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    仿人面部表情機(jī)器人頭部機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

    2016-10-20 03:32:02盧孔筆柯顯信尚宇峰
    關(guān)鍵詞:下顎仿人眉毛

    盧孔筆,柯顯信,尚宇峰

    (上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)

    仿人面部表情機(jī)器人頭部機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

    盧孔筆,柯顯信,尚宇峰

    (上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)

    為了賦予表情機(jī)器人更豐富的面部表情,并最終實(shí)現(xiàn)與人之間更和諧的交互,在對(duì)人類基本表情的形成與肌肉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了一種仿人面部表情機(jī)器人頭部的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,為后續(xù)研究提供了硬件平臺(tái)支持.并對(duì)該機(jī)器人頭部機(jī)構(gòu),包括眉毛、眼瞼、眼球、能實(shí)現(xiàn)咀嚼動(dòng)作的下顎以及頸部等的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)說明,對(duì)多種方案的選擇作了對(duì)比.最后,確定了表情機(jī)器人頭部的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.

    仿人面部表情機(jī)器人;情感;表情;人機(jī)交互;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

    在智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略上,中國已經(jīng)把服務(wù)機(jī)器人等項(xiàng)目確定為國家“863”計(jì)劃的重點(diǎn).智能機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初的工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀和局限,其功能和智能程度大大增強(qiáng),更加滿足各種不同應(yīng)用環(huán)境的需求,從而為機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間,其中仿人面部表情機(jī)器人的研究也是當(dāng)前智能機(jī)器人研究熱點(diǎn)之一.可以預(yù)見,智能機(jī)器人將會(huì)走進(jìn)千家萬戶,因此賦予機(jī)器人情感,與之進(jìn)行生動(dòng)的情感交互變得尤為重要.而人的情感又主要是由面部表情進(jìn)行表達(dá)的.因此對(duì)于仿人表情機(jī)器人的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)和諧的人機(jī)交互有著十分重要的意義,而其中機(jī)器人的硬件平臺(tái)的搭建則是基礎(chǔ)性的一步.

    哈爾濱工業(yè)大學(xué)最早開始了對(duì)仿人表情機(jī)器人的研究.1996年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的仿生仿人機(jī)器人及其智能運(yùn)動(dòng)控制研究室以1∶1的設(shè)計(jì)比例,研究出了以孫中山為原型的仿人頭像演講機(jī)器人,該機(jī)器人具有彈性皮膚、面部器官及頭頸部、雙臂動(dòng)作,能夠起立、坐下、進(jìn)行演講;并于2003年開始進(jìn)行仿人頭像機(jī)器人H&Frobot的研究(從H&Frobot-Ⅰ到H&Frobot-Ⅲ),研究主要面向面部表情再現(xiàn)及語音口形協(xié)調(diào)等[1];2012年,該研究室研究出了具有智能表情,并具有嗅覺、視覺、力覺、溫度感知、語音口形等多感知機(jī)能的集成化仿人全身機(jī)器人GOROBOT-Ⅲ.北京科技大學(xué)的王志良教授在1999年首次提出了人工心理的概念,即利用已有的人工智能的理論和實(shí)踐基礎(chǔ),結(jié)合心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等新方法,進(jìn)行全面的人工機(jī)器(計(jì)算機(jī)、模型算法等)實(shí)現(xiàn)[2].

    在國外,對(duì)于仿人機(jī)器人的研究所取得的成果顯著.日本大阪大學(xué)石黑浩教授和Kokoro公司工程師研發(fā)的一款名為“Geminoid F”的仿人機(jī)器人,能實(shí)現(xiàn)60多種表情,具有極高的仿人相似度[3];此外日本早稻田大學(xué)的WE-4是目前感官器官最為齊全的機(jī)器人,具有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等[4];日本東京理科大學(xué)的SAYA通過19個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元控制機(jī)器人臉部硅膠皮膚[5];意大利比薩大學(xué)的FACE通過HEFES軟件控制電機(jī)做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)來模擬表情,并實(shí)現(xiàn)不同表情的混合[6];美國麻省理工學(xué)院的Kismet利用激勵(lì)、價(jià)和態(tài)這3個(gè)坐標(biāo)軸構(gòu)成情感空間模型,且該情感空間被分割成代表特定情感狀態(tài)的區(qū)域[7].

