人形机器人孤独症教学课程体系设计与开发①

陈东帆，于新宇，李睿强，沈奕杨，汪学敏，雷俊卿

人形机器人孤独症教学课程体系设计与开发①

陈东帆1a，1b，于新宇1a，1b，李睿强1a，1b，沈奕杨1b，汪学敏1b，雷俊卿1b

目的开发基于人形机器人技术，针对孤独症儿童社会交往障碍的结构化康复课程。方法通过对机器人软件编程、课程结构化分层完成康复课程开发，并应用于3名孤独症儿童。结果和结论开发出基于人形机器人技术，针对孤独症儿童社会交往障碍的结构化康复课程。3名儿童在课堂上大部分时间保持关注，偶有情绪行为异常。

机器人；孤独症；社会交往障碍；课程开发

［本文著录格式］陈东帆，于新宇，李睿强，等.人形机器人孤独症教学课程体系设计与开发［J］.中国康复理论与实践，2016，22（9）:1090-1093.

CITED AS:Chen DF，Yu XY，Li RQ，et al.Development of curriculum system for autism based on humanoid robot technology［J］. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian，2016，22（9）:1090-1093.

孤独症是一种广泛性发育障碍。据美国疾病控制与预防中心最新统计数据，截至2014年，发病率已高达1/68；亚洲同欧、美洲孤独症发病率相似，约为1%［1］。

孤独症儿童存在多重障碍，社会交往障碍为其核心缺陷之一。现有的行为训练方法包括应用行为分析法、感觉统合训练法、音乐治疗法、结构化教学、地板时光等［2-6］。每种方法的侧重点不同，都有各自的优势和局限，对于社会交往障碍而言，都存在习得的知识难以迁移、泛化困难的缺点。

现代化技术的应用为孤独症的康复带来了更多的便捷与希望［7］。由于孤独症儿童具有对非生命物体感兴趣的特点，将人形机器人等技术应用到孤独症康复中或将更有利于孤独症儿童对知识的习得和对技能的泛化；同时，人形机器人在训练中可以作为儿童的伙伴，与儿童建立初步的社会交往，使儿童在家庭中也能进行社交训练［8］，这或许更有利于孤独症儿童社会交往技能的建立和泛化。

已有一些研究证实了机器人在孤独症康复中应用的有效性［9-11］。最早在1976年，爱丁堡大学的Weir等采用远程控制机器人对一名7岁的孤独症儿童进行社会性干预训练，取得良好效果［12］。近年来，国外研究者致力于利用机器人辅助治疗（robot-assisted therapy）进行孤独症干预［13-14］；Kozima等发现，半自动化机器人Keepon可以促进孤独症儿童社交能力发展［15］。国内范晓壮运用机器人进行社交技能干预，内容包括模仿、共同注意、轮流、情绪识别和表达、主动交往等［16］；张婷的研究证实机器人在孤独症康复中应用的有效性［17］，但缺少实验支撑和系统性研究。

本研究基于机器人技术，架构一个完整的孤独症儿童社交障碍康复课程体系，完成孤独症儿童社交障碍课程开发并形成可推广的课程框架。

1　课程基础

孤独症儿童社会交往发展的目标包括社交前基本能力（社交中的非口语能力、认识自己、评价自己、控制自己）、社交技巧（与照顾者的互动、与陌生人的互动）、社交礼仪（近距离打招呼、远距离打招呼、自我介绍、近距离的告别、电话告别、表示感谢、表示道歉、表示称赞），依据循序渐进，由易到难的原则，根据机器人的特点，设计八个单元的课程，分别为我周围的世界、我自己、我身边的人、你好、再见、谢谢、对不起、你真棒。每个单元中包含4～5个系统课程。

课程开发应用人形机器人技术。使用法国A ldebaran Robotics公司研制的人工智能仿人机器人Nao。Nao有讨人喜欢的外形设计和优良的硬件配置，并提供丰富的二次开发接口，可以支持多平台和多种开发语言编程［18］。本研究中在Nao平台的基础上编程，使机器人的语言和动作服务于课程内容。

