基于情感計算的空巢老人陪伴機器人設計研究

李佳　祁娜

摘要：近年來，我國空巢老人逐漸增多，他們需要更多的情感關注，而陪伴機器人的出現解決了這方面的問題。文章首先闡述了情感計算理論，梳理了情感計算的基本流程;然后，構建基于情感計算的空巢老人情感交互Agent模型，推導出用戶的情感反應示意圖;最后，運用情感計算理論研究空巢老人智能化陪伴機器人設計的流程，并賦予設計實踐。以期為空巢老人提供便利的生活，給予他們關懷與陪伴，幫助其建立生活及社交的信心。

關鍵詞：情感計算;空巢老人;智能陪伴機器人;情感交互Agent 模型;人機交互

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）11-0026-03

據《國家人口發展規劃（2016—2030 年）》指出中國60 歲及以上的人口占比達到16.1%，并呈上升的趨勢。我國人口老齡化問題隨著社會的發展愈加嚴峻，空巢老人比例也不斷增長。這一特殊群體的出現，是我國人口老齡化程度加深的必然結果。在長期獨居的情況下，空巢老人孤獨、焦慮等心理會對身體健康造成危害。如何使空巢老人的負面情緒得到舒緩，如何為其建立更多的生活信心等問題亟待解決。

1情感計算概述

情感計算是關于情感、情感的產生以及影響情感因素的研究[2]。該理論為當下人機交互領域的熱門話題，研究產生了一些有價值的成果，但較少將情感計算理論運用到產品設計領域。學界對于情感計算的最新定義為：以通過賦予計算機識別、理解、表達和適應人的情感能力為目的，建立和諧的人機環境，與此同時賦予計算機更高、更全的智能。人的情感十分豐富，情緒時常變換，機器人擁有的情感能力可以促進與人良好關系的建立。而情感計算以人類情感為基點，利用計算機仿真技術與方法將人類情感進行量化分析，并進行適當反饋。

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，其身體各項機能也相應減弱。從生理角度可將老齡化的過程理解為感知、認知、行為3個方面的衰退。首先，老年人年齡的增長使其感知能力減弱，對事物的敏感程度也隨之下降;其次，老年人對事物的理解與認知能力開始顯著下降，在現代信息社會的背景下，老年人對新信息的接受度變弱;最后，隨著年齡的增長，老年人的生理機能衰退，其行為尺度與年齡呈反比，生理機能的衰退會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

與生物學意義上的老年人不同的是，一方面，空巢老人與子女長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立完成，其生活質量明顯下降;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，加之社會資源無法平等分配，其生理、心理健康都會受到影響。老年人生理機能衰退會引起心理狀態的變化，空巢老人心理狀態的變化浮動尤為明顯。其一，空巢老人脫離子女單獨生活，在無法第一時間得到子女關懷的情況下，其安全感極度缺失，時常陷入緊張、恐懼等不良情緒;其二，面對社會的更新換代與撲面而來的繁雜信息，認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，常產生自卑及焦慮情緒;其三，由于空巢老人長期缺乏情感慰藉，其幸福感及生活滿意度大為下降。此外，據相關研究顯示，與非空巢老人相比，空巢老人主觀幸福感相對較低，其身體狀況也相對較差。非空巢老人在社交關系與語言溝通方面的表現也更加良好。

3 空巢老人陪伴機器人的設計現狀及存在問題

3.1 空巢老人陪伴機器人的設計現狀

我國作為新晉的老齡化人口大國，老年陪伴機器人在該背景下備受市場青睞，前景廣闊。當前，針對該人群的主流機器人從功能上可將其大致分為健康監測、遠程監控及互動三大類型。如圖1 所示，（a）產品為健康醫療監測型機器人，主要功能為輔助醫療;（b）與（c）產品為遠程監控型機器人，主要用于子女遠程關注老年人的動態并進行互動聯系;（d）與（e）產品為互動型機器人，以語音交流、對話問答及執行簡單的語音命令為主要功能。另外，三種類型機器人產品存在功能交叉的現象，市場定位較為模糊。因此，各類型機器人產品的專業性無法凸顯，區分度較低。