    1 表情形成的面部特征分析

    如果想讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類似人類的6種基本表情,則必須對(duì)人類的6種基本面部表情進(jìn)行分析[8].

    (1)驚訝情緒的面部特征:①額肌充分收縮,雙眉大幅提升;②上眼提肌收縮,與額肌共同作用,眼睛睜大,露出虹膜上緣的眼白;③嘴巴不自覺張開.

    (2)厭惡情緒的面部特征:①皺眉肌收縮,雙眉緊皺;②眼輪匝肌強(qiáng)烈收縮,緊閉雙眼,同時(shí)造成雙眉下壓;③提升唇肌和上唇鼻翼肌收縮,提升上唇,同時(shí)在鼻翼兩側(cè)擠壓形成鼻唇溝;④頦肌收縮,將下唇向上強(qiáng)力推起,使雙唇緊閉,下巴同時(shí)向上收起,表面皮膚形成褶皺,下唇與下巴上的肌肉隆起之間形成深溝;⑤降口角肌收縮,將嘴角向下拉,與提上唇肌的作用形成制衡,嘴角兩側(cè)形成括號(hào)形紋路.

    (3)憤怒情緒的面部特征:①雙眉下壓、緊皺;②上眼瞼提升劇烈,下眼瞼緊繃,稱為怒視;③嘴用力張大,上唇繃緊拉伸,露出牙齒作為攻擊武器;④下巴降低,真正的攻擊行為,沒有抬著頭,抬著下巴;⑤鼻翼提升,不但露出上齒的威脅形態(tài),而且鼻孔還會(huì)擴(kuò)展,用于保持呼吸道的通暢.

    (4)恐懼情緒的面部特征:①眉頭上揚(yáng),眉形整體在內(nèi)側(cè)1/3處扭曲向上;②上眼瞼向上提升,露出更多的虹膜上緣;③提上唇肌輕微收縮,上唇提起,略微露出上齒;④頸闊肌輕微收縮,將嘴角向兩側(cè)拉開,使嘴的水平寬度較平時(shí)的松弛狀態(tài)更大.

    (5)悲傷情緒的面部特征:①嘴部沒有明顯變化,輕微收縮,形成不悅嘴形;②眼睛狀態(tài)正常,可能略有增大;③眉毛不會(huì)下壓,眉頭輕微上揚(yáng),眉間輕微扭曲.

    (6)愉悅情緒的面部特征:①眉毛保持松弛時(shí)的自然拱形,前額平滑;②雙眼緊閉,下眼瞼凸起、提升,下方會(huì)出現(xiàn)溝紋,眼角內(nèi)側(cè)產(chǎn)生皺紋,外側(cè)產(chǎn)生魚尾紋;③嘴角向上,向兩側(cè)提升,臉頰隆起,提升到最高位置,呈最圓狀態(tài);④上唇提升,露出大部分上齒,下顎打開,表面變得平滑,并露出少量下齒;⑤下巴展開,皮膚平滑,自嘴角到下巴頦,形成笑容特有的溝紋,與鼻唇溝一氣貫通.

    圖1為6種基本表情及相對(duì)應(yīng)的面部形態(tài)特征.

    圖1 基本表情及對(duì)應(yīng)的面部形態(tài)特征Fig.1 Basic facial expressions and corresponding morphological characteristics

    在多數(shù)情況下,人的面部所呈現(xiàn)的表情特征基本上是對(duì)稱的,但為使機(jī)器人能夠表達(dá)出更多樣更細(xì)膩的表情特征,本研究提及的設(shè)計(jì)方案對(duì)機(jī)器人臉部的特征(如左右眼球、左右眉毛等)均采取獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式,并在對(duì)人類的面部表情特征進(jìn)行了分析之后,提出了機(jī)器人頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案.

