一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人及其数学建模方法与控制方法技术

一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人及其数学建模方法与控制方法，本发明专利技术涉及脸型和面部器官可变的仿人头像机器人及其数学建模方法与控制方法。本发明专利技术是要解决现有仿人头像机器人脸型及面部器官固定从而无法实现不同脸部形貌的问题。仿人头像机器人包括脸型可变机构、面部器官可变机构与弹性面部皮肤；脸型和面部器官可变的仿人头像机器人数学建模方法如下：一、脸型可变的仿人头像机器人数学建模方法；二、面部器官位置数学模型建立方法。选取脸型、面部器官特征点，根据不同模型参数表示不同脸型与面部器官位置，脸型、面部器官可变机构驱动弹性面部皮肤驱动点产生位移，改变面部皮肤外轮廓形状及面部器官位置。属于机器人应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人及其数学建模方法与控制方法
本专利技术涉及一种仿人头像机器人，具体涉及一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人及其数学建模方法与控制方法，属于机器人应用领域。
技术介绍
随着科技的进步，对于机器人的研究正朝着个性化、智能化、情感化的方向发展，机器人参与人类的生活、学习，并与人类和谐的共存，仿人头像机器人具有与人类相似的面部形态和功能，能够促进机器人和人类情感以及信息的交流。但形象固定的仿人头像机器人无法展现出各种各样的人类面孔。经文献检索发现中国专利技术专利公告号为CN101618280A，名称为具有人机交互功能的仿人头像机器人装置及行为控制方法，该专利解决了现有仿人机器人不能完全实现对人类面部表情的再现、感知功能有限、不具有人工情感模型及人机交互功能的问题。经文献检索，发现中国专利未有能实现脸型及面部器官位置变化的机器人及其数学建模方法。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有仿人头像机器人脸型及面部器官固定从而无法实现不同脸部形貌的问题，提供了一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人及其数学建模方法与控制方法。仿人头像机器人包括脸型可变机构、面部器官可变机构与弹性面部皮肤；其中，所述弹性面部皮肤包裹脸型可变机构与面部器官可变机构，脸型可变机构与面部器官可变机构利用原动机及传动机构实现运动；所述脸型和面部器官可变的仿人头像机器人通过数学建模方法选取脸型和面部器官驱动点，根据不同模型参数可实现不同脸型的变换与面部器官位置的调整，通过驱动弹性面部皮肤驱动点产生位移，改变面部皮肤外轮廓形状即脸型及面部器官位置，从而实现机器人脸型和面部器官位置的改变。脸型和面部器官可变的仿人头像机器人数学建模方法如下：一、脸型可变的仿人头像机器人数学建模方法如下：(1)选择头顶点v、右颅侧点eu、左颅侧点eu'、右下颌角点go、颌骨右侧圆弧起点g1、颌骨左侧圆弧起点g1'、颌骨右侧圆弧终点g2和颌骨左侧圆弧终点g2'作为人脸轮廓分段的特征点，并建立人头面部轮廓数学模型坐标系；(2)建立人头面部轮廓通用数学模型，首先根据选取的特征点将人头面部轮廓进行分段，并对各段曲线采用适合的模型曲线：v-eu段，超椭圆曲线；eu-g1段，椭圆曲线；g2-gn段，抛物线；g1-g2段：圆弧曲线，圆弧为eu-g1段椭圆曲线和g2-gn段抛物线的相切圆弧；设各特征点坐标为：v点(0，b)，eu点