基于情感計(jì)算的空巢老人陪伴機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

李佳　祁娜

摘要：近年來，我國(guó)空巢老人逐漸增多，他們需要更多的情感關(guān)注，而陪伴機(jī)器人的出現(xiàn)解決了這方面的問題。文章首先闡述了情感計(jì)算理論，梳理了情感計(jì)算的基本流程;然后，構(gòu)建基于情感計(jì)算的空巢老人情感交互Agent模型，推導(dǎo)出用戶的情感反應(yīng)示意圖;最后，運(yùn)用情感計(jì)算理論研究空巢老人智能化陪伴機(jī)器人設(shè)計(jì)的流程，并賦予設(shè)計(jì)實(shí)踐。以期為空巢老人提供便利的生活，給予他們關(guān)懷與陪伴，幫助其建立生活及社交的信心。

關(guān)鍵詞：情感計(jì)算;空巢老人;智能陪伴機(jī)器人;情感交互Agent 模型;人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）11-0026-03

據(jù)《國(guó)家人口發(fā)展規(guī)劃（2016—2030 年）》指出中國(guó)60 歲及以上的人口占比達(dá)到16.1%，并呈上升的趨勢(shì)。我國(guó)人口老齡化問題隨著社會(huì)的發(fā)展愈加嚴(yán)峻，空巢老人比例也不斷增長(zhǎng)。這一特殊群體的出現(xiàn)，是我國(guó)人口老齡化程度加深的必然結(jié)果。在長(zhǎng)期獨(dú)居的情況下，空巢老人孤獨(dú)、焦慮等心理會(huì)對(duì)身體健康造成危害。如何使空巢老人的負(fù)面情緒得到舒緩，如何為其建立更多的生活信心等問題亟待解決。

1情感計(jì)算概述

情感計(jì)算是關(guān)于情感、情感的產(chǎn)生以及影響情感因素的研究[2]。該理論為當(dāng)下人機(jī)交互領(lǐng)域的熱門話題，研究產(chǎn)生了一些有價(jià)值的成果，但較少將情感計(jì)算理論運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域。學(xué)界對(duì)于情感計(jì)算的最新定義為：以通過賦予計(jì)算機(jī)識(shí)別、理解、表達(dá)和適應(yīng)人的情感能力為目的，建立和諧的人機(jī)環(huán)境，與此同時(shí)賦予計(jì)算機(jī)更高、更全的智能。人的情感十分豐富，情緒時(shí)常變換，機(jī)器人擁有的情感能力可以促進(jìn)與人良好關(guān)系的建立。而情感計(jì)算以人類情感為基點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與方法將人類情感進(jìn)行量化分析，并進(jìn)行適當(dāng)反饋。

2 空巢老人生理與心理特征

2.1 空巢老人的生理特征

隨著老年人年齡的不斷增長(zhǎng)，其身體各項(xiàng)機(jī)能也相應(yīng)減弱。從生理角度可將老齡化的過程理解為感知、認(rèn)知、行為3個(gè)方面的衰退。首先，老年人年齡的增長(zhǎng)使其感知能力減弱，對(duì)事物的敏感程度也隨之下降;其次，老年人對(duì)事物的理解與認(rèn)知能力開始顯著下降，在現(xiàn)代信息社會(huì)的背景下，老年人對(duì)新信息的接受度變?nèi)?最后，隨著年齡的增長(zhǎng)，老年人的生理機(jī)能衰退，其行為尺度與年齡呈反比，生理機(jī)能的衰退會(huì)直接影響老年人的平衡力、支撐力及身體靈活度。

