Designing Tactility of Social Robots for User Acceptance

Abstract

With rapid advances in robot technology and the availability of fast and reliable networks, social robots that can interact with humans in daily life are proliferating. Through various design elements, social robots can provide more seamless human–robot interactions. Most humans interpret the social expressions of robots according to human social norms. Hence, many social robots have been developed to emulate human beings, after much research for better acceptance by humans in terms of looks (head with body and hands, meaning visual anthropomorphism) and sound (human-like sound as found in verbal cues in Google maps, meaning auditory anthropomorphism). However, there is little research on robots imitating humans for touch (tactile anthropomorphism). Robots can perform tactile interactions with humans, which differentiates them from other media. Thus, it is necessary to study tactile interaction between humans and robots based on the concept and the characteristics of human communication. Most research to date in human–robot interaction has focused on developing robots that communicate and interact with humans in a manner closest to existing human–human interactions. However, from the user perspective, there is limited research on whether (a) users want a high sense of robots/remote senders’ presence or (b) a high presence of robots/remote senders’ necessarily satisfies users. User satisfaction is an important aspect because social robots are designed to interact with human or to mediate communication between people who reside at a distance rather than specialized professional tasks, with the aim to become ubiquitous and accepted by humans. Therefore, the theoretical and empirical guidelines for designing social robots should be framed considering the relationship between robot/remote sender presence and human satisfaction in human–robot interactions. This would lead to a new design direction that will enrich the fields of social robot design and robotics. The purpose of this study is to understand presence and user satisfaction and establish knowledge applicable to social robot tactility design. This study begins with four questions: (1) Which robot tactility enhances presence? (2) Does enhanced presence satisfy users? (3) How should designers design robots' tactility? (4) How should designers design robots for optimal acceptance in human–robot interaction? This study seeks answers to these questions by understanding the concepts of robot presence and user satisfaction in human–robot interactions and how designers can design better social robots. First, this dissertation discusses and identifies the concepts and types of social robots. Robots' social cues in human–robot interactions are classified as visual, auditory, and tactile. Based on this, we investigate how the tactility of social robots affects users' perceptions. Second, design factors of social robots shaping user satisfaction in human–robot interaction are identified. Through existing literature review and the grounded theory method, we identified the three factors that a robot needs to satisfy users: robustness as a product, utility as a service provider, and sociality as a social partner. Third, we have identified design methods focusing on different types of social robots and their tactility. The factors that constitute tactility were analyzed through literature review and the degree of anthropomorphism was selected as the tactility design factor. The effect of robot type and anthropomorphic