許向榮，宋現(xiàn)春，林儀彪

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南，250101；2.山東省高校機械工程創(chuàng)新技術(shù)重點實驗室，山東濟南250100）

仿人表情機器人頭部系統(tǒng)設(shè)計

許向榮1，2，宋現(xiàn)春1，2，林儀彪1，2

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南，250101；2.山東省高校機械工程創(chuàng)新技術(shù)重點實驗室，山東濟南250100）

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

仿人；表情機器人；頭部系統(tǒng)；舵機；控制系統(tǒng)

0 引言

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

在仿人表情機器人的研究領(lǐng)域，國外日本、美國的大學和科研院所開展較早，且研究成果顯著。Bartne設(shè)計開發(fā)了嬰兒看護機器人＂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嬰兒的各種表情［3］。大衛(wèi)·漢森研究了K-bot女性機器人，可以表達女性面部的復(fù)雜表情［4］。日本早稻田大學理工學部高西研究室從1996年起就研發(fā)出WE-R系列機器人，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［5］。此外，Miwa H.等設(shè)計開發(fā)了仿人表情機器人SAYA，它可以識別觀察者所表達的某種情緒，表達出與之相應(yīng)的表情［6］。在國內(nèi)，仿人表情機器人的研究還處于起步階段，其中以蔡鶴皋和吳偉國研究的仿人機器人最具代表性。自1996年開始，他們先后研發(fā)出了仿人演講機器人和H＆FRobot系列仿人頭像機器人，能夠表達多種面部表情，具有表情識別與再現(xiàn)機能及初步的人機交互能力［7-8］?？嘛@信等對仿人面部表情機器人的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，并研制了樣機SHFR-1，可以較好地實現(xiàn)6種基本表情［9-12］。之后，又對仿人情感交互表情機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，對今后的研究方向提出了幾點看法［13］。趙巖青等對面部表情機器人的眉毛機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，該機構(gòu)采用4個自由度的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有運動靈活，髙擬人化的特點［14］。

綜上所述，目前表情機器人的研究存在以下不足:頭部各器官的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，不易控制，成本較高，且不夠逼真；此外，機器人雙眼球、眼瞼的動作，如上下、左右及開合等都同步，而非獨立。因此，針對以上不足，文章進行了仿人表情機器人的頭部系統(tǒng)設(shè)計，其外觀尺寸類人，實現(xiàn)了雙眼及眼瞼的相互獨立運動。通過頭部控制系統(tǒng)，使頭部各器官能夠快速、準確地到達指定的位置，以表達豐富生動的情感，達到與人類進行自然流暢交流的目的。該表情機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、成本低廉的特點。

1 表情特征分析與定義

設(shè)計仿人表情機器人之前，首先要對人類的面部表情和頭部運動進行生理學分析。

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的位移，通常采用提取表情特征點的方法來代替控制表情控制點的位移，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，表情機器人的大部分面部表情都可以通過眉毛、眼睛、嘴巴等6個表情特征點的相對位移變化來描述，從而實現(xiàn)面部表情特征的提取。

圖1 面部表情特征點圖

表1 頭部機構(gòu)器官的特征描述

1.2 表情定義

文章所設(shè)計的表情機器人的表情動作如下:

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

2 頭部機構(gòu)設(shè)計

2.1 頭部系統(tǒng)面部機構(gòu)的實現(xiàn)方法

為了更加逼近人類的面部表情，所設(shè)計的表情機器人應(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)的面部機構(gòu)的實現(xiàn)方法如下:在其面部肌膚上設(shè)計與該單元對應(yīng)的表情控制點，然后采用驅(qū)動機構(gòu)，如電機或舵機，控制這些表情控制點，通過它們的位移變化組合，實現(xiàn)各種面部表情。

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

表2 表情機器人各機構(gòu)的動作

2.2 機械結(jié)構(gòu)總體方案

經(jīng)過查閱文獻，確定了頭部系統(tǒng)機械結(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、頸部五個部分。由于眉毛和眼瞼是軟質(zhì)結(jié)構(gòu)，無法直接設(shè)計，因此將眉毛、眼瞼粘貼在桿件上，利用桿件的運動帶動眉毛形變、眼瞼移動，完成預(yù)期的動作；眼睛的設(shè)計雖然比較簡單，但是要實現(xiàn)眼睛的轉(zhuǎn)動，必須考慮制作一個組合件，來完成眼睛的轉(zhuǎn)動功能；下頜直接借鑒人的下頜形狀，配以合適的驅(qū)動裝置即可實現(xiàn)；由于頸部主要用于轉(zhuǎn)動和支撐頭部，因此采用鋼作材料比較合適。在正確選擇電機后即可通過電機的尺寸，根據(jù)要求設(shè)計各個部分的尺寸，形成總體的外形。