(a，0)，g1点(m，n)，g2点(g，h)，gn点(0，B)，则右半部分人头面部轮廓的数学模型为：其中，y、z分别表示横、纵坐标轴，对v-eu段，当a≥b时，a表示超椭圆长半轴，当a<b时，a表示超椭圆短半轴；s为超椭圆指数；对eu-g1段，c、a分别为椭圆长半轴、短半轴；yc、zc分别为椭圆曲线和抛物线的相切圆弧圆心(yc、zc)横、纵坐标；m，g见公式(2)；R表示g1-g2段曲线与圆心(yc、zc)距离；由公式(1)可知，通过a，b，s，c，m，g，R七个独立参数可以控制模型曲线形状，将m，g分别表示成椭圆参数方程以及圆参数方程中的坐标形式，如公式(2)所示：其中，β为g1-g2段曲线坐标点(x，y)与圆心(yc、zc)连线和g1点(m，n)与圆心(yc、zc)连线的夹角；则最终模型参数为a、b、s、c、θ、β、R，对该7个独立参数进行优化得到任一特定人头面部轮廓的数学模型，该数学模型在连接点处的左右导数相等，证明该模型曲线光滑；(3)建立特定人头面部轮廓数学模型，定义真实头面轮廓线数据点和理论轮廓线上对应数据点间的相对距离为模型误差，根据模型误差进行参数优化，定义各对数据点的相对距离平均值和最大值分别作为模型平均误差、模型最大误差，数据点的选取方式为：将真实轮廓数据点和理论轮廓数据点均置于模型坐标系中，以原点O为中心，对于Z≥0区域的曲线，每隔γ1取数据点，对于Z<0区域的曲线，每隔γ2取数据点，取得真实轮廓数据点Ai和理论轮廓数据点Bi各n个，设Ai坐标为(yi，zi)，Bi坐标为(yoi，zoi)则模型平均误差可通过公式(3)求得，模型最大误差可通过公式(4)求得；以模型平均误差和模型最大误差的加权和作为模型参数优化设计的目标函数，由此得到的优化设计数学模型如下，设计变量为：X＝[a，b，s，c，θ，β，R]T＝[x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7]T(5)目标函数为：minf(X)＝λ1f1(X)+λ2f2(X)(6)s.t.g1(X)＝x1-amax≤0g8(X)＝cmin-x4≤0g2(X)＝amin-x1≤0g9(X)＝x5-θmax≤0g3(X)＝x2-bmax≤0g10(X)＝θmin-x5≤0g4(X)＝bmin-x2≤0g11(X)＝x6-βmax≤0g5(X)＝x3-smax≤0g12(X)＝βmin-x6≤0g6(X)＝smin-x3≤0g13(X)＝x7-Rmax≤0g7(X)＝x4-cmax≤0g14(X)＝Rmin-x7≤0式中：f1(X)＝eave(X),f2(X)＝emax(X)，λ1，λ2为加权系数，λ1+λ2＝1，取λ1，λ2分别为0.6、04；建立人头面部轮廓通用数学模型模型参数范围：a：70～90mm，b：70～90mm，s：0.7～1.6，c：150～250mm，θ：-2～0rad，β：-1～0rad，R：1～30mm；采用遗传算法对模型参数最优解进行求解，即完成了脸型可变的仿人头像机器人数学建模；二、面部器官位置数学模型建立方法如下：(1)建立面部器官特征点，利用统计分析的方法对面部器官位置分布规律进行分析，选取面部器官位置点，其中，P为两眼点间距；M为过两眼点的直线与面部轮廓的交点间宽度，定义为面间距；L为眼点与鼻根点间离；G为眼点与眉心点间离；J为眼点到头顶点间离；Q为口裂点与头顶点间距；H为头全高；得到眼间距P与面间距M的比例规律稳定在0.42，并将0.42作为眼睛在人脸二维分布的规律之一；同样得到其他位置点相关数据的比值规律：眼点到头顶点距离J与头全高H比值为0.50,口裂点到头顶点距离Q与头全高H比值为0.82，眉心点到