tactility on presence and user satisfaction was investigated. In autonomous robots, anthropomorphic tactility improved both sense of presence and user satisfaction compared to non-anthropomorphic tactility. However, in the case of telepresence robots, anthropomorphic tactility improved the sense of presence, but user satisfaction decreased compared to non-anthropomorphic tactility. Based on the results of this study, it is suggested that the degree of anthropomorphism of social robots should be designed based on their intended use. Fourth, by focusing on social contexts, this study attempts to determine an approach for enhancing robot presence and increasing user satisfaction. Social contexts can be classified into socio-relational contexts, environmental contexts, and situational contexts. The user has perception on tactility of a robot differently depending on the relationship with the interaction partner, the environment in which the interaction is performed, and the situations in which interactions take place. This study has investigated the effect of three social contexts and robots' tactility on presence and user satisfaction. As a result of the analysis, we found that: When the socio-relations between interaction partners are intimate, tactility design that enhances the sense of presence increases user satisfaction; but when the socio-relationship is not intimate, tactility design that weakens presence enhances user satisfaction. Thus, unless the socio-relationship is intimate, robot tactility with weakened presence is desired. In addition, we found that higher presence improves the accuracy of work performance although it may decrease user satisfaction. Based on these results, we propose a method that includes the social context as a key criterion while designing social robots. Next, we investigated how to design tactility of a social robot according to types. Tactility was divided into visual and physical types; we examined the effect of these tactility types and a degree of anthropomorphism of tactility on presence, user satisfaction, and perceived safety. This analysis revealed that tactility with a high degree of visual anthropomorphism and a high level of physical anthropomorphism increases robots’ presence. However, user satisfaction and perceived safety were rather weak with robots that are more physically anthropomorphic compared to those with visually anthropomorphic tactility. The results of this study suggest that appropriate robot design methods should be framed considering the effect of visual and tactile differences on user perception. Finally, this study proposes a social robot design guideline that helps to understand the presence and user satisfaction formation in the human–robot interaction by schematizing the derived factors affecting social robot tactility design and their constitutional relations. It specifically paves the way for understanding the concept of user satisfaction in human–robot interaction by reconstructing the concept according to the situations of interactions. By proposing these practical social robot design guidelines for designers and developers, this dissertation forms a foundation for future studies. We hope that design research on social robotics would benefit by this dissertation. The validity of the social robot design guidelines is demonstrated based on the results of six experimental studies constituting this dissertation. We have also suggested several design solutions under the given constraints for the complex design problem: How to design social robots’ tactility for user acceptance.;최근 로봇기술의 발전과 네트워크 가용성이 보편화되면서, 일상생활에서 인간과 사회적으로 상호작용할 수 있는 소셜로봇(social robot)이 시장에 등장하기 시작하였다. 