面向心理健康的服務機器人設計與實現

王 曦，曾廣平，喬 柱

（北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083）

0 引言

心理健康越來越成為一個重要的社會關注熱點和國家文明進步的重要內容，而且采用新一代信息技術如何為心理健康提供科技支撐，是我們研究一個重要方向。正因為這種科學意義，本文選擇面向心理健康服務，研究機器人的方法和技術，力圖為心理健康服務提供智能化的數字化輔助工具和手段。

服務機器人領域現在依然存在許多尚未完全解決的科學問題，同樣也涉及非常多的關鍵技術。比如：

1）具有過渡過程的多執行器的情感控制模式研究；

2）心理健康服務產生的圖靈測試方法，做一個服務機器人，試看哪位心理咨詢考試員誰能通過她的考試；

3）具有專業知識教育的情感服務機器人（教師，醫生，心理咨詢師）智能對話庫內容研究（1、直接匹配對話庫；2、數據庫形式化之后，用機器學習、知識圖譜等建立對話模式）；

4）體現人工智能與人工心理健康服務的方法和技術水平。

這些都是服務機器人的重要研究方向，需要不斷地對其進行研究。

1 心理健康服務機器人的設計

本文面向心理健康服務，研發一種具有表情、語音交互、內容數據庫等功能的智能機器人。分析了服務機器人的頭部運動系統的基本結構，對如何通過控制基本參數來產生表情的原理進行了研究；提出了將人工心理與情感計算等領域的方法應用到心理健康服務之中的想法；并提出了一種心理健康服務計算的心理咨詢輔助推理模型。建立一種面向心理健康服務的機器人輔助系統，希望可以為心理咨詢師及其相關人員提供智能輔助。

1.1 機器人性能參數和基本功能

機器人基本動作：

動作表情功能（12個舵機、14個自由度）。

低頭（前屈）、抬頭（后伸）。

前屈、后伸最大活動度如圖5所示。

左扭頭（左旋）、右扭頭（右旋）。

左旋、右旋最大活動度如圖6所示。

左右擺頭：擺動幅度為左右±25°。

張嘴動作：頜關節最大張開度25°。

眨眼動作：左右眼瞼獨立控制，可同時眨眼，也可單獨眨眼。

眼球左右轉動：雙眼球聯動，左右轉動幅度為±20°。

眼球上下轉動：雙眼球聯動，上下轉動幅度為±20°。

微笑：左右側笑單獨控制，嘴角后拉最大幅度大約5mm。

眉毛上下挑眉，左右眉單獨控制，上挑最大幅度大約5mm。

眉毛向心皺眉，左右眉單獨控制，向心最大幅度大約5mm。

1.2 心理健康服務機器人平臺的構建

我們將下述的多種技術集成到心理健康服務機器人系統中。外形是一個人型機器人，內嵌心理篩查和心理干預數據庫和知識庫，面向實際應用，研究驗證心理健康服務計算研究的有效性和實用性。

1.3 心理健康與生活服務對話數據庫和知識庫

圍繞心理健康和物聯網教育，我們搜集開源數據庫并建立自己的數據庫把心理咨詢、老年生活照料作為對話服務主體內容。建立一個面向健康生活服務的對話機器人助理。

目前，心理健康服務對話數據庫的建立主要分為:醫學、心理服務、日常對話。現在已有10000多條對話條目，而且還可以增加。

醫藥類：主要包括該疾病的定義、病因、癥狀、治療、后遺癥、并發癥、護理與飲食，其中：腦梗死 19條數據，高血壓 16條數據，新冠肺炎 15條數據，上呼吸道感染 23條數據，糖尿病 18條數據等。

心理類：心理知識類308條數據；心理咨詢的基本問題對話庫 257條數據；

日常對話類：日常對話 9600條數據。

我們的數據庫里，還有10000多家全國養老院數據，以便于查詢各地的養老服務信息。

1.4 機器人的表情控制系統

基于電機運動的控制指令，組合生成復雜、復合的機器人表情動作，是表情機器人的基本研究問題。

在如何理解人類的面部表情的設計方面，本文根據人體解剖學的理論知識來理解人類面部的組織結構，并學習了組織結構各個部分的具體功能，以及每個部分具體如何實現表情的原理。同時，通過學習人臉表情的面部運動編碼系統（FACS）的相關定義來進行機器人面部表情的設計和理解，獲得了每個運動單元和肌肉之間存在的對應關系。使用上述理論所獲得的機器人表情設計方案，使用機器人表情控制編輯軟件來進行實現機器人表情的最終實現，其編輯軟件界面如圖1所示。

圖1 機器人表情控制編輯界面

1.5 對話的智能決策模型

心理健康服務對話機器人以心理咨詢學習訓練為應用對象，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器人輔助系統。

1.5.1 心理健康服務計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計算中的指導作用，建立一種心理健康服務計算的心理咨詢輔助推理模型。如圖2所示。