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

3.2 空巢老人陪伴機器人設計的存在問題

從上述對語音互動類型的陪伴機器人的描述中不難發現，功能上，該類型產品停留在智能語音交互的階段。雖然可以滿足部分空巢老人的情感需求，但對更深層次的精神情感需求的挖掘與滿足還有較大進步的空間。色彩上，以白色、黑色、灰色及藍色等冷色為主要構成色，體現出產品的工業風與科技感。此外，該類色彩在智能產品上的應用，還無法與老年人對于該類色彩的認知能力相適應，會讓老年用戶產生使用疏離感。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機器的心理距離，但方正式造型還未脫離傳統家電的造型，無法激起老年用戶的使用好奇心。

4 基于情感計算的空巢老人陪伴機器人系統設計流程

空巢老人這一特殊群體作為用戶，其情感、意識在一定程度上會影響其交互行為。在智能產品使用過程中一旦碰壁，容易產生自我否定的消極心理[6]。斯維哥特認為，在老年用戶與技術互動的過程中，既要運用現有技術來主動適應老齡用戶在感知、認知、行為等方面的衰減與局限，又要整合新技術進行適應性設計以解決老齡用戶的困難，并提供新的生活方式和機會。因此，機器若能主動地感知該類用戶的情感與意識，去機械化的同時賦予機器自然的情感，則可以更好地理解用戶的行為意圖，為老年用戶提供關懷。探索空巢老人特殊群體情感產生與反饋的關系，研究老年人群的情感需求特征，通過情感信息的接收、識別與分析，對用戶情感信息進行特征提取，構建空巢老人情感交互Agent 模型，最終形成完整的產品系統架構?；谇楦杏嬎憷碚撗芯恐悄墚a品與特殊用戶之間的交互關系，促進產品與服務系統創新，促使智能陪伴機器人產品以“ 真”智能，理解用戶情感進而及時做出情感反饋，使機器代替人為用戶帶去更多的情感關懷（如圖2）。

4.1 基于情感計算的空巢老人情感交互Agent 模型構建

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，并能夠自治運行以實現目的的機器或軟件系統。Wooldridge 將其定義為處于一定環境的計算系統，其行為比較靈活、自主[9]。人的情感是一種主觀的內在體驗，也是智能Agent的重要屬性。

情感被Agent系統感知、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，賦予機器共情能力，為人機交互建立良好的關系。如圖3 所示，基于情感計算的空巢老人情感交互Agent 模型主要由五部分構成，即感知系統、認知系統、行動系統、情感系統及人機界面。感知系統可以由傳感器、攝像設備或圖片采集裝備等獲取空巢老人的人臉表情、姿態及語音等數據信息;認知系統對感知系統所獲取的用戶情感信息進行識別與分析，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;行動系統根據認知系統所計算出的情感信息結果進行判斷，推斷用戶此時的情緒狀態，將識別到的情緒狀態進行合理的情感反饋。

4.2 空巢老人陪伴機器人情感計算系統的架構

此系統通過攝像設備、傳感器、人臉表情識別及智能語音識別等人工智能技術，收集與獲取空巢老人用戶的情緒，將情緒特征進行提取與分類，傳送到服務器進行情緒識別。計算機再根據識別結果做出反饋，反饋形式包括但不限于語音、圖像或動作等方式。以智能陪伴機器人為載體，讓空巢老人與其進行良好的互動，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且沉浸的感受。智能識別技術的應用可以減少用戶的操作流程，符合各項生理機能處于衰退階段的老年用戶的需求。主動識別并理解用戶，使空巢老人特殊的情感情緒得到關注，一定程度上帶給老人關懷和慰藉，自然和諧的人機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、人臉表情識別及智能語音識別技術在整個情感計算系統架構中起到重要作用。（1） 傳感器技術。傳感器是信息獲取的重要手段，智能傳感器可以對外界即老年用戶表現出來的情緒進行檢測、自診斷、數據處理，以及自己的適應能力。模仿人類的感知能力與反應能力，由此可促使機器人更好地理解人的情感，實時感知外部環境變化。傳感器技術在針對空巢老人的智能陪伴機器人的應用中，收集、分析用戶信息，簡化了許多不必要的操作步驟，減少了老年用戶對電子產品這類新興事物的抵觸心理。（2） 人臉表情識別技術。用戶的情感數據可以通過多種渠道獲得，人臉表情識別技術是隨著計算機技術與人工智能的迅猛發展而新興的技術。人臉表情識別是機器人理解人類情感的基礎，該技術主要分為三部分：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境及其心理使得他們對情感交流更加向往，而機器與人之間若有情感的交互，則可促使機器人更好地為用戶服務，增加用戶的愉悅感。（3） 智能語音識別技術。也稱自動語音識別，將用戶語音中的詞匯內容轉換為計算機可讀的輸入，繼而進行智能反饋。加以情感語音識別與合成，可確保機器人對空巢老人情感的理解，分析空巢老人的情緒狀況，確保機器人對獲得的語音信息更加精確、可靠。

