機械人的面部表情


臉部表情是人類最重要的身體語言,是人類進行思想和情感交流的重要方法,具有先天性、世界性和社會性的特點,是人類下意識的習慣性表達方式,使人與人之間實現自然的溝通和交流。具有人類臉部的外形特徵和表情表達功能的仿生機械人臉部研究和最終應用,會大大地縮短人類和機械人之間的心理距離,實現人類與機械人之間思想和情感的自然交流。本章就來探討機械人仿生臉發展如何邁向這個目標。

機械人仿生臉發展情勢
 
目前,日本、韓國、英國、澳大利等國家已經做出了具有一定情感表達功能的機械人仿生臉,例如日本早稻田大學高西淳夫教授等人研制的WF-4系列的機械人頭臉系統,德國凱撤斯勞滕大學計算機系伯恩斯教授等人研制的ROMAN機械人臉系統等,哈爾濱工業大學計算機學院高文教授課題組所做的表情描述、分析和識別的研究、中國科學院自動化所李成榮教授所做的機械人系統中人臉特徵提取技術研究等。

 

由中國製造的鄒人倜機械人與真人坐在一起,參觀難分真假。

 

情感表達機械人的鼻祖
日本早
田大學理工學學術院可謂該領域的先驅者。自1995年起,他們已對機械人情感表達進行研究,同年發表首個頭部機械人「WE-2」。於2003年,研製出能夠表述豐富情感的第九代上半身機械人「WE-4RII」。
 

擁有59個自由度的「WE-4RII」造出驚訝樣子。

早稻田大學除潛心於機械人情感表達研究外,對人型機械人的整體開發亦不遺餘力。如代表作是擁有41個自由度,高150公分的人型機械人「WABIAN-2R」。以至09年將「WABIAN-2R」和「WE-4RII」融於一體而誕生的「KOBIAN」。
 

擁有情感表達能力的人形機械人「KOBIAN」。

 

WE-4RII的頭部機構設計
僅針對WE-4RII的頭部而言,已多達26個自由度(脖子:4、眼球:3、眼瞼:6、眉:8、唇:4、下巴:1)。而且裝備了多種感官傳感器,包括視覺、聽覺、觸覺和嗅覺。

眼球與眼瞼
每個眼球有一個自由度的螺距(pitch)軸和兩個自由度的偏航(yaw)軸,雙眼共六個自由度。眼球轉動速度與人相符。其上眼瞼可以旋轉使眼角上揚或低垂,有助表達機械人的情緒。眼瞼張開及閉合速度與人無異,能自然地眨眼。
基於頭部小型化的設計要求,眼球與眼瞼採用一體的構造。此外,眼球的螺距軸運動機械性地與眼瞼的開合運動同步,使得可透過硬體來協調眼球和眼瞼的控制。

眼球與眼瞼機構模擬圖。

 

脖子  
擁有4個自由度,分別是上螺距軸、下螺距軸、偏航軸和橫滾(roll)軸。利用脖子上下的自由度可做出像人類伸展及扭曲脖子的動作。

其他面部機構要素

1)眉毛為富有彈性的海綿,每個眉有4個自由度。
2)嘴唇採用紡錘形的彈簧,透過拉動嘴唇四個方向以改變其形狀。
3)下巴有一個自由度可使嘴唇開合。
4)其臉頰內裝有紅色和藍色的電激發光(Electro Luminescent)板,以形造出通紅和蒼白的面色,使表情更像真。
5)具備語音系統,採用人工合成語音,小喇藏於下巴內。用於機械人互動及說話口形的研究。

  WE-4RII的眉毛及嘴唇機構解說圖。

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