2.2 空巢老人的心理特征

與生物學(xué)意義上的老年人不同的是，一方面，空巢老人與子女長(zhǎng)期處于分開居住的生活模式，失去子女的照顧與幫助，空巢老人的生活起居通常需要獨(dú)立完成，其生活質(zhì)量明顯下降;另一方面，由于缺乏子女陪伴或疏于人際交往，空巢老人缺乏情感慰藉，加之社會(huì)資源無(wú)法平等分配，其生理、心理健康都會(huì)受到影響。老年人生理機(jī)能衰退會(huì)引起心理狀態(tài)的變化，空巢老人心理狀態(tài)的變化浮動(dòng)尤為明顯。其一，空巢老人脫離子女單獨(dú)生活，在無(wú)法第一時(shí)間得到子女關(guān)懷的情況下，其安全感極度缺失，時(shí)常陷入緊張、恐懼等不良情緒;其二，面對(duì)社會(huì)的更新?lián)Q代與撲面而來的繁雜信息，認(rèn)知能力下降的老年人容易陷入自我懷疑，沒有子女輔助的空巢老人，常產(chǎn)生自卑及焦慮情緒;其三，由于空巢老人長(zhǎng)期缺乏情感慰藉，其幸福感及生活滿意度大為下降。此外，據(jù)相關(guān)研究顯示，與非空巢老人相比，空巢老人主觀幸福感相對(duì)較低，其身體狀況也相對(duì)較差。非空巢老人在社交關(guān)系與語(yǔ)言溝通方面的表現(xiàn)也更加良好。

3 空巢老人陪伴機(jī)器人的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在問題

3.1 空巢老人陪伴機(jī)器人的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

我國(guó)作為新晉的老齡化人口大國(guó)，老年陪伴機(jī)器人在該背景下備受市場(chǎng)青睞，前景廣闊。當(dāng)前，針對(duì)該人群的主流機(jī)器人從功能上可將其大致分為健康監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控及互動(dòng)三大類型。如圖1 所示，（a）產(chǎn)品為健康醫(yī)療監(jiān)測(cè)型機(jī)器人，主要功能為輔助醫(yī)療;（b）與（c）產(chǎn)品為遠(yuǎn)程監(jiān)控型機(jī)器人，主要用于子女遠(yuǎn)程關(guān)注老年人的動(dòng)態(tài)并進(jìn)行互動(dòng)聯(lián)系;（d）與（e）產(chǎn)品為互動(dòng)型機(jī)器人，以語(yǔ)音交流、對(duì)話問答及執(zhí)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音命令為主要功能。另外，三種類型機(jī)器人產(chǎn)品存在功能交叉的現(xiàn)象，市場(chǎng)定位較為模糊。因此，各類型機(jī)器人產(chǎn)品的專業(yè)性無(wú)法凸顯，區(qū)分度較低。

由于空巢老人群體的特殊性，智能陪伴機(jī)器人在滿足其基本功能基礎(chǔ)上，欲發(fā)掘用戶深層次的情感需求。現(xiàn)今市場(chǎng)上的老年人陪伴機(jī)器人類型多種多樣，如（d）與（e）產(chǎn)品的互動(dòng)型機(jī)器人將主要功能保留為與用戶之間的語(yǔ)音互動(dòng)，且靈活性強(qiáng)、個(gè)性化服務(wù)，以及氛圍制造等特征使其從眾多類型產(chǎn)品中脫穎而出。

3.2 空巢老人陪伴機(jī)器人設(shè)計(jì)的存在問題

從上述對(duì)語(yǔ)音互動(dòng)類型的陪伴機(jī)器人的描述中不難發(fā)現(xiàn)，功能上，該類型產(chǎn)品停留在智能語(yǔ)音交互的階段。雖然可以滿足部分空巢老人的情感需求，但對(duì)更深層次的精神情感需求的挖掘與滿足還有較大進(jìn)步的空間。色彩上，以白色、黑色、灰色及藍(lán)色等冷色為主要構(gòu)成色，體現(xiàn)出產(chǎn)品的工業(yè)風(fēng)與科技感。此外，該類色彩在智能產(chǎn)品上的應(yīng)用，還無(wú)法與老年人對(duì)于該類色彩的認(rèn)知能力相適應(yīng)，會(huì)讓老年用戶產(chǎn)生使用疏離感。造型上，大致分為仿生式造型與方正式造型兩大類，仿生式造型可以有效縮短老年用戶對(duì)機(jī)器的心理距離，但方正式造型還未脫離傳統(tǒng)家電的造型，無(wú)法激起老年用戶的使用好奇心。

