摘要：表情機(jī)器人的研究在國(guó)內(nèi)還處于初級(jí)階段，為了推進(jìn)這一新的科學(xué)熱點(diǎn)的研究，本文從生物學(xué)的角度和和諧人機(jī)交互的角度出發(fā)，運(yùn)用了機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、舵機(jī)控制、嵌入式系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)情感機(jī)器人頭，它可以和人進(jìn)行對(duì)話并產(chǎn)生表情，最終為人機(jī)交互的過(guò)程中人們能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行具有情感、自然、和諧的交互提供接口。

1 引言

十多年前“詭異谷”^【1】的理論制約了類(lèi)人機(jī)器人的發(fā)展，但隨著科技的發(fā)展，人們?cè)俅伟殃P(guān)注的眼光投向了“更像人類(lèi)的機(jī)器人”身上，機(jī)器人博覽會(huì)上的saya^[2]已經(jīng)到了以假亂真的地步，制作外形和行為方式更接近于人類(lèi)的機(jī)器人已經(jīng)成為了新的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。在國(guó)外的一些科學(xué)家已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但在國(guó)內(nèi)，對(duì)于表情機(jī)器人的研究還處于初級(jí)階段，為了能在08年的奧運(yùn)會(huì)上看到我們自己制作的機(jī)器人解說(shuō)員，北京科技大學(xué)的王志良老師的課題組正致力于此項(xiàng)研究并取得了一定的成果。

2機(jī)器人頭部的設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)仿人的機(jī)器人頭部，以實(shí)現(xiàn)各種表情，來(lái)表達(dá)機(jī)器人內(nèi)在的情感狀態(tài)，最終使機(jī)器人能通過(guò)豐富生動(dòng)的表情與人進(jìn)行自然流暢的情感交流。既然如此，所要設(shè)計(jì)的機(jī)器人頭部，就必須滿(mǎn)足下面的要求：

 1 外觀從相當(dāng)程度上符合人類(lèi)的審美觀點(diǎn)，能給人以親切感和可信任感；

 2 其整體乃至局部的尺寸，以及每個(gè)器官所能運(yùn)動(dòng)的幅度都要與人類(lèi)的頭部相接近，也就是說(shuō)，在接近人腦這個(gè)有限的空間內(nèi)，要放置眼、耳、鼻、口、眉等器官以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)部件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；

 3 整體機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要協(xié)調(diào)，要符合人類(lèi)頭、面部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，要求運(yùn)動(dòng)傳遞要準(zhǔn)確，不能失真，這樣才能準(zhǔn)確的控制每一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元達(dá)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)總體的協(xié)調(diào)；

 4 因?yàn)榭紤]實(shí)際制造時(shí)要為機(jī)器人加上攝像頭、微型麥克甚至力覺(jué)等傳感器，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須留出必要的空間。整個(gè)設(shè)計(jì)具有空間狹窄，運(yùn)動(dòng)范圍小，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確，負(fù)載小的特點(diǎn)，這也是整個(gè)設(shè)計(jì)所要著重解決的問(wèn)題；

 5 可以實(shí)現(xiàn)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)，眼瞼開(kāi)合，頭部轉(zhuǎn)動(dòng)。

從機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，在考慮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求的前提下進(jìn)行機(jī)器人頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

人頭部運(yùn)動(dòng)包括頸部自由轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)、以及面部眼球、眼瞼、下顎的運(yùn)動(dòng)。

3機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

眼睛部分共有四個(gè)自由度，包括眼球的繞Z 軸和繞Y 軸旋轉(zhuǎn)。對(duì)于人類(lèi)的眼球，正常的情況下，任何表情時(shí)，兩個(gè)眼球的繞Y 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是完全同步的，因此，可以使這兩個(gè)眼球的繞Y 軸旋轉(zhuǎn)共用一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既節(jié)省了空間，又簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)^【3】。

    眼瞼有一個(gè)繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，兩個(gè)眼瞼的兩個(gè)自由度是分開(kāi)的，所以共有兩個(gè)自由度 ，因?yàn)樵谘b完眼球后剩下的空間比較小，還不能和眼球發(fā)生干涉，所以要在有限的空間內(nèi)加入眼瞼的結(jié)構(gòu)，不能太過(guò)于復(fù)雜，選擇了一級(jí)傳動(dòng)。

每條眉毛應(yīng)該具有五個(gè)自由度，分別是左端兩個(gè)，右端兩個(gè)和中間一個(gè)。但是，左右兩端在Y軸方向的自由度，運(yùn)動(dòng)范圍很小，幾乎對(duì)表情起不到明顯可見(jiàn)的作用。而且，對(duì)于一條眉毛來(lái)說(shuō)，五個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。因此，本設(shè)計(jì)中將其簡(jiǎn)化成一個(gè)自由度，即眉毛左、中、右三點(diǎn)的Z 方向自由度。

