許向榮，宋現(xiàn)春，林儀彪

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250100）

仿人表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許向榮1，2，宋現(xiàn)春1，2，林儀彪1，2

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250100）

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，具有人機(jī)交互功能的智能服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域一個(gè)重要的發(fā)展方向，具有表情識(shí)別與再現(xiàn)能力的仿人表情機(jī)器人已成為該方向研究的熱點(diǎn)。文章分析了表情機(jī)器人的表情特征及其定義，基于機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、電機(jī)控制、人工智能以及三維造型等技術(shù)對(duì)具有表情再現(xiàn)功能的機(jī)器人頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。通過對(duì)頭部系統(tǒng)的控制與設(shè)計(jì)，該機(jī)器人的頭部各器官及其相應(yīng)的表情控制點(diǎn)可以迅速、精確地到達(dá)預(yù)定的位置，從而實(shí)現(xiàn)各種情感的表達(dá)。

仿人；表情機(jī)器人；頭部系統(tǒng)；舵機(jī)；控制系統(tǒng)

0 引言

隨著低出生率和老齡化等社會(huì)問題的不斷加劇，勞動(dòng)力逐漸匱乏，家庭智能服務(wù)機(jī)器人則應(yīng)運(yùn)而生［1-2］，它不僅要具有友好、美觀的外觀，而且要能與人類進(jìn)行流暢地情感及信息交流，因此能夠表達(dá)情感的仿人表情機(jī)器人的研究引起了諸多機(jī)器人研究者的關(guān)注。

在仿人表情機(jī)器人的研究領(lǐng)域，國(guó)外日本、美國(guó)的大學(xué)和科研院所開展較早，且研究成果顯著。Bartne設(shè)計(jì)開發(fā)了嬰兒看護(hù)機(jī)器人＂Kismet＂的頭部，能夠依據(jù)眼睛所看到的、耳朵所聽到的和大腦所判斷的形象地表達(dá)嬰兒的各種表情［3］。大衛(wèi)·漢森研究了K-bot女性機(jī)器人，可以表達(dá)女性面部的復(fù)雜表情［4］。日本早稻田大學(xué)理工學(xué)部高西研究室從1996年起就研發(fā)出WE-R系列機(jī)器人，其中WE-3RV感覺器官最齊全，WE-4R在此基礎(chǔ)上又增加了心理狀態(tài)模型，能夠更加接近人類的情感表達(dá)［5］。此外，Miwa H.等設(shè)計(jì)開發(fā)了仿人表情機(jī)器人SAYA，它可以識(shí)別觀察者所表達(dá)的某種情緒，表達(dá)出與之相應(yīng)的表情［6］。在國(guó)內(nèi)，仿人表情機(jī)器人的研究還處于起步階段，其中以蔡鶴皋和吳偉國(guó)研究的仿人機(jī)器人最具代表性。自1996年開始，他們先后研發(fā)出了仿人演講機(jī)器人和H＆FRobot系列仿人頭像機(jī)器人，能夠表達(dá)多種面部表情，具有表情識(shí)別與再現(xiàn)機(jī)能及初步的人機(jī)交互能力［7-8］。柯顯信等對(duì)仿人面部表情機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并研制了樣機(jī)SHFR-1，可以較好地實(shí)現(xiàn)6種基本表情［9-12］。之后，又對(duì)仿人情感交互表情機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)今后的研究方向提出了幾點(diǎn)看法［13］。趙巖青等對(duì)面部表情機(jī)器人的眉毛機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，該機(jī)構(gòu)采用4個(gè)自由度的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有運(yùn)動(dòng)靈活，髙擬人化的特點(diǎn)［14］。

綜上所述，目前表情機(jī)器人的研究存在以下不足:頭部各器官的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，不易控制，成本較高，且不夠逼真；此外，機(jī)器人雙眼球、眼瞼的動(dòng)作，如上下、左右及開合等都同步，而非獨(dú)立。因此，針對(duì)以上不足，文章進(jìn)行了仿人表情機(jī)器人的頭部系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其外觀尺寸類人，實(shí)現(xiàn)了雙眼及眼瞼的相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。通過頭部控制系統(tǒng)，使頭部各器官能夠快速、準(zhǔn)確地到達(dá)指定的位置，以表達(dá)豐富生動(dòng)的情感，達(dá)到與人類進(jìn)行自然流暢交流的目的。該表情機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、成本低廉的特點(diǎn)。

1 表情特征分析與定義

設(shè)計(jì)仿人表情機(jī)器人之前，首先要對(duì)人類的面部表情和頭部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行生理學(xué)分析。

