自闭儿童智能机器人产品设计研究

李辉

（湛江科技学院 广东省湛江市 524094）

1 自闭儿童的认知特点与游戏需求

1.1 自闭儿童的认知特点

与自闭儿童玩具产品设计紧密相关的认知特点主要集中在视觉、听觉和触觉三个方面。

（1）视觉方面。自闭儿童对光的反应异常敏感，在与人交往的过程中常常缺乏眼神交流，不会直视他人的眼睛。他们普遍缺乏视觉秩序构建的能力，对情绪的识别能力较弱，难以通过其他人的表情和动作判断其想法，缺乏对社会性信息的整合能力，往往表现出局部视觉信息加工的偏好，习惯于关注物体的局部而非主体。此外，自闭儿童的视觉追踪能力缺乏稳定性和持续性，倾向于单一焦点的视觉加工模式。有研究表明，自闭儿童喜爱高纯度和高明度的颜色，对冷色系的喜好程度明显高于暖色系，因此，在自闭儿童玩具产品的设计上，要充分考虑到自闭症儿童的视觉认知特点，例如交互界面要简洁明了，产品主体外形要采用鲜艳明亮的颜色。

（2）听觉方面。自闭儿童对于声音非常敏感，在环吵闹境中经常会用手堵住自己的耳朵。这是因为他们无法区分出声音中哪些信息是需要加工的，哪些信息是无用的，这也是自闭症儿童注意力较差的原因。也有部分自闭症儿童对声音的刺激表现出迟钝性，不会理会其他人与他们的交流。

（3）触觉方面。大多数自闭儿童都对触觉表现出过度敏感或者迟钝。在之前的课题研究中发现，有些自闭儿童对佩戴VR 眼镜非常抵触，自闭症康复中心需要对这些自闭症儿童进行“脱敏”训练。触觉过度敏感的自闭症儿童对外界刺激的适应性较差，只在自己熟悉的环境中活动，不喜欢被别人触碰，很少接受新的学习，这类自闭症儿童大都脾气暴躁或性格固执。

1.2 闭儿童的游戏需求

自闭儿童往往对感官刺激的需求比普通儿童更高，如单一颜色的视觉刺激、表面纹理的触觉刺激、旋转或跳跃的体感系统刺激等，对玩具的关注点有所不同，会对一些奇奇怪怪的东西产生兴趣，例如车轮、墙壁、地面、或者某些特定的事物爱不释手，甚至产生病理性的依赖行为。如果看不到这些东西，就会精神烦躁、大吼大叫甚至于破坏各种东西。因此自闭儿童玩具产品需要考虑的设计点更为复杂，不能依照大众的喜爱进行，应当充分考虑这个群体的特殊性。

2 国内现有智能教育机器人现状分析

到目前为止，各国已研制出多种智能教育机器人，以下对绘画功能机器人、3D 投影功能机器人以及运动互动型机器人这三种类型展开分析（详见表1）。

表1：多种类型机器人对比图

综上可见，国内现有的智能教育机器人存在较大的缺陷，不能很好地适应自闭儿童这一特殊群体的游戏需求。

3 陪伴型智能教育机器人的设计需求及主要功能

3.1 设计需求

3.1.1 智能性

智能机器人给人的深刻印象是自我控制，但实际上是因为其有着相当发达的类似于人类的“大脑”。这大脑是人类为其设计的中央处理器。在各式各样的机器人外表下，按照人类给出的指令按目的进行动作或为人服务。智能机器人可以同样具备内外信息传感器，也就是具备视、听、触、嗅觉。如果要做出反应，必须具备多个要素同时协作。

3.1.2 陪伴性

陪伴机器人主要是基于无法获得的情感体验的一种补偿而出现的。例如父母由于工作较为繁忙，无法在儿童成长的必要时期给予关心和陪伴，需要借助一些产品来实现异地互动沟通。避免缺乏情感交流导致各种儿童心理问题的出现。

3.1.3 教育性

陪伴机器人具备教育性，主要为做作业时协助儿童查阅相关资料，培养儿童独立思考并解决问题的能力。还可以指导儿童学习方式与方法，让儿童养成良好的学习习惯，培养学习兴趣。在家长因工作或其他原因缺席孩子的学习辅导时，充当一个好老师角色。

3.1.4 互动性

机器人的互动性体现在模拟人类的聊天或者对话的程序设计上，把相关的问题和答案设定后放入数据库中，从而在其中搜索贴切的答案传达给施问者。另一方面从运动方式的互动上可以体现在用户发出运动指令后机器人的反映程度。或者感应到相关的指令后具有主动与用户互动。

3.2 陪伴型智能教育机器人的设计原则

3.2.1 以人为本的人性化设计

任何设计都应该是基于未来人与自然、社会和谐发展的基础上开展的。机器人设计也是要以人为本，涉及到交互的陪伴型智能教育机器人玩具，要关注特殊儿童群体的用户体验、关注用户情感。从而创造出以人为本的系统。在开展产品设计的过程中要考虑人性化、人机工程、美学、以及文化环境等因素的影响。形成可实现机器人玩具与人和谐统一的产品造型、色彩、材质，以此承托功能并且凸显产品的情感个性。