    2 機(jī)器人頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    2.1 眼部及眉毛機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

    如果要實(shí)現(xiàn)人類與機(jī)器人的視覺交互,就必須給機(jī)器人安裝“眼睛”.眼睛是心靈的窗戶,人類正是通過眼睛感知客觀世界90%以上的信息.人類眼球近似球形,成年時(shí)正常眼球的前后徑為24 mm.垂直徑直徑較水平徑略小.眼球向前方平視時(shí),通常會(huì)突出于外側(cè)框緣12~14 mm,兩眼間相差不超過2 mm[9].如圖2所示,眼球的運(yùn)動(dòng)是3對(duì)眼外肌(上、下直肌,內(nèi)、外直肌,上、下斜肌)控制的,它們的協(xié)調(diào)活動(dòng)使眼球可以繞著x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而使眼睛靈活地注視不同方位.如內(nèi)直肌和外直肌收縮,眼球向左右方向轉(zhuǎn)動(dòng);上直肌和下直肌收縮,眼球向上下方向轉(zhuǎn)動(dòng);上斜肌和下斜肌收縮,眼球沿視軸轉(zhuǎn)動(dòng)[10].一般情況下,眼球沿視軸的運(yùn)動(dòng)難以被人察覺,故現(xiàn)有的研究大多舍棄這個(gè)動(dòng)作,如中東技術(shù)大學(xué)的i-RoK[11]、開源機(jī)器人i-Cub[12]等,該方案既不影響交互效果,又簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu).

    此外,眼球運(yùn)動(dòng)形式可分為3類[13]:①同向運(yùn)動(dòng):左右眼具有相同的運(yùn)動(dòng)方式.包括掃視運(yùn)動(dòng)和平滑追蹤運(yùn)動(dòng),前者即人在自由的觀察環(huán)境下,眼睛快速地在目標(biāo)點(diǎn)間轉(zhuǎn)移,后者即人眼在跟蹤物體運(yùn)動(dòng)時(shí),使雙眼平滑地跟隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng).②異向運(yùn)動(dòng):左右眼具有不同的運(yùn)動(dòng)方式.包括集合運(yùn)動(dòng)和散開運(yùn)動(dòng),前者即目標(biāo)物由遠(yuǎn)及近,雙眼視軸相互集合的運(yùn)動(dòng),后者恰好相反.此外,眼球運(yùn)動(dòng)還包括前庭動(dòng)眼反射和視動(dòng)反射.

    圖2 眼部肌肉構(gòu)造Fig.2 Muscle structure of eyes

    由以上分析可知,要實(shí)現(xiàn)上述的眼球運(yùn)動(dòng),左右眼必須相互獨(dú)立.而且由于包括眉毛、眼瞼、眼球在內(nèi)的眼部運(yùn)動(dòng)器官相對(duì)較為集中,運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜,因此對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了很高要求.正由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜,設(shè)計(jì)空間狹小,故在此采用了空間連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)眼瞼和眼球運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案(圖3為眼部機(jī)構(gòu)圖).空間連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)建布置靈活,運(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)副的排列具有多樣性,合理安排桿件可以顯著提高空間利用率,使結(jié)構(gòu)更加可靠;另外,如果空間連桿機(jī)構(gòu)靈活可靠,則可以避免由于制造安裝誤差而引起的運(yùn)動(dòng)不靈活甚至卡住的現(xiàn)象[14].空間連桿機(jī)構(gòu)中的空間RSSR機(jī)構(gòu),即含有兩個(gè)相鄰球面副的空間四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用最為廣泛,故在此均采用空間RSSR機(jī)構(gòu).