1.1 表情特征分析

為了形象地量化不同表情下表情控制點(diǎn)的位移，通常采用提取表情特征點(diǎn)的方法來代替控制表情控制點(diǎn)的位移，從而獲得相應(yīng)的表情特征描述［15］。文章采用的表情特征點(diǎn)主要有眉毛、眼睛以及嘴巴等（如圖1所示），為了降低頭部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，各器官的特征描述見表1。由表1中可以看出，表情機(jī)器人的大部分面部表情都可以通過眉毛、眼睛、嘴巴等6個(gè)表情特征點(diǎn)的相對(duì)位移變化來描述，從而實(shí)現(xiàn)面部表情特征的提取。

圖1 面部表情特征點(diǎn)圖

表1 頭部機(jī)構(gòu)器官的特征描述

1.2 表情定義

文章所設(shè)計(jì)的表情機(jī)器人的表情動(dòng)作如下:

高興時(shí)眉毛彎曲，眼瞼下瞇，嘴巴微張；生氣時(shí)眉毛外部上揚(yáng)，眉宇傾斜，眼睛睜大（眼瞼向上），嘴巴緊閉；驚訝時(shí)，眼睛睜得最大，眉毛內(nèi)側(cè)上揚(yáng)，嘴巴張大等。

2 頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 頭部系統(tǒng)面部機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法

為了更加逼近人類的面部表情，所設(shè)計(jì)的表情機(jī)器人應(yīng)該具有與人類相似的面部結(jié)構(gòu)，如眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴等表情器官。因此，其頭部系統(tǒng)的面部機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法如下:在其面部肌膚上設(shè)計(jì)與該單元對(duì)應(yīng)的表情控制點(diǎn)，然后采用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如電機(jī)或舵機(jī)，控制這些表情控制點(diǎn)，通過它們的位移變化組合，實(shí)現(xiàn)各種面部表情。

該機(jī)器人的頭部系統(tǒng)要求能夠完成見表2的所有基本動(dòng)作，包括:眼瞼開合，眉毛的移動(dòng)，眼睛的左右、俯仰運(yùn)動(dòng)，嘴巴的開合以及整個(gè)頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)和點(diǎn)頭的動(dòng)作，即近似接近人類的各種基本動(dòng)作。

表2 表情機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案

經(jīng)過查閱文獻(xiàn)，確定了頭部系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體方案為:

該頭部系統(tǒng)主要包括眉毛、眼睛、眼瞼、下頜、頸部五個(gè)部分。由于眉毛和眼瞼是軟質(zhì)結(jié)構(gòu)，無法直接設(shè)計(jì)，因此將眉毛、眼瞼粘貼在桿件上，利用桿件的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)眉毛形變、眼瞼移動(dòng)，完成預(yù)期的動(dòng)作；眼睛的設(shè)計(jì)雖然比較簡(jiǎn)單，但是要實(shí)現(xiàn)眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)，必須考慮制作一個(gè)組合件，來完成眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)功能；下頜直接借鑒人的下頜形狀，配以合適的驅(qū)動(dòng)裝置即可實(shí)現(xiàn)；由于頸部主要用于轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐頭部，因此采用鋼作材料比較合適。在正確選擇電機(jī)后即可通過電機(jī)的尺寸，根據(jù)要求設(shè)計(jì)各個(gè)部分的尺寸，形成總體的外形。

2.3 眼眉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

眉毛采用軟質(zhì)材料，采用桿狀的結(jié)構(gòu)在其背面塑形，桿狀結(jié)構(gòu)與表情控制點(diǎn)相連，用電機(jī)控制。當(dāng)表情變化時(shí)，只需控制桿件結(jié)構(gòu)做出簡(jiǎn)單的移動(dòng)，帶動(dòng)這種軟質(zhì)的材料變形，達(dá)到目的。如圖2所示，機(jī)器人的每個(gè)眼眉都通過1套曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，每套機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)舵機(jī)、曲柄機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)及支撐擺桿四個(gè)部分組成。曲柄由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過曲柄上的滑銷驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿繞與其固結(jié)在一起的軸進(jìn)行擺動(dòng)，進(jìn)而使支撐擺桿帶動(dòng)眼眉控制點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而完成眼眉的上下運(yùn)動(dòng)。

