Humanoid robot heads for human-robot interaction:A review

The humanoid robot head plays an important role in the emotional expression of human-robot interaction(HRI).They are emerging in industrial manufacturing,business reception,entertainment,teaching assistance,and tour guides.In recent years,significant progress has been made in the field of humanoid robots.Nevertheless,there is still a lack of humanoid robots that can interact with humans naturally and comfortably.This review comprises a comprehensive survey of state-of-the-art technologies for humanoid robot heads over the last three decades,which covers the aspects of mechanical structures,actuators and sensors,anthropomorphic behavior control,emotional expression,and human-robot interaction.Finally,the current challenges and possible future directions are discussed.

拟人机器人头部研究综述

拟人机器人头部是拟人机器人的重要组成部分,是拟人机器人拟人化程度最直观的标志。它能给人以亲切感,消除了人与机器人之间的心理障碍,有助于提高其社交能力。拟人机器人头部集成了听觉、视觉、嗅觉等功能,是拟人机器人认知外界环境、实现与人无障碍交流的重要感知系统。目前,众多研究学者对拟人机器人头部从形似和功能方面进行了深入研究。本文详细总结了国外拟人机器人头部的研究概况,分析了其功能组成及设计要求,并展望了拟人机器人头部研究的发展趋势。

机构及面部柔性体混合模型下的仿人头机器人行为仿真

在仿人头部机构设计基础上,利用现有软件分别建立头部机构刚性模型及面部柔性体模型。在混合模型下进行基本面部表情、以及表情与头部动作协调行为的仿真研究,得到较为满意的结果,验证了面部表情的设计与理论研究。为进一步设计、研制高度集成化的仿人头像型机器人提供一定的数据基础。

基于情感交互的仿人头部机器人

本研究的目的是设计一台机器人,使它可以与人互动,并在日常生活中和常见的地方协助人类.为了完成这些任务,机器人必须友好地显示出一些情感,表现出友好的特点和个性.依据仿生学,研制了一台仿人头部机器人,建立了机器人的行为决策模型.该机器人具有人类的6种基本面部表情,以及人脸检测、语音情感识别与合成、情感行为决策等能力,能够通过机器视觉、语音交互、情感表达等方式与人进行有效的情感交互.

基于视觉表情分析的交互式表情机器人系统研究

针对表情机器人双向情感交互的需求,从系统集成的角度提出了一种综合表情分析、识别及交互动作映射的表情机器人系统建模方案.首先,以开源Fritz仿人头部机器人为基础,通过扩展语音、视觉等功能模块,构建了表情机器人多通道情感表达映射模型.其次,为实现表情机器人与操作者的自然交互,提出以视觉分析处理作为情感分析及交互操作的核心,采用类Haar特征级联分类算法进行人脸自动定位检测,利用对光照和人脸姿态变化不敏感的Gabor特征作为情感表情特征并实施空域降采样.针对传统特征脸检测方法样本间分布不合理问题,提出结合类内PCA分析、能量维数及特征重构来筛选特征向量,并张量成特征空间完成表情的分类识别.最后,在JAFFE库及实时视频图片上进行的测试结果证实了该系统建模方案的可行性和有效性.

仿人机器人的头眼协调运动控制研究

针对机器人注视静态目标的任务,提出一种头眼协调运动的控制策略.通过使双目聚焦在同一个注视点,得到注视点的空间坐标和头眼的期望运动转角;研究了机器人头部转动时双目的补偿运动模型及相应的控制算法.实验表明,该控制策略能实现精确的3D头眼协调运动控制.

基于视位的仿人头像机器人的基本口形系统研究

为深入研究人类与机器人的交流方式,基于语音视位建立仿人头像机器人的口形系统。考虑汉语的特点与人在发声时的口型动作,建立口形系统的基本视位库。根据基本视位库,建立仿人头像机器人的基本口形模型,采用最小二乘法识别口形系统中实际视位,并且利用Hermit插值的方法实现仿人头像机器人的动态口形。实验研究验证:该口形系统能够再现基本口形与基本视位的对应,并且动态口形实现与人类语音的协调。