    圖3 眼部機(jī)構(gòu)Fig.3 Eyes mechanism

    眼瞼位于眼眶前部,覆蓋于眼球表面,分上瞼和下瞼.在如圖3所示的眼部機(jī)構(gòu)圖中,上下眼瞼均采用空間RSSR連桿機(jī)構(gòu),在舵機(jī)臂和眼瞼固定架的回轉(zhuǎn)中心上分別建立坐標(biāo)系x1y1z1和坐標(biāo)系x2y2z2.A、B兩點(diǎn)為連桿AB兩端的球鉸中心,舵機(jī)臂由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)繞z1軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)連桿推動(dòng)眼瞼固定架繞x2軸轉(zhuǎn)動(dòng),以此實(shí)現(xiàn)上眼瞼的上翻和下合.下眼瞼也與此類似.

    日本早稻田大學(xué)所研發(fā)的Kobian機(jī)器人的眉毛機(jī)構(gòu),是通過驅(qū)動(dòng)臉殼內(nèi)的磁鐵來帶動(dòng)臉殼外的眉毛磁性運(yùn)動(dòng)單元的[15],該方案設(shè)計(jì)巧妙,但是難以應(yīng)用在具有皮膚的仿人機(jī)器人上.本研究提出了一種彈性鋼絲推拉機(jī)構(gòu)(見圖4),每一邊的眉毛均包括兩個(gè)自由度,由兩根穿過固定在臉骨架上的尼龍管的彈性鋼絲分別推拉眉毛固定板上的運(yùn)動(dòng)單元.這種彈性鋼絲推拉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)新穎,易于實(shí)現(xiàn),且對(duì)設(shè)計(jì)精度要求不高,尼龍管的固定位置需要反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)矯正,以獲得最能讓人接受的眉毛動(dòng)作.

    圖4 眉毛機(jī)構(gòu)Fig.4 Eyelid mechanism

    圖5 眼球機(jī)構(gòu)Fig.5 Eyeball mechanism

    2.2 下顎機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

    機(jī)器人的下顎結(jié)構(gòu)具有7個(gè)自由度,其中上嘴唇和嘴角驅(qū)動(dòng)共有4個(gè)自由度,下顎的“xy”方向移動(dòng)2個(gè)自由度,以及下顎的張合1個(gè)自由度(見圖6).上嘴唇和嘴角的運(yùn)動(dòng)相互協(xié)調(diào),可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人元音“O”和“U”的發(fā)音(此二元音實(shí)現(xiàn)的嘴形相對(duì)復(fù)雜,其他元音較易實(shí)現(xiàn)).中間兩個(gè)舵機(jī)通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下顎“x-y”方向的移動(dòng),與下顎張合動(dòng)作相協(xié)調(diào),可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的咀嚼運(yùn)動(dòng).該7自由度的下顎機(jī)構(gòu)將在后續(xù)的人機(jī)語音交互上發(fā)揮主要作用,使機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)逼真生動(dòng)的口形和下顎動(dòng)作的變化.

    2.3 頸部機(jī)構(gòu)

    現(xiàn)有的機(jī)器人頸部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案大多采用串聯(lián)機(jī)構(gòu),如兒童機(jī)器人iCub[12]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的“H&Frobot”[16]等,或是仿人頸部彈簧機(jī)構(gòu),如日本的SAYA機(jī)器人[5]等.為使機(jī)器人頸部具有更好的仿人效果,本研究最初的頸部設(shè)計(jì)采用彈簧機(jī)構(gòu)(見圖7).該機(jī)構(gòu)的構(gòu)思是通過采用7層頸椎節(jié)來模擬人類7塊頸椎骨,并用球鉸鏈模擬人類椎間盤,頸椎節(jié)間通過球鉸鏈以及3根彈簧相連接,而頂層頸椎節(jié)則由固定在底座上的電機(jī)通過3根鋼絲牽引,并且?guī)?dòng)中間6層頸椎節(jié),從而實(shí)現(xiàn)所需的低頭、仰頭、左右側(cè)屈等頸部運(yùn)動(dòng).該方案具有很高的擬人性,卻難以建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,實(shí)現(xiàn)精確控制.