应用行为分析法是孤独症儿童康复中常用的方法，是行为干预的一种，最基本的原理就是刺激—反应—强化［19］。国外已有将应用行为分析法与机器人技术结合治疗孤独症的先例［20］。应用行为分析法在孤独症社会交往障碍康复中应用较少，因为传统的应用行为分析法如回合式教学，有着泛化效果差的缺点。机器人技术的应用有望弥补这一缺陷。本课程以应用行为分析作为理论基础，完成孤独症社会交往障碍康复。

2　结构化课程开发

合理科学的结构化课程体系可以作为一个范式被学习和推广。结合硬件系统、计算机软件编程等构建结构化课程，将课程的开发过程进行结构化分层，形成一个自顶向下的纵向结构，包含课程、情节、模块、函数、软件、硬件六个层面。对课程进行结构化分解，对应动作目标，研发编制机器人Nao应用程序，生成驱动函数，由Nao机器人做出动作。训练单元“上学路上打招呼”课程的框架结构见表1。

在多层课程结构中，层与层之间存在包含关系：课程由情节组成，情节由模块组成，模块由函数构建，函数由软件平台开发，软件由硬件作为基础支撑。课程、情节、模块三个层面涉及教育康复的内容；函数、软件、硬件三个层面涉及Nao机器人核心控制技术。

表1　“上学路上打招呼”课程的框架结构

2.1课程

通过对孤独症儿童个性化分析，编制社会交往课程，是结构化课程开发的第一步。此阶段应用行为分析的理论基础、康复的方法与手段，结合儿童个体化差异，如社交障碍表现、自身特点、行为习惯等，制定个性化课程方案。

2.2情节

此阶段针对孤独症儿童社会交往障碍的表现进行相应的情节设计。如孤独症儿童在社会交往中常表现社会交往技能缺陷，语言沟通障碍，行为、活动和兴趣固化、狭隘，多数儿童运动技能发育滞后等［21］，在课程开发中，根据不同的缺陷特点，有针对性地进行情绪诱导、早期行为干预和沟通交流训练。如在“上学路上打招呼”的课程开发中，可以用视频、音乐等进行情绪诱导，对出现问题行为的儿童进行行为干预，最后通过《你好歌》引导孤独症儿童沟通交流。

2.3模块

模块是对情节的分解。前两个阶段完成后，通过对课程和情节的梳理，开始划分模块。根据课程和情节不同，可以将一个课程划分为若干模块，不同的模块完成不同的任务。如“上学路上打招呼”可以划分为对话、机器人特定动作（如招手）、跳舞、视频播放、对虚拟现实的触发等模块，每个模块彼此分离又相互影响，共同完成训练任务。每个模块由一个或若干函数组合而成，本项目的基本函数是语音识别与语音播放、动作设置、通信。

2.4函数

此阶段进入课程开发的编程环节。Nao机器人拥有开放的编程构架，提供Nao控制所需的所有应用程序接口（API），包括OpenCV库函数以及多种成熟的算法。通过对计算机编程和函数的使用，完成语音识别、语音播放、动作设置、通信等环节。

2.5软件

通过Choregraphe软件可以实现用图像化的语言创建和编辑机器人的动作和互动行为；由于Choregraphe软件是基于Python语言编写，因此可以利用Python语言在Choregraphe中编写用户指令盒；还可以通过Aldebaran Robotics公司提供应用程序接口使用C++、Python、Java、Matlab、.NET及Urbiscript语言进行编程。

2.6硬件

硬件是机器人技术应用的基础和条件。Nao身高57.4 cm，质量5.4 kg，CPU 1.6GHz；身体有25个自由度，可以灵活运动；具有语音系统、视觉系统、100个传感器以及51个LED信息。

