陳東帆，李睿強(qiáng)，韓琨

人形機(jī)器人技術(shù)在孤獨癥兒童干預(yù)中的應(yīng)用

陳東帆，李睿強(qiáng)，韓琨

[摘要]目的探討人形機(jī)器人對孤獨癥兒童社會交往能力、專注力以及行為能力的改善情況。方法通過機(jī)器人參與的教學(xué)情境教學(xué)，誘導(dǎo)10名孤獨癥兒童與人形機(jī)器人NAO互動。觀察孤獨癥兒童在眼神注視、社會交往以及學(xué)習(xí)任務(wù)完成方面的表現(xiàn)。

結(jié)果10名兒童在有機(jī)器人參與的教學(xué)中，眼睛注視次數(shù)更多，安靜時間顯著增加。9人“注視”行為實際互動次數(shù)達(dá)到實驗理論互動次數(shù)的50%以上，行為準(zhǔn)確率達(dá)到80%；5人“揮手”行為實際互動次數(shù)達(dá)到實驗理論互動次數(shù)的50%以上，7人行為準(zhǔn)確率達(dá)到50%；7人“說你好”行為互動次數(shù)達(dá)到實驗理論互動次數(shù)的50%以上，4人行為準(zhǔn)確率超過50%。結(jié)論機(jī)器人有助于改善孤獨癥兒童的社交能力、專注力與行為能力。

[關(guān)鍵詞]孤獨癥譜系障礙；兒童；人形機(jī)器人；應(yīng)用行為分析；課程實驗設(shè)計

[本文著錄格式]陳東帆，李睿強(qiáng)，韓琨.人形機(jī)器人技術(shù)在孤獨癥兒童干預(yù)中的應(yīng)用[J].中國康復(fù)理論與實踐, 2015, 21(11): 1325-1328.

CITED AS: Chen DF, Li RQ, Han K. Application of humanoid robot in intervention for autistic children [J]. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian, 2015, 21(11): 1325-1328.

孤獨癥譜系障礙(autism spectrum disorders, ASD)是一種廣泛發(fā)展障礙，以社會交往障礙、言語和非言語交流缺陷、興趣狹窄和行為刻板等為主要臨床特征。全球現(xiàn)有孤獨癥患者3500萬，其中40%是兒童，中國孤獨癥患兒數(shù)達(dá)100多萬。開發(fā)適應(yīng)孤獨癥患兒的訓(xùn)練教程非常必要。大量研究表明，孤獨癥患者年齡越小，越早進(jìn)行干預(yù)訓(xùn)練，障礙行為就越容易改善[1-3]。

20世紀(jì)40年代，美國兒童精神科專家Leo Kanner教授首次對11例孤獨癥兒童的臨床特征進(jìn)行詳細(xì)描述，提出“早期嬰兒孤獨癥”這一概念。1981年，英國精神科醫(yī)師Lorna Wing提出了“Asperger癥候群”概念，將其歸入ASD。美國精神醫(yī)學(xué)會在最新擬定《精神疾病診斷與統(tǒng)計手冊(第五版)》中強(qiáng)調(diào)ASD這一大概念，將孤獨癥的診斷歸于精神障礙[2]。據(jù)2014年最新的孤獨癥發(fā)病率統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，孤獨癥(譜系)兒童的發(fā)病率高達(dá)1∶68，作為一種廣泛性發(fā)育障礙，其發(fā)病率已高居兒童精神疾病之首，且無治療孤獨癥的特效藥物，只能通過行為訓(xùn)練方式進(jìn)行干預(yù)性治療，以減輕其癥狀。

應(yīng)用行為分析(Applied Behavior Analysis,ABA)是指人們在嘗試?yán)斫?、解釋、描述和預(yù)測行為的基礎(chǔ)上，運(yùn)用行為改變的原理和方法對孤獨癥兒童進(jìn)行行為干預(yù)，使其具有一定社會意義[4]。應(yīng)用行為分析的基本原理就是刺激—反應(yīng)—強(qiáng)化，治療者對患兒進(jìn)行一種或多種刺激，患兒根據(jù)刺激做出一定的反應(yīng)，治療者對患兒的正確反應(yīng)提供強(qiáng)化物加以鼓勵，對其不當(dāng)行為則不提供強(qiáng)化物；另外教授恰當(dāng)行為以替代問題行為。

