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2024年3月28日发(作者：衡妮子)

基于视觉偏好的ASD儿童陪伴机器人造型设计研究

江苏师范大学机电工程学院韦懿洋张丙辰杨俞玲

摘要：从ASD儿童视觉偏好角度出发，为陪伴机器人的造型设计提供设计参

得到儿童对陪伴机器人造型的偏好。基于视觉偏好的陪伴机器人造型设计，可

参考和依据。

关键词：ASD儿童视觉偏好眼动追踪法陪伴机器人造型设计

文章编号：1003-0069（2023）15-0107-05

中图分类号：TB47 文献标识码：A

考。首先整理目前市场上使用率较高的陪伴机器人，并筛选具有代表性的造型

RESEARCH ON DESIGN OF ASD CHILDREN'S COMPANION ROBOT BASED ON VISUAL

PREFERENCE

反馈机制，对ASD儿童的联合注意能力与情绪识别能力产生积极影

响。范晓壮

[9]

指出机器人可以帮助ASD儿童提升模仿、共同注意、

轮流、情绪识别、主动交往能力。

卜凡帅

[10]

等根据眼动和瞳孔测量的联合数据指出，学龄前ASD

儿童视觉优势在于其在搜索目标前后均保持较高的注意水平。刘春

丽等

[11]

运用眼动实验收集学龄前儿童观看机器人时的眼动数据，发

现其对外形可爱、具有普遍印象的动物形象机器人认知度最高。王

广帅

[12]

等通过眼动追踪技术发现动态表情有利于ASD儿童提升情

绪面孔识别能力。

通过以上研究可知，ASD儿童视觉感知能力较强，与机器人的

互动更易激发训练积极性、改善刻板行为。因此，结合眼动追踪法，

将ASD儿童的视觉偏好与机器人造型相结合，解析陪伴机器人造型

设计的要点，提高干预训练的有效性。

为了更清晰地开展ASD儿童陪伴机器人造型设计，对其视觉偏

好进行解析。通过对ASD组被试与TD（普通儿童）组被试的眼动实验，

能够得到ASD儿童对陪伴机器人造型的视觉偏好。具体的眼动实验

流程（见图1），统计被试的眼动数据变化，并利用量化数据进行

视觉偏好分析，为后续造型设计提供了参考

[13]

。

二、实验设计

并制作实验样本。然后运用眼动追踪法分析儿童对兴趣区的眼动数据。最后

以提升视觉吸引力，获得良好心理体验，增强干预兴趣，为后续相关设计提供

Abstract：From the perspective of ASD children's visual preferences，

for the reference design with the modeling of robot design. Firstly，the

company robots with high utilization rate in the market are sorted out，

and representative models are selected and experimental samples are

made. Then，eye movement tracking method was used to analyze the

children's eye movement data for the area of interest. Finally，the children's

preference for the shape of accompanying robot was obtained. Based on

visual preference of robot design，can improve visual appeal，and obtain

good psychological experience，enhance the interest intervention，provide

reference and basis for the follow-up related design.

Keywords：ASD children Visual preference Eye tracking Companion

robot Modeling design

自闭症谱系障碍（Autism Spectrum Disorders，ASD）儿童

最典型的特征是社交能力障碍、语言沟通能力障碍和兴趣范围狭窄

及行为重复刻板

[1]

。2022年发布的《中国自闭症教育康复行业发

展状况报告IV》指出，中国自闭症发病率达1%，且男孩是女孩的

4-5倍

[2]

。研究表明，3-6岁是ASD儿童的最佳干预时期，科学系

统、全面有效的干预训练对其生活自理能力、社会交往能力可以实

现有效改善

[3]

。

李闯

[4]

等研究ASD儿童在视觉方面具有独特优势，基于视觉提

示的图形符号能够提升其认知能力。Joseph

[5]

等通过图像刺激ASD

儿童时发现，针对视觉行为的干预有利于提高其任务完成度。杨丽

民

[6]

