仿人頭像機器人人工情感建模與實現(xiàn)的研究.pdf

1、隨著仿人機器人應用領域的不斷擴展，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部狀態(tài)、目標和意圖等反饋信息。目前國外對該方向研究還處于不斷探索和完善階段，而在國內關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用研究成果報道較少。本課題以仿人頭像機器人相關技術為手段，構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。
　　從情感心理學的認知角度出發(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的數(shù)學模型實現(xiàn)。在模型中確定系數(shù)矩陣反映個性對情感的影響程度，并根據情感和情感轉換實現(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，通過設定狀態(tài)參數(shù)變量集合為機器人行為控制提供依據。在模型中，通過情感的狀態(tài)轉換表和狀態(tài)轉換矩陣研究情感有限狀態(tài)機的情感轉換情況；根據有限狀態(tài)機與馬爾可夫鏈的關系，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)轉換圖中的情感轉換路徑表達狀態(tài)機的情感行為。在人工情感模型的基礎上進行了情感仿真，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。
　　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，采用模糊神經網絡的方法進行面部表情的識別。其中，在構建模糊神經網絡結構中，采用模糊聚類的方法進行中心參數(shù)的調整，采用最小二乘法來調整連接權值；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”基礎上構建具有視、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能力。在情感再現(xiàn)實驗的基礎上進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，機器人做出相應的反應。實驗結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)的研究結果表明人工情感模型能夠較好