人-机器人交互导论

【编者按：变主体性才是智能的真正厉害之处，能够设身处地地转换角色、角度、视角看待交互对象中的不确定性，并使用相应的同理同情共主观性机制机理进行处理，例如梅西过人中的真假变化。在个体/群体智能中的变主体性控制也是人机环境系统智能控制论的核心之处。】

本书是针对研究生课程设计的，广泛概述了机器人、人工智能、心理学、社会学、伦理学和设计等多学科主题。本书提出了相关的背景概念，描述了机器人如何工作，如何设计它们，以及如何评估它们的性能。独立的章节讨论了广泛的主题。包括不同的交流方式，如语音和语言、非言语交流和情绪处理，以及当今和未来社会中机器人应用的伦理问题。

译者序

人-机器人交互，本身就是一个复杂系统，也是多学科交叉的产物。鉴于此，编著一部人-机器人交互领域新书，是一件极具挑战性的事情，这要求作者既要精通本领域内的学术知识，而且也要对其相关学科的知识做到知晓，并且融会贯通。在本书之前，关于人-机器人交互的书籍大多数集中在单一学科及领域（如机械或），且综合性不够。庆幸的是，本书思维脉络清晰，综合性好，既有硬件方面也有软件方面，还有软硬件与人、环境的结合部分，里面有大量的实时更新的例子，易读性很高。

对待场景中的变化，机器智能可以处理重复性相同的“变”，人类智能能够理解杂乱相似性的“变”，更重要的是还能够适时的进行“化”，其中“随动”效应是人类计算计的一个突出特点，另外，人类计算计还有一个更更厉害的武器——“主动”。相反，仅仅机器智能永远无法理解现实，因为它们只操纵不包含语义的语法符号。

人机混合智能有一个难题，即机器的自主程度越高，人类对态势的感知程度越低，人机之间接管的难度也越大，不妨称之为“生理负荷下降、心理认知负荷增加”现象。如何破解这个问题呢？有经验的人常常抓关任务中的键薄弱环节，在危险情境中提高警觉性和注意力，以防意外，随时准备接管机器自动化操作，也可以此训练新手，进而形成真实敏锐地把握事故的兆头苗头、恰当地把握处理时机、准确地随机应变能力，并在实践中不断磨砺训练增强。即便如此，如何在非典型、非意外情境中解决人机交互难题仍需要进一步探讨。

针对这些问题，我们决定花时间将本书中主要的理论观点介绍给大家。本书第一章大致介绍了这本书所想要解决的问题，并介绍了这本书的作者们，第二章介绍了人-机器人交互领域以及本书的重点概要，第三章主要介绍了机器人的工作原理，包括组成机器人的基本软件和硬件，以及我们可以使用在人-机器人交互上的技术。第四章重点介绍了机器人的设计，从设计方法到拟人化再到原型工具等等。第五章到第七章讨论了不同的交互方式，通过这些方式人类可以与机器人进行交互，例如通过语音和手势，分别介绍了人与机器人的空间互动、非语言交流和语言交流。

第八章重点介绍了人和机器人交互过程中的一个重大的挑战——有关机器人对于情绪的处理和交流。第九章讨论了研究人员在进行人类与机器人交互的实证研究时面临的独特的问题，包括在建立和执行人-机器人交互研究时需要考虑的方法和各种决策，以及各种方法的优缺点等等。第十章介绍了许多交互机器人的应用领域，比如服务机器人、学习用机器人、娱乐机器人、医疗护理机器人等，以及一些在研究背景下研究的除机器人之外的应用，并介绍了一些未来可能的应用和机器人应用的问题。第十一章重点介绍了机器人在媒体中扮演的角色以及交互机器人使用的伦理问题，第十二章则展望了未来的人-机器人交互。本书对人-机器人交互领域所涉及的问题、过程和解决方案进行了介绍，由于提供的是这个领域一个概述的介绍，因此它不需要读者拥有在任何领域的广泛知识，只需要读者对这个领域抱有好奇心即可。

译者分工情况：我和我的学生共同完成了本书的翻译工作，其中第一、二章为王小凤翻译，第三章为金潇阳翻译，第四章为武钰翻译，第五章为马佳文翻译，第六章为罗昂翻译，第七章为高雨辰翻译，第八章为牛博翻译，第九章至第十章为瞿小童、王玉虎、段承序翻译，第十一、十二章为张一鸣翻译，全书最后由刘伟对翻译进行校对和统稿。感谢刘欣、庄广大、胡少波、余栖洋、关天海、何瑞麟在本书翻译校对时给予的大力帮助。

