组观测行人自然运动特征。实验开展，录制相机架设在楼道南北入口，相机高度距地面 。实验采集实验组 人次人机交互运动数据，对照组 人次行人自然走行数据。.实验参数采集实验录制视频分辨率为 ，帧速率为.帧，采用定帧法对视频文件进行处理。分别截取同伴群走行时每个人左右脚落地帧，考虑自然走行时行人前进方向与其前脚掌方向相同，因此选取前脚掌与地面接触最前点代表该脚掌在该时刻的位置，行人左右脚掌位置连线中点代表行人个体位置；机器人底盘为圆形，取其直径中点代表其位置（图）。单目相机存在镜头畸变，为矫正畸变，定义两条正交方向的最小畸变线为横纵坐标轴，两轴交点为坐标系原点。对画面中任意位置点坐标的计算，参考相机标定原理，以其所在正方形瓷砖实际边长 为参照，按照该点距边缘像素与其平行方向边长像素之比进行转换，可得出坐标系内任意点（，）的实际坐标转换方程为（）（）（）|（）式中：、分别为目标点所在方格横、纵位置坐标的绝对值；为目标点沿方格横向边缘方向与近原，（）李洁，等：服务机器人融入建筑环境系统设计投稿网址：点侧纵向边缘的像素距离；为目标点所在方格横向边长的像素距离；为目标点沿方格纵向边缘方向与近原点侧横向边缘的像素距离；为目标点所在方格纵向边长的像素距离。图 定帧法获取参数.人机交互运动特征分析首先从宏观上基于交互主体、交互运动构型、交互意愿对人机交互运动特征展开定性分析；其次从微观上对室内通道尺度下人机交互运动速度与交互偏移距离展开定量统计。.宏观交互特征分析.交互主体分析首先开展建筑室内通道环境中行人数量特征分析。经统计得出大学教学楼通道内人群构成及概率如图 所示，通道环境中行人以群体运动为主要形式，对行人群尺寸研究发现数量大于 人为小概率事件，因此实验中主要研究 人行人群体。图 室内通道环境行人群尺寸分布.行人群人机交互运动构型分析室内通道环境行人群与机器人交互形态存在多种构型，包括并肩型、流线型、分裂型、跟随型（表）。并肩型指群组内成员肩并肩形成一排经过机器人；流线型指群组内成员前后排列同侧经过机器人；分裂型指群组内成员自动分开从两侧经过机器人；跟随型指群组跟随机器人行进并未超越机器人，该构型常见于服务机器人带路。统计人机交互过程中不同尺寸行人群构型比例。两人并肩型.，通常两人同行关系较为亲密，并肩型交互运动方便成员间沟通。通道宽度有限，随着行人群人数增加并肩型很难保持横向偏移的一致性，流线型与分裂型在通道场景内流动性好，动态位置可调节。因此，人行人群流线型与分裂型比例分别为.和.，四人同伴群流线型比例为，分裂型提高到（图）。表 人同伴群组构型示意图及场景 构型图人机交互运动构型并肩型流线型分裂型跟随型示意图构型场景科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 行人群人机交互运动构型比例.人机交互意愿分析基于行人与机器人的交互意愿，人机交互可分为驻足交互型、减速观察型、无交互型（表）。驻足交互型指行人群经过机器人停留并尝试互动，交互意愿较强；减速观察型指行人群经过机器人时减速观察并发生路线偏移，交互意愿不明显，停留状态随时发生变化；无交互型指行人群经过机器人时不做停留，基本维持原运动状态。实验发现随着环境内人员密度增加，行人群交互意愿降低，同时行人群交互意愿也随人数的增加而降低。.微观交互特征分析.行人运动速度影响因素分析实验中人机交互运动速度指行人从通道初始位置途径机器人最终到达通道结尾点之间的平均速度；人机自然走行速度指行人在通道首尾两点间的平均速度；人机交互偏移距离指行人行走至机器人相同水平位置时与机器人之间的横向距离；人群密度指划定测量区域内的人数与测量区域面积的比值；机器人运行路径指行人第一人称视角下机器人运行路径对该行人的相对位置。调研发现，基于安全性考虑服务机器人的运动速度设计为.，而室内通道环境中行人群体行走速度分布在.，行人行走速度普遍快于机器人行走速度，因此在交互过程中会出现行人超越机器人的行为。