소셜로봇은 다양한 디자인 요소들을 통해 보다 원활한 인간-로봇 상호작용을 제공해줄 수 있는 가능성을 지니고 있으며, 인간은 로봇의 사회적 표현을 인간의 사회 규범에 따라 해석한다. 이에, 소셜로봇은 인간과의 상호작용 편의성을 위하여 많은 부분 인간을 모방하여 개발되었다. 로봇의 시각적 의인화와 청각적 의인화에 대한 연구는 많은 연구자들에 의해 진행되었다. 그러나 다른 감각과는 달리 인간을 모방한 로봇의 촉각 정보에 대한 연구는 미비한 실정이다. 로봇은 물리적 형상을 지닌 존재로, 친밀거리(intimate zone) 내에서 접촉을 통한 촉각적 상호작용이 가능하다. 이는 다른 미디어들과 차별화되는 로봇의 특성으로, 인간 간 상호작용의 개념과 특성에 근거한 인간-로봇 간의 촉각적 상호작용에 대한 연구가 필요하다. 인간-로봇 상호작용 내 기존 연구들은 인간과 소통하는 로봇을 개발하기 위하여 로봇이 실제 사회적으로 존재하는 것과 같은 느낌, 즉, 실재감에 대해 평가하였다. 해당 연구들은 대부분 어떻게 소셜로봇의 실재감을 높여서, 보다 기존 사람 간 상호작용과 유사한 상호작용을 할 수 있도록 할 것인가에 대해 중점적으로 이루어졌다. 그러나 사용자 관점에서, 인간이 로봇의 높은 실재감을 원하는가, 높은 실재감이 반드시 인간을 만족시키는가에 대한 연구는 제한적이다. 소셜로봇은 전문적인 과업을 수행하는 로봇이 아니라, 일반 사용자와 일상생활에서 사회적으로 상호작용을 하는 로봇으로, 로봇에 대한 만족도는 사용자의 로봇 수용도를 높이는데 있어서 중요한 측면을 차지한다. 따라서 인간-로봇 상호작용에서 로봇의 실재감과 로봇에 대한 사용자 만족도 간 관계를 고려하여 소셜로봇의 촉감에 대한 디자인 가이드라인을 개발하고 이를 통하여 로봇의 촉감 디자인의 이론적, 경험적 토대를 구축하고자 한다. 이는 인간-로봇 상호작용 분야와 소셜 로보틱스(social robotics) 분야를 보다 풍성하게 만들어줄 새로운 디자인 방향을 제시할 것이다. 본 연구의 목적은 디자인 관점으로 실재감과 사용자 만족도의 개념을 이해하고 이를 바탕으로 소셜로봇 촉감 디자인에 적용 가능한 지식을 구축하는 것이다. 이를 위해 다음 네 가지 연구 질문이 제시되었다. 첫째, 어떠한 로봇 촉감이 실재감을 강화 시키는가? 둘째, 강화된 실재감이 사용자를 만족시키는가? 셋째, 디자이너들은 어떻게 로봇의 촉감을 디자인해야 하는가? 넷째, 인간 로봇 상호작용에서 디자이너들은 어떻게 로봇을 디자인해야 하는가? 이에 본 연구는 인간-로봇 상호작용상황에서 실재감과 사용자 만족도에 대한 개념을 이해하고, 디자이너들이 어떻게 소셜로봇을 디자인할 수 있는지 살펴봄으로써 이 질문에 대한 답을 제시하였다. 본 연구의 첫 번째 단계에서 소셜로봇의 개념과 유형에 대해 이해하고 이들의 개념과 역할에 대해 고찰하였다. 또한 인간-로봇 상호작용에서 로봇이 지닐 수 있는 사회적 단서를 시각적 단서, 청각적 단서 및 촉각적 단서를 분류하고 이들의 개념에 대하여 이해하였다. 이를 바탕으로 소셜로봇의 촉감이 사용자에게 영향을 미칠 가능성을 탐색했다. 두 번째 단계에서는 인간-로봇 상호작용에서 사용자 만족을 형성하는 디자인 구성요소들을 파악하고 추출하였다. 기존 문헌 연구와 사용자 참여 연구를 통해 소셜로봇이 사용자를 만족시키기 위한 요소로 제품으로서 견고성, 서비스 제공자로서 효용성, 사회적 파트너로서 사회성을 지녀야 함을 도출하였다. 세 번째 단계에서는 소셜로봇 유형과 로봇의 촉감 디자인 방법에 초점을 두어 디자인 방법을 모색하였다. 촉감을 나누는 요소들을 문헌 연구를 통하여 분석하고 의인화 정도를 촉감 디자인 구성요소로 선정하였다. 로봇의 유형과 의인화된 촉감이 실재감과 사용자 만족도에 미치는 영향에 대한 연구를 실시하였다. 자율 로봇의 경우, 의인화된 촉감은 실재감과 사용자 만족도 모두 높였다. 반면 텔레프리젠스 로봇의 경우, 의인화된 촉감은 실재감을 높였지만 사용자 만족도는 떨어뜨렸다. 이 연구 결과를 바탕으로 소셜로봇을 디자인 할 때 로봇의 유형을 고려하여 로봇의 의인화 정도를 디자인해야 함을 제안한다. 네 번째 단계에서는, 사회적 맥락에 따른 소셜로봇의 촉감 디자인 방법을 모색하였다. 사회적 맥락은 사회 관계적 맥락, 환경적 맥락 및 상황적 맥락으로 분류될 수 있다. 사용자는 상호작용을 하는 대상과의 관계, 상호작용이 이루어지고 있는 환경 및 사용자와 상호작용하는 상황에 따라 로봇의 촉감에 대해 다르게 인식할 수 있다. 본 연구에서는 세 가지 사회적 맥락에 근거하여 촉감 디자인 구성요소를 선정하고 이들이 실재감과 사용자 만족도에 미치는 영향에 대한 연구를 실시하였다. 분석 결과, 상호작용 대상자 간 사회 관계가 친밀할 때는 사용자의 만족도를 높이기 위해서 실재감을 높이는 촉감 디자인이 필요한 반면, 사회 관계가 친밀하지 않을 때는 실재감이 낮은 촉감 디자인이 오히려 사용자의 만족도를 높임을 발견하였다. 사회 관계가 친밀할 때를 제외하고는 로봇 촉감을 디자인할 시 실재감이 낮은 촉감을 우선적으로 고려해야 함을 검증하였다. 또한 높은 실재감은 사용자 만족도를 떨어뜨릴 수 있으나 작업 수행의 정확도를 높임을 발견하였다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 소셜로봇을 디자인 할 때 사회적 맥락을 고려한 후 이에 맞는 로봇 디자인 방법을 모색해야 함을 제안한다. 다섯 번째 단계에서는, 촉감 유형에 따른 소셜로봇의 촉감 디자인 방법을 알아보았다. 본 연구에서는 촉감을 시각적 촉감과 물리적 촉감으로 나누어 이러한 촉감의 유형과 의인화된 촉감이 실재감, 사용자 만족도 및 인지된 안전성에 대한 연구를 진행하였다. 분석 결과, 시각적으로 따뜻하게 느껴지는 촉감과 물리적으로 따뜻한 촉감 모두 실재감을 높였다. 그러나 시각적으로 의인화 된 촉감을 지닌 로봇보다 물리적으로 의인화 정도가 높을 경우 사용자 만족도와 인지된 안전성은 오히려 떨어졌다. 이 연구 결과는 시각과 촉각 간 차이가 사용자 인식에 미칠 영향을 고려하여 적절한 로봇 디자인 방법을 모색해야 함을 제안한다. 마지막으로, 본 연구에서는 도출된 소셜로봇의 촉감 디자인 요소들과 그들간의 구성 관계를 도식화함으로써 인간-로봇 상호작용 상황 내 실재감과 사용자 만족 형성에 대한 이해를 돕는 소셜로봇 디자인 가이드라인을 제안하였다. 특히 사용자 만족도의 개념을 인간-로봇 상호작용 상황에 맞춰 재구성함으로써 로봇에 대한 만족도에 대한 이해의 기틀을 마련하였으며 소셜로봇의 촉감 디자인 요소들이 이에 영향을 미침을 발견하였다. 본 논문을 구성하는 여섯 가지 실험 연구의 결과들은 소셜로봇 디자인 가이드라인의 타당성을 입증하며 디자이너가 실재감을 강화하거나 사용자 만족도를 높이기 위해 어떻게 소셜로봇을 디자인해야 하는가라는 문제에 대한 디자인 방안을 제시하였다. 본 연구는 디자이너와 로봇 개발자들에게 실용적 소셜로봇 디자인 가이드라인 제안함으로써 향후 연구들에 대한 이론적인 초석을 세웠으며 본 연구 성과를 기반으로 소셜 로보틱스에 대한 디자인 연구가 확장되기를 기대해본다.