软件X 11（2020）100461原始软件出版物YOLO的软件架构，一个激发创造力的机器人Patrícia Alves-Oliveiraa，b，c，a，Samuel Gomesc，d，Ankita Alveake，Patrícia Arriagaa，Guy Hoffmanb，Ana Paivac，da里斯本大学Iscte-Instituto Universitário de Lisboa，CIS-IUL，葡萄牙b美国纽约州伊萨卡市康奈尔大学西布利机械与航空航天工程学院cINESC-ID，里斯本，葡萄牙d葡萄牙里斯本大学高级技术学院美国纽约州伊萨卡市康奈尔大学计算机科学工程系ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2019年收到修订版2020年2月5日接受2020年保留字：社会机器人学人工智能人机交互创造力开放软件a b st ra ctYOLO是一款社交机器人，旨在通过讲故事活动激发儿童的创造力。孩子们把它作为故事中的一个角色。本文详细介绍了为YOLO开发实现的软件通过几个创造力行为的时间表，以找到更有效地激发创造力。YOLO可以选择聚合和发散思维技术，这是创造性思维的两个重要过程。这些技术是基于创造力发展的心理学理论和与儿童一起工作的创造力专家的研究开发的。除了促进创造力，该软件还允许创建社会行为，使机器人能够表现得像一个可信的角色。我们建立了3主要社会行为参数：繁荣、冷漠、和谐。这些行为旨在简化沉浸式游戏和角色创建过程。这三种社会行为是基于人格的心理学理论，并在合作设计研究中使用儿童的输入来发展的。总的来说，这项工作提出了社交机器人的设计，开发和使用，这些机器人可能会培养人类固有的能力，例如创造力©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v0.4永久链接到用于此代码版本的代码/存储库https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_242法律代码许可CC署名4.0国际使用git的代码版本控制系统使用Python的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖性Raspbian Stretch Lite操作系统如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wikiSamuel Gomes：samuel. tecnico.ulisboa.pt和Patrícia Alves-Oliveira：patricia_alves_oliveira@iscte-iul.pt软件元数据当前软件版本v0.4此版本可执行文件的永久链接https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software法律软件许可CC署名4.0国际计算平台/操作系统Linux（Raspbian Stretch Lite OS）安装要求依赖关系Raspbian Stretch Lite操作系统如果有用户手册链接，请访问https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wikiSamuel Gomes：samuel. tecnico.ulisboa.pt和Patrícia Alves-Oliveira：patricia_alves_oliveira@iscte-iul.pt*通讯作者。电子邮件地址：patricia_alves_oliveira@iscte.ptwww.example.com Alves-Oliveira）。网址：http://www.patricialvesoliveira.comwww.example.com Alves-Oliveira）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.1004612352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2P. Alves-Oliveira，S.戈麦斯，A.Reyak等人粤公网安备44010802000111号图1.一、YO L O 是一款 可以提高儿 童 创造力的 社 交 机 器 人 。1. 介绍创造力是最受欢迎的技能之一，在教育，心理健康和职业成功方面具有公认的好处[1，2]。它与快乐、游戏、效率和快乐的状态有关[3，4]。