圖2 心理健康服務計算的心理咨詢輔助推理模型

模型推理過程如下：輸入來訪者的數據（語言、行為、參數、圖像、視頻等等），采用圖像處理技術和數據分析等技術提取特征，再根據相關心理咨詢理論使用機器學習算法得到分類結果；輸出為根據前述方法獲得的來訪者內在心理狀態模型的評估和預測，并以各種展示技術呈現給心理咨詢師和來訪者，進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用系統

這里主要是應用人工心理逆問題研究的理論方法，進行具體實現。

將來訪者的數據（語言、行為、參數、圖像、視頻等）通過使用自然語言理解、計算機視覺技術和情境感知計算等技術提取特征，再根據相關心理咨詢理論使用機器學習算法得到分類結果；進而得到心理咨詢來訪者的心理評估，推薦給心理咨詢師，輔助其分析來訪者的心理狀態，提高心理咨詢的準確度和效率。

技術路線：首先建立一個人的心理狀態結構—分析數據-推理計算—得到精準心理問題狀態—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用系統，為心理咨詢師及其相關人員提供專家輔助系統，進而驗證本研究的有效性和正確性。

2 機器人系統實現

心理咨詢機器人不僅僅有動作交互，還需要智能化的語音交互，以及后臺計算和數據的支持，是一個整體的系統服務。將機器人講話內容+對應語音+相應表情有機融合，研究機器人的表情控制模式，建立一種豐富的機器人控制指令庫，實現和諧人際交互模式，是我們的研究目標。

2.1 機器人主要功能與實現

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，可以實現用戶和虛擬小人的聊天對話。包括閑聊，問答，百科，生活常識，數學計算，等多個數據庫，可以滿足大多數人的溝通上的需要。并且通過建立知識庫，能夠進行一問多答，多問一答，實現智能化交互。

2）智能語音服務功能

智能語音服務功能通過語音接口來為用戶提供以下相關服務：可以為用戶查詢任意城市最近5天的天氣和空氣質量；也可以設置定時提醒，準時自動提醒用戶要做什么事；它也能夠查詢一些常見疾病的相關知識，進而給老年人提出一些身體健康的知識普及和保健指導；也能幫助用戶查詢全國各地的養老院或養老相關服務機構的信息。本工作擁有獨一無二的全國養老院以及各類老年人服務中心的數據庫。這是由本項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的信息。

2.1.2 安卓開發

Eclipse安卓開發環境下，開發配套APP，集視頻播放，語音識別，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行通信，實現語音交互和控制。還要與云端服務器進行數據交換，利用云計算和大數據實現智能化的語音交互。

視頻播放功能則使用安卓自帶控件。

語音識別等技術，應用科大訊飛平臺的離線SDK和在線API，將各個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，性能上健壯穩定。

人臉識別技術現已成熟，本文所做工作應用了face++人臉識別平臺來進行視頻流的人臉檢測并將其集成在APP中。

2.2 程序實現

機器人軟件控制流程圖如圖3所示。

圖3 機器人軟件控制流程圖

機器人硬件構成如圖4所示。

圖4 機器人硬件構成圖

心理咨詢機器人內置安卓操作系統，內部集成有APP，可以進行語音交互，人臉識別。紅外傳感器則是，當檢測到用戶的接近時，通過WiFi通信對安卓主機進行喚醒。智能家居遙控模塊其實就是通過WiFi和APP進行通信，實現智能控制的交互功能，即人們可以用語音與機器人交互，控制電燈開關、電視開關等功能。

2.3 心理咨詢對話功能

這里的心理咨詢對話庫，主要是將機器人當做是人類心理咨詢師的助手，通過對話，機器人對來訪者進行基本情況收集、初步的心理狀態進行評估，進而為心理咨詢的判斷提供客觀依據，可以大大縮短心理評估的進程。

2.4 實驗結果

圖5所示為我們的心理健康服務機器人外形圖。

圖5 機器人外形圖

圖6所示為心理健康服務機器人對話的程序調試界面。

圖6 心理健康服務機器人對話界面

實驗表明，由于充分利用了實物機器人技術的真實感和親切感的優點，應用于心理咨詢和老年人的服務。并結合了語音技術，智能家居服務技術等，使交互更加人性化，大大加強了機器人服務性，機器人功能更加豐富。

3 結語

本文面向心理健康服務，研發實現了一種具有表情、語音交互、內容數據庫等功能的智能機器人。為該智能服務機器人能夠產生表情功能而研發了面部表情的控制系統；分析了機器人的頭部運動系統結構及其產生表情的結構性原理；首次提出了將人工心理與情感計算等領域的方法應用到心理健康服務之中的想法；并提出了一種心理健康服務計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應用的智能輔助系統，可以為心理咨詢師及其相關人員提供智能輔助。這在國內目前的心理咨詢應用領域還未見類似研究。開發的智能機器人為心理健康服務增加了新的數字化輔助工具和手段。