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，它涉及一种仿人头像机器人及其行为控制方法。解决了现有的仿人头像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。传感器感知系统将感知到的信息输出给主控机进行处理，机器人行为控制系统中的控制系统软件根据人工情感模型得到相应电机的相关控制量，将运动控制指令通过运动控制卡输出ＰＷＭ脉冲驱动相应的电机运动到指定的位置，实现机器人的人机交互功能及各种情感反应。传感器感知系统感知外界的情感信号，并识别出相应的情感信号，利用人工情感模型实现机器人的行为控制。本发明专利技术实现了对人类面部表情的再现，具有嗅觉、触觉、视觉等拟人的多感知功能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种仿人头像机器人装置及其行为控制方法，属于机器人应用 领域。
技术介绍
仿人机器人的研究开始于上世纪60年代，经过50几年的发展目前已成为 机器人
的主要研究方向之一。它集机械、电子、计算机、材料、传感 器、控制技术等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。"仿人" 的意义在于机器人具有类人的感知、决策、行为和交互能力。仿人头像机器人 是仿人机器人研究领域中实现人机情感交互的重要方向。情感能够提高机器人 的便利性和可信度，同时可以向使用者提供机器人的内部状态、目标和意图等 反馈信息。在人机交互中，被设计成具有情感的机器与人建立友好的交互界面， 使其具有参与社会事务和开展人际交往的能力，更易被人类所接受；同时机器 具有"生命"使其主体的思维(或行为)具有明确的目的性和方向性，从而显 著地提高思维(或行为)的效率和速度；在动态、不可预知和具有潜在"危险" 的环境中，赋予机器思维上的创造性和行为上的自觉性，提高机器适应环境的 能力。目前， 一些仿人头像机器人的研制不具有多种感知功能，对基本面部表情 的实现也只限于一种表情。经文献检索发现中国专利公告号为CN 201088839 专利号为200720189947.7名称为"机器人笑表情肌肉动作机构"，该机构包括 头颅架、橡胶表皮，橡胶表皮贴在头颅架上。其特点为机构简单能够实现各种笑的表情。该机构不足之处在于不能实现其他面部表情。中国专利公告号为CN 101020315A专利号为200710038295.1名称为"仿人机器人头部系统"。 该系统包括一个六自由度的串联型机构，以DSPF2812为主控节点的可扩展处 理器网络。六自由度的串联机构本体由六个舵机驱动，用来模拟双眼、颈部和 下巴的运动。可扩展处理器网络由视频处理器、语音处理器、接口模块和 DSPF2812主控电路组成，能实现人机交互过程中的运动控制和计算要求。但 是该仿人机器人头部系统不具有弹性面部皮肤，因此不能实现对人类面部表情 的再现，不具有如嗅觉、触觉、视觉等拟人的多感知功能。同时以上申请的专 利中机器人不具有人工情感模型及人机交互功能。
技术实现思路
鉴于上述技术状态，本专利技术的目的是提供一种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，以解决现有的仿人头像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。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是本专利技术所述具有人机交互功能的仿人头像机器人装置由仿人头像机器人 本体、机器人行为控制系统和传感器感知系统三部分组成；所述仿人头像机器人本体包括眼球运动单元、上下颚运动单元、人工肺装置、面部表情及口形驱动机构、前支板、后支板、立架、面部壳体和面部弹性皮肤；眼球运动单元由 两个眼球、眼球传动机构、两个眼球伺服电机、两个眼睑、眼睑传动机构、两 个眼睑伺服电机和伺服电机构成；上下颚运动单元由上鄂、下颚、电机和转轴 构成；人工肺装置由软管、汽缸、活塞、螺母、气体驱动导向轴、气体驱动丝 杠、驱动电机和进气管构成；面部表情及仿人口形驱动机构由第一驱动伺服电机、第二驱动伺服电机、第三驱动伺服电机、第四驱动伺服电机、第五驱动伺服电机、第六驱动伺服电机和多组面部皮肤驱动绳轮机构构成；机器人行为控 制系统包括控制系统硬件与控制系统软件，所述控制系统硬件包括主控机和运 动控制卡；所述控制系统软件即为行为控制方法；传感器感知系统包括两个小 型CCD传感器、语音识别单片机、嗅觉传感器；前支板、后支板平行设置并 与立架固接在一起构成仿人头像机器人的头部骨架，眼球运动单元、上下颚运 动单元由上至下安装在立架上；在每个眼球中嵌入一个小型CCD传感器形成 机器人的双目视觉，每个眼睑设置在对应眼球的上方，两个眼球伺服电机分别 通过眼球传动机构带动两个眼球左右转动，两个眼睑伺服电机分别通过眼睑传 动机构带动两个眼睑运动，伺服电机同时驱动两个眼球一起上下动动；上鄂设 置在下颚的上方，电机带动转轴驱动下颚运动；嗅觉传感器安装在眼球运动单 元和上下颚运动单元之间的立架上，软管的一端与嗅觉传感器连接，软管的另 一端与气缸连接，电机与气体驱动丝杠转动连接，螺母安装在气体驱动丝杠上， 螺母沿着气体驱动导向轴移动，驱动固连在螺母上的活塞运动，实现机器人的 嗅觉功能，进气管的一端与汽缸连接;第一驱动伺服电机、第二驱动伺服电机、 第三驱动伺服电机、第四驱动伺服电机、第五驱动伺服电机和第六驱动伺服电 机均安装在由前支板、后支板和立架构成的仿人头像机器人头部骨架上，所述 六个驱动伺服电机通过面部皮肤驱动绳轮机构与面部弹性皮肤的相应的控制 点连接；面部壳体和面部弹性皮肤与人脸的轮廓形状相一致，面部壳体、面部 弹性皮肤由内向外安装在眼球运动单元、上下颚运动单元的前端上形成仿人头 像机器人装置的外部轮廓形状；运动控制卡安装在后支板上，语音识别单片机 安装在前支板的上端上；传感器感知系统将感知到的信息输出给主控机进行处 理，机器人行为控制系统中的控制系统软件根据人工情感模型得到相应电机的相关控制量，将运动控制指令通过运动控制卡(电机控制器)输出PWM脉冲 驱动相应的电机运动到指定的位置，从而实现机器人的人机交互功能及各种情感反应。