眼点距离G与头全高H比值为0.09，L的取值为0～1mm，故假定鼻根点和两眼点在同一条直线上；(2)建立面部器官数学模型对面部器官位置建立数学模型所用的坐标系和头面轮廓数学模型坐标系相同，设面部器官位置点坐标分别为：y1(r1，r2)，y2(-r1，r2)，m1(r1，t1),m2(-r1，t1)，f(0，t1)，k(0，k1)，根据上述内容中得到的各面部器官位置点相关数据的比值规律并结合gn点坐标(0，B)，得到以下等式关系：进而建立头面轮廓数学模型参数与面部器官位置点坐标的函数关系为：式中一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人的控制方法按以下步骤实现：对于脸型可变机构，通过3个电机即变头型与颌骨宽机构电机(1-5-1)、变头长机构电机(2-4-2)与变头宽与面型机构电机(3-4-1)与3个操纵机构即变头型与颌骨宽机构操纵机构(1-3)、变头长机构操纵机构(2-2)与变头宽与面型机构操纵机构(3-3)实现10个驱动点q、q'、o1、o1'、eu、eu'、p、p'、v、gn共计12个自由度的运动驱动，采用操纵机构实现动力传递本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人，其特征在于仿人头像机器人包括脸型可变机构、面部器官可变机构与弹性面部皮肤；其中，所述弹性面部皮肤包裹脸型可变机构与面部器官可变机构，脸型可变机构与面部器官可变机构利用原动机及传动机构实现运动；所述脸型和面部器官可变的仿人头像机器人通过数学建模方法选取脸型和面部器官驱动点，根据不同模型参数可实现不同脸型的变换与面部器官位置的调整，通过驱动弹性面部皮肤驱动点产生位移，改变面部皮肤外轮廓形状即脸型及面部器官位置，从而实现机器人脸型和面部器官位置的改变。

【技术特征摘要】
1.一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人，其特征在于仿人头像机器人包括脸型可变机构、面部器官可变机构与弹性面部皮肤；其中，所述弹性面部皮肤包裹脸型可变机构与面部器官可变机构，脸型可变机构与面部器官可变机构利用原动机及传动机构实现运动；所述脸型和面部器官可变的仿人头像机器人通过数学建模方法选取脸型和面部器官驱动点，根据不同模型参数可实现不同脸型的变换与面部器官位置的调整，通过驱动弹性面部皮肤驱动点产生位移，改变面部皮肤外轮廓形状即脸型及面部器官位置，从而实现机器人脸型和面部器官位置的改变；脸型可变机构包含三个驱动机构，分别为变头型与颌骨宽机构(1)、变头长机构(2)与变头宽与面型机构(3)，三个驱动机构均固定在基座(1-6)上；所述面部器官可变机构包含两个驱动机构，分别为眼眉运动机构(4)与眼嘴鼻运动机构(5)，两个驱动机构固定在基座(1-6)上；所述变头型与颌骨宽机构(1)包括第二类驱动点运动机构(1-1)、第三类驱动点运动机构(1-2)、变头型与颌骨宽机构操纵机构(1-3)、换向机构(1-4)、变头型与颌骨宽机构传动系统(1-5)与基座(1-6)，其中，第二类驱动点运动机构(1-1)、第三类驱动点运动机构(1-2)、变头型与颌骨宽机构操纵机构(1-3)、换向机构(1-4)、变头型与颌骨宽机构传动系统(1-5)均固定在基座(1-6)上，变头型与颌骨宽机构传动系统(1-5)与变头型与颌骨宽机构操纵机构(1-3)相连，变头型与颌骨宽机构操纵机构(1-3)通过运动实现换挡，分别与第二类驱动点运动机构(1-1)、第三类驱动点运动机构(1-2)、换向机构(1-4)啮合，第三类驱动点运动机构(1-2)与换向机构(1-4)相连；其中所述第二