圖2 眼眉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

2.4 眼球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人類的眼球形狀其實(shí)為一橢圓球，但為了比較真實(shí)地再現(xiàn)眼球的運(yùn)動(dòng)，將眼球設(shè)計(jì)為球體，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示，它包括曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和球鉸機(jī)構(gòu)兩部分。為了實(shí)現(xiàn)兩只眼球相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，包括上下、左右運(yùn)動(dòng)，文章采用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過滑軌帶動(dòng)嵌入在滑環(huán)槽內(nèi)的球鉸柄一起擺動(dòng)，從而使眼球?qū)崿F(xiàn)上下轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，眼球的俯仰運(yùn)動(dòng)也是一樣的。兩眼球的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，由兩個(gè)舵機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)眼球來實(shí)現(xiàn)其左右、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 眼球運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

2.5 眼瞼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)眼瞼的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析可知，眼瞼主要有兩種動(dòng)作，即眨眼和閉眼，也就是眼瞼沿著眼球表面進(jìn)行上下的開閉運(yùn)動(dòng)，文章采用了與眼眉機(jī)構(gòu)類似的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)?？紤]到眼瞼眨眼的運(yùn)動(dòng)速度非?？欤s0.3 s），所以在眼瞼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，忽略了下眼瞼機(jī)構(gòu)，將眼瞼僅設(shè)計(jì)為單眼瞼結(jié)構(gòu)。

2.6 嘴部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分析人類的嘴部特點(diǎn)可知，人的嘴部分為上頜和下頜兩部分，上頜連接頭蓋骨，保持固定不動(dòng)，下頜與上頜通過顳下頜關(guān)節(jié)連接，并繞著該關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)嘴的張開和閉合運(yùn)動(dòng)。因此，文章只設(shè)計(jì)了下頜機(jī)構(gòu)，通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)其實(shí)現(xiàn)0～45°的擺動(dòng)，完成嘴的張開和閉合的動(dòng)作。嘴部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.7 頭部機(jī)械總體結(jié)構(gòu)

在正確選擇電機(jī)后，根據(jù)要求設(shè)計(jì)各個(gè)部分的尺寸，形成總體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。文章設(shè)計(jì)了兩個(gè)安裝座，分別是眼睛安裝座和頸部安裝座。其中，眼睛安裝座用于支撐眼睛、眉毛、眼瞼，通過桿件與下頜和頸部連接；頸部安裝座用于支撐整個(gè)頭部機(jī)構(gòu)。

圖4 下頜運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型圖

圖5 頭部結(jié)構(gòu)裝配圖

3 頭部控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人頭部控制系統(tǒng)的總體框圖，如圖6所示，眼瞼、眉毛、眼睛、嘴巴、下顎、點(diǎn)頭動(dòng)作選用舵機(jī)進(jìn)行控制，頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng)選擇電機(jī)進(jìn)行控制。

圖6 頭部控制系統(tǒng)總體框圖

3.1 控制系統(tǒng)方案

文章選擇51系列的80C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，其控制方法如圖7所示。采用單片機(jī)的P1.0～P1.5分別控制6個(gè)舵機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)眉毛連接件的向上（電機(jī)正轉(zhuǎn)）、向下運(yùn)動(dòng)（電機(jī)反轉(zhuǎn)），眼瞼的開合，眼睛的左右轉(zhuǎn)動(dòng)、上下轉(zhuǎn)動(dòng)，下巴的開合，低頭、抬頭，如圖7（a）所示；采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片L298控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)頭部做左右轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7（b）所示；采用單片機(jī)的P2.0～P2.6分別控制7個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)與停止，如圖7（c）所示。采用單片機(jī)的P0.0～P0.6分別顯示7個(gè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)的上電狀態(tài)，如圖7（d）所示。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表情機(jī)器人的軟件系統(tǒng)程序基于Keil C51軟件開發(fā)系統(tǒng)，主程序框圖如圖8所示，主要包括以下幾個(gè)模塊:系統(tǒng)程序模塊，命令輸入模塊以及系統(tǒng)運(yùn)行模塊三個(gè)部分。

其中，系統(tǒng)程序模塊主要完成I／O口及參數(shù)的設(shè)置，程序初始化及按鍵防抖動(dòng)延時(shí)等功能。命令輸入模塊主要完成不同表情動(dòng)作的按鍵控制。系統(tǒng)在單片機(jī)復(fù)位開始運(yùn)行后，根據(jù)6個(gè)不同按鍵完成不同的動(dòng)作，其中各按鍵對(duì)應(yīng)的機(jī)器人表情動(dòng)作定義如下:k1:搖頭動(dòng)作；k2:點(diǎn)頭動(dòng)作；k3:張嘴動(dòng)作；k4:眼球上下動(dòng)作；k5:左眼左右動(dòng)作；k6:右眼左右動(dòng)作。系統(tǒng)運(yùn)行模塊主要完成舵機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等的程序控制。

