面向孤独症儿童的社会辅助机器人

　　赵冬斌1     贾美香2

　　1（中国科学院自动化研究所 复杂系统与智能科学重点实验室 北京 100190）

　　2（北京大学第六医院 北京 100080）

　　（E-mail: dongbin.zhao@ia.ac.cn, jia-mx@163.com）

　　摘  要：本文综述了面向孤独症儿童的社会辅助机器人的意义和研究现状。首先介绍了儿童孤独症的表现和所产生问题的严重性，采用机器人进行辅助治疗的重要性。进而描述了社会辅助机器人研究发展计划、典型机器人系统、以及治疗方法目的等。最后分析总结了社会辅助机器人在孤独症儿童治疗所面对的关键研究问题，提出了建议。

　　关键词：社会辅助机器人，孤独症，治疗

　　中图分类号：TPxxx.x

　　Social Assistive Robots for Autistic Children

　　ZHAO Dong-bin1  JIA Mei-xiang2

　　1(Key Lab of Complex Systems and Intelligence Science, Institute of Automation, CAS, Beijing 100190)

　　2(Peking University Sixth Hospital, Beijing 100191)

　　(E-mail: dongbin.zhao@ia.ac.cn, jia-mx@163.com)

　　Abstract This paper surveys the current research status and meaning of social assistive robots for autistic children. Firstly, the symptom of children autism and the seriousness of its problem are introduced, so it is the importance of robots assisting for therapy. Then, social assistive robots research plans, typical robotic systems, therapeutic approaches and objectives, etc. are described. Finally, key research problems on social assistive robots for the therapy of autistic children are analyzed to conclude some suggestions.

　　Key words Social assistive robots, autism, therapy.

　　1 引言

　　几十年来，世界范围内报道的孤独症患病率越来越高，并且数量增加得越来越快。美国的统计数字表示，目前每150名儿童就有1名孤独症患者，而且该比率与种族、民族、家庭等因素无关。套用这个患病率、我国约4.2亿的儿童中孤独症儿童约有280万人，数量巨大。孤独症儿童的主要障碍表现在与人交往、交流沟通、兴趣和行为方面的异常。至今病因不明，因此药物治疗效果不是很明显。目前比较常用的治疗方法包括应用行为分析训练、结构化教育、音乐治疗、感觉综合训练以及社会辅助训练等。研究发现早期干预可以有效阻止以上症状的形成，否则这些症状会持续到成年，使很多人生活无法自理。为了提高人们对于孤独症及相关研究、诊断和护理工作的关注和支持，中国残疾人联合会2006年制定的《十一五残疾人康复规划》已经把孤独症的康复纳入规划当中，联合国2007年底通过决议，将每年的4月2日定为世界孤独症日。

　　孤独症儿童的行为和特点使他们易于喜欢一些计算机软件或系统，自20世纪70年代初开始有人尝试采用机器人的治疗训练方法，近年来这一方向的研究日益受到关注。欧洲计划支持的AuRoRA和IROMEC，深入研究了各种机器人在孤独症儿童治疗方面所发挥的作用，获得了很多成果，发现机器人可以有效提高孤独症儿童的共同关注能力，包括目光接触、身体接近和肢体运动等。美国、加拿大和日本的科学研究也获得了类似的结果。可以预期，机器人在孤独症儿童的康复训练中将发挥出更多更重要的作用。这类机器人与助老、助残机器人并列为社会辅助机器人(Social Assistive Robotics)的三大方向，很多机器人领域的主要国际期刊近来以专刊的形式报道该方向的最新研究进展。国际期刊Autonomous Robots 2008年第2期专刊Special issue on socially assistive robotics, 一半的文章都是关于孤独症儿童机器人，Intelligent Service Robotics 2008年第2期专刊Special issue on multidisciplinary collaboration for socially assistive robotics。2009年Springer创刊国际期刊International Journal of Social Robotics。可见，社会辅助机器人的研究逐渐受到关注，预期将在孤独症儿童的早期治疗中发挥更重要的作用。

　　下文首先介绍儿童孤独症的表现和机器人治疗的重要性，然后描述孤独症儿童社会辅助机器人的研究现状，最后给出分析总结。

　　2 儿童孤独症

　　孤独障碍是一组发病在童年早期的心理发育障碍性疾病，多数病例的发育开始于婴幼儿期，但均在5岁以前就已表现明显。一般说来，起病年龄越小症状越重，他们的主要障碍表现在与人交往、交流沟通、兴趣和行为方面的异常[1]。孤独障碍又称广泛性发育障碍(Pervasive Developmental Disorder，PDD)或孤独谱系障碍(Autistic Spectrum Disorder，ASD)，致病原因至今不明，个体中症状严重程度差异较大，不同年龄阶段症状表现也可能发生变化，有的还可持续到成年，很多人生活无法自理。孤独症(自闭症)是广泛发育障碍中主要的、最具代表性的疾病，也是症状表现最显著、损害最广泛的一种[1]。