当在儿童时期受到刺激时，它会促进整体发展，并在学习和适应方面带来具体好处。[5]的第10段。通过使用不同的干预计划，创造力得到了激发，这些干预计划具有良好的有效性水平，证明了通过适当的培训培养创造力的潜力[6，7]。然而，大多数为儿童制定的干预措施相反，他们被认为是类似于测试的练习，可能会阻碍他们的创造性表达。技术发展的快速步伐使得能够设计新的工具来探索创造力刺激的背景[8]（例如，CUBUS虚拟环境，用于讲述情感唤起角色的故事[9]）。在我们的工作中，我们的目标是通过引入社交机器人来催化这种能力，从而扩大用于激发创造力的技术范围。考虑到这一点，我们设计和开发了YOLO（你自己的生活对象），一个原始的社会机器人，作为一个玩具，在孩子们的游戏时间（见图）。①的人。YOLO属于新一代的技术玩具，旨在激发儿童的创造力这个机器人被设想为孩子们在讲故事时使用的角色。通过小尺寸和轻重量的设计，YOLO可以被孩子们操纵，就好像它是一个传统的玩具（类似于他们对娃娃或玩具汽车的操作）。这个机器人的附加价值是，它可以通过为故事情节提供新颖的想法来增加儿童在故事创作过程中的创造性思维过程由于YOLO是一个非拟人化的机器人，它与儿童互动，与孩子们的对话[12]我们将机器人的软件1和安装指南2以开放方式发布该软件应专门安装在YOLO硬件上[13]。2. 背景和问题2.1. 创造力研究随着社会发展成为以创造力为基础的经济体，创新和创造性的问题解决能力以及协作能力正在成为必备技能[1，14]。然而，在7-9岁左右研究表明，每个人都有创造力的潜力，如果受到刺激，创造力可以得到培养[16，17]。在我们的工作中，我们的目标是通过使用社交机器人来提高儿童因此，必须在年轻时激发这种能力。特别是强调孩子们大部分时间都在的学校环境。虽然有些学校已经有特色活动（例如，讲故事）来支持促进儿童的创造性思维[ 18 ]，目前的活动可能很难融入传统的课堂形式，社交机器人等技术2.2. 机器人创造力机器人已经被编程为具有各种各样的社会智能行为和情感状态;因此，允许它们被视为社会行为者[20，21]。此外，由于它们的物理和交互性质，它们成为一种可以独特地影响创造力刺激的技术。Ali、Moroso和Breazel [22]证明，机器人展示出的创造性思维会对儿童的创造力产生积极的影响。作者发现，与创造性机器人互动的儿童比与非创造性机器人互动的儿童产生更多想法，探索更多主题，并且更具原创性[22]。戈登等人[23]证明，当与好奇的机器人互动时，儿童变得更加好奇，这是一个重要的创造力特征作者发现，与那些与不好奇的机器人互动的孩子相比，这些孩子提出了更多的问题，并成为狂热的探索者[23]。3. 软件框架3.1. 软件构架我们的软件架构包括几个模块，这些模块在不同的抽象级别上操作数据，从低级传感器和执行器到高级行为。图2显示了这些模块的方案以及它们如何相互作用。每个模块将在接下来的部分中进行解释。3.2. 控制该模块有两个主要功能：首先，它提取与机器人传感器相关的数据并转换为可编程格式。其次，它根据软件调用指示执行器做什么。替代但有效的互动方式。 这些包括可变的运动和照明轮廓。在本文中，我们详细介绍了YOLO背后的软件该软件由创造力和社会行为组成，其设计基于创造力研究[10]，大五人格模型[11]和协同设计1 下载YOLO Software：https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software.2 链接到YOLO软件安装指南：https：//github. com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wiki.P. Alves-Oliveira，S.戈麦斯，A.Reyak等人粤公网安备44010802000111号3=图二、 构成YOLO软件的模块的架构。YOLO的触摸传感器向机器人指示建立了物理接触，并且光学传感器观察位置的差异以检测移动方向。传感器会随时更新。形状识别器使用机器学习（ML）动态地识别和表征每个运动。预先训练的K最近邻（KNN）算法使用机器人运动传感器确定形状，这些传感器以3 s的间隔捕获坐标[24]。图3描绘了ML工作流程。我们通过收集原始坐标并使用凸包算法将这些坐标转换为特征向量来训练模型[25]。3每次检测到运动时，KNN用于从训练数据中确定最接近的匹配形状用计算机鼠标进行的模拟表明，在n = 3的情况下，KNN提供了高精度（94%）。因此，我们使用了这个参数化。目前的机器学习模型是用物理机器人训练的，可以识别80%的成功率。