上述具有人机交互功能的仿人头像机器人装置的行为控制方法按以下步 骤实现的步骤一、通过传感器感知系统(传感器CCD和MIC)感知外界的情感信 号，对感知到的情感信号进行分析、特征提取并识别；步骤二、将识别后的情感信号传递给人工情感模型；所述人工情感模型主 要包括三部分机器人的情感产生、情感交互和情感表达；情感产生主要包括 刺激信号采集、情感定义、情感驱动、情感转换四大模块；在情感驱动中定义 两个阈值"，A;"为情感的激活阈值，"为情感的饱和度阈值；情感状态的转 换要考虑到外部因素、内部因素和以前情感状态三方面的影响；在明确人工情感模型的各个状态以及一些完全可以用触发事件来确定各 状态转换关系的基础上，用扩展的有限状态机来实现情感之间的状态转换；增 加定义状态上的变量属性集合，作为一种扩展有限状态机EFSM;利用EFSM 分析清楚情感交互模型后，即可准确地确定人工情感模型中各个函数的变量构 成，可以有效地避免变量定义冲突，为下一步的机器人控制行为提供依据；步骤三、根据人工情感模型计算出相应驱动电机的相关控制量(相应转 角)，到机器人的面部表情及仿人口形，进而得到机器人表达其情感的行为。本专利技术具有以下有益技术效果本专利技术实现了对人类面部表情的再现，而 且还具有如嗅觉、触觉、视觉等拟人的多感知功能。本专利技术通过弹性面部皮肤 能够实现基本面部表情和机器人的动态口形。采用基于情感模型的行为控制方 法，实现机器人的行为控制，通过机器人装置中传感器感知外界的情感刺激，经过人工情感模型计算识别，控制系统实现机器人的各种行为反应，使机器人 具有人机交互功能。本专利技术最大的特点是仿人头像机器人装置实现了与成人头 部体积l: l比例的设计，结构紧凑。 附图说明图la是本专利技术所述机器人的立体图，图lb是本专利技术所述机器人的立体图 (为便于表达，没有画出面部壳体和面部弹性皮肤等)；图2a是本专利技术所述机 器人的上下颚运动单元立体图，图2b是本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有人机交互功能的仿人头像机器人装置，所述仿人头像机器人装置由仿人头像机器人本体、机器人行为控制系统和传感器感知系统三部分组成；其特征在于： 所述仿人头像机器人本体包括眼球运动单元（１）、上下颚运动单元（６１）、人工肺装置（７１） 、面部表情及口形驱动机构（８１）、前支板（７）、后支板（６）、立架（５１）、面部壳体（１７）和面部弹性皮肤（１８）；眼球运动单元（１）由两个眼球（１２）、眼球传动机构、两个眼球伺服电机（１４）、两个眼睑（１３）、眼睑传动机构、两个眼睑伺服电机（１６）和伺服电机（２９）构成；上下颚运动单元（６１）由上鄂（８）、下颚（９）、电机（２７）和转轴（２８）构成；人工肺装置（７１）由软管（１９）、汽缸（２０）、活塞（２１）、螺母（２２）、气体驱动导向轴（２３）、气体驱动丝杠（２５）、驱动电机（２６）和进气管（９２）构成；面部表情及仿人口形驱动机构（８１）由第一驱动伺服电机（３５）、第二驱动伺服电机（３４）、第三驱动伺服电机（３３）、第四驱动伺服电机（４０）、第五驱动伺服电机（４１）、第六驱动伺服电机（４３）和多组面部皮肤驱动绳轮机构构成； 机器人行为控制系统包括控制系统硬件与控制系统软件，所述控制系统硬件包括主控机（９１）和运动控制卡（５）；所述控制系统软件即为行为控制方法； 传感器感知系统包括两个小型ＣＣＤ传感器（３）、语音识别单片机（４）、嗅 觉传感器（２４）； 前支板（７）、后支板（６）平行设置并与立架（５１）固接在一起构成仿人头像机器人的头部骨架，眼球运动单元（１）、上下颚运动单元（６１）由上至下安装在立架（５１）上；在每个眼球（１２）中嵌入一个小型ＣＣＤ传感器（３）形 成机器人的双目视觉，每个眼睑（１３）设置在对应眼球（１２）的上方，两个眼球伺服电机（１４）分别通过眼球传动机构带动两个眼球（１２）左右转动，两个眼睑伺服电机（１６）分别通过眼睑传动机构带动两个眼睑（１３）运动，伺服电机（２９）同时驱动两个眼球（１２）一起上下动动；上鄂（８）设置在下颚（９）的上方，电机（２７）带动转轴（２８）驱动下颚（９）运动；嗅觉传感器（２４）安装在眼球运动单元（１）和上下颚运动单元（６１）之间的立架（５１）上，软管（１９）的一端与嗅觉传感器（２４）连接，软管（１９）的另一端与气缸（２０）连接，电机（２６）与气体驱动丝杠（２５）转动连接，螺母（２２）安装在气体驱动丝杠（２５）上，螺...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟国，孟庆梅，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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