4 基于情感計(jì)算的空巢老人陪伴機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

空巢老人這一特殊群體作為用戶，其情感、意識(shí)在一定程度上會(huì)影響其交互行為。在智能產(chǎn)品使用過程中一旦碰壁，容易產(chǎn)生自我否定的消極心理[6]。斯維哥特認(rèn)為，在老年用戶與技術(shù)互動(dòng)的過程中，既要運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)來主動(dòng)適應(yīng)老齡用戶在感知、認(rèn)知、行為等方面的衰減與局限，又要整合新技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)以解決老齡用戶的困難，并提供新的生活方式和機(jī)會(huì)。因此，機(jī)器若能主動(dòng)地感知該類用戶的情感與意識(shí)，去機(jī)械化的同時(shí)賦予機(jī)器自然的情感，則可以更好地理解用戶的行為意圖，為老年用戶提供關(guān)懷。探索空巢老人特殊群體情感產(chǎn)生與反饋的關(guān)系，研究老年人群的情感需求特征，通過情感信息的接收、識(shí)別與分析，對(duì)用戶情感信息進(jìn)行特征提取，構(gòu)建空巢老人情感交互Agent 模型，最終形成完整的產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)?；谇楦杏?jì)算理論研究智能產(chǎn)品與特殊用戶之間的交互關(guān)系，促進(jìn)產(chǎn)品與服務(wù)系統(tǒng)創(chuàng)新，促使智能陪伴機(jī)器人產(chǎn)品以“ 真”智能，理解用戶情感進(jìn)而及時(shí)做出情感反饋，使機(jī)器代替人為用戶帶去更多的情感關(guān)懷（如圖2）。

4.1 基于情感計(jì)算的空巢老人情感交互Agent 模型構(gòu)建

IT界的Agent（智能體）概念最初由Minsky 提出[8]，是一種具備感知能力，并能夠自治運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)目的的機(jī)器或軟件系統(tǒng)。Wooldridge 將其定義為處于一定環(huán)境的計(jì)算系統(tǒng)，其行為比較靈活、自主[9]。人的情感是一種主觀的內(nèi)在體驗(yàn)，也是智能Agent的重要屬性。

情感被Agent系統(tǒng)感知、分析處理并給予反饋。情感交互Agent 可以為空巢老人用戶提供服務(wù)，賦予機(jī)器共情能力，為人機(jī)交互建立良好的關(guān)系。如圖3 所示，基于情感計(jì)算的空巢老人情感交互Agent 模型主要由五部分構(gòu)成，即感知系統(tǒng)、認(rèn)知系統(tǒng)、行動(dòng)系統(tǒng)、情感系統(tǒng)及人機(jī)界面。感知系統(tǒng)可以由傳感器、攝像設(shè)備或圖片采集裝備等獲取空巢老人的人臉表情、姿態(tài)及語(yǔ)音等數(shù)據(jù)信息;認(rèn)知系統(tǒng)對(duì)感知系統(tǒng)所獲取的用戶情感信息進(jìn)行識(shí)別與分析，將情感信息分類并提取情感信息特征，如中性情感、開心、悲傷、驚訝、害怕及生氣等情緒;行動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)認(rèn)知系統(tǒng)所計(jì)算出的情感信息結(jié)果進(jìn)行判斷，推斷用戶此時(shí)的情緒狀態(tài)，將識(shí)別到的情緒狀態(tài)進(jìn)行合理的情感反饋。

4.2 空巢老人陪伴機(jī)器人情感計(jì)算系統(tǒng)的架構(gòu)

