面向心理健康的服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 曦，曾廣平，喬 柱

（北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

心理健康越來越成為一個(gè)重要的社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)和國家文明進(jìn)步的重要內(nèi)容，而且采用新一代信息技術(shù)如何為心理健康提供科技支撐，是我們研究一個(gè)重要方向。正因?yàn)檫@種科學(xué)意義，本文選擇面向心理健康服務(wù)，研究機(jī)器人的方法和技術(shù)，力圖為心理健康服務(wù)提供智能化的數(shù)字化輔助工具和手段。

服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域現(xiàn)在依然存在許多尚未完全解決的科學(xué)問題，同樣也涉及非常多的關(guān)鍵技術(shù)。比如：

1）具有過渡過程的多執(zhí)行器的情感控制模式研究；

2）心理健康服務(wù)產(chǎn)生的圖靈測試方法，做一個(gè)服務(wù)機(jī)器人，試看哪位心理咨詢考試員誰能通過她的考試；

3）具有專業(yè)知識(shí)教育的情感服務(wù)機(jī)器人（教師，醫(yī)生，心理咨詢師）智能對話庫內(nèi)容研究（1、直接匹配對話庫；2、數(shù)據(jù)庫形式化之后，用機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜等建立對話模式）；

4）體現(xiàn)人工智能與人工心理健康服務(wù)的方法和技術(shù)水平。

這些都是服務(wù)機(jī)器人的重要研究方向，需要不斷地對其進(jìn)行研究。

1 心理健康服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

本文面向心理健康服務(wù)，研發(fā)一種具有表情、語音交互、內(nèi)容數(shù)據(jù)庫等功能的智能機(jī)器人。分析了服務(wù)機(jī)器人的頭部運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，對如何通過控制基本參數(shù)來產(chǎn)生表情的原理進(jìn)行了研究；提出了將人工心理與情感計(jì)算等領(lǐng)域的方法應(yīng)用到心理健康服務(wù)之中的想法；并提出了一種心理健康服務(wù)計(jì)算的心理咨詢輔助推理模型。建立一種面向心理健康服務(wù)的機(jī)器人輔助系統(tǒng)，希望可以為心理咨詢師及其相關(guān)人員提供智能輔助。

1.1 機(jī)器人性能參數(shù)和基本功能

機(jī)器人基本動(dòng)作：

動(dòng)作表情功能（12個(gè)舵機(jī)、14個(gè)自由度）。

低頭（前屈）、抬頭（后伸）。

前屈、后伸最大活動(dòng)度如圖5所示。

左扭頭（左旋）、右扭頭（右旋）。

左旋、右旋最大活動(dòng)度如圖6所示。

左右擺頭：擺動(dòng)幅度為左右±25°。

張嘴動(dòng)作：頜關(guān)節(jié)最大張開度25°。

眨眼動(dòng)作：左右眼瞼獨(dú)立控制，可同時(shí)眨眼，也可單獨(dú)眨眼。

眼球左右轉(zhuǎn)動(dòng)：雙眼球聯(lián)動(dòng)，左右轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±20°。

眼球上下轉(zhuǎn)動(dòng)：雙眼球聯(lián)動(dòng)，上下轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±20°。

微笑：左右側(cè)笑單獨(dú)控制，嘴角后拉最大幅度大約5mm。

眉毛上下挑眉，左右眉單獨(dú)控制，上挑最大幅度大約5mm。

眉毛向心皺眉，左右眉單獨(dú)控制，向心最大幅度大約5mm。

1.2 心理健康服務(wù)機(jī)器人平臺(tái)的構(gòu)建

我們將下述的多種技術(shù)集成到心理健康服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)中。外形是一個(gè)人型機(jī)器人，內(nèi)嵌心理篩查和心理干預(yù)數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫，面向?qū)嶋H應(yīng)用，研究驗(yàn)證心理健康服務(wù)計(jì)算研究的有效性和實(shí)用性。

1.3 心理健康與生活服務(wù)對話數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫

圍繞心理健康和物聯(lián)網(wǎng)教育，我們搜集開源數(shù)據(jù)庫并建立自己的數(shù)據(jù)庫把心理咨詢、老年生活照料作為對話服務(wù)主體內(nèi)容。建立一個(gè)面向健康生活服務(wù)的對話機(jī)器人助理。

目前，心理健康服務(wù)對話數(shù)據(jù)庫的建立主要分為:醫(yī)學(xué)、心理服務(wù)、日常對話?，F(xiàn)在已有10000多條對話條目，而且還可以增加。

醫(yī)藥類：主要包括該疾病的定義、病因、癥狀、治療、后遺癥、并發(fā)癥、護(hù)理與飲食，其中：腦梗死 19條數(shù)據(jù)，高血壓 16條數(shù)據(jù)，新冠肺炎 15條數(shù)據(jù)，上呼吸道感染 23條數(shù)據(jù)，糖尿病 18條數(shù)據(jù)等。

