陳東帆，于新宇，李睿強(qiáng)，沈奕楊，汪學(xué)敏，雷俊卿

人形機(jī)器人孤獨(dú)癥教學(xué)課程體系設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)①

陳東帆1a，1b，于新宇1a，1b，李睿強(qiáng)1a，1b，沈奕楊1b，汪學(xué)敏1b，雷俊卿1b

目的開(kāi)發(fā)基于人形機(jī)器人技術(shù)，針對(duì)孤獨(dú)癥兒童社會(huì)交往障礙的結(jié)構(gòu)化康復(fù)課程。方法通過(guò)對(duì)機(jī)器人軟件編程、課程結(jié)構(gòu)化分層完成康復(fù)課程開(kāi)發(fā)，并應(yīng)用于3名孤獨(dú)癥兒童。結(jié)果和結(jié)論開(kāi)發(fā)出基于人形機(jī)器人技術(shù)，針對(duì)孤獨(dú)癥兒童社會(huì)交往障礙的結(jié)構(gòu)化康復(fù)課程。3名兒童在課堂上大部分時(shí)間保持關(guān)注，偶有情緒行為異常。

機(jī)器人；孤獨(dú)癥；社會(huì)交往障礙；課程開(kāi)發(fā)

［本文著錄格式］陳東帆，于新宇，李睿強(qiáng)，等.人形機(jī)器人孤獨(dú)癥教學(xué)課程體系設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐，2016，22（9）:1090-1093.

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孤獨(dú)癥是一種廣泛性發(fā)育障礙。據(jù)美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2014年，發(fā)病率已高達(dá)1/68；亞洲同歐、美洲孤獨(dú)癥發(fā)病率相似，約為1%［1］。

孤獨(dú)癥兒童存在多重障礙，社會(huì)交往障礙為其核心缺陷之一?，F(xiàn)有的行為訓(xùn)練方法包括應(yīng)用行為分析法、感覺(jué)統(tǒng)合訓(xùn)練法、音樂(lè)治療法、結(jié)構(gòu)化教學(xué)、地板時(shí)光等［2-6］。每種方法的側(cè)重點(diǎn)不同，都有各自的優(yōu)勢(shì)和局限，對(duì)于社會(huì)交往障礙而言，都存在習(xí)得的知識(shí)難以遷移、泛化困難的缺點(diǎn)。

現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用為孤獨(dú)癥的康復(fù)帶來(lái)了更多的便捷與希望［7］。由于孤獨(dú)癥兒童具有對(duì)非生命物體感興趣的特點(diǎn)，將人形機(jī)器人等技術(shù)應(yīng)用到孤獨(dú)癥康復(fù)中或?qū)⒏欣诠陋?dú)癥兒童對(duì)知識(shí)的習(xí)得和對(duì)技能的泛化；同時(shí)，人形機(jī)器人在訓(xùn)練中可以作為兒童的伙伴，與兒童建立初步的社會(huì)交往，使兒童在家庭中也能進(jìn)行社交訓(xùn)練［8］，這或許更有利于孤獨(dú)癥兒童社會(huì)交往技能的建立和泛化。

已有一些研究證實(shí)了機(jī)器人在孤獨(dú)癥康復(fù)中應(yīng)用的有效性［9-11］。最早在1976年，愛(ài)丁堡大學(xué)的Weir等采用遠(yuǎn)程控制機(jī)器人對(duì)一名7歲的孤獨(dú)癥兒童進(jìn)行社會(huì)性干預(yù)訓(xùn)練，取得良好效果［12］。近年來(lái)，國(guó)外研究者致力于利用機(jī)器人輔助治療（robot-assisted therapy）進(jìn)行孤獨(dú)癥干預(yù)［13-14］；Kozima等發(fā)現(xiàn)，半自動(dòng)化機(jī)器人Keepon可以促進(jìn)孤獨(dú)癥兒童社交能力發(fā)展［15］。國(guó)內(nèi)范曉壯運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行社交技能干預(yù)，內(nèi)容包括模仿、共同注意、輪流、情緒識(shí)別和表達(dá)、主動(dòng)交往等［16］；張婷的研究證實(shí)機(jī)器人在孤獨(dú)癥康復(fù)中應(yīng)用的有效性［17］，但缺少實(shí)驗(yàn)支撐和系統(tǒng)性研究。