研究指出，图片交换沟通系统能够有效提升ASD儿童的口语表

达能力，并促进社会互动能力的发展。

Chevalier

[7]

等使用机器人Nao研究ASD儿童的感官偏好对模

仿能力的影响时发现，视觉感知能力突出的儿童干预后表现出积极

的社交行为。Amat

[8]

等研究认为，陪伴机器人通过实时跟踪与辅助

韦懿洋等：基于视觉偏好的ASD儿童陪伴机器人造型设计研究

设计

引言

图1 眼动实验流程图

一、研究背景

（一）实验被试

在徐州市康复机构选取年龄为3-6岁的15名（8男7女）ASD

儿童作为实验组。在徐州铜山实验幼儿园选取15名TD儿童作为对

照组，该过程按照年龄、性别与实验组进行匹配。向家长发放《家

长知情同意书》，告知本次实验的目的和流程。

（二）实验材料

调研发现目前自闭症康复机构为ASD儿童提供的陪伴机器人为

市面上普通类型机器人。通过对儿童玩具店、康复中心等地调研，

以及结合国内外著名的玩具网站及商城的销量统计，共收集104种

较为典型的陪伴机器人造型（见图2）。

从相似性、清晰度等方面对样本图片进行整理，去除风格相似

及销量偏低后，初步得到40张造型特征具有明显差异的机器人图片。

通过形态相似性原则对初步选取的样本图片进行分类，可以分为基

本几何形、不规则形、仿生形三类。

邀请2位具备资深儿童产品设计经验的设计师和4位产品造型

设计专业的研究生再次筛选出6种作为机器人造型代表性样本，其

主要内容信息见表1。

产品学研探索

DESIGN

107

图2 部分陪伴机器人造型样本

（三）实验设备及程序

采用aSee Glasses眼镜式眼动仪、微软12.3 英寸 Surface

Pro 7一台，分辨率为2650×1600px，以及附带的aSee Glasses

Studio软件记录所有参与实验的被试儿童自由观看样本时的注视行

为，注视持续时间大于100ms为一次注视

[14]