此系統(tǒng)通過攝像設(shè)備、傳感器、人臉表情識(shí)別及智能語(yǔ)音識(shí)別等人工智能技術(shù)，收集與獲取空巢老人用戶的情緒，將情緒特征進(jìn)行提取與分類，傳送到服務(wù)器進(jìn)行情緒識(shí)別。計(jì)算機(jī)再根據(jù)識(shí)別結(jié)果做出反饋，反饋形式包括但不限于語(yǔ)音、圖像或動(dòng)作等方式。以智能陪伴機(jī)器人為載體，讓空巢老人與其進(jìn)行良好的互動(dòng)，用戶情感的深度挖掘加上多樣的反饋方式可以給老年用戶帶來更真實(shí)且沉浸的感受。智能識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用可以減少用戶的操作流程，符合各項(xiàng)生理機(jī)能處于衰退階段的老年用戶的需求。主動(dòng)識(shí)別并理解用戶，使空巢老人特殊的情感情緒得到關(guān)注，一定程度上帶給老人關(guān)懷和慰藉，自然和諧的人機(jī)交互形式將為空巢老人群體帶來更多的福祉[10]。

如圖4 所示，傳感器、人臉表情識(shí)別及智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)在整個(gè)情感計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)中起到重要作用。（1） 傳感器技術(shù)。傳感器是信息獲取的重要手段，智能傳感器可以對(duì)外界即老年用戶表現(xiàn)出來的情緒進(jìn)行檢測(cè)、自診斷、數(shù)據(jù)處理，以及自己的適應(yīng)能力。模仿人類的感知能力與反應(yīng)能力，由此可促使機(jī)器人更好地理解人的情感，實(shí)時(shí)感知外部環(huán)境變化。傳感器技術(shù)在針對(duì)空巢老人的智能陪伴機(jī)器人的應(yīng)用中，收集、分析用戶信息，簡(jiǎn)化了許多不必要的操作步驟，減少了老年用戶對(duì)電子產(chǎn)品這類新興事物的抵觸心理。（2） 人臉表情識(shí)別技術(shù)。用戶的情感數(shù)據(jù)可以通過多種渠道獲得，人臉表情識(shí)別技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能的迅猛發(fā)展而新興的技術(shù)。人臉表情識(shí)別是機(jī)器人理解人類情感的基礎(chǔ)，該技術(shù)主要分為三部分：用戶人臉圖像的采集、表情特征提取及表情分類?？粘怖先怂幍沫h(huán)境及其心理使得他們對(duì)情感交流更加向往，而機(jī)器與人之間若有情感的交互，則可促使機(jī)器人更好地為用戶服務(wù)，增加用戶的愉悅感。（3） 智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。也稱自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別，將用戶語(yǔ)音中的詞匯內(nèi)容轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的輸入，繼而進(jìn)行智能反饋。加以情感語(yǔ)音識(shí)別與合成，可確保機(jī)器人對(duì)空巢老人情感的理解，分析空巢老人的情緒狀況，確保機(jī)器人對(duì)獲得的語(yǔ)音信息更加精確、可靠。

5 基于情感計(jì)算的空巢老人陪伴機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)踐

結(jié)合前文相關(guān)理論研究及模型構(gòu)建，針對(duì)空巢老人這一特殊群體，在適應(yīng)其心理及生理特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的一款能主動(dòng)識(shí)別情感并能及時(shí)反饋的陪伴機(jī)器人產(chǎn)品（圖5）。

5.1 設(shè)計(jì)定位

5.1.1 實(shí)用性

產(chǎn)品的實(shí)用性一般由產(chǎn)品的實(shí)際功能來體現(xiàn)，這就要求陪伴機(jī)器人應(yīng)以降低老年人學(xué)習(xí)使用產(chǎn)品的成本、排解孤獨(dú)情緒、帶來情感慰藉為功能導(dǎo)向，以此滿足空巢老人群體的實(shí)際需求。