受限视野下仿真类人机器人头部控制研究

在近期RoboCup各足球类比赛项目组的发展中,视觉系统类人化是其中重要的趋势,如减小视觉范围、减少场地提示性标识物等,而RoboCup3D仿真组也在2009年在人形智能体上开始使用受限的视野范围。视觉信息上的限制,提高了比赛的真实性,却也给比赛中机器人智能体的自定位和决策增加了相当的难度。针对具有受限视野范围的3D类人形智能体,采用模拟人类足球中的头部运动是理想的选择。文中综合现有的头部控制模式设计并实现了综合头部控制模块,较大程度上克服了现有头部控制模式的不足,满足了仿真足球比赛的需要。

PAD情感空间内人工情感建模及人机交互实验

针对未来仿人机器人与人类长期共存将会带来的机器人对人的心理影响以及个性化匹配问题,在PAD(Pleasure、Arousal、Dominance)三维情感空间内,建立一种更具普遍性的人工情感计算模型.人工情感模型总体框架分为外部事件检测及处理、情绪响应向量生成及修正和情绪离散化三部分.提出一种有效的外界刺激三维标注方法;建立可对外界刺激进行自主情绪响应的情感计算模型,并将性格和心情模型引入其中,实现个性化的情绪响应;提出一种情绪响应向量离散化方法,并在具体情绪种类的基础上建立情绪强度计算式;根据情感模型所产生的情绪种类及强度,建立机器人的表情合成及语音回答模型,在H&F robot-III型仿人头像机器人平台上进行人-机器人情感交互实验.语音对话和表情状态迁移实验结果表明:所建立的人工情感模型可针对外界刺激自主地产生个性化情绪响应,有效模拟人类情绪的变化过程.

仿人表情机器人头部系统设计

随着人工智能技术的不断发展,具有人机交互功能的智能服务机器人已经成为机器人研究领域一个重要的发展方向,具有表情识别与再现能力的仿人表情机器人已成为该方向研究的热点。文章分析了表情机器人的表情特征及其定义,基于机械设计、传感器技术、电机控制、人工智能以及三维造型等技术对具有表情再现功能的机器人头部机械结构、控制系统及软件系统进行了研究与设计。通过对头部系统的控制与设计,该机器人的头部各器官及其相应的表情控制点可以迅速、精确地到达预定的位置,从而实现各种情感的表达。

机器人仿生面部系统研究综述

机器人仿生面部系统是近几年机器人研究领域较活跃并引起广泛兴趣的研究方向之一 .本文综合分析了在机器人仿生面部系统的制造及其表情的产生等方面的研究现状 ,并对该领域未来的研究重点。

用于人形机器人的声音降噪方法

用于人形机器人的实时多通道降噪方法使机器人能够在实际应用中精确地进行后续的音频分类或语音识别。引入人形机器人具有类似人体的头相关传输函数的性质,避免一般方法中在估计声传播信道模型时只考虑声达时延,而忽略声散射和共振影响的局限性。该方法通过利用麦克风阵列阵元之间的声音传输信道的差异性,削弱参考噪声和目标信号之间的相关性,从而提升对消噪声后输出信号的信噪比。仿真表明,对目标信号的信噪比提升达到15 dB。

仿人机器人头部设计及目标跟踪研究

设计了一种结构紧凑、光机电一体化的机器人头部.该头部具有仿人的3个自由度及外观造型,其颈部基关节采用差动机构,实现了耦合的俯仰和侧摆运动.头部内置2台高速相机,由1台PC处理视觉信息.采用分层控制结构,底层关节FPGA控制器和视觉处理PC分别通过串行总线和以太网连接上层中央控制器.采用了一种简单的基于位置的目标跟踪策略,并结合此策略提出了一种基于虚拟伸缩臂的D-H法求解逆运动学.