應(yīng)用行為訓(xùn)練采用一對一的回合式教學(xué)法(discretetrial instruction)。它有4個要點[4-7]：①將每項要教的技能內(nèi)容分解細(xì)分，然后分步練習(xí)；②強(qiáng)化性教學(xué)，反復(fù)訓(xùn)練各個步驟；③使用提示幫助孩子做出正確的反應(yīng)；④合理使用強(qiáng)化物。其中，內(nèi)容分解與強(qiáng)化教學(xué)是成功的關(guān)鍵因素。

近年來，幫助孤獨癥兒童改善癥狀的技術(shù)層出不窮，包括靜態(tài)圖片、電腦動畫、感統(tǒng)訓(xùn)練等[1]。一般的圖卡、影像、電腦動畫等方法較為單調(diào)而且缺乏反饋回應(yīng)[2]。而機(jī)器人有動作與聲音，能吸引孤獨癥兒童的注意，可能幫助孤獨癥兒童學(xué)習(xí)社交技巧。

NAO機(jī)器人是由法國Aldebaran Robotics公司研制的一款人工智能仿人機(jī)器人，有著討人喜歡的外形設(shè)計和優(yōu)良的硬件配置，并提供豐富的二次開發(fā)接口，可以支持多平臺和多種開發(fā)語言編程。NAO機(jī)器人不僅運(yùn)用在機(jī)器人研究、人工智能和計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，還可以運(yùn)用在社會學(xué)和醫(yī)療保健領(lǐng)域，包括多智能體系統(tǒng)、自動化、信號處理、全身運(yùn)動、路徑規(guī)劃，以及孤獨癥治療。

NAO機(jī)器人擁有一個開放的編程構(gòu)架，提供NAO控制所需的所有應(yīng)用程序編程接口(application programming interface, API)，包括OpenCV的庫函數(shù)以及多種成熟的算法，可以在Windows、Linux、MacOS等多種平臺上編程[8-12]。

由于孤獨癥兒童害怕與人溝通，或無法在短時間內(nèi)理解一般人的說話，他們往往覺得機(jī)器人更有安全感[13]，因此在治療中使用機(jī)器人，能促進(jìn)患兒的干預(yù)訓(xùn)練過程，促進(jìn)患兒注意力集中，激發(fā)患兒參與的興趣[14-17]，引導(dǎo)他們產(chǎn)生更多語言和動作上的互動，使訓(xùn)練教學(xué)設(shè)計更具吸引力和趣味性。比單純由康復(fù)師進(jìn)行訓(xùn)練起到的效果要明顯。

目前孤獨癥康復(fù)干預(yù)訓(xùn)練過程中，專業(yè)康復(fù)師數(shù)量不足的問題已日益凸顯。將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于孤獨癥兒童的干預(yù)訓(xùn)練，不僅可以提高康復(fù)訓(xùn)練的效率和成果，而且還能解決康復(fù)專業(yè)人才緊缺的問題。

本文提出一種借助機(jī)器人的干預(yù)訓(xùn)練方法，將人形機(jī)器人融入孤獨癥兒童的康復(fù)訓(xùn)練，設(shè)計以人形機(jī)器人NAO為示范樣本的教學(xué)情境互動內(nèi)容，誘導(dǎo)孤獨癥兒童與機(jī)器人互動，幫助孤獨癥兒童從互動過程中學(xué)習(xí)社交技巧，培養(yǎng)孤獨癥兒童的模仿能力，并加強(qiáng)孤獨癥兒童與人之間的互動。

1　資料與方法

1.1一般資料

選取10名來自上海某康復(fù)機(jī)構(gòu)的孤獨癥兒童。納入標(biāo)準(zhǔn)：①確診為孤獨癥；②無聽覺、視覺障礙；③眼睛無異常；④無自殘、攻擊性行為；⑤年齡8～14歲。

1.2方法

本研究分為兩個階段。

1.2.1實驗(一)

包括機(jī)器人自我介紹、機(jī)器人跳舞和機(jī)器人與康復(fù)師互動3個模塊。

觀察兒童接觸機(jī)器人時的最初反應(yīng)，比較孤獨癥兒童在有無機(jī)器人參與教學(xué)過程時眼睛注視次數(shù)和安靜時間。眼睛注視次數(shù)，無機(jī)器人環(huán)節(jié)統(tǒng)計孤獨癥兒童注視老師的次數(shù)，有機(jī)器人的環(huán)節(jié)統(tǒng)計孤獨癥兒童注視機(jī)器人的次數(shù)；安靜時間，分別統(tǒng)計孤獨癥兒童處于安靜狀態(tài)的時間。

1.2.2實驗(二)