评价以下形状：圆形，矩形，循环，卷曲，尖峰，和直线（见图）。 4）.YOLO执行器包括Wheel Actuator和LED Actuator。当轮子执行器接收方向和速度值并相应地移动轮子3.3. 行为行为模块根据给定的参数协调不同执行器的同时预期行为源于不同执行器的同时执行。为了简化开发过程，我们将执行器分为更具体的简单行为和组合行为，简单行为直接使用执行器数据，组合行为将几个简单的3 有关我们的形状识别器算法的更多详细信息，请访问此链接：https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wiki/Algorithm。图3.第三章。YOLO使 用 的用 于 形 状 识别 的ML算法的 工 作流 程 。行为。简单行为直接调用Control模块。这些行为包括将不同的光行为（不同的颜色、动画和亮度）分配给不同的移动配置（不同速度下的不同移动模式）。4组合行为可以用来定义YOLO所表现出的社会行为，如：Exuberant、Aloof、Harmonious。54 简单行为的示例包含在软件文档中：https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wiki/SimpleBehavior-Hierarchy。5 在软件文档中进一步解释了组合行为：https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wiki/ComposedBehavior网站。4P. Alves-Oliveira，S.戈麦斯，A.Reyak等人粤公网安备44010802000111号表1考虑所用传感器、收集的输入、到位的致动器和提供的输出的软件功能。传感器输入执行器输出触摸传感器能够识别机器人何时被触摸。光学传感器方向识别孩子们在操纵机器人时的游戏模式。LED灯机器人显示白光，而被感动，克制自己不去做任何行为。当没有感觉到触摸时，机器人会显示与其不同社会行为相关的颜色。模仿收集的运动模式。孩子们目前正在参与的讲故事的时间全方位车轮和LED灯机器人根据讲故事的弧线执行创造性技术。见图4。这些线说明了我们的算法识别的YOLO执行的运动形状。图示的形状有：圆形、矩形、环形、卷曲、尖峰和直线。3.4. 规划规划模块在交互的每个时刻安排行为为了触发新的交互状态，规划模块使用从控制模块提供的传感器提取的数据。一个流程图显示了计划模块提供的时间表。 五、4. 软件功能该软件的主要功能是作为应用程序编程接口（API），使任何用户都有机会为YOLO设计个性化行为，从而提供生成新行为和交互模式的可能性。机器人可以从环境中接收信息（输入），并表达不同的交互行为（输出）。表1列出了为YOLO开发的预设，以充当可以激发儿童创造力的社交机器人由于机器人的每个方面都是可控的和可参数化的，因此可以调整、创建和混合行为。为了演示API功能，我们进行了测试，其中我们要求两名不熟悉YOLO软件的参与者为机器人创建不同的行为。其中一名参与者有计算机科学背景，另一名有心理学背景。参与者被要求从动画电影中选择心爱的角色，并为机器人创建一个类似于这些角色行为的行为。参与者创造的例子是米奇，芭比娃娃，兔八哥和阿拉丁的精灵。74.1. 执行在我们的工作中，我们开发了一个软件，赋予生活的社会机器人YOLO，其互动是为了显示创造力和社会行为。4.2. 创造性行为在我们的具体应用场景中，YOLO作为一个角色，可以触发儿童故事的新方向，其他明智的不会出现。在故事创作期间，不同的（即，广泛收集多种想法）和聚合思维（即，缩小可能性以创建连贯的故事情节）是必需的[26我们选择了两种技术这两种方法经常被用来激发创造力，它们被称为“镜像”和“对比”[ 10 ]（见图11）。6）8：对比-这种技术用于刺激发散思维[29]。在对比技术中，YOLO提供了与儿童目前正在探索的故事情节无关的这导致儿童故事中的动作和有趣的情节曲折奇迹-这种技术是用来刺激conver-gent思维[30]。当使用镜像技术时，YOLO提供与儿童正在探索的故事情节相关的刺激，导致故事想法的阐述和融合。这会导致故事中出现关于角色、场景或动作的有趣细节4.3. 讲故事弧成功和令人满意的故事遵循一个讲故事的弧线[31，32]。根据戏剧结构理论，每个故事都有五幕：阐述，提高行动，高潮，下降行动和结局[31，32]。这五幕可以修改和改编为短篇小说，寓言或童话的戏剧结构。 在我们的软件中，我们考虑了类似于儿童故事中使用的短篇故事格式因此，我们将故事的叙述分为以下几个阶段：上升的行动-人物介绍，背景是给故事，故事建立。