心理類：心理知識(shí)類308條數(shù)據(jù)；心理咨詢的基本問題對話庫 257條數(shù)據(jù)；

日常對話類：日常對話 9600條數(shù)據(jù)。

我們的數(shù)據(jù)庫里，還有10000多家全國養(yǎng)老院數(shù)據(jù)，以便于查詢各地的養(yǎng)老服務(wù)信息。

1.4 機(jī)器人的表情控制系統(tǒng)

基于電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制指令，組合生成復(fù)雜、復(fù)合的機(jī)器人表情動(dòng)作，是表情機(jī)器人的基本研究問題。

在如何理解人類的面部表情的設(shè)計(jì)方面，本文根據(jù)人體解剖學(xué)的理論知識(shí)來理解人類面部的組織結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí)了組織結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的具體功能，以及每個(gè)部分具體如何實(shí)現(xiàn)表情的原理。同時(shí)，通過學(xué)習(xí)人臉表情的面部運(yùn)動(dòng)編碼系統(tǒng)（FACS）的相關(guān)定義來進(jìn)行機(jī)器人面部表情的設(shè)計(jì)和理解，獲得了每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元和肌肉之間存在的對應(yīng)關(guān)系。使用上述理論所獲得的機(jī)器人表情設(shè)計(jì)方案，使用機(jī)器人表情控制編輯軟件來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)機(jī)器人表情的最終實(shí)現(xiàn)，其編輯軟件界面如圖1所示。

圖1 機(jī)器人表情控制編輯界面

1.5 對話的智能決策模型

心理健康服務(wù)對話機(jī)器人以心理咨詢學(xué)習(xí)訓(xùn)練為應(yīng)用對象，需要建立對話的智能決策模型，以期望真正能夠做出心理咨詢機(jī)器人輔助系統(tǒng)。

1.5.1 心理健康服務(wù)計(jì)算的心理咨詢輔助推理模型

這里首先考慮心理咨詢理論在心理健康服務(wù)計(jì)算中的指導(dǎo)作用，建立一種心理健康服務(wù)計(jì)算的心理咨詢輔助推理模型。如圖2所示。

圖2 心理健康服務(wù)計(jì)算的心理咨詢輔助推理模型

模型推理過程如下：輸入來訪者的數(shù)據(jù)（語言、行為、參數(shù)、圖像、視頻等等），采用圖像處理技術(shù)和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)提取特征，再根據(jù)相關(guān)心理咨詢理論使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法得到分類結(jié)果；輸出為根據(jù)前述方法獲得的來訪者內(nèi)在心理狀態(tài)模型的評(píng)估和預(yù)測，并以各種展示技術(shù)呈現(xiàn)給心理咨詢師和來訪者，進(jìn)而起到輔助心理咨詢過程的作用。

1.5.2 建立一種面向心理咨詢的輔助應(yīng)用系統(tǒng)

這里主要是應(yīng)用人工心理逆問題研究的理論方法，進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。

將來訪者的數(shù)據(jù)（語言、行為、參數(shù)、圖像、視頻等）通過使用自然語言理解、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和情境感知計(jì)算等技術(shù)提取特征，再根據(jù)相關(guān)心理咨詢理論使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法得到分類結(jié)果；進(jìn)而得到心理咨詢來訪者的心理評(píng)估，推薦給心理咨詢師，輔助其分析來訪者的心理狀態(tài)，提高心理咨詢的準(zhǔn)確度和效率。

技術(shù)路線：首先建立一個(gè)人的心理狀態(tài)結(jié)構(gòu)—分析數(shù)據(jù)-推理計(jì)算—得到精準(zhǔn)心理問題狀態(tài)—縮短心理咨詢過程。目的在于建立一種面向心理咨詢的人工心理輔助應(yīng)用系統(tǒng)，為心理咨詢師及其相關(guān)人員提供專家輔助系統(tǒng)，進(jìn)而驗(yàn)證本研究的有效性和正確性。

2 機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

心理咨詢機(jī)器人不僅僅有動(dòng)作交互，還需要智能化的語音交互，以及后臺(tái)計(jì)算和數(shù)據(jù)的支持，是一個(gè)整體的系統(tǒng)服務(wù)。將機(jī)器人講話內(nèi)容+對應(yīng)語音+相應(yīng)表情有機(jī)融合，研究機(jī)器人的表情控制模式，建立一種豐富的機(jī)器人控制指令庫，實(shí)現(xiàn)和諧人際交互模式，是我們的研究目標(biāo)。

2.1 機(jī)器人主要功能與實(shí)現(xiàn)

2.1.1 主要功能描述

1）智能語音交互功能

智能語音交互功能，可以實(shí)現(xiàn)用戶和虛擬小人的聊天對話。包括閑聊，問答，百科，生活常識(shí)，數(shù)學(xué)計(jì)算，等多個(gè)數(shù)據(jù)庫，可以滿足大多數(shù)人的溝通上的需要。并且通過建立知識(shí)庫，能夠進(jìn)行一問多答，多問一答，實(shí)現(xiàn)智能化交互。