4 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)仿人表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括眼眉結(jié)構(gòu)、眼球結(jié)構(gòu)、眼瞼結(jié)構(gòu)以及嘴部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)眨眼、閉眼、揚(yáng)眉、眼球的左右、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)、嘴巴的開合以及整個(gè)頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)和點(diǎn)頭等運(yùn)動(dòng)，表達(dá)高興、憤怒、討厭、悲哀及驚訝等表情，尤其改進(jìn)了現(xiàn)有的眼部機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的雙眼及眼瞼的相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)?；?1單片機(jī)進(jìn)行了頭部的控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以使頭部器官快速、準(zhǔn)確地到達(dá)指定的位置，達(dá)到了簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低廉的目的，為設(shè)計(jì)仿人表情機(jī)器人提供了一定的理論基礎(chǔ)。

圖7 頭部系統(tǒng)控制方案圖

圖8 主程序流程圖

［1］ 譚林，魯守銀，張偉，等.機(jī)器人化護(hù)理床及其控制系統(tǒng)［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（1）:19-20+30.

［2］ 王洪玲，劉存根.基于模糊控制器的按摩機(jī)器人的力度控制［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（6）:586-590.

［3］ Bartne C.，Okada M..Robotic User Interfaces［C］.Proceedings of the Human and Computer Conference，London:National Academa press，2010.

［4］ 大衛(wèi)·漢森.美國(guó)科學(xué)家研制出新型機(jī)器人會(huì)28中表情［J］.科學(xué)眼，2003（2）:8.

［5］ Miwa H.，Umetsu T.，Takanishi A.，etal.Human-like thathas01 factory sensation and facial color expession［C］.Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics＆Automation Seoul:National Pubushing House，2001.

［6］ Miwa H.，Okuchi T.，Takanishi A.，et al.Development of New Human-like Head Robot WE-4［C］.Proceedings of the 2002 IEEE／RSJ International Conference on Intelligent Robots＆Systems EPFL，Lausanns:Fortress investment Group，2002.

［7］ 鹿麟，吳偉國(guó)，孟慶梅.具有視覺及面部表情的仿人頭像機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2007，24（7）:20-24.

［8］ 吳偉國(guó)，宋策，孟慶梅.仿人頭像機(jī)器人“H＆F robot-Ⅲ”語(yǔ)音及口形系統(tǒng)研制與實(shí)驗(yàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，25（1）:15-19.

［9］ 柏垠，柯顯信，唐文彬.基于舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種仿人面部表情機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電一體化.2009（9）:55-58.

［10］柯顯信，陳玉亮，唐文彬，等.仿人面部表情機(jī)器人連續(xù)表情運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微電機(jī)，2011（6）:35-39.

［11］唐文彬，柯顯信，柏垠，等.仿人面部表情機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27（10）:54-57.

［12］柯顯信，唐文彬，陳玉亮，等.仿人面部表情機(jī)器人SHFR-1樣機(jī)［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，17（1）:79-84.

［13］柯顯信，尚宇峰，盧孔筆.仿人情感交互表情機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2013，8（6）:482-488.

［14］趙巖青，蔣剛.面部表情機(jī)器人眉毛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27（3）:84-86.

［15］岳翠萍，梅濤，咯敏舟.表情機(jī)器人研究現(xiàn)狀［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009（1）:38-40.

（責(zé)任編輯：李雪蕾）

Design of head system of emotional humanoid robot

Xu Xiangrong1，2，Song Xianchun1，2，Lin Yibiao1，2

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

With the continuous development of the artificial intelligence technology，intelligent service robot，which has human-computer interaction function，has become an important development direction in the field of robotics research，and humanoid robot with facial expression recognition and representation has become the focus of researches.In the paper，emotional characteristics and its definition have been analyzed，themechanism，control system and software system of the head system of the robotwith the function of expression reproduction have been designed on the basis ofmachinery design，sensor technology，actuator control and artificial intelligence technology.Through the design and control of the head system，the robot's head organ and expression control points can accurately and quicklymove to designated position，so a variety of emotional expression can be completed.

humanoid；emotional robot；head system；actuator；control system

TP242.6

A

1673-7644（2014）06-0564-05

2014-06-09

許向榮（1978-），女，副教授，博士，主要從事機(jī)電精密測(cè)控及機(jī)器人設(shè)計(jì)等方面的研究.E-mail:xt7875＠163.com.