类驱动点运动机构(1-1)包括基座(1-6)、左侧倾斜齿条(1-1-1)、左侧换向齿轮(1-1-2)、左侧纵向齿条(1-1-3)、右侧倾斜齿条(1-1-4)、右侧换向齿轮(1-1-5)、右侧纵向齿条(1-1-6)与第二类驱动点从动轮(1-1-7)，其中，左侧倾斜齿条(1-1-1)、左侧换向齿轮(1-1-2)、右侧倾斜齿条(1-1-4)、右侧换向齿轮(1-1-5)与第二类驱动点从动轮(1-1-7)均与基座(1-6)相连，左侧倾斜齿条(1-1-1)与左侧换向齿轮(1-1-2)啮合、左侧换向齿轮(1-1-2)与左侧纵向齿条(1-1-3)啮合，右侧倾斜齿条(1-1-4)与右侧换向齿轮(1-1-5)啮合，右侧换向齿轮(1-1-5)与右侧纵向齿条(1-1-6)啮合，第二类驱动点从动轮(1-1-7)通过丝杠螺母与左侧纵向齿条(1-1-3)、右侧纵向齿条(1-1-6)相连，并实现对左侧纵向齿条(1-1-3)和右侧纵向齿条(1-1-6)的驱动；所述第三类驱动点运动机构(1-2)包括基座(1-6)、第三类驱动点纵向从动轮(1-2-1)、第三类驱动点纵向驱动杆(1-2-2)、左侧第三类驱动点横向驱动杆(1-2-3)、可竖直运动滑块(1-2-4)、右侧第三类驱动点横向驱动杆(1-2-5)与第三类驱动点横向丝杠(1-2-6)，其中，第三类驱动点纵向从动轮(1-2-1)固定在基座(1-6)上，第三类驱动点纵向从动轮(1-2-1)与第三类驱动点纵向驱动杆(1-2-2)通过丝杠螺母相连，第三类驱动点纵向驱动杆(1-2-2)通过丝杠螺母分别与左侧第三类驱动点横向驱动杆(1-2-3)、右侧第三类驱动点横向驱动杆(1-2-5)相连，可竖直运动滑块(1-2-4)与左侧第三类驱动点横向驱动杆(1-2-3)相连；所述变头型与颌骨宽机构操纵机构(1-3)包括基座(1-6)、变头型与颌骨宽机构操纵手柄(1-3-1)、变头型与颌骨宽机构操纵机构竖直驱动杆(1-3-2)、变头型与颌骨宽机构操纵机构导向杆(1-3-3)与变头型与颌骨宽机构操纵机构主动轮(1-3-4)，其中，变头型与颌骨宽机构操纵手柄(1-3-1)、变头型与颌骨宽机构操纵机构导向杆(1-3-3)与基座(1-6)相连，变头型与颌骨宽机构操纵手柄(1-3-1)、变头型与颌骨宽机构操纵机构竖直驱动杆(1-3-2)通过丝杠螺母相连，变头型与颌骨宽机构操纵机构竖直驱动杆(1-3-2)与变头型与颌骨宽机构操纵机构导向杆(1-3-3)通过轴承连接，变头型与颌骨宽机构操纵机构导向杆(1-3-3)与变头型与颌骨宽机构操纵机构主动轮(1-3-4)相连，并可相对滑动；所述换向机构(1-4)包括基座(1-6)、第三类驱动点横向从动轮(1-4-1)与换向锥齿轮(1-4-2)，其中，第三类驱动点横向从动轮(1-4-1)与基座(1-6)相连，第三类驱动点横向从动轮(1-4-1)与换向锥齿轮(1-4-2)相连，并可相对滑动；所述变头型与颌骨宽机构传动系统(1-5)包括变头型与颌骨宽机构电机(1-5-1)、变头型与颌骨宽机构同步带传动系统(1-5-2)与基座(1-6)，其中，颌骨宽机构电机(1-5-1)、变头型与颌骨宽机构同步带传动系统(1-5-2)均与基座(1-6)相连，颌骨宽机构电机(1-5-1)与变头型与颌骨宽机构同步带传动系统(1-5-2)相连。2.