仿人頭像機(jī)器人人工情感建模與實(shí)現(xiàn)的研究.pdf

1、隨著仿人機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，人類對(duì)仿人機(jī)器人具有“情感”的需求越來(lái)越高。仿人頭像機(jī)器人是仿人機(jī)器人研究領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)人機(jī)情感交互的重要方向。情感能夠提高機(jī)器人的便利性和可信度，同時(shí)可以向使用者提供機(jī)器人的內(nèi)部狀態(tài)、目標(biāo)和意圖等反饋信息。目前國(guó)外對(duì)該方向研究還處于不斷探索和完善階段，而在國(guó)內(nèi)關(guān)于該方向的研究主要集中在情感模型理論研究，對(duì)于機(jī)器人的情感模型應(yīng)用研究成果報(bào)道較少。本課題以仿人頭像機(jī)器人相關(guān)技術(shù)為手段，構(gòu)建仿人頭像機(jī)器人軟硬件

2、研究平臺(tái)，通過(guò)理論、仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)仿人頭像機(jī)器人人工情感建模與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入研究。本文的研究為未來(lái)人類與機(jī)器人共存，實(shí)現(xiàn)與人類的交流奠定基礎(chǔ)。
　　從情感心理學(xué)的認(rèn)知角度出發(fā)，建立仿人頭像機(jī)器人的人工情感模型，使人工情感通過(guò)情感表達(dá)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)。在模型中確定系數(shù)矩陣反映個(gè)性對(duì)情感的影響程度，并根據(jù)情感和情感轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)人工情感的描述。其中人工情感的情感交互采用基于有限狀態(tài)機(jī)理論建立分層式的擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)情感交互模型。情感交互模型的行為

3、主要由底層的狀態(tài)機(jī)完成，通過(guò)設(shè)定狀態(tài)參數(shù)變量集合為機(jī)器人行為控制提供依據(jù)。在模型中，通過(guò)情感的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣研究情感有限狀態(tài)機(jī)的情感轉(zhuǎn)換情況；根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)與馬爾可夫鏈的關(guān)系，計(jì)算情感有限狀態(tài)機(jī)模型的平穩(wěn)概率分布；通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中的情感轉(zhuǎn)換路徑表達(dá)狀態(tài)機(jī)的情感行為。在人工情感模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了情感仿真，通過(guò)仿真驗(yàn)證了人工情感模型的正確性，并為實(shí)驗(yàn)研究提供依據(jù)。
　　針對(duì)情感的外界刺激，研究視覺(jué)和聽覺(jué)信號(hào)的提取與識(shí)別。在視

4、覺(jué)信號(hào)中，主要針對(duì)人臉的面部表情進(jìn)行特征提取和識(shí)別。通過(guò)積分投影和基于知識(shí)的方法提取面部表情特征值，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行面部表情的識(shí)別。其中，在構(gòu)建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，采用模糊聚類的方法進(jìn)行中心參數(shù)的調(diào)整，采用最小二乘法來(lái)調(diào)整連接權(quán)值；在語(yǔ)音信號(hào)的提取與識(shí)別中，采用連續(xù)混合高斯隱馬爾可夫模型完成。通過(guò)短時(shí)平均能量和短時(shí)過(guò)零率來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)，以12階Mel倒譜系數(shù)和短時(shí)能量作為語(yǔ)音識(shí)別的靜態(tài)特征參數(shù)，采用它們的一階差分作為

5、動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。
　　在仿人頭像機(jī)器人“H&Frobot-II”基礎(chǔ)上構(gòu)建具有視、聽覺(jué)功能的仿人頭像機(jī)器人“H&Frobot-III”。該機(jī)器人包括機(jī)器人本體、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、感知傳感器系統(tǒng)三部分。機(jī)器人本體實(shí)現(xiàn)眼球、眼瞼、下顎等部件運(yùn)動(dòng)，基于面部表情編碼系統(tǒng)(FACS)，通過(guò)控制柔性皮膚上的特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的面部表情和動(dòng)態(tài)口形。在機(jī)器人上構(gòu)建CCD傳感器和語(yǔ)音識(shí)別單片機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺(jué)和聽覺(jué)功能。
　　仿人頭像機(jī)器的人機(jī)情

6、感交互實(shí)驗(yàn)研究。在仿人頭像機(jī)器人的情感再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中，得出機(jī)器人6種基本面部表情(正常、微笑、吃驚、厭惡、悲傷和生氣)和機(jī)器人的動(dòng)態(tài)口形，驗(yàn)證了仿人頭像機(jī)器人的情感表達(dá)能力。在情感再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人的情感人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與人類的語(yǔ)音和面部表情的交流，機(jī)器人做出相應(yīng)的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明仿人頭像機(jī)器人的人機(jī)情感交互能力，驗(yàn)證了人工情感模型的正確性和有效性。
　　對(duì)仿人頭像機(jī)器人人工情感建模與實(shí)現(xiàn)的研究結(jié)果表明人工情感模型能夠較好