。实验过程中，眼动

仪与电脑相连，用于数据的采集（见图5）。

实验采取个别测试的方法，在独立房间内进行。实验前，被试

在距离显示屏前约60cm的位置坐下，每名被试都要进行3点校准

以确保实验的准确性；实验时，增加被试家长或机构教师进行辅助

以处理可能出现的行为问题；实验后给予被试绘本、糖果奖励。

（四）数据处理

通过aSee Glasses眼镜式眼动仪配套的Studio1.1.17.8分析软

件将眼动数据导出，利用SPSS 22.0和Excel 2010软件进行数据的

统计与分析。

（一）兴趣区数据分析

分析两组被试对不同陪伴机器人造型的首次注视时间（FFD）

是指兴趣区第一个注视点的持续时间；注视次数（FC）是指在兴趣

区内注视点的总数量，注视点个数越多被试对该区域越关注；注视

时间（FD）是指在兴趣区内所有注视点的注视时间总和；注视时间

比（PFD）是指被试在某个兴趣区内的注视时间与总注视时间的比率；

热点图（Heat Map）显示被试在刺激材料上的视线分布情况；轨迹

三、实验结果分析

为了避免色彩、材质和品牌对偏好的影响，对陪伴机器人样本

进行灰度模式处理，并调节亮度制作直方图，使各样本亮度层次大

体一致，能够较为清晰地显示出造型细节（见图3）。

将阿尔法蛋、波比、编程机甲GT、可立宝、Nao、AIBO狗在

后续实验中分别以Y1Y2Y3Y4Y5Y6作为样本代号。为保证实验

结果的准确性，将实验样本以拉丁方设计形式排列，并且划出兴

趣区域（Areas of Interest，AOI），兴趣区域编号与样本编号一

致（见图4）。

表1 样本信息介绍表

代表性样本名称/类型

波比

主要功能

具有丰富的面部表情，以及智能触碰

无时无刻的陪伴。

与语音唤醒功能，亲子微聊模式提供

样本造型特征

由头部和躯干组成，头部是具有倒

两个摇动的长方形触角增加童趣。

角的方圆形，躯干轮廓近似方形，

头部是圆形显示屏，肢体以成简单

的圆润方形为主，与头部连成一个

型可爱萌趣。

整体，整体线条自然流畅，整体造

头部比例较大，躯干塑形明显，四

肢修长，通过关节连接，可活动，

与人物角色造型相似度较高。

备注

由小米公司研发，深受家长

和儿童的喜爱。

几何形

阿尔法蛋

几何形

通过科学幼教理论和人工智能技术潜

移默默地实现教学，具有绘本伴读、

创意编程、思维训练、远程操纵等功能。

由25个自由度及类人外形促使其行

并拥有舞蹈运动、语音视频、拍照监

控等功能。

支持高达180条语音指令，可通过面

部及声音进行情感表达，并具备图像

识别功能，能够通过动作互动给予儿

童陪伴感受。

由528块优质积木组成，具有8种造型，

儿童可自由组装，自带App提供编程

课程和游戏闯关，能够训练儿童的动

手和空间想象能力。

走，包含视觉/感知/思考等多个模块，

荣获第64届“iF国际设计

奖”，以及首届RFC“全国

最佳教育机器人奖”。

仿生形

Nao

2015年机器人世界杯比赛

实验室作为研究工具。

中获得标准平台组冠军，被

全球50个国家550间顶尖

由索尼公司研发，是世界首

台家用机器人，已被日本医

院引用。

AIBO狗

仿生形

头部刻画明显，耳朵进行放大处理，

物角色（狗）造型相似度较高。

动作变化通过关节屈伸体现，与动

编程机甲GT

不规则形

上半部分类似机器人的头部与躯干，

下半部分是具有倒角效果的立方体，

整体造型表现为无规则的形状。

由全球性高科技创新企业科

中销量名列前茅。

大讯飞推出，在编程机器人

不规则形

可立宝

提供动作与图形化编程，具有20种形

态，42种表情动画，200种交互设计

模式，操作简单，可自己拼装。

由主脑、躯干和车轮组成，轮廓复杂，

且可以随动作变化，整体外观极不

规则，充满科技感。

被福布斯极力推荐，畅销

100多个国家，是2020年

度全球TOP5消费级机器人。

108

学研探索产品

DESIGN

设计

2023年8月第36卷第15期

图3 部分陪伴机器人样本及其亮度直方图

图4 实验样本

图5 实验过程图

图（Gaze Plots）显示出被试者对刺激材料观察的时间顺序或观察

位置以时间。具体实验数据见表2。

