基于機器人技術(shù)的自閉癥兒童社交能力評估與訓(xùn)練

陳東帆 王恒民 周琪峰 陳圣棣

摘? 要 自閉癥譜系障礙以社會交往溝通障礙、局限興趣刻板行為為兩大核心癥狀，是一種廣泛性發(fā)展障礙。目前自閉癥的發(fā)病機制尚不明確，不可治愈，需要終生康復(fù)，長期的干預(yù)訓(xùn)練是治療的最佳手段。整合信息技術(shù)和干預(yù)訓(xùn)練手段，研究困擾康復(fù)行業(yè)許久的自閉癥兒童社會性行為障礙評估技術(shù)和干預(yù)課程，發(fā)展自閉癥干預(yù)技術(shù)體系。遵循“醫(yī)教結(jié)合、文理結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合”原則，通過“1試點+10基地+100案例”模式，篩選自閉癥兒童被試進行干預(yù)訓(xùn)練和跟蹤測量，開展基于教育機器人的自閉癥兒童康復(fù)干預(yù)實驗。使用機器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立自閉癥兒童社交障礙敏感指標(biāo)數(shù)據(jù)模型，預(yù)測康復(fù)進程，提供康復(fù)建議。基于機器人技術(shù)的自閉癥兒童社交能力評估與訓(xùn)練方法，可以惠及全國邊遠(yuǎn)地區(qū)的自閉癥兒童，解放自閉癥兒童家庭生產(chǎn)力，為實現(xiàn)“人人享有康復(fù)服務(wù)”的國家目標(biāo)而努力。

關(guān)鍵詞 自閉癥譜系障礙；人形機器人；自閉癥兒童；社交能力

中圖分類號：G766? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0040-04

Abstract Autism Spectrum Disorder has two core symptoms： social communication and limited interest and stereotyped behaviors， which is a widespread developmental disorder. At present， the cause?of autism is not clear， it is incurable and requires life-long rehabilita-tion. Long-term intervention training is the best treatment. This re-search project integrates information technology and intervention training methods， and to study the assessment techniques and inter-vention courses for social behaviour disorder of children with autism?that have troubled the rehabilitation industry for a long time to development of autism intervention technology system. Follows the principle of “combination of medicine and education， combination of arts and science， and combination of theory and practice”， through?the “1 pilot + 10 bases + 100 cases” model， we screened children with autism for intervention training and tracking measurement， and?carried out rehabilitation intervention experiments for children with?autism based on educational robots. Use machine learning to estab-lish a data model of sensitive indicators of social disorders in child-ren with autism， predict their rehabilitation process， provide rehabi-litation recommendations. Benefit disabled children in remote rural and poor areas across the country， liberate family productivity of special children， and achieve the national goal of “Rehabilitation Services for all” and efforts to win the battle against poverty.

Key words autism spectrum disorder; humanoid robot; children with autism; social ability

0? 引言

自閉癥譜系障礙（Autism Spectrum Disorder，ASD）又稱孤獨癥，以社會交流障礙、狹隘興趣以及重復(fù)和刻板行為為兩大核心癥狀，是一種廣泛性精神發(fā)育障礙。目前，自閉癥病因尚未明確，病程可持續(xù)一生，需要終生學(xué)習(xí)和干預(yù)。美國疾控中心2020年最新發(fā)布的自閉癥發(fā)病率數(shù)據(jù)顯示：美國自閉癥（譜系）障礙兒童的發(fā)病率已高達1/54，相較2018年的1/59增加近10%。由此可見，美國的自閉癥譜系障礙發(fā)病率持續(xù)上升。根據(jù)《中國自閉癥教育康復(fù)行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r報告2017》，我國的自閉癥兒童發(fā)生率保守估計約1%，目前我國有超過1 000萬的自閉癥患者，其中0～6歲的自閉癥兒童數(shù)量超過100萬 [1]。