3　测试

测试使用“上学路上打招呼”课程，选择三名孤独症儿童钟××（8岁）、朱×（7岁）、周××（5岁）。均经临床诊断为孤独症；无听觉、视觉障碍；无自残、攻击性行为。

测试在专门布置的场所进行。首先采集儿童的个人信息，收集孤独症儿童诊断数据。采用儿童孤独症评定量表进行评估，根据儿童情况个性化编制训练课程，并执行训练课程。训练内容包括与孤独症儿童社会交往行为相关的情绪诱导、早期行为干预机器人训练和沟通交流机器人训练，总时长977 s。训练课程进行过程中，用摄像机全程记录，观察孤独症儿童注意时长、情绪行为产生次数、课程预期目标达成情况。当儿童能顺利完成课程时，课程结束；当儿童无法完成训练课程时，重复进行训练（图1）。

三名儿童在课程中88%以上的时间内均保持注意力，两名儿童达90%以上。过程中，钟××、周××各出现一次情绪行为，分别为突然大哭、吵闹并离开座位，很快得到缓解。过程中，三名儿童均能跟随机器人的指令活动，有的儿童可以对机器人的语言进行回应/模仿，如当机器人与儿童挥手说“你好”时，孤独症儿童也向机器人挥手说“你好”。课程中，当康复师与儿童挥手时，儿童也会与康复师挥手。

4　讨论

机器人技术应用于孤独症儿童社会交往障碍康复课程开发，是机器人技术在孤独症康复领域的新尝试与新探索。孤独症儿童通常不愿意与他人直接接触，缺乏眼神交流，也缺乏良好的社会沟通与社交互动。但孤独症儿童对非生命物体表现出更多兴趣。采用人形机器人技术，目的是吸引儿童注意，调动儿童兴趣，促进孤独症儿童的学习［22］。

图1　测试流程图

研究显示，孤独症儿童在人形机器人干预的课程中注意时间较长，问题行为较少，并在课程最后初步习得“打招呼”的社会交往技能，说明课程的开发具有可行性。

机器人还可以代替康复师完成大量机械、重复的工作；同时，人形机器人对于孤独症儿童也是一个新的刺激，其面孔简单，语言简单，孤独症儿童更容易接受［23］，这也是机器人训练一个重要的优势。

课程的内容循序渐进，机器人的任务也有所不同。孤独症儿童与机器人的人机互动要经历三个阶段：熟悉、学习、模仿［24］。首先，人形机器人Nao引导儿童学习基本的社交前能力，主要通过各种手段让儿童熟悉机器人；其次，进行社交技巧的学习，Nao可以通过动作示范让儿童进行模仿；接着，进行社会礼仪的学习，主要目的是使儿童尝试建立正常的社会沟通，Nao作为沟通伙伴与儿童沟通，进而帮助孤独症儿童完成与人的沟通；最后，需要将儿童的行为泛化到真实的社会情境中，使儿童适应环境，并诱发其产生恰当的沟通行为，在此阶段，Nao可以通过引导儿童餐厅点餐、超市购物等社会交往行为，将儿童在课程中习得的技能泛化到社会之中，在孤独症儿童无法完成任务的情况下，可以向人形机器人求助。

机器人应用于孤独症有广阔的前景，基于机器人技术研发儿童康复课程是孤独症儿童康复的新方向。国外已有研究者开始研究可以对信息进行有意义加工的机器人［25］。随着科技的不断发展，应用于孤独症的机器人技术也将愈益成熟，对于孤独症教学机器人课程的开发需求更大。本研究的课程框架可以作为一个范式进行推广，推动机器人技术在孤独症康复的应用。

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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）

国家哲学和社会科学基金项目（No.2013AYY004；No.2013AZD097）。

1.华东师范大学，a.言语听觉科学教育部重点实验室；b.教育学部教育康复学系，上海市200062。作者简介：陈东帆（1964-），男，汉族，上海市人，博士，副教授，主要研究方向：机器人技术、计算机辅助设计。E-mail:dfchen@spe.ecnu.edu.cn。