3.2.2 自闭症儿童玩具特殊场景应用设计

传统意识上人们认为活泼好动是孩子们的天性，但是自闭症儿童作为特殊群体这一天性并不明显。普通的玩具无法吸引他们的注意力。因此应考虑用户的所处玩具应用场景以及特殊偏好。自闭症儿童的常见特点就是无法适应新的环境和变化，习惯于接受一成不变的环境和指令。其基本没有适应能力，因此玩具的设定应该更加贴合儿童日常居住的环境，减少产生恐惧和拒绝的现象出现。总的来说，即考虑玩具两大方面一是简单操控的，二是便于适应的。

3.3 主要功能

3.3.1 音频互动功能

音频互动设计有两种沟通方式，一种是录音型，另一种是对话型。录音型是可以将机器人原有的语音设计与儿童互动，也可以转为父母的录音声音，增加孩子与父母的亲切度，于此同时让孩子听到熟悉的父母的声音，可以更好的适应这款机器人。对话型就是在联网的情况下可开视频或者语音与儿童的监护人进行沟通交流。

3.3.2 儿童绘画功能

儿童绘画功能与3D 打印有共同之处。当机器人开始运动时轮子控制绘画工具的xy 轴，z 轴由齿轮控制着力点，进行绘制图形。图像设定在机器人的程序中，可以根据指令展开绘画。其中可以运用麦克纳姆轮原理，这种机器人设计原理在竞赛机器人和特殊工种机器人中有着广泛的应用，可以完成全向移动，即在平面内做出任意方向的移动，如此绘制的图像更加流畅。具体结构体现在机器人身体部分有绘画仓，存放绘画的操纵杆以及绘画用的油墨。

3.3.3 3D 全息投影功能

将3D 全息投影功能应用于机器人腹部小窗口展示，目前这一技术已经融入现实社会，给人们带来全新的视觉体验。在小窗口中可以呈现亦真亦幻的虚拟世界影像，激发自闭症儿童的事物的兴趣以及认识，集中注意力，去观察物体。

3.3.4 启发教育功能

启发教育功能是以人为主导，以人工智能的方式协助呈现的。机器人教育的形成要经过四个阶段:导入、建构、编程、控制。针对不同的用户群体和需求我们在此设定的教育课程应该是基于自闭症儿童的受教育能力开展的。教育的过程是循序渐进的，通过对机器人的适应、了解、到熟悉和互动。激发学习兴趣，做到寓教于乐。

4 陪伴型智能教育机器人的设计方案

4.1 陪伴型智能教育机器人的设计分析

这款机器人的设计以陪伴作为存在方式的设定，在智能机器人的基础上增加音频互动、儿童绘画功能、3D 全息投影功能、以及启发教育四大功能，形成一站式儿童服务集合体。音频互动部分位于机器人的头部，头顶有监控摄像头，音响置于耳朵部分，可与父母远程语音聊天并且监控孩子在家动向，头顶有按键。脸部有表情变换，通过屏幕表情变化辅助自闭儿童交流。绘画是激发自闭儿童的兴趣爱好，挖掘潜在的艺术潜质。机器人腹部上3d 投影这样激发自闭症儿童的事物的兴趣以及认识，集中注意力，去观察物体。手部指尖陀螺，遵循自闭儿童喜欢的重复动作的规律，通过转动，改善自闭儿童症状，以便于开展启发和教育。

4.2 外观设计草图

陪伴型智能教育机器人设计首先强调适用于自闭症儿童用户群体，因此机器人的体积设计不宜过大。在造型推敲方面运用多种形态的推敲，包括组合式和一体式的机身设计，因考虑用户群体对新事物的接受能力较弱和喜欢圆形旋转物体的特殊喜好，草图（图1‐图9）中多体现圆润的机身设计。于此同时也可以避免儿童在使用产品的过程中出现磕碰，增加了安全性。外观设计是建立在功能的整合基础之上，将所有的功能进行罗列，并且分布于产品外观结构之中。

图1：手绘草图（作者自绘）

图2：手绘草图（作者自绘）

图3：手绘草图（作者自绘）

图4：手绘草图（作者自绘）

图5：手绘草图（作者自绘）

图6：手绘效果图（作者自绘）

图7：手绘草图（作者自绘）

图8：手绘草图（作者自绘）

图9：最终效果图（作者自绘）

4.3 内部结构设计

4.3.1 内部空间设计

机器人的设计由外到内是一个协调统一的功能集合体。整体外观造型类似与葫芦形态，底座大且稳定，头部较小方便旋转运动，侧面设计有吸引儿童注意力的旋转臂。头部内置屏幕模块、音响模块、网络链接模块以及按键和电路板；机身内部含有发光模块、电池电机模块、绘画模块等。在圆润的机身外表下内部设计紧密融合。具体如图10 所示。

图10：内部结构图（作者自绘）

4.3.2 尺寸设计

这款机器人的尺寸总高约为360mm 总宽约282mm ，头部高度约为138mm，宽度约为192mm，身体部分高度约为177mm，宽度约为281mm，共计1 块屏幕，尺寸约为84mm和4 个轮子直径尺寸为67mm。具体如图11 所示。

图11：尺寸图（作者自绘）

4.3.3 材质与加工工艺说明

这款机器人的外观选材大多用户ABS 材质，因为这种塑胶原料比较坚硬，具有良好的光泽，质硬，坚韧，刚性，机械性能适中，是一种良好的壳体材料。在部分区域选用TPU 材质以此增强旋转零件的耐磨性。透明视窗部分选用透明亚克力材质，因为其较轻的重量和清晰的透光度。模型的加工工艺选择3D 增材制造的方式或者脱模成型，将全部的板块制造完成后进行组装。

4.3.4 产品配色方案说明

如图12 所示。

图12：配色方案（作者自绘）