本书翻译难度较大，主要原因是人-机器人交互是一个多学科领域，其中包括社会科学、计算机科学、心理学、工业设计、普适计算、人机交互、艺术学，以及学科之间的交叉。对于有的专业术语，在不同学科会有不同的名称与用法，所以需要译者之间进行讨论、并根据语义与上下文进行确定。

本次翻译为期超过一年，在此感谢华章公司的编辑团队，正是因为他们的努力才使得本书中文版在最短的时间里与读者见面。

由于本书的专业性，本书的翻译难免存在纰漏，望读者在阅读过程中不吝赐教。

媒体评论：

“这本书涵盖了人-机器人交互的跨学科领域的基本知识。对于那些想了解这一领域的学生和研究人员，以及任何对这些机器人如何工作及我们与机器人的未来感兴趣的人，我强烈推荐这本书。这本书非常值得赞赏。”
　　——Peter H. Kahn, Jr.，华盛顿大学

　　“什么是人-机器人交互？

这本书提出了一些问题，鼓励我们思考人类和机器人之间的关系中的基本问题。

它将引导你走向与机器人共同生活的未来。

值得一读！

”
　　——Hiroshi Ishiguro，大阪大学

　　“这是一本极好的入门书，涵盖了从机器人学到伦理学的所有基础，内容全面而简洁。

无论你是初出茅庐的希望学习背景知识和方法的研究者，还是希望从特定的领域拓展经验或温习相关知识的经验丰富的学者，这本书都能为你提供所需的基础性知识、前沿观点和大量示例。

对于技术爱好者来说，这是一本介绍机器人的现状和机器人如何与人共处的基于研究的入门书。

我会把这本书推荐给我的同事，用在我的教学中，并提供给我的研究生！

”
　　——James Young，曼尼托巴大学

　　本书面向不同背景的读者介绍了相关的背景概念，描述了机器人如何工作、如何设计机器人以及如何评估它们的性能。每一章都讨论了大量的主题，包括不同的交流方式（如语音和语言、非言语交流和情绪处理），以及当今和未来社会中机器人应用涉及的伦理问题。

目录

译者序
第1章　引言 1
1.1　关于本书 1
1.2　克里斯托夫·巴特内克 3
1.3　托尼·贝尔帕梅 3
1.4　弗里德里克·埃塞尔 3
1.5　神田崇行 3
1.6　梅雷尔·凯瑟斯 4
1.7　塞尔玛·萨巴诺维奇 4
第2章　什么是人-机器人交互 5
2.1　本书的重点 7
2.2　人-机器人交互是一门跨学科的学科 7
2.3　人-机器人交互的演变 9
第3章　机器人的工作原理 15
3.1　机器人的制造 15
3.2　机器人硬件 17
3.3　传感器 19
3.3.1　视觉传感器 19
3.3.2　听觉传感器 21
3.3.3　触觉传感器 22