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，近些年來，國內(nèi)外越來越多研究者將人形機器人應(yīng)用于自閉癥干預(yù)之中。Dautenhah等[2]研究指出：自閉癥譜系障礙兒童在可預(yù)測的環(huán)境中情緒比較穩(wěn)定，而與機器人的交往環(huán)境是一個相對簡單、安全的環(huán)境，因此有利于其社交技能的發(fā)展。Tapus等[3]發(fā)現(xiàn)：相比于人，自閉癥兒童更喜歡與人形機器人接觸。Shamsuddi等[4]實驗證實：相比于傳統(tǒng)課堂，自閉癥兒童在人形機器人介入的課堂中，刻板行為發(fā)生次數(shù)減少，溝通交流行為發(fā)生次數(shù)增加。張婷[5]在研究中提出：人形機器人介入會使自閉癥兒童的自閉癥狀減少，可以有效控制問題行為。

上述研究只是個別干預(yù)實驗，尚未形成完整的診斷、干預(yù)和評估體系，屬于局部性的研究工作，均止步于實驗室而并未走向臨床，原因如下。

1）高端人形機器人還處于研發(fā)階段，蓄電池技術(shù)、步態(tài)行走技術(shù)、人形設(shè)計、高端傳感器等硬件技術(shù)尚不完善，各種技術(shù)方案諸如語音識別、人臉識別、眼動儀技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)分析以及軟件平臺方案還未集成，目前服務(wù)機器人暫無法滿足干預(yù)要求[6]，不能開展大規(guī)模的臨床試驗。

2）國內(nèi)外目前針對機器人參與自閉癥干預(yù)的研究還處于概念性研究層面，沒有開展周期性臨床試驗研究，沒有在一個完整的康復(fù)周期持續(xù)對學(xué)齡前自閉癥兒童進行機器人康復(fù)干預(yù)訓(xùn)練，觀察并記錄實驗結(jié)果。

由于缺乏從原理方法、課程設(shè)計到實驗分析的潛心研究，難以形成自閉癥兒童教育機器人的整體解決方案。

1? 機器人參與的自閉癥兒童干預(yù)流程

秉承“醫(yī)教結(jié)合、文理結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合”的宗旨，華東師范大學(xué)康復(fù)科研團隊聚焦月齡在0～72個月（0～6歲年齡段）自閉癥兒童，探索基于機器人技術(shù)的自閉癥兒童評估干預(yù)新理念。

依循評估定位—訓(xùn)練課程—干預(yù)實驗—案例數(shù)據(jù)模型的研究路徑，統(tǒng)籌整個課題研究。緊緊圍繞機器人技術(shù)，從工程分析、課程分析、實證研究到比較分析，希冀從廣度與深度上深入而全面地剖析影響自閉癥兒童社交評估定位和干預(yù)課程的主要影響因素、實驗環(huán)境以及關(guān)鍵支撐技術(shù)，發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的自閉癥干預(yù)技術(shù)體系。模型研究基本思路如圖1所示。

課題關(guān)鍵核心技術(shù)如下。

1）自閉癥兒童社會交往評估技術(shù)。選擇普遍使用的評估系統(tǒng)作為設(shè)計參考工具，研發(fā)可視化評估定位技術(shù)，包括兒童言語、語言及社會交往能力，創(chuàng)設(shè)規(guī)范化評估場景，出具評估報告，為后續(xù)課程體系提供理論依據(jù)，為干預(yù)訓(xùn)練提供指導(dǎo)。

2）自閉癥兒童社會交往干預(yù)課程。利用機器人技術(shù)建立自閉癥兒童社交能力的干預(yù)課程體系，開展實證研究。通過編程實現(xiàn)機器人、自閉癥兒童和康復(fù)師的互動交流，改進傳統(tǒng)應(yīng)用行為分析訓(xùn)練方法，設(shè)計以機器人為示范樣本的教學(xué)情境互動內(nèi)容，完成自閉癥社會交往干預(yù)訓(xùn)練康復(fù)技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)和臨床試驗。

3）自閉癥兒童社會交往評估和干預(yù)訓(xùn)練實驗?；诳祻?fù)干預(yù)實驗，開展實證研究，驗證“評估+訓(xùn)練+監(jiān)控”技術(shù)體系的有效性。篩選100個學(xué)齡前自閉癥兒童，對這些兒童持續(xù)進行為期一年的機器人社會交往干預(yù)訓(xùn)練；同時，引入WS/T 580—2017《0—6歲兒童發(fā)育行為評估量表》進行評定，對自閉癥兒童進行跟蹤測量，驗證機器人干預(yù)技術(shù)的有效性。