2.3 眼眉結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)與表情控制點相連，用電機控制。當表情變化時，只需控制桿件結(jié)構(gòu)做出簡單的移動，帶動這種軟質(zhì)的材料變形，達到目的。如圖2所示，機器人的每個眼眉都通過1套曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)進行控制，每套機構(gòu)由驅(qū)動舵機、曲柄機構(gòu)、導(dǎo)桿機構(gòu)及支撐擺桿四個部分組成。曲柄由舵機驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，然后通過曲柄上的滑銷驅(qū)動導(dǎo)桿繞與其固結(jié)在一起的軸進行擺動，進而使支撐擺桿帶動眼眉控制點運動，從而完成眼眉的上下運動。

圖2 眼眉驅(qū)動機構(gòu)圖

2.4 眼球結(jié)構(gòu)設(shè)計

人類的眼球形狀其實為一橢圓球，但為了比較真實地再現(xiàn)眼球的運動，將眼球設(shè)計為球體，其運動機構(gòu)如圖3所示，它包括曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)和球鉸機構(gòu)兩部分。為了實現(xiàn)兩只眼球相互獨立的運動，包括上下、左右運動，文章采用曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)實現(xiàn)滑環(huán)的轉(zhuǎn)動，然后通過滑軌帶動嵌入在滑環(huán)槽內(nèi)的球鉸柄一起擺動，從而使眼球?qū)崿F(xiàn)上下轉(zhuǎn)動。同理，眼球的俯仰運動也是一樣的。兩眼球的獨立運動，由兩個舵機分別驅(qū)動兩個眼球來實現(xiàn)其左右、俯仰轉(zhuǎn)動。

圖3 眼球運動機構(gòu)圖

2.5 眼瞼結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

2.6 嘴部結(jié)構(gòu)設(shè)計

分析人類的嘴部特點可知，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，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，實現(xiàn)嘴的張開和閉合運動。因此，文章只設(shè)計了下頜機構(gòu)，通過舵機驅(qū)動其實現(xiàn)0～45°的擺動，完成嘴的張開和閉合的動作。嘴部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.7 頭部機械總體結(jié)構(gòu)

在正確選擇電機后，根據(jù)要求設(shè)計各個部分的尺寸，形成總體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。文章設(shè)計了兩個安裝座，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頭部機構(gòu)。

圖4 下頜運動機構(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

機器人頭部控制系統(tǒng)的總體框圖，如圖6所示，眼瞼、眉毛、眼睛、嘴巴、下顎、點頭動作選用舵機進行控制，頭部左右轉(zhuǎn)動選擇電機進行控制。

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單片機來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制，其控制方法如圖7所示。采用單片機的P1.0～P1.5分別控制6個舵機，分別實現(xiàn)眉毛連接件的向上（電機正轉(zhuǎn)）、向下運動（電機反轉(zhuǎn)），眼瞼的開合，眼睛的左右轉(zhuǎn)動、上下轉(zhuǎn)動，下巴的開合，低頭、抬頭，如圖7（a）所示；采用專用的驅(qū)動芯片L298控制直流電機驅(qū)動頭部做左右轉(zhuǎn)動，如圖7（b）所示；采用單片機的P2.0～P2.6分別控制7個電機的啟動與停止，如圖7（c）所示。采用單片機的P0.0～P0.6分別顯示7個電機的運行狀態(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

表情機器人的軟件系統(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，主要包括以下幾個模塊:系統(tǒng)程序模塊，命令輸入模塊以及系統(tǒng)運行模塊三個部分。

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延時等功能。命令輸入模塊主要完成不同表情動作的按鍵控制。系統(tǒng)在單片機復(fù)位開始運行后，根據(jù)6個不同按鍵完成不同的動作，其中各按鍵對應(yīng)的機器人表情動作定義如下:k1:搖頭動作；k2:點頭動作；k3:張嘴動作；k4:眼球上下動作；k5:左眼左右動作；k6:右眼左右動作。系統(tǒng)運行模塊主要完成舵機，步進電機等的程序控制。

4 結(jié)語

文章對仿人表情機器人頭部系統(tǒng)進行了設(shè)計，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，分別實現(xiàn)眨眼、閉眼、揚眉、眼球的左右、俯仰轉(zhuǎn)動、嘴巴的開合以及整個頭部的轉(zhuǎn)動和點頭等運動，表達高興、憤怒、討厭、悲哀及驚訝等表情，尤其改進了現(xiàn)有的眼部機構(gòu)，實現(xiàn)了機器人的雙眼及眼瞼的相互獨立運動?；?1單片機進行了頭部的控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計，可以使頭部器官快速、準確地到達指定的位置，達到了簡單實用、成本低廉的目的，為設(shè)計仿人表情機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

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（責任編輯：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，主要從事機電精密測控及機器人設(shè)計等方面的研究.E-mail:xt7875＠163.com.