5 基于情感計算的空巢老人陪伴機器人設計實踐

結合前文相關理論研究及模型構建，針對空巢老人這一特殊群體，在適應其心理及生理特征的基礎上，設計的一款能主動識別情感并能及時反饋的陪伴機器人產品（圖5）。

5.1 設計定位

5.1.1 實用性

產品的實用性一般由產品的實際功能來體現，這就要求陪伴機器人應以降低老年人學習使用產品的成本、排解孤獨情緒、帶來情感慰藉為功能導向，以此滿足空巢老人群體的實際需求。

5.1.2 易用性

簡化復雜操作、減少超出老年用戶認知以外的交互方式能體現出產品的易用性，通過情感計算、傳感器技術及智能識別等技術來降低老年人使用產品的學習和認知成本。以建立老年用戶使用智能機器人產品的信心。

5.1.3 安全性

好的產品在其安全性方面也應有體現，尤其是面向與子女分開生活的空巢老人，更需要設計師從多方面考慮產品的安全性。依據空巢老人特殊的生理及心理特征，陪伴機器人的“安全”可以體現在產品的使用安全、保護用戶的健康安全兩方面。

5.2 設計構想

5.2.1 使用功能

通過情感計算技術實現主動識別空巢老人情緒的功能，及時做出語音反饋，兼備遠程監控、通話、語音互動及健康監測等功能?；谇楦杏嬎憷碚?，運用傳感器、人臉表情識別技術及智能語音識別等人工智能技術對空巢老人的情感進行采集并識別，建立空巢老人情感交互Agent 模型以推測用戶情感，挖掘其情感需求。

5.2.2 色彩造型 該設計為適應老年人隨年齡增長而衰退的認知，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懷。機身色彩以波長較長的橙黃色為主，盡量避開讓老年人感到分辨困難的藍綠等短波顏色。機身造型以圓潤形態為主，線條流暢，促使用戶對機器人的感受由工業的、冰冷的向關懷的、親和的轉變。

5.2.3 人文關懷 面向老年人的產品除了需要考慮產品的易用、實用及安全等特征，還需要綜合老年用戶的心理特征來適度增加產品所體現出的人文關懷。智能陪伴機器人產品是從情感方面關懷空巢老人的設計，通過技術手段或產品設計達到對老年用戶的陪伴與關愛，也最大程度降低了空巢老人的學習成本，提升其心理預期。

6 結語

為空巢老人設計的智能陪伴型機器人仍處于起步階段，產品功能方面在不斷摸索之中，尤其是對用戶的情感交流與陪伴還限于單向的語音命令執行，對用戶更深層次的情感挖掘還有進步的空間?？粘怖先讼噍^于非空巢老人，其心理特征更為復雜多樣，對情感更為向往與依賴。這就要求設計師們在關注該類人群時，將目光盡可能放在其實際心理需求上。感性的情緒也可以被理性的計算，使機器人具有類似人的情感交流行為，主動識別并理解空巢老人的情緒，給予老人情感關懷以填補老人的情感缺失。情感計算為空巢老人陪伴機器人設計提供新的思路，情感交互Agent模型也可為今后同類產品的系統設計開發提供指導。