機器人舞蹈淺議

李 菁 彭 華 周昌樂

機器人舞蹈淺議

李 菁 彭 華 周昌樂

舞蹈，作為一種社會文化形態，同時也是一種以豐富的肢體語言所呈現的動覺藝術。在人類社會中，舞蹈貫穿于整個人類文明之中，在運動、社交、求偶、祭祀、禮儀等各個方面起著無可替代的作用。不同的地域、民族以及文化衍生出各種各樣的舞蹈種類與形式，無一不體現著人類對其涉身環境的認識與探索。從本質上來看，舞蹈是一系列變化的人體動作姿態，它以這些動作姿態來表現人類的情感乃至整個精神世界，用動作姿態來展現它所要展現的一切。

而機器人，則是一種具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機器。一方面來說，機器人把人類從單調的、重復性的勞作中解放出來，大大提高了生產效率；另一方面，機器人替代人類在不適宜人類活動的環境之中工作，拓寬了人類的活動范圍（如深海、外星球等）；更重要的是，機器人作為一種高度智能體已經融入人類社會，使其變成了一個人—機器人共存的混合社會，并在其中的各個領域（如遠程醫療、軍事國防、家庭娛樂等）發揮著不可估量的巨大作用。

作為上述兩者的結合，機器人舞蹈有機地連接了屬于自然科學的機器人學與屬于社會科學的舞蹈學，成為了一個極具吸引力的交叉學科下的研究方向。盡管國內也開始重視機器人技術的研究與發展，但對于機器人舞蹈方面的研究仍缺乏關注且鮮有好的成果。

一、定義與現狀

嚴格來說，機器人舞蹈是以機器人作為載體，以舞蹈作為蘊含內容的一種藝術表現形式。從審美角度來看，它是通過靈活的動作語言來表現舞蹈內容，以人工情感來展現舞蹈精髓，以機器造型來塑造舞蹈形象，并以動律節奏來呈現舞蹈韻律，最終所形成的一種特殊的藝術文化形態。下面分別從舞蹈機器人、機器人表演的舞蹈種類、機器人舞蹈研究的方向等方面進行闡述。

盡管“機器人”這個名詞中使用了“人”，然而并不意味著機器人一定以人的形態存在，常見的機器人形態包括：雙足類人機器人（Biped humanoid robot）、輪式類人機器人（Wheeled humanoid robot）、仿生機器人（Biorobotics）、車式機器人（Vehicle-like robot）、外骨骼機器人（Exoskeleton robot）等，它們都可以作為機器人舞蹈的載體而對其進行研究。其中，由于雙足類人機器人（如NAO、ASIMO、HRP等）與人的相似性最高，使用它來研究人的舞蹈顯然是最自然的一種方式；而輪式類人機器人（如Mr DancerR、PBDR）的上肢與人相似，其下肢則使用履帶或輪子以簡化其平衡控制，這有助于研究特定的一些舞蹈；仿生機器人（如Biomimetic honeybee robot）是模仿了某種特定生物的機器人，利用它可以便于研究該生物的舞蹈行為；車式機器人（如MIURO、E-puck等）則通過其在二維平面上的路徑及其運動特征（如地面上的加速、減速、轉彎等運動）來表現其舞蹈動作；外骨骼機器人是一種人可以穿戴的機器人，通過與人的動作融合來體現整個舞蹈行為。