=4.89，p=0.027<0.05；陪

（1）FFD：被试类型的主效应显著，F

（1，28）

=24.79，p<0.001；被试类型与

伴机器人造型的主效应极其显著，F

（1，28）

=47.87，

陪伴机器人造型交互时首次注视时间的差异极为显著，F

（1，28）

p²=0.183。p<0.001，分析可知：陪伴机器人造型变化对被试首次注

视时间的影响较大，其中ASD组对Y1和Y2的首次注视时间显著高

于其他样本，而TD组被试在Y3和Y4上的首次注视时间最长。

DESIGN

韦懿洋等：基于视觉偏好的ASD儿童陪伴机器人造型设计研究

设计

产品学研探索

109

表2 眼动实验数据

0.15±0.14

0.13±0.12

0.17±0.22

0.17±0.15

0.46±0.31

0.26±0.25

FFD（秒）

3.51±1.53

2.93±1.24

4.03±1.32

4.40±1.57

7.32±2.79

5.27±1.79

FC（次）

ASD组

0.51±0.34

0.39±0.27

0.62±0.40

0.74±0.41

1.69±0.64

1.05±0.59

FD（秒）PFD（%）

29.5

18.1

10.6

8.8

6.8

12.7

0.16±0.17

0.18±0.14

0.34±0.26

0.50±0.32

0.17±0.18

0.15±0.14

FFD（秒）

4.18±3.82

4.22±2.88

7.28±2.33

8.52±2.76

5.23±1.76

3.97±1.55

FC（次）

TD组

0.59±0.54

0.65±0.66

1.36±0.52

1.85±0.61

0.82±0.48

0.56±0.34

FD（秒）PFD（%）

14.0

9.8

23.5

10.4

9.6

32.1

图6 ASD组（左）和TD组（右）热点图

图7 ASD组（左）和TD组（右）轨迹图

（2）FC：被试类型的主效应显著，F=52.39，p<0.001；陪

（1，28）

=54.80，p=<0.001；被试类

伴机器人造型的主效应极其显著，F

（1，28）

=53.24，

型与陪伴机器人造型交互时注视次数的差异显著，F

（1，28）

p²=0.200。p<0.001，分析可知：陪伴机器人造型变化是影响被试

注视次数的主要因素，其中Y1和Y2获得ASD组的注视次数最多，

而Y3和Y4获得TD组的注视次数最多。

（3）FD：被试类型的主效应显著，F

（1，28）

=20.90，p<0.001；

陪伴机器人造型的主效应极其显著，F

（1，28）

=81.75，p<0.001；被

试类型与陪伴机器人造型交互时注视时间的差异极其显著，F

（1，

28）

=97.89，p<0.001，

p²=0.314；TD组的注视时间（M=0.973，

SE=0.022）明显高于ASD组（M=0.834，SE=0.022）。分析可知，

ASD儿童的视觉注意力差于TD儿童，其中ASD组在Y2上的注视

时间最长，其次是Y1；TD组在Y3上的注视时间最长，其次是Y4；

且两组被试对于Y5和Y6所投的注意力都是最少的。

110

学研探索产品

（4）PFD：ASD组的注视情况为：Y2>Y1>Y3>Y4>Y6>Y5，

即基本几何形>仿生形>不规则形；TD组的注视情况为：

Y3>Y4>Y2>Y1>Y6>Y5，即仿生形>基本几何形>不规则形；

因此可知，ASD组被试与TD组被试对不同陪伴机器人造型的

注视情况均存在显著差异。总体而言，基本几何形造型的陪伴机器

人能够引起ASD儿童更多的关注与视觉探索，进而提升儿童视觉注

意力；而仿生型陪伴机器人可以获得TD儿童更多的兴趣与视觉偏好，

进而提升儿童的视觉专注力。

（二）热点图和轨迹图

热点图（Heat Map）中红色表示注视点最集中的区域或视线停

留时间最长的区域，黄色次之，绿色表示最少或最短。轨迹图（Gaze

Plots）显示出被试者对刺激材料观察的时间顺序或观察位置以及观

察某位置的时间，观察时间越久，圆点就越大。

由两组被试的热点图可知，ASD组（见图6左）的热点分布较

