婴儿机器人:帮助幼儿练习运动技能的系统

婴儿机器人:帮助幼儿练习运动技能的系统
实际婴儿机器人的原型。在进行原型设计时,它必须暴露在外,因为它正在遭受不断的修改。图片来源:Cañas 等人。

巴塞罗那理工大学的研究人员最近开发了婴儿机器人,这是一种机器人玩具,可用于增强幼儿的运动技能。该系统在 arXiv 上预先发表的一篇论文中提出,可以以鼓励他们四处走动的方式与幼儿互动,引导幼儿要么尝试抓住机器人,要么逃离它。

“我们的研究最初是作为一个大学项目出现的,”进行这项研究的两名硕士生 Alba MG García 和 Eric Cañas 告诉 Tech Xplore。“我们在巴塞罗那完成人工智能硕士学位期间住在一起。我们正在学习的主题之一,称为“与机器人的认知交互”,由我们的讲师 Anaís Garrell 和 Cecilio Angulo 讲授,为我们提供了一个绝佳的机会在 COVID-19 封锁措施期间有点乐趣。”

García 和 Cañas 最近进行的这项研究的主要目标是开发一种可以增强经典“爬行玩具”的系统,这些玩具是许多幼儿和婴儿在爬行或学走路时玩的玩具。研究人员想要使爬行玩具更具互动性和娱乐性,让它们能够对幼儿的行为做出反应,而不仅仅是让它们随机重复一组预定义的动作。

Baby Robot 本质上是一个类似汽车的玩具,里面装有一个小型摄像头和一些传感器。机器人的运动由一系列计算机视觉算法规划,这些算法可以检测幼儿、计算机器人与它的相对位置并计划运动,以增加幼儿对玩具的参与度,同时避免与其他物体发生碰撞。

“通过机器人收集的信息,算法计算游戏会话的当前状态以及机器人应该如何表现以激励婴儿追逐它(即靠近、逃离、要求其注意等),”García卡纳斯说。“与此同时,机器人可以连接到外部设备(例如 PC 或智能手机),不仅可以在需要时委派一些计算,还可以流式传输播放会话甚至记录它。”

与现有的爬行玩具相比,婴儿机器人具有许多优势。最值得注意的是,它基于计算机视觉技术,可以对幼儿的动作做出反应,而不是执行与幼儿行为无关的随机动作。因此,机器人允许幼儿在玩耍时进行更多实验,同时也鼓励他们练习运动技能。

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初始婴儿机器人结构的简化方案。图片来源:Cañas 等人。

García 和 Cañas 在真实环境中评估了他们的机器人,将幼儿园里一群蹒跚学步的孩子与其互动的方式与他们玩传统玩具车的方式进行了比较。这个实验是由他们的讲师 Garrell 组织的,他联系了一位教师并安排他们参观一所幼儿园进行评估。

有趣的是,他们发现幼儿玩婴儿机器人的时间比玩传统爬行玩具的时间长。此外,随着时间的推移,机器人玩具似乎可以提高孩子们的行动能力。

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婴儿机器人行为图。图片来源:Cañas 等人。

“在我们的实验中,我们观察到,与婴儿机器人玩具替代品一起玩的婴儿的参与度显着增加,使他们的运动时间延长 3.1 倍,行进距离比控制条件下的婴儿多 4.4 倍,”加西亚卡纳斯说。“这一发现开辟了一条有趣的研究路线,即爬行玩具如何处理婴儿的反馈并激励他们进行更长、更有效的爬行会话,以及计算机视觉如何帮助实现这一目标。”

到目前为止,婴儿机器人已被证明是一种非常有前途的玩具,可以提高幼儿的运动技能。因此,研究人员正在考虑是否与玩具制造商接触,让他们开发的系统可供公众使用。

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实验装置。图片来源:Cañas 等人。

“我们曾多次考虑与玩具制造商合作,但我们还没有迈出第一步,”加西亚和卡尼亚斯说。“获得玩具市场专家的支持,我们不仅可以将我们的原型转变为婴儿可以实际玩耍的东西,一种耐用且经认可的玩具,而且还可以对我们的机器人如何改善婴儿的爬行进行更可靠的研究。”

García 和 Cañas 尚未接触玩具制造商的原因之一是他们目前的原型是使用非常便宜的组件制造的。因此,它可能尚未准备好向潜在投资者展示。

“我们在试验时不小心弄坏了一块 60 欧元的板,从那时起,我们决定用我们能找到的最便宜的组件来制作原型,”加西亚和卡尼亚斯说。“因此,我们最终使用了轻巧且易于使用的产品——如果没有成本优化,硬件的总成本不会超过 70 欧元——但能够尝试使用更强大的板或更发光的相机确实会改善体验。”

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第一个婴儿机器人的原型。图片来源:Cañas 等人。

由于机器人是为幼儿设计的,研究人员也厌倦了对儿童来说应该是安全的这一事实。因此,在玩具商业化之前,它需要进行一系列测试,而他们目前无法资助这些测试。

“你不能给一个蹒跚学步的孩子一个充满可见电线的玩具,这些电线可能会在他的胃里结束,”加西亚和卡尼亚斯说。“出于这个原因,在我们的实验中,我们设法使用其他已经批准用于婴儿的遥控玩具来模拟它的行为。然而,最合适的实验需要专业制造商制造一个可以让婴儿直接玩耍的抗性外壳与婴儿机器人,而不是它的替代版本。”

未来,García 和 Cañas 希望找到有兴趣支持他们开发全系列计算机视觉驱动玩具的投资者。这些将包括用于处于其他发育阶段的儿童的机器人,例如大一点的婴儿和小学生。

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幼儿园的幼儿与用于控制条件(顶部)和婴儿机器人条件(底部)的爬行玩具互动。图片来源:Cañas 等人。

此外,研究人员希望进行新的教学研究,以帮助微调他们的玩具行为。Baby Robot 的设计使其能够在小屏幕上产生灯光、颜色、声音和可爱的面部表情。虽然这些互动元素可以增强幼儿在玩玩具时的体验,但团队还没有在他们的原型中实现它们,因为他们更喜欢专门研究玩具对幼儿的反应对最终游戏时间的影响。

“在未来的研究中,我们希望逐步包括其余的刺激,以观察它们中的每一个如何分别影响婴儿的参与,”加西亚和卡尼亚斯说。“尽管如此,要真正得出结论,这些进一步的研究需要包括一家玩具制造商,该制造商可以为玩具建造一个安全的箱子,以便直接对其进行试验而不是替代品。”

本文为作者 何斌 独立观点,并不代表 我是CIO 立场。

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