本研究基于機(jī)器人技術(shù)，架構(gòu)一個(gè)完整的孤獨(dú)癥兒童社交障礙康復(fù)課程體系，完成孤獨(dú)癥兒童社交障礙課程開(kāi)發(fā)并形成可推廣的課程框架。

1　課程基礎(chǔ)

孤獨(dú)癥兒童社會(huì)交往發(fā)展的目標(biāo)包括社交前基本能力（社交中的非口語(yǔ)能力、認(rèn)識(shí)自己、評(píng)價(jià)自己、控制自己）、社交技巧（與照顧者的互動(dòng)、與陌生人的互動(dòng)）、社交禮儀（近距離打招呼、遠(yuǎn)距離打招呼、自我介紹、近距離的告別、電話告別、表示感謝、表示道歉、表示稱贊），依據(jù)循序漸進(jìn)，由易到難的原則，根據(jù)機(jī)器人的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)八個(gè)單元的課程，分別為我周圍的世界、我自己、我身邊的人、你好、再見(jiàn)、謝謝、對(duì)不起、你真棒。每個(gè)單元中包含4～5個(gè)系統(tǒng)課程。

課程開(kāi)發(fā)應(yīng)用人形機(jī)器人技術(shù)。使用法國(guó)A ldebaran Robotics公司研制的人工智能仿人機(jī)器人Nao。Nao有討人喜歡的外形設(shè)計(jì)和優(yōu)良的硬件配置，并提供豐富的二次開(kāi)發(fā)接口，可以支持多平臺(tái)和多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編程［18］。本研究中在Nao平臺(tái)的基礎(chǔ)上編程，使機(jī)器人的語(yǔ)言和動(dòng)作服務(wù)于課程內(nèi)容。

應(yīng)用行為分析法是孤獨(dú)癥兒童康復(fù)中常用的方法，是行為干預(yù)的一種，最基本的原理就是刺激—反應(yīng)—強(qiáng)化［19］。國(guó)外已有將應(yīng)用行為分析法與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合治療孤獨(dú)癥的先例［20］。應(yīng)用行為分析法在孤獨(dú)癥社會(huì)交往障礙康復(fù)中應(yīng)用較少，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的應(yīng)用行為分析法如回合式教學(xué)，有著泛化效果差的缺點(diǎn)。機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用有望彌補(bǔ)這一缺陷。本課程以應(yīng)用行為分析作為理論基礎(chǔ)，完成孤獨(dú)癥社會(huì)交往障礙康復(fù)。

2　結(jié)構(gòu)化課程開(kāi)發(fā)

合理科學(xué)的結(jié)構(gòu)化課程體系可以作為一個(gè)范式被學(xué)習(xí)和推廣。結(jié)合硬件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件編程等構(gòu)建結(jié)構(gòu)化課程，將課程的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分層，形成一個(gè)自頂向下的縱向結(jié)構(gòu)，包含課程、情節(jié)、模塊、函數(shù)、軟件、硬件六個(gè)層面。對(duì)課程進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解，對(duì)應(yīng)動(dòng)作目標(biāo)，研發(fā)編制機(jī)器人Nao應(yīng)用程序，生成驅(qū)動(dòng)函數(shù)，由Nao機(jī)器人做出動(dòng)作。訓(xùn)練單元“上學(xué)路上打招呼”課程的框架結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