实验选用的家乐机器人最大运动速度为.。为综合考虑人机交互过程中人、机器人、环境因素对行人运动行为的影响，探究行人群数量（人）、机器人运行路径（左、中、右）、建筑通道尺度（.和.）以及人群密度对人机交互运动速度的影响。通过数据收集得到行人运动特征数据表，如表 所示。表 不同人机交互意愿呈现的交互状态 交互意愿构型图示意图交互场景驻足交互型减速观察型无交互型，（）李洁，等：服务机器人融入建筑环境系统设计投稿网址：表 人机交互运动特征数据表（部分）（）样本编号人数机器人路径走廊宽度 交互偏移距离 人群密度（人 ）交互速度（）右.右.右.左.左.中.对实验组行人运动速度采用 算法聚类，聚类结果如表 所示，最终 组聚类中心分别为.、.、.，分别对应驻足交互型、减速观察型以及无交互型状态下的行人运动速度。对减速观察型以及无交互型的行人运动速度进行统计分析。考虑到变量中机器人运行路径为分类型变量，以机器人沿左侧路径行驶作为参照，回归统计如表 所示。统计结果显示，服务机器人融入后建筑通道宽度对行人运动速度有显著正向影响（.）；人群密度对行人运动速度有显著负向影响（.）；行人群数量对行人运动速度有显著负向影响（.）；机器人沿中间路径行驶时与沿左侧时无显著差异（.），沿右侧路径行驶时与沿左侧时无显著差异（.），以机器人沿中间路径行驶作为参照再次进表 人机交互速度聚类结果 类别聚类中心（）聚类个案数量 个聚类结果（）聚类.聚类.聚类.表 人机交互速度影响系数表 因素未标准化系数 标准错误标准化系数 显著性（常量）.人群密度.通道宽度.同伴群人数 .中间路径.右侧路径.左侧路径 注：因变量为人机交互速度。行数据分析，发现机器人沿中间路径行驶时与沿右侧时无显著差异（.）。图 为实验组与对照组 人行人群平均行走速度，实验组 人行人群平均速度分别为.、.、.、.，通过实验组与对照组数据进行独立样本 检验，发现实验组行人走行速度显著低于对照组（.）。服务机器人的出现导致行人群行走速度显著降低，原因包括行人对机器人的减速观察、对机器人的减速避让以及对机器人的超越等行为等。图 人同伴群自然速度与交互速度对比.行人运动偏移距离影响因素分析探究行人密度、机器人运行路径、建筑通道宽度对服务机器人融入后行人运动偏移距离的影响，以机器人沿左侧路径行驶作为参照，如表 所示。统计结果显示，人群密度对行人偏移距离有显著负向影响（.）；行人群人数对人机偏移距离有显著负向影响（.）；机器人沿中间路径行驶时行人偏移距离显著低于左侧（.），沿右侧路径行驶时行人偏移距离显著高于左侧（.）。将机器人沿中间路径行驶作为参照，统计结果显示机器人沿中间路径行驶时行人偏移距离显著低于右侧（.）。建筑通道宽度对服务机器人影响下行人偏移距离有显著正向影响（.）。通道宽度影响行人群交互构型变化，通道较窄时行人为了避免与机科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：器人和墙壁发生碰撞，呈现出流线型并以较小的横向偏移路线运动，通道变宽时构型变为并肩型且偏移距离增大，如图 所示。机器人沿右侧运行时的行人 偏 移 距 离（.）显 著 高 于 左 侧（.）（.），原因是当机器人沿右侧路径运动时行人会产生更明显的躲避行为，而机器人左侧运动时行人受影响较小，其中原因包含社会文化因素，中国人习惯右侧行走，文献也指出中国被试在行走时表现出明显右侧行走倾向性。机器人沿不同路径的实验图如表 所示。表 人机偏移距离影响系数表 未标准化系数 标准错误标准化系数 显著性（常量）.人群密度.通道宽度.同伴群人数.中间路径.右侧路径.左侧路径 注：因变量为人机偏移距离。表 机器人不同路径的实验图对比 机器人路径实验结论图实验数据图拟合效果图实验场景图例右侧路径左侧路径中间路径 注：表示机器人。结论服务机器人将与人类一起生活在建筑环境内，机器人的融入必将对建筑环境和人类活动产生