梁鑫 蔣剛 戴強(qiáng)

西南科技大學(xué)，四川綿陽，621010

改善運(yùn)動(dòng)表情下高仿真機(jī)器人面部應(yīng)力集中的一種方法研究

梁鑫 蔣剛 戴強(qiáng)

西南科技大學(xué)，四川綿陽，621010

在人類與外界進(jìn)行信息交流時(shí)，溝通者的表情高達(dá) 55%（內(nèi)容僅占 7%，語調(diào)占 38%），由此可見表情在人類與外界交流中起到了重要作用。現(xiàn)有面部表情機(jī)器人其外觀逼真，靜止?fàn)顟B(tài)足以以假亂真。而動(dòng)態(tài)表情存在呆板、僵硬、不流暢等問題。筆者通過研究設(shè)計(jì)出一種能夠改善面部柔性體應(yīng)力集中的方法，對(duì)于解決上述問題有一定說服力。

信息交流；面部表情機(jī)器人；應(yīng)力集中；柔性體

文章主要研究表情運(yùn)動(dòng)的機(jī)械、不流暢。通過對(duì)仿真機(jī)器人的調(diào)查研究，機(jī)械、不流暢主要原因是運(yùn)動(dòng)行為的剛性過渡，同時(shí)存在局部應(yīng)力集中。內(nèi)部空間的有限性，使產(chǎn)生相關(guān)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及機(jī)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)階段較難完成上述任務(wù)。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有大多高仿真機(jī)器人的材料和運(yùn)動(dòng)原理如下，面部層材料主要為硅膠，運(yùn)動(dòng)原理，內(nèi)部微型舵機(jī)驅(qū)動(dòng)通過細(xì)鐵絲牽引硅膠層產(chǎn)生表情。在剛性鐵絲和柔性硅膠人臉的直接作用下，面部表情呈現(xiàn)的問題如上所述。

1 人臉建模前期分析

建模前分析，人臉?biāo)采w的曲面多為自由的、非參數(shù)化的，若是用參數(shù)化建模軟件如ProE或UG等對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)建，無疑是復(fù)雜且低效的。而通過自己專業(yè)知識(shí)的儲(chǔ)備，自由多曲面創(chuàng)建可以考慮使用mesh網(wǎng)格多邊形這個(gè)曲面工具，而這個(gè)工具被廣泛應(yīng)用于CG動(dòng)畫或是其他非參曲面。

Mesh網(wǎng)格多邊形曲面建模，是利用Polygon多邊形拼湊而成，這種曲面建模優(yōu)點(diǎn)很明顯，即易編輯和直觀，多用于生物體模型的創(chuàng)建上。但是Mesh網(wǎng)格建模也有一個(gè)劣勢(shì)，就是其所建模型沒有真正曲面的特點(diǎn)，不可以用于制造，所以必須在后期對(duì)其進(jìn)行Nurbs的曲面的轉(zhuǎn)化，使其以數(shù)學(xué)參數(shù)模式記錄，便于后期的工程應(yīng)用輸出。Mesh網(wǎng)格建?？梢栽?Dsmax、Rhino等軟件中運(yùn)用，是其主要的建模手段之一。前者在專業(yè)性上強(qiáng)于后者，mesh是網(wǎng)格功能也異常強(qiáng)大，但是不利于工程應(yīng)用；后者是3Dsmax在曲面功能的延伸，具有更加強(qiáng)大的Polygon和Nurbs建模方法，尤其是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化上，Rhino擁有眾多插件，能夠有效實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的仿真應(yīng)用。

這方面插件主要有RhinoResurf和TS。T-Splines在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化時(shí)，中細(xì)分，優(yōu)化，接著檢查貼合度，再轉(zhuǎn)為T-Splines，最后轉(zhuǎn)為NURBS，過程復(fù)雜且過程存在數(shù)據(jù)的丟失，以及大量繁雜的后期處理工作。Rhinoresurf這款插件是一款由國(guó)人開發(fā)的的Rhino逆向插件，其特點(diǎn)是可以快速地從網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上重構(gòu)出覆蓋模型的 NURBS曲面塊，曲面精度比較好，光滑度高，曲面之間的拼接連續(xù)性可達(dá)到G1正切連續(xù)，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，單一模型甚至可以一鍵轉(zhuǎn)換。