在多層課程結(jié)構(gòu)中，層與層之間存在包含關(guān)系：課程由情節(jié)組成，情節(jié)由模塊組成，模塊由函數(shù)構(gòu)建，函數(shù)由軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，軟件由硬件作為基礎(chǔ)支撐。課程、情節(jié)、模塊三個(gè)層面涉及教育康復(fù)的內(nèi)容；函數(shù)、軟件、硬件三個(gè)層面涉及Nao機(jī)器人核心控制技術(shù)。

表1　“上學(xué)路上打招呼”課程的框架結(jié)構(gòu)

2.1課程

通過(guò)對(duì)孤獨(dú)癥兒童個(gè)性化分析，編制社會(huì)交往課程，是結(jié)構(gòu)化課程開(kāi)發(fā)的第一步。此階段應(yīng)用行為分析的理論基礎(chǔ)、康復(fù)的方法與手段，結(jié)合兒童個(gè)體化差異，如社交障礙表現(xiàn)、自身特點(diǎn)、行為習(xí)慣等，制定個(gè)性化課程方案。

2.2情節(jié)

此階段針對(duì)孤獨(dú)癥兒童社會(huì)交往障礙的表現(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)的情節(jié)設(shè)計(jì)。如孤獨(dú)癥兒童在社會(huì)交往中常表現(xiàn)社會(huì)交往技能缺陷，語(yǔ)言溝通障礙，行為、活動(dòng)和興趣固化、狹隘，多數(shù)兒童運(yùn)動(dòng)技能發(fā)育滯后等［21］，在課程開(kāi)發(fā)中，根據(jù)不同的缺陷特點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行情緒誘導(dǎo)、早期行為干預(yù)和溝通交流訓(xùn)練。如在“上學(xué)路上打招呼”的課程開(kāi)發(fā)中，可以用視頻、音樂(lè)等進(jìn)行情緒誘導(dǎo)，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題行為的兒童進(jìn)行行為干預(yù)，最后通過(guò)《你好歌》引導(dǎo)孤獨(dú)癥兒童溝通交流。

2.3模塊

模塊是對(duì)情節(jié)的分解。前兩個(gè)階段完成后，通過(guò)對(duì)課程和情節(jié)的梳理，開(kāi)始劃分模塊。根據(jù)課程和情節(jié)不同，可以將一個(gè)課程劃分為若干模塊，不同的模塊完成不同的任務(wù)。如“上學(xué)路上打招呼”可以劃分為對(duì)話、機(jī)器人特定動(dòng)作（如招手）、跳舞、視頻播放、對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的觸發(fā)等模塊，每個(gè)模塊彼此分離又相互影響，共同完成訓(xùn)練任務(wù)。每個(gè)模塊由一個(gè)或若干函數(shù)組合而成，本項(xiàng)目的基本函數(shù)是語(yǔ)音識(shí)別與語(yǔ)音播放、動(dòng)作設(shè)置、通信。

2.4函數(shù)

此階段進(jìn)入課程開(kāi)發(fā)的編程環(huán)節(jié)。Nao機(jī)器人擁有開(kāi)放的編程構(gòu)架，提供Nao控制所需的所有應(yīng)用程序接口（API），包括OpenCV庫(kù)函數(shù)以及多種成熟的算法。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)編程和函數(shù)的使用，完成語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播放、動(dòng)作設(shè)置、通信等環(huán)節(jié)。

2.5軟件

通過(guò)Choregraphe軟件可以實(shí)現(xiàn)用圖像化的語(yǔ)言創(chuàng)建和編輯機(jī)器人的動(dòng)作和互動(dòng)行為；由于Choregraphe軟件是基于Python語(yǔ)言編寫(xiě)，因此可以利用Python語(yǔ)言在Choregraphe中編寫(xiě)用戶指令盒；還可以通過(guò)Aldebaran Robotics公司提供應(yīng)用程序接口使用C++、Python、Java、Matlab、.NET及Urbiscript語(yǔ)言進(jìn)行編程。

