仿人頭像機器人人工情感建模與實現(xiàn)的研究.pdf

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

2、研究平臺，通過理論、仿真和實驗對仿人頭像機器人人工情感建模與實現(xiàn)進(jìn)行深入研究。本文的研究為未來人類與機器人共存，實現(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)，建立仿人頭像機器人的人工情感模型，使人工情感通過情感表達(dá)的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)。在模型中確定系數(shù)矩陣反映個性對情感的影響程度，并根據(jù)情感和情感轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對人工情感的描述。其中人工情感的情感交互采用基于有限狀態(tài)機理論建立分層式的擴展有限狀態(tài)機情感交互模型。情感交互模型的行為

3、主要由底層的狀態(tài)機完成，通過設(shè)定狀態(tài)參數(shù)變量集合為機器人行為控制提供依據(jù)。在模型中，通過情感的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣研究情感有限狀態(tài)機的情感轉(zhuǎn)換情況；根據(jù)有限狀態(tài)機與馬爾可夫鏈的關(guān)系，計算情感有限狀態(tài)機模型的平穩(wěn)概率分布；通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中的情感轉(zhuǎn)換路徑表達(dá)狀態(tài)機的情感行為。在人工情感模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了情感仿真，通過仿真驗證了人工情感模型的正確性，并為實驗研究提供依據(jù)。
　　針對情感的外界刺激，研究視覺和聽覺信號的提取與識別。在視

4、覺信號中，主要針對人臉的面部表情進(jìn)行特征提取和識別。通過積分投影和基于知識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，采用最小二乘法來調(diào)整連接權(quán)值；在語音信號的提取與識別中，采用連續(xù)混合高斯隱馬爾可夫模型完成。通過短時平均能量和短時過零率來實現(xiàn)語音信號的端點檢測，以12階Mel倒譜系數(shù)和短時能量作為語音識別的靜態(tài)特征參數(shù)，采用它們的一階差分作為

5、動態(tài)特征參數(shù)。
　　在仿人頭像機器人“H&Frobot-II”基礎(chǔ)上構(gòu)建具有視、聽覺功能的仿人頭像機器人“H&Frobot-III”。該機器人包括機器人本體、運動控制系統(tǒng)、感知傳感器系統(tǒng)三部分。機器人本體實現(xiàn)眼球、眼瞼、下顎等部件運動，基于面部表情編碼系統(tǒng)(FACS)，通過控制柔性皮膚上的特征點運動實現(xiàn)機器人的面部表情和動態(tài)口形。在機器人上構(gòu)建CCD傳感器和語音識別單片機實現(xiàn)機器人的視覺和聽覺功能。
　　仿人頭像機器的人機情

6、感交互實驗研究。在仿人頭像機器人的情感再現(xiàn)實驗中，得出機器人6種基本面部表情(正常、微笑、吃驚、厭惡、悲傷和生氣)和機器人的動態(tài)口形，驗證了仿人頭像機器人的情感表達(dá)能力。在情感再現(xiàn)實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行機器人的情感人機交互實驗，通過與人類的語音和面部表情的交流，機器人做出相應(yīng)的反應(yīng)。實驗結(jié)果表明仿人頭像機器人的人機情感交互能力，驗證了人工情感模型的正確性和有效性。
　　對仿人頭像機器人人工情感建模與實現(xiàn)的研究結(jié)果表明人工情感模型能夠較好