了解兒童基本情況；結(jié)合他們在實驗(一)中的表現(xiàn)，了解每名兒童的能力水平；結(jié)合ABA工作標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)提煉與每名兒童相適應(yīng)的動作目標(biāo)。

對應(yīng)動作目標(biāo)，研發(fā)編制機(jī)器人NAO應(yīng)用程序，生成驅(qū)動函數(shù)，使NAO機(jī)器人做出動作；從動作目標(biāo)出發(fā)，拓展社會性場景，其中包含詳細(xì)的情節(jié)腳本來體現(xiàn)這些動作目標(biāo)。

最終設(shè)計出“上學(xué)路上打招呼”教案，用于能力較高的孤獨癥兒童。

我們從行為目標(biāo)和結(jié)果目標(biāo)兩方面對孤獨癥兒童教學(xué)效果進(jìn)行主觀評價。行為目標(biāo)評價主要統(tǒng)計孤獨癥兒童在實驗教學(xué)中的行為配合次數(shù)；結(jié)果目標(biāo)評價計算孤獨癥兒童在實驗教學(xué)中行為的準(zhǔn)確率(正確互動次數(shù)占實際互動次數(shù)的百分比)，遴選出完成水平較高的行為配合次數(shù)。

1.2.3實驗布局

實驗在專門布置的場所進(jìn)行。孤獨癥兒童在機(jī)器人正前方；老師在機(jī)器人的側(cè)面(僅在實驗教學(xué)環(huán)節(jié))；在機(jī)器人左后方、右后方，各架設(shè)一臺專業(yè)攝像機(jī)，用于記錄孤獨癥兒童在實驗(一)和實驗(二)教學(xué)中的整個過程；電腦和操作人員在機(jī)器人的正后方。

1.2.4實驗內(nèi)容

由于實驗對象是孤獨癥兒童，實驗過程可能存在較多突發(fā)因素，因此實驗過程中我們采用手動控制模式操控機(jī)器人，即保持電腦端連接機(jī)器人，執(zhí)行預(yù)編程序。這樣便于在突發(fā)狀況出現(xiàn)時及時調(diào)整機(jī)器人的程序，盡快使實驗恢復(fù)正常。

操作人員通過電腦控制NAO機(jī)器人，孤獨癥兒童和機(jī)器人進(jìn)行互動，記錄孤獨癥兒童與機(jī)器人互動的過程作為實驗原始數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后對孤獨癥兒童的行為表現(xiàn)進(jìn)行分析。

2　結(jié)果

2.1實驗(一)

10名兒童見到機(jī)器人后都表現(xiàn)積極，目光注視機(jī)器人，注視次數(shù)雖因人而異，長短不一，但總體都能維持較長時間注意力?；谝陨戏磻?yīng)，初步推測NAO機(jī)器人對孤獨癥兒童有吸引力，可以進(jìn)行實驗(二)。

10名兒童均在有機(jī)器人參與的教學(xué)中表現(xiàn)出眼睛注視次數(shù)更多，安靜時間增加。見表1。

表1　孤獨癥兒童有無機(jī)器人環(huán)境下安靜時間和注視次數(shù)比較

2.2實驗(二)

2.2.1行為目標(biāo)評價

“注視”行為：9人達(dá)到理論互動次數(shù)50%以上，行為準(zhǔn)確率均達(dá)到80%。

“揮手”行為：5人達(dá)到理論互動次數(shù)50%以上，7人行為準(zhǔn)確率達(dá)到50%。

“說你好”行為：7人達(dá)到理論互動次數(shù)50%以上，4人行為準(zhǔn)確率超過50%。

見表2。

表2　孤獨癥兒童各行為互動次數(shù)及正確次數(shù)

2.2.2結(jié)果目標(biāo)評價

通過表2數(shù)據(jù)可知，“注視”行為的準(zhǔn)確率最高，平均達(dá)到76.9%；“揮手”次之，平均為49.6%；“說你好”最低，為35.9%。從眼神注視，到動作揮手，再到言語表達(dá)，行為難度越來越高，被試完成的準(zhǔn)確率逐漸降低。

3　討論

孤獨癥兒童的核心障礙表現(xiàn)為社交溝通障礙、興趣局限及刻板行為。由于孤獨癥兒童個體差異大，障礙程度不同，教師資源匱乏，很難確保每名孤獨癥兒童均得到有效的早期干預(yù)。目前臨床上關(guān)于孤獨癥康復(fù)訓(xùn)練缺乏有效的干預(yù)方法，訓(xùn)練模式傳統(tǒng)、單一，無法確保孤獨癥兒童密集干預(yù)的強(qiáng)度。