设计

DESIGN

2023年8月第36卷第15期

为稀疏，而TD组（见图6右）的热点分布较为密集，则ASD儿童

对信息的关注度低，注意力不集中。ASD组被试在Y1和Y2的热点

颜色最深、范围最广，且热点主要集中于机器人的躯干部分，即基

本几何形造型是ASD儿童关注的热点区域；TD组被试在Y3和Y4

的热点颜色最深、范围最广，的热点区域； TD 组被试在 Y3 和 Y4

的热点颜色最深、范围最广，即仿生型造型的陪伴机器人是TD儿

童关注的热点区域。两组被试在Y5和Y6的热点颜色最浅，范围最小，

但相比于ASD组，TD组对Y5和Y6投入了较多的注意力，这说明

不规则形造型对儿童吸引力较小，该结果与表2一致，验证了数据

的准确性。

由轨迹图可知，ASD组（见图7左）注视点较为分散，主要集

中在陪伴机器人的躯干部分，呈现出一种局部加工的趋势，其中对

Y1的注视程度最高，Y3的注视程度最低，且很少注视Y3头部与眼

睛区域。而TD组被试（见图7右）的注视热点轨迹干净规整，主

要集中在陪伴机器人整体区域，尤其是对头部与躯干的连接部分，

表现出视觉加工的整体性和连续性。

因此可知，基本几何形造型的陪伴机器人是ASD组被试注视

点最集中、停留时间最长的区域，尤其是躯干部位。而仿生形造型

的陪伴机器人是TD组被试视线分布最密集的区域，且视线分布均

匀规整。

从热点图和轨迹图可以看出，两组被试的视觉加工区域存在显

著差异。ASD组更多的注视陪伴机器人的躯干部分，对头部的注视

较少，这可能与ASD儿童独特的视觉加工方式：对局部或细节进行

优先加工与面孔回避效应有关。其中，相比于其他陪伴机器人造型

头部的注视情况，ASD组被试对Y1的注视最多，对Y3的注视最少，

这可能与机器人的眼睛有关，Y1的眼睛为两个简单的圆形，与真人

眼睛相似度较低，因此ASD儿童不会刻意回避；而Y3更具人形，

其眼睛则更加具体、真实，与真人眼睛的相似度极高，所以ASD儿

童会回避对机器人眼睛甚至头部的注视。

因此在ASD儿童陪伴机器人的造型设计中，应优先考虑对陪伴

机器人躯干部位的设计，即简化躯干部位的装饰，使其在与儿童交

互时能够根据语言和情绪变化反应出清晰的肢体动作，降低儿童的

感知觉障碍；机器人眼部的设计采取中等设计元素，避免与真人相

似而导致视觉回避行为，采用简单的基本几何图形，如圆形、椭圆等，

整体简洁，增强亲和性。

从陪伴机器人整体造型方面进行分析，两组被试对不规则造型

的机器人所投入的注意力都是最少的，可能是由于该类陪伴机器

人造型中所包含的元素较多，复杂多样，导致儿童视觉加工困难；

ASD组在基本几何形陪伴机器人中的注视次数最多，注视时间最

长，可以推论ASD组被试对基本几何形造型的陪伴机器人存在视

觉加工优势。

因此在儿童陪伴机器人造型的设计中要减少不规则元素的使用。

在ASD儿童陪伴机器人的整体造型设计中，推荐采用基本几何形，

且由于儿童具有较强的几何思维能力，几何图形能产生强烈的视觉

刺激，进而改善社交障碍，达到更好的干预效果。

本研究以ASD儿童为目标群体，采用眼动追踪法分析ASD儿

童对不同造型陪伴机器人的视觉注意偏好，并总结符设计原则。基

于对眼动实验结果的分析，对ASD儿童陪伴机器人的造型设计提

出以下建议：（1）ASD儿童对基本几何形造型的陪伴机器人的视觉

注意显著多于其他造型的陪伴机器人，存在明显的视觉偏好，故而在

韦懿洋等：基于视觉偏好的ASD儿童陪伴机器人造型设计研究

设计

造型设计时推荐选用基本几何形；（2）ASD儿童对陪伴机器人的躯

干部分明显投入了更多的注意力，因此在设计中应优先考虑对躯干

部分进行设计；（3）ASD儿童陪伴机器人的眼睛设计尽量采用简单

的几何图形，避免与真人眼睛相似。本研究将ASD的视觉偏好与陪

伴机器人的造型关联起来，为陪伴机器人的造型设计提供指导，使

ASD儿童增强兴趣性、激发积极性、提升体验感，从而达到更好的干

预效果。

项目基金：江苏师范大学研究生科研与时间创新计划项目（2021XKT0355）。

四、讨论

参考文献

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结语

DESIGN

产品学研探索

111