如今，在人類社會中的許多舞種已經被作為機器人舞蹈的研究對象所涉及。以華爾茲為典型代表的交誼舞，已經能夠通過人與舞伴機器人（如：Mr DancerR、PBDR）的協作很好地表演出來。借助觸覺傳感器，舞伴機器人可以智能地感知人的意圖而選擇合適的舞步與人相配合。以拉班運動分析（Laban Movement Analysis）為方法，通過使用Spider Crab機器人所構建的系統能夠較好地完成其與人類舞者的現代舞表演。該系統通過視覺傳感器感知綁定在人類舞者手腕上的標記，從而理解人的運動，并讓Spider Crab以合適的模式響應著這些運動；而參與表演的人類舞者覺得該機器人更像是具有人類個性的一個真實舞伴。另外，肚皮舞作為一種東方舞蹈，如能讓機器人來表演將令人著迷。韓國的Jimmy Or發現七鰓鰻的節奏性運動與肚皮舞非常類似，因此為類人機器人設計了一種靈活的脊柱運動機制來讓機器人（WBD）表演肚皮舞。而英國的藝術家Giles Walker所設計的類人機器人（robot pole dancers）能夠通過性感地擺動它的臀部來展現鋼管舞的魅力。此外，在對人類舞者所表演的街舞進行觀察后，日本的Kuniya Shinozaki等人從中提取了60個典型的街舞動作，并利用機器人動作生成軟件，生成對應動作，然后通過隨機連接若干個街舞動作讓Tai-Chi機器人來表演街舞。

縱觀機器人舞蹈的研究現狀，主要的研究方向包括：預編程機器人舞蹈、合作式人-機器人舞蹈、模仿人類舞蹈動作、舞蹈與音樂同步以及舞蹈自主創作。預編程機器人舞蹈利用某種軟件工具（如：Choreographe、Choreonoid等）將設計好的舞蹈動作預先編程進機器人硬件設備中，再在合適的時候讓機器人舞蹈表演出來。由此可見，這種方式的智能水平不高，重復性的表演將導致人們興趣的減弱乃至喪失。而后面四個研究方向均利用了智能化的方法對機器人舞蹈進行了研究。合作式人—機器人舞蹈，顧名思義，是機器人與人通過合作共同來完成的一種舞蹈表演。機器人通過一些傳感器（如視覺、聽覺、觸覺等）來感知人的運動以及人的意圖，并根據某種策略來執行特定的舞蹈動作以配合人類舞者。而人類舞者在觀察到機器人的舞蹈動作后主觀地進一步決定后一階段的舞蹈動作。人-機器人間通過這種周而復始的雙向信息交流構成了合作式的舞蹈，所有的這些感知、決策以及執行全是以實時的方式完成，因此具有較高的智能性。

人類的學習都是通過模仿開始的，對機器人也是如此。通過對人類舞者的舞蹈動作的觀察，將其重現在機器人身上是一個令人著迷的事情。利用運動捕獲系統（Motion Capture System）或深度傳感器（Kinect等）可以有效地提取人類舞者舞蹈運動的軌跡及關節數據，再通過一些演示學習方法以及重定位技術，可以方便地將這些軌跡及關節數據轉換至機器人硬件平臺。這樣，機器人就可以完成對人類舞者動作的模仿。

在人類社會中，舞蹈與音樂是相輔相成，互為補充，不可分割的。因此，只有讓機器人舞蹈動作和諧地同步于音樂，整個機器人舞蹈才會令人滿意。盡管音樂包含有很多特征，如：節拍、拍速、節奏、曲式、調式等，目前用在機器人舞蹈與音樂同步中的音樂特征僅有3個：節拍、拍速和節奏。通過設計音樂節拍追蹤算法來預測音樂中下一節拍以及下一節拍間隔，再合理的把預定義的舞蹈動作進行安排，使其開始于音樂的下一節拍并在下一節拍間隔中結束，從而完成機器人舞蹈與音樂節拍和拍速的同步。另外，在對音樂節奏特征以及舞蹈動作節奏特征進行分析的基礎上，可以按照音樂的順序（看作音樂節奏的一個序列），挑出一個與音樂節奏特征最匹配的機器人舞蹈動作序列，從而完成機器人舞蹈與音樂節奏的同步。

對于舞蹈自主創作而言，它強調了機器人借助自身智能自主地創作出美的機器人舞蹈（編舞）。機器人舞蹈被看作為一個由舞蹈姿態或舞蹈動作所組成的序列，其舞蹈創作則需要根據某種策略來決定這個序列的構成。理想上來說，完美的機器人舞蹈需要同時具備三個條件：（1）保持人類舞蹈的特征；（2）具有創新性；（3）符合人類的審美。然而不幸的是，由于（1）與（2）是相互矛盾的，并且舞蹈審美具有主觀性特征，導致上述三個條件很難同時滿足。盡管如此，許多的智能化方法仍被用于機器人舞蹈自主創作中。雖然所創作的機器人舞蹈效果算不上完美，但仍然是較好的。