根据权利要求1所述的一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人，其特征在于所述变头长机构(2)包括头顶第一类驱动点运动机构(2-1)、变头长机构操纵机构(2-2)、下颌第一类驱动点运动机构(2-3)、变头长机构传动系统(2-4)和基座(1-6)，其中，头顶第一类驱动点运动机构(2-1)、变头长机构操纵机构(2-2)、下颌第一类驱动点运动机构(2-3)、变头长机构传动系统(2-4)均与基座(1-6)相连，变头长机构操纵机构(2-2)通过运动实现换挡，分别与头顶第一类驱动点运动机构(2-1)、下颌第一类驱动点运动机构(2-3)啮合，变头长机构传动系统(2-4)与变头长机构操纵机构(2-2)相连；其中，所述头顶第一类驱动点运动机构(2-1)包括头顶第一类驱动点驱动杆(2-1-1)、头顶第一类驱动点从动轮(2-1-2)与基座(1-6)，其中，头顶第一类驱动点驱动杆(2-1-1)、头顶第一类驱动点从动轮(2-1-2)分别与基座(1-6)相连，头顶第一类驱动点驱动杆(2-1-1)可沿基座(1-6)竖直方向滑动，头顶第一类驱动点驱动杆(2-1-1)与头顶第一类驱动点从动轮(2-1-2)通过丝杠螺母相连；所述变头长机构操纵机构(2-2)包括基座(1-6)、变头长机构操纵手柄(2-2-1)、变头长机构操纵机构竖直驱动杆(2-2-2)、变头长机构操纵机构导向杆(2-2-3)与变头长机构操纵机构主动轮(2-2-4)，其中，变头长机构操纵手柄(2-2-1)、变头长机构操纵机构导向杆(2-2-3)与基座(1-6)相连，变头长机构操纵手柄(2-2-1)、变头长机构操纵机构竖直驱动杆(2-2-2)通过丝杠螺母相连，变头长机构操纵机构竖直驱动杆(2-2-2)与变头长机构操纵机构导向杆(2-2-3)通过轴承连接，变头长机构操纵机构导向杆(2-2-3)与变头长机构操纵机构主动轮(2-2-4)相连，并可相对滑动；所述下颌第一类驱动点运动机构(2-3)包括下颌第一类驱动点从动轮(2-3-1)、下颌第一类驱动点驱动杆(2-3-2)与基座(1-6)，其中，下颌第一类驱动点驱动杆(2-3-2)、下颌第一类驱动点从动轮(2-3-1)分别与基座(1-6)相连，下颌第一类驱动点驱动杆(2-3-2)可沿基座(1-6)竖直方向滑动，下颌第一类驱动点驱动杆(2-3-2)与下颌第一类驱动点从动轮(2-3-1)通过丝杠螺母相连；所述变头长机构传动系统(2-4)包括变头长机构同步带传动系统(2-4-1)、变头长机构电机(2-4-2)与基座(1-6)，其中，变头长机构电机(2-4-2)、变头长机构同步带传动系统(2-4-1)均与基座(1-6)相连，变头长机构电机(2-4-2)与变头长机构同步带传动系统(2-4-1)相连。3.根据权利要求2所述的一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人，其特征在于所述变头宽与面型机构(3)包括上部第四类驱动点运动机构(3-1)、下部第四类驱动点运动机构(3-2)、变头宽与面型机构操纵机构(3-3)、变头宽与面型机构传动系统(3-4)与基座(1-6)，各机构均与基座(1-6)相连；所述上部第四类驱动点运动机构(3-1)包括上部第四类驱动点左侧驱动杆(3-1-1)、上部第四类驱动点从动轮(3-1-2)、上部第四类驱动点右侧驱动杆(3-1-3)与基座(1-6)，其中，上部第四类驱动点左侧驱动杆(3-1-1)、上部第四类驱动点从动轮(3-1-2)、上部第四类驱动点右侧驱动杆(3-1-3)与基座(1-6)相连，上部第四类驱动点左侧驱动杆(3-1-1)、上部第四类驱动点右侧驱动杆(3-1-3)通过丝杠螺母与上部第四类驱动点从动轮(3-1-2)相连；所述下部第四类驱动点运动机构(3-2)包括下部第四类驱动点左侧驱动杆(3-2-1)、下部第四类驱动点从动轮(3-2-2)、下部第四类驱动点右侧驱动杆(3-2-3)与基座(1-6)，其中，下部第四类驱动点左侧驱动杆(3-2-1)、下部第四类驱动点从动轮(3-2