3.3.4　其他传感器 23
3.4　执行器 23
3.4.1　标准执行器 24
3.4.2　气动执行器 25
3.4.3　扬声器 26
3.5　软件 27
3.5.1　软件体系结构 27
3.5.2　软件实现平台 29
3.5.3　机器学习 29
3.5.4　计算机视觉 31
3.6　HRI机器人技术的局限性 32
3.7　结论 33
第4章　设计 35
4.1　HRI设计 37
4.1.1　机器人形态 37
4.1.2　自解释性 38
4.1.3　设计模式 39
4.1.4　设计原则 39
4.2　HRI设计中的拟人化 41
4.2.1　拟人化和机器人 42
4.2.2　拟人理论 44
4.2.3　拟人化设计 46
4.2.4　拟人化测量 48
4.3　设计方法 49
4.3.1　工程设计过程 49
4.3.2　以用户为中心的设计过程 50
4.3.3　参与式设计 51
4.4　原型工具 53
4.5　HRI设计中的文化 54
4.6　从机器到人，再到介于两者之间 55
4.7　结论 57
第5章　空间交互 60
5.1　在人机交互中对空间的利用 61
5.1.1　空间关系学 61
5.1.2　群体空间交互动力学 63
5.2　机器人的空间交互 64
5.2.1　定位和导航 64
5.2.2　满足社交的合适定位 65
5.2.3　引发HRI的空间动力学 67
5.2.4　将机器人的意图告知用户 68
5.3　结论 68
第6章　非言语交互 71
6.1　非言语线索在交互中的作用 72
6.2　非言语交互的类型 73
6.2.1　注视和眼球运动 73
6.2.2　手势 75
6.2.3　模拟模仿 76
6.2.4　触摸 78
6.2.5　姿势和动作 79
6.2.6　交互节奏和时机 81
6.3　机器人的非言语交互 82
6.3.1　机器人对非言语线索的感知 82
6.3.2　让机器人产生非言语线索 82
6.4　结论 84
第7章　言语交互 86
7.1　人与人之间的言语交互 87
7.1.1　语音的构成 87
7.1.2　书面语与口头语言的比较 88
7.2　语音识别 88
7.2.1　语音识别的基本原理 89
7.2.2　限制因素 90
7.2.3　HRI的实践 90
7.2.4　语音活动检测 91
7.2.5　HRI中的语言理解问题 91
7.3　对话管理 93
7.3.1　基本原理 94
7.3.2　HRI中的实践 95
7.4　语音生成 96
7.5　结论 98
第8章　情绪 100
8.1　什么是情绪、心境和情感 100
8.2　理解人类情绪 101
8.3　当情绪失控时 102
8.4　机器人的情绪 103
8.4.1　情绪交互策略 103
8.4.2　情绪的艺术感知 104
8.4.3　用机器人表达情绪 105
8.4.4　情绪模型 106
8.5　情感HRI的挑战 108
第9章　研究方法 111
9.1　定义研究问题和方法 112
9.1.1　探索性研究和验证性研究 113
9.1.2　相关性和因果关系 114
9.2　选择定性、定量或混合方法 115
9.2.1　用户研究 116
9.2.2　系统研究 117
9.2.3　观察研究 118
9.2.4　人种学研究 119
9.2.5　对话分析 120
9.2.6　众包研究 121
9.2.7　单主体研究 122
9.3　选择研究参与者和研究设计 123
9.4　定义交互的背景 126
9.4.1　研究地点 126
9.4.2　时间对人-机器人交互的影响 126
9.4.3　社会因素对人-机器人交互的影响 127
9.5　为研究选择机器人 129
9.6　建立交互模式 130
9.6.1　WoZ 130
9.6.2　真实与模拟交互 130
9.7　选择适当的HRI测量方法 131
9.8　研究标准 132
9.8.1　改变统计分析的标准 132
9.8.2　Power 134
9.8.3　通用性和复证 135
9.8.4　HRI研究中的伦理考虑事项 135
9.9　结论 137
第10章　应用 140
10.1　服务机器人 142
10.1.1　导游机器人 142
10.1.2　接待员机器人 143
10.1.3　销售推广机器人 144
10.2　学习用机器人 144
10.3　娱乐用机器人 145
10.3.1　宠物与玩具机器人 145
10.3.2　展览用机器人 146
10.3.3　艺术表演用机器人 147
10.3.4　性爱机器人 148
10.4　医疗护理领域的机器人 148
10.4.1　适老机器人 148
10.4.2　为自闭症谱系障碍患者设计的机器人 149
10.4.3　康复用机器人 150
10.5　个人助理机器人 151
10.6　特定用途服务机器人 152
10.6.1　清洁机器人 152
10.6.2　送货机器人 152
10.6.3　安保机器人 153
10.7　协作机器人 154
10.8　自动驾驶汽车 154
10.9　遥控机器人 155
10.10　未来应用 157
10.11　机器人应用的问题 157
10.11.1　期望问题 157
10.11.2　沉迷问题 158
10.11.3　注意力盗取问题 158
10.11.4　用户兴趣丧失问题 158
10.11.5　机器人虐待问题 159
10.12　结论 159
第11章　社会中的机器人 161
11.1　大众媒体中的机器人 161
11.1.1　机器人想要成为人类 163
11.1.2　机器人对人类构成威胁 164
11.1.3　卓越的机器人 164
11.1.4　人与机器人的相似之处 165
11.1.5　对机器人的科学叙述 166
11.2　人-机器人交互中的伦理 168
11.2.1　研究中的机器人 169
11.2.2　满足情感需求的机器人 169
11.2.3　工作场合的机器人 172
11.3　结论 173
第12章　未来 175
12.1　人类与机器人关系的本质 176
12.2　人-机器人交互技术 179
12.3　水晶球问题 179
参考文献 182