二、機器人舞蹈的研究意義

對于人類社會來說，機器人舞蹈具有重要的社會性作用：

（一）它是一種社會交互式行為

隨著人類社會向人-機器人混合社會的演變，人和機器人之間的交互越來越多，機器人舞蹈僅僅是眾多的社會交互式行為中的一種。從本質上來說，機器人舞蹈與其他的社會交互式行為并沒有什么不同。機器人通過傳感器感知人的活動與意圖，人則根據機器人的行為作出反饋，兩者共同構成了一個完整的人-機器人交互。

（二）它是機器人用肢體語言表達其情感和意圖的一種方式

人類舞蹈作為一種肢體語言，通過舞蹈姿態與造型、舞蹈動作的變化與組合、舞蹈圖式的刻畫等方面來表現舞蹈創作者的情感與意圖。盡管存在著載體上的差異，機器人舞蹈也是一種非言說的通信方式，也可以通過構建其舞姿、舞蹈動作及舞蹈圖式來展現機器人自身的情感和意圖，這也是機器情感與機器意識所關注的內容。

（三）它是一種治療各種心理疾病的有效手段

在人類社會中，先天性疾病、不斷增長的外在壓力以及環境因素，給人們的心理產生了不同程度的影響，很容易出現各種各樣的心理疾病，如：自閉癥、發育障礙、注意力缺陷、認知障礙等。機器人舞蹈是一種已經被驗證的、行之有效的治療手段。以治療自閉癥的孩子為例，盡管他們拒絕其他人進入其內心世界，但當他們與機器人進行舞蹈交互時卻表現出了較好的交互意愿，這對改善其病癥是具有積極的意義。

（四）它作為一種娛樂方式豐富著人們日益增長的精神文化需要

機器人已不再像以前那樣僅存在于科學幻想中，已經真真切切影響著我們的生活。在不久的將來，機器人也會像日用品一樣進入人們的家庭之中。隨著現代物質生活水平的進一步提高，人們對精神文化也提出了更高的要求。在娛樂方面，觀賞機器人舞蹈甚至于與機器人一起舞蹈可以極大地豐富和滿足人們精神文化的需要，這也是人-機器人混合社會中一種必然的趨勢。

（五）它的存在有助于人類舞蹈文化的保護與傳承

在人類璀璨的文化歷史長河中，存在著許許多多瑰麗的舞蹈文化。然而，有一部分舞蹈文化卻由于其傳承人的逝去而滅絕。以機器人科學與技術為支撐，利用機器學習、計算智能等方法，可以有效發展機器人的學習和模仿能力，使得它們對舞蹈學習掌握的周期要比人類舞者更短。因此，機器人舞蹈的存在將更加有利于瀕臨滅絕的舞蹈文化繼續生存，實現對人類舞蹈文化的保護與傳承。

三、結論

自從舞蹈學與機器人學相結合的第一天起，機器人舞蹈就顯現了強烈的生命力。本文從人文社會科學的角度對機器人舞蹈的研究背景、概念定義、研究現狀以及研究意義進行了闡述。作為一個新興的交叉學科研究方向，機器人舞蹈在自然科學研究中獲得了越來越多的關注，盡管在目前社會科學研究中出現得極少，但由于其重要的社會性作用以及對舞蹈學的推動作用，相信在未來會逐漸得到重視。這也是本文的意圖所在。

＊ 本文系國家重點基礎研究發展計劃（973）項目（2013CB329502），國家自然科學基金面上項目（61273338），國家社會科學基金重大項目（11＆ZD088）階段性成果。

李 菁：吉首大學音樂舞蹈學院副教授

彭 華：廈門大學智能科學與技術系博士研究生，吉首大學信息科學與工程學院講師周昌樂：廈門大學智能科學與技術系教授