　　几十年来，世界范围内报道的孤独症患病率越来越高，并且数量增加得越来越快。据美国的统计数字表示，刚开始认为孤独症只是一种罕见的疾病，到近几十年来的患病率的节节攀升，从每600名儿童就有1名(1/600)，到1/250，到目前的患病率为1/150，而且与种族、民族、家庭等因素无关，男童的患病率明显高于女童，约为4~7:1[1]。孤独症儿童的数量比糖尿病、艾滋病和癌症的儿童总和数还要多[2]。我国也进行了几次调查，由于人们尤其是农村的重视程度不够、诊断的标准概念不一致使诊断出来的都是重症儿童。而我国实际患有孤独症的儿童约有280万人，已成为严重的社会问题。

　　著名的孤独症专家Wing[3]在1996年定义了孤独症的三大核心症状：社会交往、沟通交流、和想象力发展的缺陷。社会交往缺陷指的是不能与他人建立一种有效的社会关系，包括不善于理解他人意图、感情或想法，如对于一个孤独症患者，在回答别人 “你喜欢我新车的颜色吗？”的问题时会说“我认为这个颜色不好。”沟通交流缺陷包括语言和非语言的交流，很难理解手势和面部表情、理解比喻或其他解释，如回答别人“火车站在那里？”时会说“我知道”。想象力缺陷指游戏或想象的活动能力有限，不能像正常儿童一样很好地参与到角色扮演的游戏中，如扮演一个国王等。这种定义后来被孤独症协会普遍认可。孤独症的各种症状、都可归于上述三个方面的缺陷，并且孤独症是上述三个方面的缺陷综合体，孤独症患者同时表现出这些缺陷。

　　目前国内的孤独症治疗还十分依赖药物，而孤独症的致病原因至今不明，让孩子吃药治疗并不是有效的手段。一些心理治疗方法、社会辅助康复手段具有同等重要的地位、如应用行为分析、结构化教育、音乐治疗、地板时间、感觉综合训练以及社会辅助等[1][5][6]。早期干预可以阻止以上症状的形成，减少出现的可能。Jarbrink对英国的孤独症的经济影响分析，早期诊断和治疗能使终身养护费用减少三分之二[7]，凸现了早期诊断和干预的经济重要性。

　　3 社会辅助机器人

　　孤独症儿童更愿意独处、喜欢玩简单的玩具、更容易接受简单、单一和结构化的物品。然而，实际生活环境并不是那么理想，他们常常表现出无所适从、以至情绪失调的现象。孤独症儿童的行为和特点使他们易于喜欢一些计算机软件或系统，这使得采用计算机系统和机器人的孤独症状治疗方案近年来受到关注、成果显著。计算机软件可以使孤独症儿童的注意力集中在计算机屏幕上，专注时间加长，通过计算机软件可以学习说、读能力，以及多人游戏中培养合作交流能力[8][9]。Strickland等设计了高度结构化的虚拟环境用来教会孤独症儿童一些社会和生活技能，如过人行横道、如何排队、找座位等[10]。

　　与计算机软件和虚拟环境不同，孤独症儿童与实物机器人进行交往更具有多模态和实体等特点，这种面对面的交流过程，可以更好地促进他与正常人的交往[11]。1976年，人们开始采用遥控机器人对一个7岁孤独症儿童进行治疗研究[4]。自从20世纪80年代，机器人作为一种社会辅助手段，在孤独症儿童的治疗和教育中所发挥的作用逐渐增强，与助老、助肢体残疾并列为社会辅助机器人的三个主要方向[12]。1998年，研究计划AuRoRA(译为南极之光计划)[13]的启动，开启了面向孤独症儿童的社会辅助机器人研究的新领域，使通过机器人治疗儿童的孤独症的手段更多地得到人们的重视。

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　　3.1 AuRoRA计划

　　AuRoRA计划专门从事针对孤独症儿童治疗的机器人系统研究，该计划获得了很大成功。科研人员研制了多种机器人，通过角色轮换和模仿游戏教会孤独症儿童一些社会交互技能。机器人刚开始作为孤独症儿童与家长或看护人员共同关注的一个媒介，再逐渐鼓励孤独症儿童与成人和看护人员的交互[13]。科研人员通过长期研究实验，总结出面向孤独症儿童的社会辅助机器人需要满足以下几个方面的共性需求[13]：整体要求、机器人应该能完成所设计的各种活动内容；耐用性、孤独症儿童的康复训练和治疗是一项长期活动，机器人至少要能正常工作2个月以上；容易操作性、通常由家长或看护人员进行机器人操作，即使他们没有很多机器人或计算机方面的知识也要能容易操作；实验结果记录分析、能够记录所有的实验结果，以便对训练和治疗的结果进行保存和分析。下面介绍一些典型的系统。