    圖6 下顎機(jī)構(gòu)Fig.6 Jaw mechanism

    圖7 彈簧頸部機(jī)構(gòu)Fig.7 Spring-type neck mechanism

    由于難以精確控制彈簧機(jī)構(gòu),本研究最后采用了空間連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)(見圖8).并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比,具有承載能力強(qiáng)、剛度高等優(yōu)點(diǎn),其誤差為桿件誤差的平均值,且零部件數(shù)目也大幅減少[17].在如圖7所示的頸部機(jī)構(gòu)中,兩個(gè)電機(jī)相互協(xié)調(diào),通過空間連桿驅(qū)動(dòng)萬向節(jié)的兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人頭部的低頭、抬頭與左右側(cè)屈,下面的舵機(jī)則驅(qū)動(dòng)頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng).

    在完成機(jī)器人頭部的每個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)械設(shè)計(jì)方案后,把每個(gè)局部機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合,并進(jìn)行干涉檢驗(yàn).如果發(fā)生干涉,則返回局部設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,因此機(jī)器人頭部的設(shè)計(jì)是一個(gè)自下而上、自上而下的雙向設(shè)計(jì),需要循環(huán)往復(fù)的矯正.圖9為機(jī)器人裝上臉骨架和皮膚的效果圖.

    圖8 并聯(lián)頸部機(jī)構(gòu)Fig.8 Parallel neck mechanism

    圖9 機(jī)器人總裝圖及覆蓋皮膚后效果Fig.9 Diagrams of assembly drawing and rendering with skin

    機(jī)器人頭部總共有22個(gè)自由度,其自由度分配如表1所示.

    表1 機(jī)器人頭部自由度分配Table 1 Distribution of dofs of robot

    3 結(jié)束語

    本研究從對(duì)人類表情的面部形態(tài)特征的分析出發(fā),總結(jié)了在不同表情下人體面部各部位包括眉毛、眼瞼、眼球、下顎、頸部等的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而制定了機(jī)器人頭部機(jī)械設(shè)計(jì)方案.同時(shí),把設(shè)計(jì)過程中欲采用的多種方案進(jìn)行了對(duì)比,分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn),然后選擇出最合適和最易實(shí)現(xiàn)的方案.

    在完成仿人表情機(jī)器人硬件平臺(tái)的搭建之后,將開始進(jìn)行表情機(jī)器人情感模型和控制算法的研究,使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)6種基本表情、混合表情和其他特殊表情的再現(xiàn),以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人眼脖協(xié)調(diào)控制和更深層次的人機(jī)交互.

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    Mechanical scheme design of a humanoid facial expressions robot

    LU Kongbi,KE Xianxin,SHANG Yufeng
    (School of Mechatronics Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

    To give richer facial expressions to humanoid countenance robot therefore achieve more harmonious interaction with people,a mechanical design of humanoid expressions is proposed by analyzing the generation of basic expressions and muscle movements, providing a hardware platform support for further study.The robot head consists of the mechanisms of eyebrows,eyelids,eyeballs,and neck,as well as the mechanism of jaw for mastication movement.Their working principles are described in detail,and several design choices are compared.The choice of mechanical design is finally made,and the required further research is specified.

    humanoid countenance robot;affection;expression;human-robot interaction;mechanical design

    TP 242.6

    A

    1007-2861(2016)04-0432-08

    10.3969/j.issn.1007-2861.2014.04.011

    2014-09-11

    國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61273325);國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2012YQ150087)

    柯顯信(1973—),男,副教授,博士后,研究方向?yàn)榉氯藱C(jī)器人和人機(jī)情感交互等. E-mail:xxke@staff.shu.edu.cn

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