2.6硬件

硬件是機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和條件。Nao身高57.4 cm，質(zhì)量5.4 kg，CPU 1.6GHz；身體有25個(gè)自由度，可以靈活運(yùn)動(dòng)；具有語(yǔ)音系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)、100個(gè)傳感器以及51個(gè)LED信息。

3　測(cè)試

測(cè)試使用“上學(xué)路上打招呼”課程，選擇三名孤獨(dú)癥兒童鐘××（8歲）、朱×（7歲）、周××（5歲）。均經(jīng)臨床診斷為孤獨(dú)癥；無(wú)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)障礙；無(wú)自殘、攻擊性行為。

測(cè)試在專門布置的場(chǎng)所進(jìn)行。首先采集兒童的個(gè)人信息，收集孤獨(dú)癥兒童診斷數(shù)據(jù)。采用兒童孤獨(dú)癥評(píng)定量表進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)兒童情況個(gè)性化編制訓(xùn)練課程，并執(zhí)行訓(xùn)練課程。訓(xùn)練內(nèi)容包括與孤獨(dú)癥兒童社會(huì)交往行為相關(guān)的情緒誘導(dǎo)、早期行為干預(yù)機(jī)器人訓(xùn)練和溝通交流機(jī)器人訓(xùn)練，總時(shí)長(zhǎng)977 s。訓(xùn)練課程進(jìn)行過(guò)程中，用攝像機(jī)全程記錄，觀察孤獨(dú)癥兒童注意時(shí)長(zhǎng)、情緒行為產(chǎn)生次數(shù)、課程預(yù)期目標(biāo)達(dá)成情況。當(dāng)兒童能順利完成課程時(shí)，課程結(jié)束；當(dāng)兒童無(wú)法完成訓(xùn)練課程時(shí)，重復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練（圖1）。

三名兒童在課程中88%以上的時(shí)間內(nèi)均保持注意力，兩名兒童達(dá)90%以上。過(guò)程中，鐘××、周××各出現(xiàn)一次情緒行為，分別為突然大哭、吵鬧并離開(kāi)座位，很快得到緩解。過(guò)程中，三名兒童均能跟隨機(jī)器人的指令活動(dòng)，有的兒童可以對(duì)機(jī)器人的語(yǔ)言進(jìn)行回應(yīng)/模仿，如當(dāng)機(jī)器人與兒童揮手說(shuō)“你好”時(shí)，孤獨(dú)癥兒童也向機(jī)器人揮手說(shuō)“你好”。課程中，當(dāng)康復(fù)師與兒童揮手時(shí)，兒童也會(huì)與康復(fù)師揮手。

4　討論

機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于孤獨(dú)癥兒童社會(huì)交往障礙康復(fù)課程開(kāi)發(fā)，是機(jī)器人技術(shù)在孤獨(dú)癥康復(fù)領(lǐng)域的新嘗試與新探索。孤獨(dú)癥兒童通常不愿意與他人直接接觸，缺乏眼神交流，也缺乏良好的社會(huì)溝通與社交互動(dòng)。但孤獨(dú)癥兒童對(duì)非生命物體表現(xiàn)出更多興趣。采用人形機(jī)器人技術(shù)，目的是吸引兒童注意，調(diào)動(dòng)兒童興趣，促進(jìn)孤獨(dú)癥兒童的學(xué)習(xí)［22］。

圖1　測(cè)試流程圖

研究顯示，孤獨(dú)癥兒童在人形機(jī)器人干預(yù)的課程中注意時(shí)間較長(zhǎng)，問(wèn)題行為較少，并在課程最后初步習(xí)得“打招呼”的社會(huì)交往技能，說(shuō)明課程的開(kāi)發(fā)具有可行性。

機(jī)器人還可以代替康復(fù)師完成大量機(jī)械、重復(fù)的工作；同時(shí)，人形機(jī)器人對(duì)于孤獨(dú)癥兒童也是一個(gè)新的刺激，其面孔簡(jiǎn)單，語(yǔ)言簡(jiǎn)單，孤獨(dú)癥兒童更容易接受［23］，這也是機(jī)器人訓(xùn)練一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。