2014年孤獨癥康復(fù)循證實踐干預(yù)報告指出，以計算機(jī)為媒介的教育康復(fù)技術(shù)逐漸發(fā)展為新興的康復(fù)模式。借助高科技手段，能夠更好地將康復(fù)信息資源整合，如機(jī)器人、虛擬空間等，不僅解決教師資源匱乏的問題，同時也能保證孤獨癥兒童康復(fù)訓(xùn)練的強(qiáng)度和全面性，進(jìn)而提高康復(fù)訓(xùn)練的效率。

1976年，愛丁堡大學(xué)的Weir等采用遠(yuǎn)程控制機(jī)器人對一名7歲孤獨癥兒童進(jìn)行干預(yù)訓(xùn)練，取得良好效果[18,23]。近年來，國外研究者致力于利用更加靈活、智能的機(jī)器人，幫助孤獨癥兒童。機(jī)器人可作為ASD兒童的友好伙伴，通過對社交技能幾大領(lǐng)域的探索，如模仿、共同注意、輪流、情緒識別和表達(dá)、主動交往等[24]，發(fā)展ASD兒童的社交相關(guān)能力。

目前把機(jī)器人用于孤獨癥康復(fù)的模式主要有3 種[18-22]：①把機(jī)器人作為治療同伴，通過吸引和保持兒童的注意力，使其專注于相關(guān)的交往互動；②把機(jī)器人作為社會互動的媒介，引導(dǎo)和促進(jìn)兒童之間的社會互動行為；③把機(jī)器人作為社會代理模型，由工程師編好程序，按動不同的按鈕，機(jī)器人便會為孤獨癥兒童展示在特定環(huán)境下的社會交往行為，使其通過觀察，學(xué)習(xí)到社會交往行為；同時兒童也可以直接與機(jī)器人進(jìn)行互動練習(xí)[24-25]。

本研究基于機(jī)器人技術(shù)的孤獨癥兒童康復(fù)訓(xùn)練課程開發(fā)，提出一種借助機(jī)器人的孤獨癥干預(yù)訓(xùn)練方法，將人形機(jī)器人NAO融入孤獨癥兒童的康復(fù)訓(xùn)練，設(shè)計出以人形機(jī)器人NAO為示范樣本的教學(xué)情境互動內(nèi)容，完成NAO機(jī)器人孤獨癥康復(fù)訓(xùn)練課程的研發(fā)、設(shè)計和初期制作，并進(jìn)行多次臨床實驗。研究表明，機(jī)器人能提高孤獨癥兒童社交交往能力、專注力與行為能力。

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·輔助技術(shù)·

Applicationof Humanoid Robot in Interventionfor AutisticChildren

CHENDong-fan, LI Rui-qiang, HANKun
The Key Laboratory of Speech and Hearing Science, Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai 200062, China

Abstract:Objective To investigate the effect of humanoid robot on social skills, concentration and mobility in children with autism. Methods10 autistic children wereasked to interact with humanoid robot NAO in ateaching environment that involvesactiveparticipation of the robot. The eye-contact and social interaction, as well as performances in accomplishing learning objectives were observed. Results The10 children exhibited moreconcentrated gazing and significantly longer periodsof silence. Theactual number of interaction of thebehavior Gazing of 9 children exceeded 50% of thetheoretical one, thesuccessrateof which reaching 50%. For thebehavior Waving, 5 children wereableto interact for morethan 50% of thetheoretical times, with an accuracy of performanceof 50% in 7 children. For Say Hello, 7 children wereableto interact for morethan 50% of thetheoretical times, with an accuracy of performanceof 50% in 4 children. ConclusionApplicationof humanoidrobotsNAOmay improvethesocial skills, concentrationandmobility inautisticchildren.

Keywords:autismspectrumdisorders; children; humanoidrobot NAO;Applied Behavior Analysis; experimental design

(收稿日期：2015-07-13修回日期：2015-08-28)

作者簡介：作者單位：華東師范大學(xué)言語聽覺科學(xué)教育部重點實驗室，上海市200062。陳東帆(1964-)，男，漢族，上海市人，博士，副教授，主要研究方向：計算機(jī)仿真、計算機(jī)輔助設(shè)計、機(jī)器人。

DOI:10.3969/j.issn.1006-9771.2015.11.020

[中圖分類號]R749.94

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-9771(2015)11-1325-04