2 人臉建模

2.1 Rhhiinnoo環(huán)境下創(chuàng)建人臉模型

Rhino是由美國(guó)Robert McNeel公司于1998年推出的一款基于NURBS為主三維建模軟件。它不象其它三維軟件如MAYA、3DsMax那樣有著龐大的身軀，動(dòng)輒占用幾個(gè)G的空間；而最新版Rhinoceros5.0全部安裝完畢僅需要占用314M的空間。它可以廣泛地應(yīng)用于三維動(dòng)畫制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。它能輕易整合3DS MAX 與Softimage的模型功能部分，對(duì)要求精細(xì)、彈性與復(fù)雜的3D NURBS模型，有點(diǎn)石成金的效能。能輸出OBJ、DXF、IGES、STL、3DM等不同格式，并適用于幾乎所有3D軟件，尤其對(duì)增加整個(gè)3D工作團(tuán)隊(duì)的模型生產(chǎn)力有明顯效果。

建模時(shí)選擇適用生物體曲面效果好的polygon多邊形mesh網(wǎng)格建立曲面，模型效果如圖1所示，人臉曲面效果還原較準(zhǔn)確，相比相關(guān)僅利用SolidWorks建模人臉仿真的效果好。單從直觀感官層面利用Rhino專業(yè)的曲面建模軟件模型效果好。

圖1 Mesh網(wǎng)格建立人臉模型

通過Rhino建立好的mesh人臉模型雖然更加逼真，但是這種多邊形建立的模型在導(dǎo)出適用于SolidWorks的工程文件格式時(shí)，存在數(shù)據(jù)丟失或無法成功導(dǎo)出。原因主要是Mesh網(wǎng)格建立的模型，其空間未曾記錄空間曲面數(shù)據(jù)，所以無法導(dǎo)出相應(yīng)的工程模型文件格式，解決的方法為導(dǎo)出之前保存為Nurbs曲面格式，而rhino自帶軟件對(duì)于解決此問題的方法尚無。不過rhino的對(duì)應(yīng)插件如T-S和Rhinoresurf，專門用于此問題的研究。章節(jié)3-1對(duì)此有明確的說法，本節(jié)主要介紹利用Rhinoresurf的具體做法。

圖2 曲面缺陷的分布

打開人臉模型文件，在安裝好rhinoresurf的界面進(jìn)行如下操作，框選構(gòu)成人臉模型的所有曲面，鼠標(biāo)左鍵單擊rhinoresurf工具欄的“自動(dòng)從網(wǎng)格模型生成多曲面”選項(xiàng)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)后臺(tái)運(yùn)算一定時(shí)間，待結(jié)束后，產(chǎn)生新的nurbs曲面，此時(shí)工作界面存在兩個(gè)曲面群。刪除原有的mesh網(wǎng)格曲面，僅保留新的人臉曲面。仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的曲面數(shù)量超過2000個(gè)，并且有小部分曲面銜接存在縫隙和壞面，以及曲率半徑過大等問題，需要借助rhino的曲面重建工具進(jìn)行再造，防止導(dǎo)入下游工程應(yīng)用軟件出現(xiàn)無法修復(fù)或加厚的問題。

圖3 人臉模型的曲面缺陷及修復(fù)

本研究數(shù)據(jù)模型主要有幾個(gè)明顯的曲面缺陷，如圖2所示。利用曲面嵌面工具，先刪除錯(cuò)誤曲面；再通過邊緣重構(gòu)曲面，基于曲面模型質(zhì)量考慮，UV數(shù)量保持較高，同時(shí)其硬度設(shè)置為1，使其保持基本的曲面舒展度，其參數(shù)設(shè)置如圖3所示。重構(gòu)所有面后并檢查曲面曲率及斑馬線，保存進(jìn)入下一步。