　　Robota[14]是一个45 cm高的仿人机器人，采用商业玩偶的主要部件，在两个手臂、两条腿和头各装有1个电机实现运动，还配备了一些红外发射/接收器、光传感器和视觉传感器等。研究人员开发了儿童运动识别算法、语言合成算法等。在人机交互游戏时，孤独症儿童可以站在Robota面前作出各种手臂动作，Robota通过运动识别算法进行识别，并做出模仿动作。当儿童触摸Robota时，其做出反应、通过语言合成算法说出被触摸的部位和功能，吸引儿童的注意力。Robota还可以模仿儿童的说话。实验结果表明孤独症儿童愿意与Robota进行交互游戏。如图1，左侧的两个图分别是Robota骨架和着衣的样子，右侧的图是在进行人机交互游戏的场景。

　　KASPAR[15]是由Hertfordshire大学开发的机器人，接近正常儿童尺寸。 头颈部有8个自由度可以实现张嘴、眨眼等动作，手臂和手有6个自由度。利用该机器人丰富的手势和表情来研究更精细的模仿训练在孤独症儿童康复中的作用。图2左侧前两个图为KASPAR的不同面部表情变化。研究取得了许多令人可喜的成果，如图2左侧第3个图为模仿的结果，右侧图展现了当儿童对机器人有了一定了解，他们会自发主动地向机器人和旁观的看护人员展示自己的反应（如模仿睁大眼镜），与看护人员交流、共享他们对机器人的认识和看法[16]，很好地完成了康复训练中由人机交互向人人交互的过渡任务。

　　3.2 IROMEC计划

　　作为AuRoRA计划的后续，2006年，欧盟第六框架计划启动了IROMEC计划[17]，支持研究机器人玩具如何能起到一个媒介作用，促使精神残疾儿童能共同游戏和娱乐。研究计划中包括英国、奥地利、荷兰、意大利和西班牙等国家的科研人员。研究计划从机器人本体、实验场景、评价体系等各方面进行了细致的探讨[18]。

　　研究人员发现，孤独症儿童的个体差异性很大，不同儿童对机器人可能有不同甚至完全相反的需求，对机器人开发提出了很大的挑战。研究人员通过机器人硬件和软件的模块化来实现这种要求，机器人系统由两个独立部分组成，一个移动平台和一个用于多模态交互的可替换应用模块，如图4所示。应用模块可以安装在移动平台上运行，也可以独立运行。支撑软件设计了各种实验场景，实验场景可以由看护人员设置，也可以根据孤独症儿童与机器人的交互情况进行自动调整。人机交互可以通过触摸屏、按钮和遥控器实现，满足不同治疗需求。

　　根据国际上对儿童和青年功能的分类，提出了用于机器人康复训练的主要的10个场景：角色轮换；感觉奖励；模仿游戏；让他动；跟我来；和我跳舞；建宝塔；把球给我；取得联系；假装游戏。通过这些场景的游戏教会孤独症儿童社会技能，如排队、遵守规则、尊重他人的观点和行动等。而且，这些场景游戏在儿童学习各种基本知识和技能、培养基本交互能力方面具有重要作用，在不同程度上培养了儿童的感知能力、沟通能力、认知能力、情感能力和运动能力。如模仿游戏场景，可以培养儿童的身体感知能力、运动能力和手眼协调能力。实验场景需要精心设计，如用于培养感知能力的场景，包括视觉感知、触觉感知、空间感、身体感觉等，采用多传感器刺激可能会引起儿童感知的混淆，因此，需要在传感刺激的强度、频率、持续时间、复杂度和新颖性等多方面根据不同儿童的个体特性进行设定。

　　如何评定上述场景在孤独症儿童康复训练中的作用，该计划开发了一个评价工具（包括问卷和软件），可以辅助老师或看护人员设定训练目标、制定计划、选择相关的训练场景、监测儿童的训练进程，结合定性和定量方法对训练效果给出评价。