4）基于機器學(xué)習(xí)技術(shù)的自閉癥兒童康復(fù)數(shù)據(jù)模型。用技術(shù)手段記錄自閉癥兒童的基本信息以及狀態(tài)（行為、情感和認(rèn)知），形成矢量數(shù)據(jù)予以保留，歸納整理成為具有個案特征的數(shù)據(jù)鏈；匯總眾多個案數(shù)據(jù)，形成自閉癥兒童康復(fù)數(shù)據(jù)庫；經(jīng)過機器學(xué)習(xí)可以形成數(shù)據(jù)模型，用于預(yù)測自閉癥兒童康復(fù)趨勢，指導(dǎo)更多康復(fù)案例。

2? 基于智能技術(shù)的評估和干預(yù)課程

選擇中國殘聯(lián)的《自閉癥社會交往評估表》作為評估定位和訓(xùn)練系統(tǒng)的主要參考依據(jù)，研究社交能力定位評估技術(shù)，包括47個評估項目、智能評估圖譜、問卷APP和智能評估技術(shù)；同時，研究干預(yù)訓(xùn)練課程體系，包括課程軟件系統(tǒng)、課程課件和課程APP。

2.1? 社交能力定位評估

以認(rèn)知心理學(xué)、語言學(xué)、社會學(xué)、兒童發(fā)展心理學(xué)、特殊兒童心理發(fā)展理論等為依據(jù)，針對月齡在0～72個月兒童社會交往領(lǐng)域的47項評估項目為基礎(chǔ)，由易到難整理劃分八個主題類別：社會性注意、自我意識、非口語社交技巧、口語社交技巧、問候、告別、電話禮儀、高階禮儀。

兒童出生后，先發(fā)展出社會性注意，而后發(fā)展出自我意識；進而到社交技巧，由非口語社交技巧向口語社交技巧過渡；最后根據(jù)社會的規(guī)則，建立起社交禮儀的能力。在不同的月齡段各種能力又有不同的表現(xiàn)狀態(tài)，所以阿基米德螺旋曲線將47個評估點依次相連，形成兒童社交能力發(fā)展軌跡，能夠很好地展現(xiàn)兒童社會交往能力發(fā)展趨勢，精準(zhǔn)定位兒童現(xiàn)階段的發(fā)展水平。這個曲線被稱為兒童社交定位圖譜，如圖2所示。圖譜中每個數(shù)據(jù)點即為兒童的社會交往評估項目，可將47個評估項目在圖譜中描出。圖例是實驗測得某特殊兒童的社交能力定位圖譜，未通過的評估點集合和已通過的評估點集合分別用紅點和綠點表示出來（深色為紅點，淺色為綠點）。

社交評估是結(jié)合兒童的年齡特點以及身心發(fā)展水平，特別是根據(jù)自閉癥兒童社交障礙的核心特征，通過創(chuàng)設(shè)不同的場景、觀察兒童在場景中的表現(xiàn)來完成評估流程。

2.2? 社交課程

對接中國殘聯(lián)的47個評估點，沿著圖譜中阿基米德螺旋曲線上的序號，研究47門訓(xùn)練課件，并開發(fā)軟件系統(tǒng)和手機APP應(yīng)用程序，可以通過下載實時更新軟件系統(tǒng)課件，便于各地推廣；同時，可以在手機APP下載課件供家長作為家庭康復(fù)指導(dǎo)之用。

將康復(fù)干預(yù)課程進行結(jié)構(gòu)化分層，形成一個自頂向下的縱向結(jié)構(gòu)，包含課程、情節(jié)、模塊、函數(shù)、軟件、硬件等六個層面，以此建立孤獨癥兒童社交能力干預(yù)訓(xùn)練的課程體系，如圖3所示。將課程分解出情節(jié)，細(xì)化模塊，研發(fā)編制機器人應(yīng)用程序，生成驅(qū)動函數(shù)，機器人做出動作。在康復(fù)課程多層結(jié)構(gòu)中，課程、情節(jié)、模塊三個層面涉及教育康復(fù)的內(nèi)容，函數(shù)、軟件、硬件三個層面涉及機器人本體核心控制技術(shù)。