課程的內(nèi)容循序漸進(jìn)，機(jī)器人的任務(wù)也有所不同。孤獨(dú)癥兒童與機(jī)器人的人機(jī)互動(dòng)要經(jīng)歷三個(gè)階段：熟悉、學(xué)習(xí)、模仿［24］。首先，人形機(jī)器人Nao引導(dǎo)兒童學(xué)習(xí)基本的社交前能力，主要通過(guò)各種手段讓兒童熟悉機(jī)器人；其次，進(jìn)行社交技巧的學(xué)習(xí)，Nao可以通過(guò)動(dòng)作示范讓兒童進(jìn)行模仿；接著，進(jìn)行社會(huì)禮儀的學(xué)習(xí)，主要目的是使兒童嘗試建立正常的社會(huì)溝通，Nao作為溝通伙伴與兒童溝通，進(jìn)而幫助孤獨(dú)癥兒童完成與人的溝通；最后，需要將兒童的行為泛化到真實(shí)的社會(huì)情境中，使兒童適應(yīng)環(huán)境，并誘發(fā)其產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)臏贤ㄐ袨?，在此階段，Nao可以通過(guò)引導(dǎo)兒童餐廳點(diǎn)餐、超市購(gòu)物等社會(huì)交往行為，將兒童在課程中習(xí)得的技能泛化到社會(huì)之中，在孤獨(dú)癥兒童無(wú)法完成任務(wù)的情況下，可以向人形機(jī)器人求助。

機(jī)器人應(yīng)用于孤獨(dú)癥有廣闊的前景，基于機(jī)器人技術(shù)研發(fā)兒童康復(fù)課程是孤獨(dú)癥兒童康復(fù)的新方向。國(guó)外已有研究者開(kāi)始研究可以對(duì)信息進(jìn)行有意義加工的機(jī)器人［25］。隨著科技的不斷發(fā)展，應(yīng)用于孤獨(dú)癥的機(jī)器人技術(shù)也將愈益成熟，對(duì)于孤獨(dú)癥教學(xué)機(jī)器人課程的開(kāi)發(fā)需求更大。本研究的課程框架可以作為一個(gè)范式進(jìn)行推廣，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在孤獨(dú)癥康復(fù)的應(yīng)用。

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Developm ent of Curriculum System for Autism Based on Hum anoid Robot Technology

CHENDong-fan1a，1b，YU Xin-yu1a，1b，LIRui-qiang1a，1b，SHENYi-yang1b，WANG Xue-min1b，LEIJun-qing1b
1.a.Key Laboratory of Speech and Hearing Science，Ministry of Education；b.Departmentof Education and Rehabilitation，EastChina NormalUniversity，Shanghai200062，China

CHENDong-fan.E-mail:dfchen@spe.ecnu.edu.cn

Objective To develop a curriculum system for social communication disorders rehabilitation in children with autism based on humanoid robot.Methods The curriculum was developed through the robotprogramming and the structure hierarchy of the curriculum. Itwas applied in three children with autism.Results and Conclusion The curriculum has been developed.All the children concentrated in the class，with few emotive disorders.

robot；autism；social communication disorders；curriculum development

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.09.023

R749.93

A

1006-9771（2016）09-1090-04

2016-03-21

2016-05-06）

國(guó)家哲學(xué)和社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目（No.2013AYY004；No.2013AZD097）。

1.華東師范大學(xué)，a.言語(yǔ)聽(tīng)覺(jué)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.教育學(xué)部教育康復(fù)學(xué)系，上海市200062。作者簡(jiǎn)介：陳東帆（1964-），男，漢族，上海市人，博士，副教授，主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。E-mail:dfchen@spe.ecnu.edu.cn。