王志良　劉遙峰　解　侖

摘要：為了將智能機器人及其相關(guān)技術(shù)更好地引入到智能學(xué)科的教學(xué)與科研之中，我們研制了具有17個自由度的雙足步行機器人教學(xué)平臺。在該平臺上可以完成12個與智能科學(xué)相關(guān)的試驗。為了使人與機器人之間的交互能像人與人一樣自然、親切和生動，我們以仿生學(xué)為基礎(chǔ)，設(shè)計并研制了具有某種程度的情感處理和表達能力的情感機器人。該機器人通過視覺、聽覺和觸覺等來感知外部環(huán)境的變化，利用六種面部表情、肢體動作和語音來表達自身的情感。

關(guān)鍵詞：機器人；人機交互；教學(xué)實驗

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

1引言

在我國開展智能科學(xué)與技術(shù)研究生教育是跟蹤國際高技術(shù)前沿，適應(yīng)國家科技發(fā)展規(guī)劃，解決社會發(fā)展面臨的重大科技問題和填補信息領(lǐng)域?qū)W科結(jié)構(gòu)“漏洞”的必然需求，應(yīng)加快智能科學(xué)與技術(shù)研究生學(xué)科專業(yè)的設(shè)置步伐?！爸悄軝C器人”是智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)教學(xué)、實驗活動的3個重要平臺之一。為此我們研制了雙足步行機器人和情感交互機器人試驗平臺。

人類一直夢想著創(chuàng)造出和人類構(gòu)造相似、能與人類合作的仿人型機器人，本研究的雙足步行機器人即屬于仿人機器人。仿人型機器人是一種具有人的外形，并能夠效仿人體的某些物理功能、感知功能及社交能力并能承襲人類的部分經(jīng)驗的機器人。當然，仿人型機器人的研究目的不是企圖制造以假亂真或替代人類的機械，而是要創(chuàng)造一種新型工具，它能在典型的日常環(huán)境中和人類交流，在更廣泛的環(huán)境任務(wù)中擴展人類的能力。仿人機器人不僅具有雙腿、雙臂、頭、眼、頸、腰等物理特征，還能模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等功能。這和能在特種環(huán)境下工作的服務(wù)機器人是有區(qū)別的。仿人機器人的研究是多學(xué)科的交叉、綜合與提高。機械工程師、電子學(xué)家、計算機專家、機器人學(xué)家、人工智能專家、心理學(xué)家、物理學(xué)家、生物學(xué)家、認知學(xué)家、神經(jīng)生物學(xué)家甚至哲學(xué)家、語言學(xué)家和藝術(shù)家等都有參與其研究。

2總體功能結(jié)構(gòu)

2.1雙足機器人的機械結(jié)構(gòu)

如圖1所示機器人，是將17臺舵機以搭積木的方式搭成人形的。機體大部分是由舵機組成的，各個舵機之間是由一些板金件連接而成，背部有一個舵機控制板，為了保證舵機之間能夠有效地連接，同時17個舵機要組裝成一個人形，需要合理機械配件。

該雙足步行機器人是參考日本機器人的機械結(jié)構(gòu)，具有17個自由度的在平面上可做各種擬人動作的雙足步行機器人，采用了智能技術(shù)，通過無線傳輸，可以多個機器人同時進行表演，可以模擬人類的前進、后退、向左走、向右走、下蹲、體操表演、直立前行行走、倒地后爬起、做俯臥撐、伏地起身等。

同時，該機器人的動作庫提供了已經(jīng)調(diào)試好的近20個機器人動作數(shù)據(jù)文件，為教學(xué)和科研提供了非常方便友好使用的數(shù)據(jù)庫文件，也可以進行二次開發(fā)，可以用軟件平臺創(chuàng)意編寫出許多有趣的組合動作。例如機器人跳“千手觀音”舞蹈、機器人跳街舞，機器人抬花轎，機器人福娃，機器人演話劇，等等。

