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基于强化学习的机器人认知情感交互模型

黄宏程 李净 胡敏 陶洋 寇兰

黄宏程, 李净, 胡敏, 陶洋, 寇兰. 基于强化学习的机器人认知情感交互模型[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(6): 1781-1788. doi: 10.11999/JEIT191035
引用本文: 黄宏程, 李净, 胡敏, 陶洋, 寇兰. 基于强化学习的机器人认知情感交互模型[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(6): 1781-1788. doi: 10.11999/JEIT191035
Hongcheng HUANG, Jing LI, Min HU, Yang TAO, Lan KOU. Cognitive Emotional Interaction Model of Robot Based on Reinforcement Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(6): 1781-1788. doi: 10.11999/JEIT191035
Citation: Hongcheng HUANG, Jing LI, Min HU, Yang TAO, Lan KOU. Cognitive Emotional Interaction Model of Robot Based on Reinforcement Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(6): 1781-1788. doi: 10.11999/JEIT191035

基于强化学习的机器人认知情感交互模型

doi: 10.11999/JEIT191035
基金项目: 国家重点研发计划(2019YFB2102001),国家自然科学基金(61871062)
详细信息
    作者简介:

    黄宏程:男,1979年生,副教授,研究方向为认知情感计算、复杂网络与信息传播理论

    李净:女,1995年生,硕士生,研究方向为认知情感计算

    胡敏:女,1971年生,副教授,研究方向为信息通信网络体系结构、人机交互理论与技术应用

    陶洋:男,1964年生,教授,研究方向为人工智能、大数据与计算智能

    寇兰:女,1963年生,副教授,研究方向为D2D通信、人机交互理论与技术应用

    通讯作者:

    陶洋 taoyang@cqupt.edu.cn

  • 中图分类号: TP242.6

Cognitive Emotional Interaction Model of Robot Based on Reinforcement Learning

Funds: The National Key Research and Development Project (2019YFB2102001), The National Natural Science Foundation of China (61871062)
  • 摘要: 为增强机器人的认知情感计算能力,依据PAD情感空间建立结合即时反馈和长期趋势的机器人认知情感生成方法,该文提出一种基于强化学习的机器人认知情感交互模型。首先,依据人际交往心理学理论,模拟人类情感生成过程进行类人情感生成,并从中提取相似性、积极性、共情性3个影响因素;其次,利用强化学习的全局统筹特性,建立响应情感状态与上下文长期情感状态之间的关联关系,从而对机器人情感生成过程进行建模;然后,将3个因素纳入模型奖励机制用于交互情感状态评估,实现模型更新并得到最优情感策略;最后,利用所得最优情感策略对应的最优情感状态对机器人情感状态转移概率进行更新,并依据6种基本情感状态在空间中的情感值,将其映射到连续情感空间中得到机器人的最优响应情感值。主客观对比实验表明,该文模型能有效增加机器人情感表达的细腻性、连续性、积极性以及共情性,还能有效降低机器人对外界情感刺激的依赖性,进一步提升和谐友好的人机交互关系。
  • 图  1  机器人情感计算框架

    图  2  情感交互过程

    图  3  单轮对话主观评估数据统计图

    图  4  多轮会话主观评估数据统计图

    表  1  基于强化学习的机器人认知情感交互模型

     输入:$k$轮交互参与人的输入情感值$E_{{\rm{HR}}}^k$;$k - 1$轮交互机器人的情感状态转移概率$P_{{\rm{RH}}}^{k - 1}$;
     输出:$k + 1$轮交互机器人的响应情感值$E_{{\rm{RH}}}^{k{\rm{ + }}1}$;
     开始:
       参与人输入交互情感${{E}}_{{\rm{HR}}}^k$;
       根据式(1)—式(3)对${{E}}_{{\rm{HR}}}^k$进行情感状态评估得到${{I}}({{E}}_{{\rm{HR}}}^k)$;
       根据式(4)—式(7)计算在当前情感状态${{I}}({{E}}_{{\rm{HR}}}^k)$下,机器人执行某一动作产生下一情感状态时可获得的奖励值$R(a|{{I}}({{E}}_{{\rm{HR}}}^k ))$;
       根据式(8)—式(10)对模型进行训练,通过实现累积奖励值期望最大化来获得最优参数,从而得到最优情感策略$p$;
       通过所选最优情感策略$p$,依据式(11)对交互输入响应情感状态转移概率$P({{{E}}_{k{\rm{ + }}1}}|{{E}}_{{\rm{HR}}}^k)$进行计算;
       通过获得的${{P}}({{{E}}_{k{\rm{ + }}1}}|{{E}}_{{\rm{HR}}}^k)$,依据式(12)—式(13)对机器人$k - 1$轮交互情感状态转移概率${{P}}_{{\rm{RH}}}^{k - 1}$进行更新,得到$k + 1$轮交互机器人的情感状态转移概率${{P}}_{{\rm{RH}}}^{k + 1}$;
       通过获得的${{P}}_{{\rm{RH}}}^{k + 1}$,依据式(14)—式(15)对最优响应情感值${{E}}_{{\rm{RH}}}^{k{\rm{ + }}1}$的空间坐标位置进行标定,实现机器人在连续情感空间中的状态转移;
       机器人输出响应情感${{E}}_{{\rm{RH}}}^{k{\rm{ + }}1}$;
       令$k = k + 2$;
     直到参与人停止交互输入
     人机交互结束
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    表  2  不同模型情感准确度统计表

    认知模型准确度
    ECM0.775
    GCRs0.831
    E-SCBA0.792
    SentiGAN0.846
    本文0.865
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    表  3  不同模型排序准确率统计表

    认知模型MAPMRR
    Chatterbot0.4660.438
    ECM0.6080.587
    GCRs0.6410.623
    E-SCBA0.6340.625
    SentiGAN0.6370.628
    本文0.6570.646
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    表  4  会话轮数与交互时间统计表

    认知模型N(轮)T(s)
    Chatterbot668.56
    ECM997.30
    GCRs13132.84
    E-SCBA11114.57
    SentiGAN10107.29
    本文15145.41
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-24
  • 修回日期:  2021-02-22
  • 网络出版日期:  2021-03-17
  • 刊出日期:  2021-06-18

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