在这个阶段，YOLO通过使用镜像创造力技术（见4.2节）来刺激聚合思维;高潮-故事达到了最紧张的地步。在这一阶段，YOLO通过运用对比创造力技术（见第4.2节）激发发散思维;6 API指南随软件文档提供：https：//github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wiki/API-Documentation网站。7 参与者使用API创建的示例：https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wiki/Examples。8 创 造 性 行 为 的 参 数 化 规 范的Yolo可 以 在 这 里 找 到 ：https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wiki/CreativityProfile。····P. Alves-Oliveira，S.戈麦斯，A.Reyak等人粤公网安备44010802000111号5图五. 状态机图表示计 划 模 块 中 执 行 的 过 程 的时间表。下降的行动-故事转移到一个行动，因为高潮发生，这意味着冲突得到解决，故事到达终点。在这个阶段，YOLO通过使用镜像创造力技术（见第4.2节）来刺激聚合思维。4.4. 社会行为YOLO表达不同的社会形象，展示社会行为。这些配置文件被命名为Exuberant 、 Aloof 和Harmon- nious 。 9 这些社交行为 在YOLO被9 所 有 社 会 行 为 的 参 数 化 规 范的Yolo可 以 在 这 里 找 到 ：https://github.com/patricialvesoliveira/YOLO-Software/wiki/SocialProfile.可以互换使用，使机器人儿童故事中的灵活角色YOLO的三种不同社交模式解释如下：热情洋溢-YOLO以“热情"的方式对每一次社交互动做出反应。运动速度快，幅度大。它以高亮度水平显示鲜艳的紫色和红色。作为Exuberant，YOLO积极主动，寻求社交互动。这是一个充满活力，狂热，大胆的社会形象;冷漠-YOLO是一个“害羞的机器人”。在这种模式下，机器人表现出低幅度，缓慢的移动，并显示冷的颜色，如绿色和蓝色与低亮度水平。作为Aloof，YOLO并不积极主动;···6P. Alves-Oliveira，S.戈麦斯，A.Reyak等人粤公网安备44010802000111号见图6。与创造性技巧相关的讲故事弧线：通过使用镜像技巧，在上升和下降的动作阶段激发收敛思维;通过使用对比技巧，在高潮阶段激发发散思维而不是寻求互动。这种性格特征也可以被描述为孤独的、离群索居的或隐居的;和谐-YOLO以温和的方式行事，表现出介于极端的Exuberant和Aloof之间的行为。作为Harmonious，YOLO表现出中等速度，中等幅度的运动，并在中等亮度水平下显示黄色和橙色等暖色。这是一个平衡和温和的形象。4.5. Child–robot interaction孩子们把YOLO作为故事中的一个角色，在创作故事情节的同时，机器人作为一个活跃的角色，为新的叙事提供了想法。它通过使用两种旨在刺激发散和收敛思维的技巧来做到这一点，分别是机器人根据儿童参与的故事弧决定使用哪种技术（见图1）。6）。每个故事弧与固定的定时相关联，例如，提升动作从时间0开始，一直持续到时间5。时间的定义是从以前的研究中收集的知识，孩子们用同一个机器人创造故事，目的是为每个故事弧建立一个平均时间。此外，YOLO可以由儿童模仿传统玩具操纵。当YOLO检测到儿童的身体接触时，木偶模式被激活。因此，当儿童身体接触机器人时，即，在玩游戏时，机器人不做任何动作。这种模式使儿童能够完全控制YOLO，从而保持传统的游戏模式。5. 说明性示例为了验证我们的软件的有效性，我们在一个讲故事的活动中对孩子们进行了测试该指令提供了信息，他们应该使用机器人作为他们创建的故事的角色。在下面的方框中，我们转录了一个孩子和YOLO在学习过程中的互动案例的一部分（见补充图7）。在这个例子中，可以看到机器人如何利用其交互配置文件来刺激收敛和发散思维，以及这与讲故事的不同阶段的关系6. 结论和影响随着社会的发展越来越高的水平，社交机器人可以在人类创造力的发展中发挥至关重要的作用。相关研究表明，社交机器人会影响儿童的游戏行为，将他们拉向传统的游戏形式，如身体，非结构化和无限制的游戏，有利于成长的多个方面[34]。在这篇文章中，我们介绍了允许YOLO机器人鼓励创造力刺激的软件。