具有面部表情的仿人头部机器人系统的研制

为了促进机器人与人类自然、和谐的交流,实现人机交互,研制出具有面部表情的仿人头部机器人系统,主要包括仿人头部机器人运动机构和控制系统。仿人头部机器人具有22个自由度,包括眉毛推拉机构、眼部机构、下颚机构和颈部机构。采用FPGA作为舵机控制器,在Lab VIEW中设计控制界面,研制面部表情控制系统。通过对面部表情进行仿真,得到8种基本表情及对应的最佳位移载荷,在仿真过程中发现面部表情的实现与施加在面部皮肤上载荷的大小、载荷施加区域大小和约束位置的不同有关。实验结果表明,该机器人能够逼真地再现8种基本表情。

仿人头部机器人语音与口形研究

为了提高仿人机器人口形的真实度,呈现更为自然的人机对话,建立了仿人机器人头部系统。根据汉语语音特点,归纳了不同音节的视位。根据人面部肌肉解剖学,确定了控制机器人口形的五个控制点。通过对汉语发音研究,建立了发音口形拟合时间曲线,并且利用线性插值方法实现仿人机器人的动态口形控制。开发的语音系统实现语音识别和语音合成功能。实验结果表明,机器人可以识别出人说话内容并合成相应的对话。结合头部机械结构和控制系统,语音交互同时机器人能呈现出连续的、动态的口形,并且能够与语音相对应。

积分滑模控制及抖振抑制研究用于仿人机器人头部控制

介绍了HIT三自由度仿人机器人头部的机械和电气结构,将积分滑模控制算法应用于头部追踪控制,实现了对闭环系统极点的任意配置,克服了建模不准确、外部干扰等因素的影响,使滑动模态发生在运动初始时刻,并贯穿于整个响应过程。同时提出了一种简单易行的方法切换函数比例法来抑制积分滑模控制的抖振。经与传统的PID加摩擦力补偿控制和基于计算力矩法的滑模变结构控制对比,实验证明了提出的控制方法具有较高的跟踪精度并且抖振较小、抗干扰性较强。

仿人机器人头部设计与目标跟踪运动控制

针对仿人机器人视觉目标跟踪任务需求,设计了一种高精度、灵巧型仿人机器人头部系统,构建了视觉感知模块与3自由度机械臂运动机构。利用虚拟连杆方法对仿人机器人头部进行运动学建模,将目标跟踪问题转换为机械臂的运动学逆解问题,通过计算机构可操作度与条件数,显示机器人头部对目标跟踪任务具有良好的运动学灵活性。在此基础上,基于梯度投影法建立了目标跟踪运动学逆解与规避关节极限位置的同步优化算式,并针对视觉测量系统带宽较窄、容易造成较大跟踪误差的问题,提出了在两次视觉测量间隔内用轨迹预测的方法获得目标位置的估计值,以提高跟踪精度。仿真与实验结果表明,在测量盲区内采用轨迹预测方法,可将跟踪精度提高约80%,实现高精度目标跟踪。所提出的仿人机器人头部及控制方法,对动态目标具有良好的跟踪性能。

一种人形机器人的头部设计与运动实现

人形机器人头部由于空间狭窄与传动件较多,导致头部机构的设计往往较为复杂且可靠性较差。针对该问题,通过分析人体头部骨骼的组成,提出了一款人形机器人的头部机械结构设计方案。采用该方案设计出的头部由5个运动模块组成,通过控制相应模块的舵机,可分别实现眼睑开合、眼珠转动、下颚开合、头部俯仰和头部转动5种运动模式。试验证明:该机构结构紧凑、可靠性高,为下一步的人形机器人的整体设计做了铺垫。

上肢康复机器人的研究

以人体上肢的生理结构为依据,设计了一个5自由度的上肢康复机器人,实现肩关节内收外展、前屈后伸及内旋外旋,肘关节前屈后伸,前臂旋前旋后的运动。同时引入一个被动自由度从而保证机器人与用户关节的对齐,增加了运动范围。按照人体尺寸标准,采用Creo绘制了机械臂的三维模型,并通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了结构的可行性。

基于AHRS反馈的仿人机器人步行稳定控制

以实现仿人机器人步行稳定控制为目的,为克服零力矩点(ZMP)反馈控制算法不能补偿较大冲击干扰以及反射响应方法打断当前步行任务的缺点,以低成本微机电系统(MEMS)传感器及方向余弦矩阵描述的补偿算法构成航姿参考系统。提出了由姿态转角和角速度的线性组合表达的步行稳定性判据,并实现了躯干姿态校正的比例—微分控制器。基于仿人机器人全方位步态规划方法,调整下一步步幅和步频为行为方式,实现了步行稳定控制。样机实验结果表明:在原地踏步和稳定前进等情况下,机器人受到冲击干扰以致倾斜角度达20°时,仍能够不打断全方位步行且有效避免倾覆。