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机器人头部机构与控制系统的研究

作　者: 孙中远
导　师: 李瑞峰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 仿人机器人 面部表情 表情再现 人工情感 表情识别
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着智能服务机器人的不断发展,具有人机交互功能的机器人将是未来服务机器人重要的发展的方向之一。基于表情识别与再现的人机交互技术已成为研究的热点,表情交流在服务机器人人机交互方式中起着不可代替的作用。因此服务机器人具备面部表情功能,对实现智能化,情感化和人性化的人机交互有着重大意义。本文设计并研制了具有表情再现功能的机器人头部系统,该系统由仿人机器头部本体、图像采集设备、表情及面部器官控制系统等部分组成。通过头部控制系统,头部器官和表情控制点准确、迅速地运动到指定的位置,实现多种表情,表达机器人内在的情感状态,最终使机器人能通过丰富生动的表情与人进行自然流畅的情感交流。本文首先从人类的心理学与解剖学角度,详细地阐述了人类面部表情和头部器官的运动机理,并根据E-kman的面部动作编码系统(FACS)提出了机器人头部与面部表情机构的设计方法。在表情再现部分,本文根据表情特征及表情特征点偏移量等概念,抽取出实现表情的9个表情特征控制点,并基于情感空间分布理论,得到了实现机器人六种基本表情的方法。本文选择以舵机为驱动装置,以摆动导杆机构为传动机构,完成了具有13自由度的机器人头部机构设计,它包括眼睛、眉毛、眼睑、下颚四个运动模块。在Catia环境下进行三维建模,并完成样机的加工与装配。控制系统设计部分,以ATmega8L为主要控制芯片。硬件设计包括电源、串口通信和13路PWM控制电路。软件设计采用基于C语言编程的ICC AVR开发环境,利用单片机定时器、中断等功能,结合机器人表情再现的方法,完成13路PWM信号控制的程序设计,实现机器人的六种基本表情。实验部分通过机器人头部器官动作及6种基本表情再现实验,验证该系统头部器官动作的可靠性,并验证基于表情特征偏移量理论的表情再现方法的有效性与正确性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 课题来源及研究目的和意义  9-10
    1.1.1 课题来源及研究目的  9
    1.1.2 课题的研究意义  9-10
  1.2 国内外表情机器人的研究现状及分析  10-13
    1.2.1 国外表情机器人的研究现状及分析  10-12
    1.2.2 国内表情机器人的研究现状及分析  12-13
  1.3 人类面部表情理论研究现状  13-17
    1.3.1 表情特征变量及表情特偏移量  14-15
    1.3.2 情感状态的概率空间  15-17
  1.4 本文工作的研究内容  17-18
第2章 面部表情分析与机器人表情再现模型  18-28
  2.1 人脸面部表情与头部器官生理学分析  18-23
    2.1.1 人脸面部表情生理学分析  18-19
    2.1.2 头部运动和面部器官运动生理学分析  19-21
    2.1.3 人类面部基本表情分析  21
    2.1.4 机器人面部表情机构的实现方法  21-23
  2.2 基于表情特征点偏移量的表情再现模型  23-27
    2.2.1 表情特征点的提取  23-24
    2.2.2 表情特征点偏移量及偏移系数概念的提取  24-25
    2.2.3 机器人基本表情的再现方法  25-26
    2.2.4 基于情感能量理论的表情再现模型  26-27
  2.3 本章小结  27-28
第3章 机器人头部机构及控制系统的研制  28-49
  3.1 机器人头部系统的组成  28
  3.2 机器人头部结构设计  28-37
    3.2.1 面部皮肤与面部表情机构  29-30
    3.2.2 面部器官运动机构  30-32
    3.2.3 头部机构各运动模块的运动学分析  32-36
    3.2.4 材料的选择  36-37
  3.3 机器人头部控制系统硬件设计  37-42
    3.3.1 驱动装置舵机的控制原理  37-38
    3.3.2 控制系统的芯片选择设计  38-39
    3.3.3 控制芯片外围电路设计  39-42
  3.4 机器人头部控制系统软件设计  42-48
    3.4.1 13 路PWM 信号产生的算法  43-46
    3.4.2 机器人头部控制系统控制界面  46-48
  3.5 本章小结  48-49
第4章 机器人头部系统研制与实验结果  49-53
  4.1 机器人头部系统研制  49
  4.2 机器人头部系统调试及实验结果  49-52
    4.2.1 头部器官动作实验结果  50-51
    4.2.2 面部表情特征控制点动作实验结果  51-52
    4.2.3 基本表情再现实验结果  52
  4.3 本章小结  52-53
结论  53-54
参考文献  54-57
攻读学位期间发表的学术论文  57-59
致谢  59

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 智能机器人
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