圖4 人臉模型實(shí)體

2.2 SolidWorks環(huán)境下編輯模型

本次所用到的工程建模軟件是SolidWorks，該軟件主要具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。

因精細(xì)曲面模型生成的nurbs曲面群包含至少2000個(gè)不同大小曲面，本研究為方法研究，所以在不影響人臉整體五官的前提下，簡(jiǎn)化模型并調(diào)整，得到如圖4加厚文件。加厚成功后，根據(jù)FACS人臉運(yùn)動(dòng)控制區(qū)域的劃分情況，在模型陰面相關(guān)區(qū)域建立錐形柱。錐形柱建立主要通過實(shí)體放樣，放樣時(shí)需要合并實(shí)體，保證材料的一致性。然后再使用分割命令，減掉多余部分實(shí)體，得出理想模型。模型創(chuàng)建好后，如圖5所示。

圖5 局部帶錐形柱人臉模型

本文中彈性體模型均賦予彈性模量為0.00784Gpa、柏松比為0.475、密度1300 kg/m3的材料屬性，各向同性，與“愛因斯坦”[5]采用的材料 Frubber 的受力變形量相似，大約為0.0015m/N。通過Simulation進(jìn)行仿真時(shí)，嘴角施加拉力，固定人臉邊緣，我們發(fā)現(xiàn)，僅僅在面具四周增加夾具其應(yīng)力集中主要在錐形柱上，而不是硅膠人臉。如圖6所示達(dá)到了一定的效果，能夠呈現(xiàn)一定的受力趨勢(shì)。

圖6 SolidWorks中的初步仿真結(jié)果

相比沒有錐形柱的硅膠人臉，具有錐形柱的在應(yīng)力上，領(lǐng)先了一個(gè)數(shù)量級(jí)，最高為僅1.1 N/cm2，且集中于內(nèi)部錐形柱頂端。而沒有錐形柱的硅膠人臉其最大應(yīng)力達(dá)到了16.7 N/cm2，并且集中在面部施力部位。如圖7所示。

圖7 SolidWorks中的初步仿真結(jié)果（不含錐形柱）

3 結(jié)語

筆者通過問題分析和模型仿真對(duì)上述問題研究，提出一種改善仿真機(jī)器人面部應(yīng)力集中的方法，同時(shí)進(jìn)行方法驗(yàn)證。剛性鐵絲直接牽引硅膠人臉使得應(yīng)力集中在接觸部位，所以在接觸部位設(shè)置一個(gè)緩沖裝置分散硅膠表面的應(yīng)力集中是解決問題的關(guān)鍵。如在內(nèi)部通過粘接方式添加緩沖層，使內(nèi)部牽引力作用在其上，其類似于將力分散在緩沖層上，或者說放大了接觸面積，原理也是一樣的。硅膠外表面則形成局部面的驅(qū)動(dòng)，結(jié)果整體僵硬度未得到明顯改善。該文章通過將緩沖層與硅膠面層一體化結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)仿真分析得出結(jié)果。

對(duì)比錐形柱的有無，柔性體表面應(yīng)力的變化情況，能夠很清楚的獲知，錐形柱對(duì)于改善柔性體面部應(yīng)力集中的作用是肯定的。從根本上解決了表情僵硬、不流暢、呆板等問題。對(duì)于后期的表情表現(xiàn)，提供了一種思維途徑和調(diào)整方法。

[1]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)[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào).2013(06):482-488.

[2]李瑞峰,孫中遠(yuǎn),王珂,等.具有面部表情識(shí)別與再現(xiàn)的機(jī)器人頭部系統(tǒng)的研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2011(07):95-97.

[3]柯顯信,柏垠,唐文彬.仿人面部表情機(jī)器人研究現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)械設(shè)計(jì).2009(11):5-8.

[4]王志良,王巍,谷學(xué)靜,等.具有情感的類人表情機(jī)器人研究綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué).2011(01):34-39.

[5]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(08):54-57.

梁鑫/1990年生/男/四川蓬溪人/碩士/研究方向?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)