5.1.2 易用性

簡(jiǎn)化復(fù)雜操作、減少超出老年用戶認(rèn)知以外的交互方式能體現(xiàn)出產(chǎn)品的易用性，通過情感計(jì)算、傳感器技術(shù)及智能識(shí)別等技術(shù)來降低老年人使用產(chǎn)品的學(xué)習(xí)和認(rèn)知成本。以建立老年用戶使用智能機(jī)器人產(chǎn)品的信心。

5.1.3 安全性

好的產(chǎn)品在其安全性方面也應(yīng)有體現(xiàn)，尤其是面向與子女分開生活的空巢老人，更需要設(shè)計(jì)師從多方面考慮產(chǎn)品的安全性。依據(jù)空巢老人特殊的生理及心理特征，陪伴機(jī)器人的“安全”可以體現(xiàn)在產(chǎn)品的使用安全、保護(hù)用戶的健康安全兩方面。

5.2 設(shè)計(jì)構(gòu)想

5.2.1 使用功能

通過情感計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)識(shí)別空巢老人情緒的功能，及時(shí)做出語(yǔ)音反饋，兼?zhèn)溥h(yuǎn)程監(jiān)控、通話、語(yǔ)音互動(dòng)及健康監(jiān)測(cè)等功能?；谇楦杏?jì)算理論，運(yùn)用傳感器、人臉表情識(shí)別技術(shù)及智能語(yǔ)音識(shí)別等人工智能技術(shù)對(duì)空巢老人的情感進(jìn)行采集并識(shí)別，建立空巢老人情感交互Agent 模型以推測(cè)用戶情感，挖掘其情感需求。

5.2.2 色彩造型 該設(shè)計(jì)為適應(yīng)老年人隨年齡增長(zhǎng)而衰退的認(rèn)知，從視覺、聽覺以及觸覺上為其考慮，盡可能為空巢老人帶去情感上的慰藉和心靈上的關(guān)懷。機(jī)身色彩以波長(zhǎng)較長(zhǎng)的橙黃色為主，盡量避開讓老年人感到分辨困難的藍(lán)綠等短波顏色。機(jī)身造型以圓潤(rùn)形態(tài)為主，線條流暢，促使用戶對(duì)機(jī)器人的感受由工業(yè)的、冰冷的向關(guān)懷的、親和的轉(zhuǎn)變。

5.2.3 人文關(guān)懷 面向老年人的產(chǎn)品除了需要考慮產(chǎn)品的易用、實(shí)用及安全等特征，還需要綜合老年用戶的心理特征來適度增加產(chǎn)品所體現(xiàn)出的人文關(guān)懷。智能陪伴機(jī)器人產(chǎn)品是從情感方面關(guān)懷空巢老人的設(shè)計(jì)，通過技術(shù)手段或產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到對(duì)老年用戶的陪伴與關(guān)愛，也最大程度降低了空巢老人的學(xué)習(xí)成本，提升其心理預(yù)期。

6 結(jié)語(yǔ)

為空巢老人設(shè)計(jì)的智能陪伴型機(jī)器人仍處于起步階段，產(chǎn)品功能方面在不斷摸索之中，尤其是對(duì)用戶的情感交流與陪伴還限于單向的語(yǔ)音命令執(zhí)行，對(duì)用戶更深層次的情感挖掘還有進(jìn)步的空間?？粘怖先讼噍^于非空巢老人，其心理特征更為復(fù)雜多樣，對(duì)情感更為向往與依賴。這就要求設(shè)計(jì)師們?cè)陉P(guān)注該類人群時(shí)，將目光盡可能放在其實(shí)際心理需求上。感性的情緒也可以被理性的計(jì)算，使機(jī)器人具有類似人的情感交流行為，主動(dòng)識(shí)別并理解空巢老人的情緒，給予老人情感關(guān)懷以填補(bǔ)老人的情感缺失。情感計(jì)算為空巢老人陪伴機(jī)器人設(shè)計(jì)提供新的思路，情感交互Agent模型也可為今后同類產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)提供指導(dǎo)。