為了方便康復(fù)師和家長在康復(fù)過程中拓展社交課程，每個活動都植入一個標(biāo)志性動作、一組標(biāo)志性對話和一首包含這兩個要素的兒歌，具體康復(fù)課件由“誘導(dǎo)視頻”“匹配游戲”“音樂花園”“繪本故事”四個板塊組成。

3? 基于干預(yù)實驗數(shù)據(jù)的分析模型

自2016年起，項目團隊圍繞運用機器人開展一系列課題調(diào)研和基礎(chǔ)性探索工作，在完成評估技術(shù)和系列課程的同時，還開設(shè)自閉癥兒童社會交往干預(yù)訓(xùn)練試點課，遴選6歲以下自閉癥兒童參與機器人課程實驗，采集大量臨床試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場視頻資料。

3.1? 開放的機器人實驗平臺

選擇國產(chǎn)悟空機器人技術(shù)平臺。悟空是深圳優(yōu)必選公司推出的一款智能人形機器人，深度挖掘軟硬件優(yōu)勢，具備生命感體系，如圖4所示。首次在機器人中加入4G通信模組，整合海量內(nèi)容資源。這款機器人產(chǎn)品性能優(yōu)越、性價比高，采用開放技術(shù)平臺，擁有大量SDK函數(shù)，可以進行二次開發(fā)設(shè)計人機交互模塊，通過機器人傳感器有助于獲得自閉癥兒童有效信息，經(jīng)過語音識別技術(shù)、人臉識別技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)，獲取干預(yù)訓(xùn)練過程中自閉癥兒童的社會性注意、社會性動作和社會性語言數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自閉癥兒童社交干預(yù)課程在線效果監(jiān)控。

3.2? 利用機器學(xué)習(xí)算法的康復(fù)績效函數(shù)模型

在干預(yù)實驗和數(shù)據(jù)分析階段，首創(chuàng)“1試點+10基地+100案例”模式，篩選自閉癥兒童被試進行干預(yù)訓(xùn)練和跟蹤測量，計劃為100名自閉癥兒童提供全面、科學(xué)的評估與訓(xùn)練，收集實驗數(shù)據(jù)。

實驗一：自閉癥兒童社交障礙干預(yù)課程實驗（在上海市徐匯區(qū)博愛兒童康健園開設(shè)“幸福之花”實驗班）。

實驗二：機器人技術(shù)平臺的自閉癥兒童認(rèn)知障礙實驗（在上海嘉定區(qū)殘聯(lián)陽光之家開展嘉定區(qū)微公益項目）。

通過XGBoost算法得到兒童基本信息及47個評估點的多項式模型，各項特征參數(shù)在推算結(jié)果中關(guān)聯(lián)的重要程度（權(quán)值）可以直觀地由圖5表示。影響兒童自閉癥康復(fù)趨勢的因素眾多，其中影響權(quán)值最大的前四位依次為“月齡”（權(quán)值87%）、“訓(xùn)練課程：這是哪里”（權(quán)值18%）、“訓(xùn)練課程：照鏡子”（權(quán)值14%）、“訓(xùn)練課程：大家抱一抱”（權(quán)值14%）。

4? 結(jié)論

這項研究是國內(nèi)第一個涵蓋自閉癥兒童社會交往干預(yù)訓(xùn)練技術(shù)體系的人形機器人研究項目。隨著機器人技術(shù)高速發(fā)展和5G應(yīng)用普及，人形機器人會走進自閉癥兒童家庭，可以通過機器人傳感器動態(tài)測量和監(jiān)控自閉癥兒童，使用語音識別、人臉識別和數(shù)據(jù)模型技術(shù)，分析兒童行為能力并推送最適合的干預(yù)課程，在自然輕松的居家環(huán)境中讓自閉癥兒童接受社會性注意、社會性動作和社會性語言訓(xùn)練，機器人與自閉癥兒童開展互動交流和游戲?qū)υ挘嵘蚤]癥兒童社交能力。

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