-2)、下部第四类驱动点右侧驱动杆(3-2-3)与基座(1-6)相连，下部第四类驱动点左侧驱动杆(3-2-1)、下部第四类驱动点右侧驱动杆(3-2-3)通过丝杠螺母与下部第四类驱动点从动轮(3-2-2)相连；所述变头宽与面型机构操纵机构(3-3)包括基座(1-6)、变头宽与面型机构操纵手柄(3-3-1)、变头宽与面型机构横向驱动杆(3-3-2)、变头宽与面型机构操纵机构导向杆(3-3-3)和变头宽与面型机构操纵机构主动轮(3-3-4)，其中，变头宽与面型机构操纵手柄(3-3-1)、变头宽与面型机构操纵机构导向杆(3-3-3)与基座(1-6)相连，变头宽与面型机构操纵手柄(3-3-1)与变头宽与面型机构横向驱动杆(3-3-2)通过丝杠螺母相连，变头宽与面型机构横向驱动杆(3-3-2)与变头宽与面型机构操纵机构导向杆(3-3-3)通过轴承连接，变头宽与面型机构操纵机构导向杆(3-3-3)与变头宽与面型机构操纵机构主动轮(3-3-4)相连，并可相对滑动；所述变头宽与面型机构传动系统(3-4)包括变头宽与面型机构电机(3-4-1)、变头宽与面型机构同步带传动系统(3-4-2)与基座(1-6)，其中，变头宽与面型机构电机(3-4-1)、变头宽与面型机构同步带传动系统(3-4-2)均与基座(1-6)相连，变头宽与面型机构电机(3-4-1)与变头宽与面型机构同步带传动系统(3-4-2)相连。4.根据权利要求3所述的一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人，其特征在于所述眼眉运动机构(4)驱动点为第三类驱动点。5.根据权利要求4所述的一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人，其特征在于所述眼嘴鼻运动机构(5)采用变头型与颌骨宽机构(1)的第三类驱动点运动机构(1-2)和变头长机构(2)的头顶第一类驱动点运动机构(2-1)。6.根据权利要求5所述的一种脸型和面部器官可变的仿人头像机器人，其特征在于所述仿人头像机器人选取脸型和面部器官驱动点实现脸型和面部器官可变的驱动过程为：一、脸型可变机构的驱动变头型与颌骨宽机构(1)驱动方法具体为：q、q'为第二类驱动点，q、q'分别是右、左头型点，q点位置在特征点v、eu构成的v-eu头顶轮廓段，q'点位置在特征点eu'、v构成的eu'-v头顶轮廓段，利用滑动丝杠螺母与齿轮齿条机构的组合机构进行驱动，左侧纵向齿条(1-1-3)的纵向运动通过左侧换向齿轮(1-1-2)的转动传递到左侧倾斜齿条(1-1-1)斜向的直线运动，而左侧倾斜齿条(1-1-1)的自锁性由第二类驱动点从动轮(1-1-7)、左侧纵向齿条(1-1-3)与右侧纵向齿条(1-1-6)实现；o1、o1'为第三类驱动点，o1为轮廓曲线上特征点g1和点g2的中间点、o1'为轮廓曲线上特征点g1'和点g2'的中间点，通过第三类驱动点从动轮(1-2-1)与第三类驱动点纵向驱动杆(1-2-2)实现第三类驱动点沿纵向方向运动，通过左侧第三类驱动点横向驱动杆(1-2-3)、右侧第三类驱动点横向驱动杆(1-2-5)与第三类驱动点横向丝杠(1-2-6)实现第三类驱动点沿横向方向运动；变头型与颌骨宽机构操纵机构(1-3)通过手动操作变头型与颌骨宽机构操纵机构主动轮(1-3-4)分别与第三类驱动点横向从动轮(1-4-1)、第三类驱动点纵向从动轮(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟国，闫云雪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23