　　3.3 其他研究计划

　　其他国家的科研人员也进行了许多卓有成效的研究工作，典型工作如图5所示。

　　加拿大的Michaud的研究小组等[19]研究了具有不同交互能力的不同种类的机器人，包括大象机器人、有胳膊和尾巴的机器人、球形机器人RoBall[20]、轮式移动机器人Tito[21]。Tito包括仿人的外形、轮式移动平台、会摆动的胳膊、可旋转俯仰的头部、由一排发光二极管组成的微笑的嘴、以及类似毛绒玩具的眼镜、鼻子和帽子等。在机器人Tito的实验过程中，将孤独症儿童分为两组进行对比实验，分别用机器人或看护人员作为媒介，进行共同关注和共同行为的训练。结果发现以机器人为媒介的一组儿童的共同关注能力得到明显提高，包括目光接触、身体接近、面部表情和肢体运动等。同时也发现以看护人员为媒介的一组的共同行为能力更强，如身体动作的模仿等，造成这种现象的原因可能是机器人的运动能力有限，影响了儿童的理解。

　　日本的Wada等[22]开发了一个宠物机器人Paro，用来模仿小海狮的外形和行为。日本的Kozima等[23]开发了外形生动的遥控机器人Keepon，固定在桌面上，运动机构比较独特，采用木偶的操作原理、由电机带动绳子来控制机器人的俯仰、摇摆等四个自由度的运动，可以实现与人注视和显示出愉快或兴奋表情的交往方式。Keepon通过对儿童进行面部跟踪和目光接触、改变机器人面部表情的实验，发现该机器人可以引起儿童的强烈好奇心，而且有效地促使了孤独症儿童之间进行交流，在实验之前并没有预期会得到这样好的结果[24]。

　　美国的南加州理工大学的Tapus等人[12]认为对于这种社会辅助机器人，其外形的仿人性更为重要，设计的机器人Bandit采用轮式平台，具有比较完善的手臂和头部机构，可以实现细致的动作。耶鲁大学的Scassellati等[25]开展了孤独症儿童的机器人诊断研究。

　　在孤独症儿童的机器人诊治方面，我国均未见到相关研究报道。

　　4 结束语

　　社会辅助机器人作为一个媒介，能促进孤独症儿童与机器人的游戏，通过游戏学习各种社会技能，在孤独症儿童的康复训练中扮演了重要的角色，这一点已得到普遍认可。退一步说，社会辅助机器人系统至少能够缓解父母或看护人在与孤独症儿童一对一的看护过程中的长时间重复活动的疲劳，可以使父母从细节中解放出来，更多地考虑孩子的行为变化，制定下一步的治疗程序和手段。

　　在上述介绍中，欧洲计划的持续时间最长、成果更系统化，取得的治疗效果也最好。但面向孤独症儿童这样一个庞大的群体，社会辅助机器人的系统开发、以及临床实验，目前仍然处于初级阶段。尚需要研发各种形式的机器人本体，在模块化、拟人化、易操作性、安全性、多模态人机交互性等多方面为机器人的研发提出了挑战。需要针对不同个体，更加精细系统地设计各种康复训练计划，并进行长时间的康复训练实验，建立康复训练的有效评价体系来评价治疗效果，指导下一步的训练。

　　而我国孤独症儿童的数量巨大，其社会问题和经济问题严重，希望能引起有关决策部门重视，加大对该研究领域的重视和投入。通过科研人员、医疗人员和看护人员的共同努力、改善孤独症儿童的症状、提高其社会生存能力。我们认为，这些探索无论从科技还是社会角度来讲都是有益的。

　　References

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　　23． Kozima H, Nakagawa C, Yasuda Y. Interactive robots for communication-care: a case study in autism therapy, Proceedings of IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication, 2005, 341-346.

　　24． Kozima H, Yasuda Y, Nakagawa C. Social interaction facilitated by a minimally-designed robot: Findings from longitudinal therapeutic practices for autistic children, Proceedings of IEEE International Workshop on  Robot and Human Interactive Communication, Jeju, Korea, 2007, 599-604.

　　25． Scassellati B, Crick C, Gold K, Kim E, Shic F, Sun G. Social Development, IEEE Computational Intelligence Magazine, 2006, 1(3): 41-47.

　　赵冬斌 中国科学院自动化研究所副研究员. 主要研究方向为计算智能、机器人、智能交通. 本文通信作者.

　　E-mail: dongbin.zhao@ia.ac.cn .

　　(ZHAO Dongbin Associate Professor at the Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences. His research interests include computational intelligence, robotics, and intelligent transportation, and. Corresponding author of this paper.

　　贾美香 北京大学第六医院 主任医师. 主要研究方向为孤独症儿童诊治.

　　E-mail: jia-mx@163.com.

　　(JIA Mei-xiang Chief physician at the Peking University Sixth Hospital. Her research interests include the diagnose and therapy for autistic children.)