嘴這個(gè)部分總共有六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，包括左右嘴角各有一個(gè)X向和Y 向的直線運(yùn)動(dòng)，上、下唇各有一個(gè)Z 向直線運(yùn)動(dòng)。這部分的機(jī)構(gòu)部分基本都安置在嘴與眼之間的空間里。另外，兩個(gè)嘴角處的Y 向運(yùn)動(dòng)軌跡并不是在Y 一Z平面上，而是與該平面成大約150 度角。同是直線運(yùn)動(dòng)，這里采用了與眉毛相類(lèi)似的機(jī)構(gòu)。

下顎部分只有一個(gè)繞Y 軸旋轉(zhuǎn)的自由度，從結(jié)構(gòu)上看比較簡(jiǎn)單，由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，但是因?yàn)檎麄€(gè)下顎組件質(zhì)量以及相對(duì)轉(zhuǎn)軸的力臂較大，造成該機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力矩較大。另外，該機(jī)構(gòu)還需要能夠自鎖，即在停止工作和任何時(shí)候電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，下顎必須保持在原位不動(dòng)，所以下顎機(jī)構(gòu)在面部來(lái)說(shuō)是負(fù)載最大的一部分。

機(jī)構(gòu)分析為了使機(jī)器人的表情更加靈活生動(dòng)，增加了頸部的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人頸部共有兩個(gè)自由度，分別是繞Y , Z 軸旋轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)采用，在頸部接近頭部的位置安裝伺服電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)繞 Y 軸的旋轉(zhuǎn)，在最下部的位置，即基座內(nèi)安裝頸部第二個(gè)伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人頭、頸部繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。

圖1 情感機(jī)器人頭

4系統(tǒng)概述

類(lèi)人機(jī)器人需要具備的特點(diǎn)有：與人類(lèi)似的傳感系統(tǒng)、語(yǔ)音接收、圖像接收、感覺(jué)系統(tǒng)等等。有類(lèi)似人的外形，有類(lèi)似人的思維和行為。

于是我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的東西很多，如圖2所示是一個(gè)硬件的結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)系統(tǒng)分為三大部分：

1、攝像頭和無(wú)線話筒，屬于媒體設(shè)備。視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，是人和人之間交流的非常重要的部分。因此仿人機(jī)器人也應(yīng)該具有該項(xiàng)功能，于是我們就要用攝像頭和話筒來(lái)接收這些信息。而圖像處理和語(yǔ)音識(shí)別是一個(gè)非常復(fù)雜而又繁重的工作，嵌入式系統(tǒng)完成該項(xiàng)工作就比較困難，我們計(jì)劃將攝像頭采集來(lái)的圖像和聲音通過(guò)無(wú)線視頻設(shè)備和無(wú)線話筒傳送給PC機(jī)，用PC做圖像處理和語(yǔ)音識(shí)別。用PC機(jī)對(duì)圖像和語(yǔ)音進(jìn)行處理之后，根據(jù)我們事先定義好的控制協(xié)議來(lái)控制機(jī)器人。

2、PC機(jī)。接收?qǐng)D像和語(yǔ)音信息，并進(jìn)行圖像處理和語(yǔ)音識(shí)別，根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換成控制指令。對(duì)于處理好的控制指令和數(shù)據(jù)，我們通過(guò)無(wú)線和有線兩種方式傳給嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)根據(jù)定義好的控制指令和數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行操作。同時(shí)PC機(jī)也可以接收嵌入式系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

3、嵌入式系統(tǒng)部分。嵌入式系統(tǒng)有兩個(gè)功能：首先是對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制和接收來(lái)自PC機(jī)的數(shù)據(jù)和控制指令，其次采集機(jī)器人目前的狀態(tài)，主要的傳感器有攝像頭、麥克和語(yǔ)音輸出?？紤]到機(jī)器人的體積和處理能力的要求，我們采用了性能穩(wěn)定可靠，同時(shí)運(yùn)算能力較強(qiáng)的PIC系列單片機(jī)。

根據(jù)舵機(jī)控制的需求，我們要對(duì)控制器進(jìn)行選擇，還要考慮控制對(duì)象精度，力矩要求，控制器重量等。根據(jù)上面的要求，選用PIC16F877作為主要的控制芯片^【4】。

圖 2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)                   

下位機(jī)PIC控制多舵機(jī)運(yùn)動(dòng)。PIC控制程序流程圖如圖3。

圖3 程序流程圖                                       

    圖4 樣機(jī)

表情機(jī)器人樣機(jī)如圖4。

5結(jié)論

本文以生物學(xué)為基礎(chǔ)，以多種學(xué)科技術(shù)相融合的方法提出了研究情感機(jī)器人的一種新方法，雖然受到現(xiàn)實(shí)環(huán)境的制約，機(jī)器人的表情還比較粗陋，不夠細(xì)膩，但完全按照真實(shí)人的外貌來(lái)制作機(jī)器人在國(guó)內(nèi)還是首次。在這個(gè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，我們要進(jìn)一步細(xì)化機(jī)器人的表情，最終達(dá)到服務(wù)型機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)。

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