2）智能語音服務(wù)功能

智能語音服務(wù)功能通過語音接口來為用戶提供以下相關(guān)服務(wù)：可以為用戶查詢?nèi)我獬鞘凶罱?天的天氣和空氣質(zhì)量；也可以設(shè)置定時(shí)提醒，準(zhǔn)時(shí)自動(dòng)提醒用戶要做什么事；它也能夠查詢一些常見疾病的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)而給老年人提出一些身體健康的知識(shí)普及和保健指導(dǎo)；也能幫助用戶查詢?nèi)珖鞯氐酿B(yǎng)老院或養(yǎng)老相關(guān)服務(wù)機(jī)構(gòu)的信息。本工作擁有獨(dú)一無二的全國養(yǎng)老院以及各類老年人服務(wù)中心的數(shù)據(jù)庫。這是由本項(xiàng)目組的幾位研究生通過一年的工作搜集并建立起來的，包含了幾十萬條詳細(xì)的信息。

2.1.2 安卓開發(fā)

Eclipse安卓開發(fā)環(huán)境下，開發(fā)配套APP，集視頻播放，語音識(shí)別，語義理解，語音合成，語音喚醒，人臉檢測于一體，并能通過WiFi模塊與各種硬件功能模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)語音交互和控制。還要與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化的語音交互。

視頻播放功能則使用安卓自帶控件。

語音識(shí)別等技術(shù)，應(yīng)用科大訊飛平臺(tái)的離線SDK和在線API，將各個(gè)語音功能模塊整合在一起，在邏輯上符合用戶語音交互需求，性能上健壯穩(wěn)定。

人臉識(shí)別技術(shù)現(xiàn)已成熟，本文所做工作應(yīng)用了face++人臉識(shí)別平臺(tái)來進(jìn)行視頻流的人臉檢測并將其集成在APP中。

2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

機(jī)器人軟件控制流程圖如圖3所示。

圖3 機(jī)器人軟件控制流程圖

機(jī)器人硬件構(gòu)成如圖4所示。

圖4 機(jī)器人硬件構(gòu)成圖

心理咨詢機(jī)器人內(nèi)置安卓操作系統(tǒng)，內(nèi)部集成有APP，可以進(jìn)行語音交互，人臉識(shí)別。紅外傳感器則是，當(dāng)檢測到用戶的接近時(shí)，通過WiFi通信對安卓主機(jī)進(jìn)行喚醒。智能家居遙控模塊其實(shí)就是通過WiFi和APP進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)智能控制的交互功能，即人們可以用語音與機(jī)器人交互，控制電燈開關(guān)、電視開關(guān)等功能。

2.3 心理咨詢對話功能

這里的心理咨詢對話庫，主要是將機(jī)器人當(dāng)做是人類心理咨詢師的助手，通過對話，機(jī)器人對來訪者進(jìn)行基本情況收集、初步的心理狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而為心理咨詢的判斷提供客觀依據(jù)，可以大大縮短心理評(píng)估的進(jìn)程。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5所示為我們的心理健康服務(wù)機(jī)器人外形圖。

圖5 機(jī)器人外形圖

圖6所示為心理健康服務(wù)機(jī)器人對話的程序調(diào)試界面。

圖6 心理健康服務(wù)機(jī)器人對話界面

實(shí)驗(yàn)表明，由于充分利用了實(shí)物機(jī)器人技術(shù)的真實(shí)感和親切感的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于心理咨詢和老年人的服務(wù)。并結(jié)合了語音技術(shù)，智能家居服務(wù)技術(shù)等，使交互更加人性化，大大加強(qiáng)了機(jī)器人服務(wù)性，機(jī)器人功能更加豐富。

3 結(jié)語

本文面向心理健康服務(wù)，研發(fā)實(shí)現(xiàn)了一種具有表情、語音交互、內(nèi)容數(shù)據(jù)庫等功能的智能機(jī)器人。為該智能服務(wù)機(jī)器人能夠產(chǎn)生表情功能而研發(fā)了面部表情的控制系統(tǒng)；分析了機(jī)器人的頭部運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生表情的結(jié)構(gòu)性原理；首次提出了將人工心理與情感計(jì)算等領(lǐng)域的方法應(yīng)用到心理健康服務(wù)之中的想法；并提出了一種心理健康服務(wù)計(jì)算的心理咨詢輔助推理模型。建立了一種面向心理健康服務(wù)應(yīng)用的智能輔助系統(tǒng)，可以為心理咨詢師及其相關(guān)人員提供智能輔助。這在國內(nèi)目前的心理咨詢應(yīng)用領(lǐng)域還未見類似研究。開發(fā)的智能機(jī)器人為心理健康服務(wù)增加了新的數(shù)字化輔助工具和手段。