该软件允许潜在的开发人员创建行为，使机器人根据不同的社会行为采取行动。我们还描述了在真实场景中应用我们的软件的几个测试这些测试揭示了我们程序的潜力，因为使用我们软件的机器人在孩子们创造的故事中激发了创造性的叙述孩子在地板上玩YOLO。孩子：孩子在想象中的足球场上操纵YOLO，模仿机器人追逐想象中的球，偏离想象中的球队对手。因为YOLO仍然处于讲故事弧的第一部分，即，在提高动作阶段，机器人将激发聚合思维能力。因此，机器人模仿儿童执行的最后一个动作。孩子看着机器人移动。孩子：“是的！加油，罗纳尔多，得分！（罗纳尔多是葡萄牙足球运动员的名字）。孩子模仿进球，然后抓起YOLO庆祝。孩子：其他人也不错。孩子继续通过对手操纵YOLO。在这个时候，YOLO进入了下一个讲故事的弧，这是高潮。在高潮阶段，发散思维被激发，机器人就会表演一个与孩子最后一个动作不同的动作。孩子操纵机器人径直朝足球球门前进，但机器人却朝相反的方向前进。孩子：哦不，其他人打了你的膝盖。这里需要帮助游戏继续。·P. Alves-Oliveira，S.戈麦斯，A.Reyak等人粤公网安备44010802000111号7图7.第一次会议。 儿童使用YOLO作为激发创造力的故事情节的角色的案例。该软件的影响是广泛的。 作为一个易于使用的工具，教育工作者和家长等利益相关者可以访问涉及易于准备的机器人（例如，科学，技术，工程，艺术和数学（STEAM）相关活动），与其他现有的技术工具相比，非专家准备起来可能很麻烦[19]。此外，该软件在学术研究中也是一个坚实的平台，研究人员可以使用YOLO7. 亮点创造力激发机器人：YOLO可以在玩耍中激发孩子的创造力;开放访问：访问代码和指南，以安装和执行软件;可扩展性和个性化：开发人员为YOLO创建新行为的API;应用：YOLO可供儿童利益相关者和研究团体使用竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢这项工作得到了葡萄牙科学和技术基金（FCT-UID/CEC/50021/2013）和葡萄牙AMIGOS项目（参见PTDC/EEISII/ 7174/2014）的国家基金的支持。P. Alves-Oliveira确认FCT资助，参考号：SFRH/ BD/110223/2015。我们感谢André Pires在软件开发初始阶段所做引用[1]罗 宾 逊 湾 走 出 我 们 的 头 脑 ： 学 习 创 造 性 。 Mankato ， MN ， USA ：Capstone;2011.[2]Collard P，Looney J.在教育中培养创造力。Eur J Educ 2014;49（3）：348-64.http://dx.doi.org/10.1111/ejed.12090网站。[3]内容很重要：为什么培养创造力在不同领域如此不同。In：Beghetto RA，Srietto B ， editors. 教 育 中 的 创 造 性 矛 盾 Switzerland ， Cham ： Springer;2017，p.一百二十九比四十[4] 考 夫 曼 创 造 力 是 通 往 更 光 明 未 来 的 垫 脚 石 J Intell 2018;6 （ 2 ） ：2http://dx.doi.org/10.3390/jintelligence6020021网站。[5]加德纳H，加德纳E.艺术、心智与大脑：创造力的认知方法New York，NY，USA：Basic Books;2008.[6]Scott G，Leritz LE，Mumford MD.创造力训练的类型：方法及其有效性。JCreatBehav2004;38 （ 3 ） ： 149-79.http://dx.doi.org/10.1002/j.2162-6057.2004.tb01238.x。[7] 妈 与 创 造 力 相 关 的 变 量 的 效 应 大 小 ： 荟 萃 分 析 。 Creat Res J 2009;21（1）：30-42. http://dx.doi.org/10.1080/10400410802633400.[8]施奈德曼湾创造力支持工具：HCI研究人员面临的巨大挑战。在：M。R、C.B，M. 哦，编辑们。 设计用户界面。London，UK：Springer; 2009，p. 1-9.http://dx.doi.org/10.1007/978-1-84800-136-7_1.[9]杨志华，李志华，李志华. 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