仿人表情機器人頭部系統設計

許向榮，宋現春，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新技術重點實驗室，山東濟南250100）

仿人表情機器人頭部系統設計

許向榮1，2，宋現春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新技術重點實驗室，山東濟南250100）

隨著人工智能技術的不斷發展，具有人機交互功能的智能服務機器人已經成為機器人研究領域一個重要的發展方向，具有表情識別與再現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，基于機械設計、傳感器技術、電機控制、人工智能以及三維造型等技術對具有表情再現功能的機器人頭部機械結構、控制系統及軟件系統進行了研究與設計。通過對頭部系統的控制與設計，該機器人的頭部各器官及其相應的表情控制點可以迅速、精確地到達預定的位置，從而實現各種情感的表達。

仿人；表情機器人；頭部系統；舵機；控制系統

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，家庭智能服務機器人則應運而生［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注。

在仿人表情機器人的研究領域，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設計開發了嬰兒看護機器人＂Kismet＂的頭部，能夠依據眼睛所看到的、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·漢森研究了K-bot女性機器人，可以表達女性面部的復雜表情［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在此基礎上又增加了心理狀態模型，能夠更加接近人類的情感表達［5］。此外，Miwa H.等設計開發了仿人表情機器人SAYA，它可以識別觀察者所表達的某種情緒，表達出與之相應的表情［6］。在國內，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構和控制系統進行了設計，并研制了樣機SHFR-1，可以較好地實現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狀及關鍵技術進行了研究，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進行了優化設計，該機構采用4個自由度的并聯結構，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:頭部各器官的結構設計復雜，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設計，其外觀尺寸類人，實現了雙眼及眼瞼的相互獨立運動。通過頭部控制系統，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構簡單、易于控制、成本低廉的特點。

1 表情特征分析與定義

設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），為了降低頭部結構的復雜程度，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 頭部機構器官的特征描述

1.2 表情定義

文章所設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，眉毛內側上揚，嘴巴張大等。

2 頭部機構設計

2.1 頭部系統面部機構的實現方法

為了更加逼近人類的面部表情，所設計的表情機器人應該具有與人類相似的面部結構，如眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴等表情器官。因此，其頭部系統的面部機構的實現方法如下:在其面部肌膚上設計與該單元對應的表情控制點，然后采用驅動機構，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，實現各種面部表情。

該機器人的頭部系統要求能夠完成見表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 表情機器人各機構的動作

2.2 機械結構總體方案

經過查閱文獻，確定了頭部系統機械結構的總體方案為:

該頭部系統主要包括眉毛、眼睛、眼瞼、下頜、頸部五個部分。由于眉毛和眼瞼是軟質結構，無法直接設計，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，完成預期的動作；眼睛的設計雖然比較簡單，但是要實現眼睛的轉動，必須考慮制作一個組合件，來完成眼睛的轉動功能；下頜直接借鑒人的下頜形狀，配以合適的驅動裝置即可實現；由于頸部主要用于轉動和支撐頭部，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，根據要求設計各個部分的尺寸，形成總體的外形。

2.3 眼眉結構設計

眉毛采用軟質材料，采用桿狀的結構在其背面塑形，桿狀結構與表情控制點相連，用電機控制。當表情變化時，只需控制桿件結構做出簡單的移動，帶動這種軟質的材料變形，達到目的。如圖2所示，機器人的每個眼眉都通過1套曲柄導桿機構進行控制，每套機構由驅動舵機、曲柄機構、導桿機構及支撐擺桿四個部分組成。曲柄由舵機驅動其轉動，然后通過曲柄上的滑銷驅動導桿繞與其固結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 眼眉驅動機構圖

2.4 眼球結構設計

人類的眼球形狀其實為一橢圓球，但為了比較真實地再現眼球的運動，將眼球設計為球體，其運動機構如圖3所示，它包括曲柄導桿機構和球鉸機構兩部分。為了實現兩只眼球相互獨立的運動，包括上下、左右運動，文章采用曲柄導桿機構實現滑環的轉動，然后通過滑軌帶動嵌入在滑環槽內的球鉸柄一起擺動，從而使眼球實現上下轉動。同理，眼球的俯仰運動也是一樣的。兩眼球的獨立運動，由兩個舵機分別驅動兩個眼球來實現其左右、俯仰轉動。

圖3 眼球運動機構圖

2.5 眼瞼結構設計

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類似的曲柄導桿機構?？紤]到眼瞼眨眼的運動速度非?？欤s0.3 s），所以在眼瞼結構設計中，忽略了下眼瞼機構，將眼瞼僅設計為單眼瞼結構。

2.6 嘴部結構設計

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節連接，并繞著該關節上下轉動，實現嘴的張開和閉合運動。因此，文章只設計了下頜機構，通過舵機驅動其實現0～45°的擺動，完成嘴的張開和閉合的動作。嘴部結構如圖4所示。

2.7 頭部機械總體結構

在正確選擇電機后，根據要求設計各個部分的尺寸，形成總體結構，如圖5所示。文章設計了兩個安裝座，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。

圖4 下頜運動機構三維模型圖

圖5 頭部結構裝配圖

3 頭部控制系統設計

機器人頭部控制系統的總體框圖，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，頭部左右轉動選擇電機進行控制。

圖6 頭部控制系統總體框圖

3.1 控制系統方案

文章選擇51系列的80C51單片機來實現整個系統的控制，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，分別實現眉毛連接件的向上（電機正轉）、向下運動（電機反轉），眼瞼的開合，眼睛的左右轉動、上下轉動，下巴的開合，低頭、抬頭，如圖7（a）所示；采用專用的驅動芯片L298控制直流電機驅動頭部做左右轉動，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個電機的運行狀態及系統的上電狀態，如圖7（d）所示。

3.2 軟件系統設計

表情機器人的軟件系統程序基于Keil C51軟件開發系統，主程序框圖如圖8所示，主要包括以下幾個模塊:系統程序模塊，命令輸入模塊以及系統運行模塊三個部分。

其中，系統程序模塊主要完成I／O口及參數的設置，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。系統在單片機復位開始運行后，根據6個不同按鍵完成不同的動作，其中各按鍵對應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。系統運行模塊主要完成舵機，步進電機等的程序控制。

4 結語

文章對仿人表情機器人頭部系統進行了設計，包括眼眉結構、眼球結構、眼瞼結構以及嘴部結構的設計，分別實現眨眼、閉眼、揚眉、眼球的左右、俯仰轉動、嘴巴的開合以及整個頭部的轉動和點頭等運動，表達高興、憤怒、討厭、悲哀及驚訝等表情，尤其改進了現有的眼部機構，實現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和軟件系統設計，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，為設計仿人表情機器人提供了一定的理論基礎。

圖7 頭部系統控制方案圖

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計等方面的研究.E-mail:xt7875＠163.com.