2.2雙足機器人操作軟件

操作軟件的安裝及設(shè)置很簡單，我們只要在計算機裝上vc++，然后再把機器人上位機軟件拷到桌面上就行了。我們把電腦的串口設(shè)置為COMI。

2.3操作軟件各功能說明及其使用

如果把機器人的硬件控制平臺比喻成一個有血有肉的人的話，那么軟件控制程序則可以說是人的靈魂所在。沒有了程序的引導(dǎo)和控制，整個機器人也就只能算是一個沒有靈魂的軀體。只有在雙足步行機器人的硬件控制平臺上添加完整的控制軟件程序，機器人才能真正的動起來，完成我們交給它的一系列動作。

雙足步行機器人的運行狀態(tài)有多種，它們分別是運行狀態(tài)、復(fù)位狀態(tài)等，狀態(tài)與狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換，并且狀態(tài)轉(zhuǎn)換方式靈活、不受限制和約束。整個機器人智能平臺包括雙足步行機器人本體和上位機控制軟件。雙足步行機器人上位機控制軟件由雙足步行機器人研究課題小組獨立開發(fā)，其作用是產(chǎn)生雙足步行機器人的運動數(shù)據(jù)，并對機器人的運動數(shù)據(jù)進行傳輸和編輯。雙擊執(zhí)行圖標后，就會出現(xiàn)程序的主界面，其主界面如圖2所示。

控制軟件的主界面可以分為幾個區(qū)域模塊，有菜單控制模塊，速度控制模塊，同步選擇控制，舵機微調(diào)控制模塊(即17個滑動塊所組成的區(qū)域)，運動數(shù)據(jù)顯示模塊以及功能控制模塊等。我們可以看到CH4為機器人的頭，CH1、CH2、CH3為機器人的左胳膊，而CH4、CH6、CH7為機器人的右胳膊，CH8-CH12是機器人的左腿，CH13-CH17是機器人的右腿。我們可以根據(jù)具體想要完成的動作來拉動各個舵機對應(yīng)的拉條從而改變舵機的角度來實現(xiàn)機器人的動作。

2.4數(shù)據(jù)傳輸

可采用有線和無線兩種方式(由控制板的兩個雙向開關(guān)進行模式轉(zhuǎn)換)，有線采用專用下載線與串口連接，下載數(shù)據(jù)。無線采用專用發(fā)射盒(最大有效距離50米)與機器人進行數(shù)據(jù)傳輸。

3雙足機器人遠程控制平臺

3.1系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)雙足機器人的遠程控制。用戶只要能夠登錄Internet，就能夠輕松實現(xiàn)雙足機器人的遠程操作。

3.2系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)(軟件部分)包括：

專用數(shù)據(jù)庫(sql Server2005)；

客戶端軟件(包括1.遠程控制傳輸軟件2.機器人控制軟件)；

服務(wù)器端軟件。

3.3系統(tǒng)需求

操作系統(tǒng)：Windows XP、Windows 2000 Server、Windows 2003 Serven；

系統(tǒng)平臺：Net Framework 2.0：

數(shù)據(jù)庫平臺：Microsoft SQL Server 2005(僅服務(wù)器端需要)：

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4機器人相關(guān)實驗

(1)典型控制芯片——ARM、PIC單片機編程

(2)常用傳感器

(3)電機控制

(4)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與認識

(5)簡單動作調(diào)試

(6)動作數(shù)據(jù)編程

(7)上位機編程

(8)串口數(shù)據(jù)通信

(9)機器人動力學(xué)建模

(10)多智能體協(xié)調(diào)控制

(11)復(fù)雜動作

(12)語音交互控制程序

5情感交互機器人

現(xiàn)在大多數(shù)的機器人是作為一種具有特殊功能的工具，其功能比較單一，與人類沒有情感上的交互。具有情感交互的表情機器人可以廣泛應(yīng)用于家庭服務(wù)、病人護理、助老助殘、導(dǎo)購導(dǎo)游、表演、機器人玩具、機器人寵物等人們的日常生活中。

5.1相關(guān)研究

目前，情感機器人的研究主要在美國、日本和歐盟的一些大學(xué)和研究所，我國的哈爾濱工業(yè)大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)也作了一些相關(guān)的研究，下面是比較有代表性的研究成果。

美國麻省理工學(xué)院(MIT)人工智能實驗室的Cynthia，

Breazeal研發(fā)了一個名為“Kismet”的表情機器人；日本早稻田大學(xué)理工學(xué)部高西研究室從1996年起研發(fā)出名為WE-R的一系列機器人(共四臺)，在2002年橫濱的機器人展會中，東京理科大學(xué)的展臺上坐著一個身穿白色連衣裙的姑娘，長頭發(fā)大眼睛，她就是小林研究室郁雄原教授開發(fā)的機器人SAYA；德國凱澤斯勞滕大學(xué)啟動了一個仿人頭的項目；來自歐盟6個國家的25名科學(xué)家目前正在英國赫特福德大學(xué)研究開發(fā)能夠同人類進行感情交流的機器人；哈爾濱工業(yè)大學(xué)院士蔡鶴皋教授和吳偉國博士在1996年研制了具有講演技能的仿人演講機器人；吳偉國教授于2004年在國內(nèi)首次研制成功了具有八種面部表情的仿人頭像機器人H&F Robot2I；哈爾濱理工大學(xué)智能機械研究所張永德教授設(shè)計了一種仿人機器人頭。

5.2 情感機器人平臺

本研究設(shè)計了一個具有面部表情的情感機械頭，用以研究和開發(fā)能夠通過表情、計算機視覺、語音等方式與人類自然交流。該機器人系統(tǒng)有機械、電控、上位機三部分組成，主要應(yīng)用了語音識別技術(shù)、語音合成技術(shù)、圖像識別技術(shù)、電機控制技術(shù)、計算機通信技術(shù)、單片機應(yīng)用技術(shù)、機械設(shè)計技術(shù)、材料成型技術(shù)，涉及到信息、機械、材料、美學(xué)等多個學(xué)科。情感機械頭的機械設(shè)計是參照成年男性頭部，以1:1的比例進行設(shè)計，有12個自由度。以Ekman和Friesen的FACS分類方法為理論基礎(chǔ)，參考人類面部表情肌的分布和運動，設(shè)計了眉毛、上下眼瞼、眼球、嘴、下顎、頸部等六個運動模塊。由運動模塊參照FACS里面的特征點運動合成機器人的面部表情。

5.3實驗結(jié)果與分析

為了對機器人的情感表達作出評估，在第二屆北京國際科技文化創(chuàng)意博覽會上作了一項調(diào)查。將仿人機器人頭部安裝一個仿人的身體軀干上，為機器人增加了上肢動作。機器人的實際照片如圖4和圖5所示。對機器人的招手、微笑、驚訝、憤怒、眨眼、點頭、握手、提拐杖、擺臂、語言對話、外貌、恐懼、友善等13項表現(xiàn)，讓觀眾現(xiàn)場打分，分值從1至10不等，分值越高代表與人的相似度越高，分值越低代表與人的相似度越低。一共收回62份調(diào)查表，通過統(tǒng)計得到如圖6所示的調(diào)查結(jié)果。圖標的橫坐標代表從招手到友善等13項被調(diào)查項，縱坐標代表各個單項的平均得分。外貌得分最高為9.2，其他的有5項得分介于8與9之間，有7項得分在7與8之間。這些數(shù)據(jù)為今后所要做的工作和要提高的地方提供了依據(jù)。

6結(jié)束語

以上兩種教學(xué)和科研平臺在國內(nèi)部分高校已經(jīng)得到應(yīng)用和實踐，并取得很好的教學(xué)和科研效果。這兩種試驗平臺接口具有開放性，為二次開發(fā)提供了有利的條件和方便之處。