人體發(fā)聲系統(tǒng)仿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅開(kāi)懷 姜惠文 陳治安 陸施恩 陳宇航

摘要：人體的發(fā)聲系主要統(tǒng)涉及聲帶、氣管、舌頭三部分。本文采用機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生的方式，分別對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿生，并初步搭建了一套人體仿生發(fā)聲系統(tǒng)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：人體發(fā)聲系統(tǒng);仿生聲帶;仿生舌頭;仿生上下顎

0 前言

人主要通過(guò)喉頭中間的聲帶振動(dòng)發(fā)聲，聲帶是兩片呈水平狀左右并列的、對(duì)稱又富有彈性的白色韌帶，吸氣時(shí)兩聲帶分離，聲門開(kāi)啟，吸入空氣，發(fā)聲時(shí)，兩聲帶靠攏閉合振動(dòng)發(fā)聲?？谇皇侵饕墓缠Q器，舌頭是口腔中最靈活的器官，舌頭通過(guò)形成不同形狀在口腔形成不同的空氣，從而發(fā)出各種聲音。決定模擬的發(fā)聲結(jié)構(gòu)主要包括聲帶、口腔及舌頭，口腔使用3D打印完成，且要達(dá)到自由開(kāi)合的目的;聲帶部分的重點(diǎn)在于兩片韌帶的振動(dòng)和開(kāi)閉，同時(shí)氣密性也十分關(guān)鍵;舌頭需要盡可能的靈活，實(shí)現(xiàn)彎曲伸直等動(dòng)作，其中聲帶與舌頭需要韌性好、與模具材料不相容的材料，便于鑄造和起模。與老師和組員討論后，這個(gè)方案的可行性得到了肯定，鑒于聲帶與舌頭是主要的發(fā)聲部位，且實(shí)驗(yàn)較有難度，我們采取分工合作的方式分為聲帶和舌頭兩個(gè)小組。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1仿生舌頭的制備

舌頭部分無(wú)疑是整個(gè)發(fā)生系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。日本香川大學(xué)教授Hideyuki Sawada[1]發(fā)明的這款機(jī)器人非常獨(dú)特，它長(zhǎng)著突出的橡膠嘴唇。在演示過(guò)程中，這款機(jī)器人唱了日本童謠《可果美》，但音質(zhì)有點(diǎn)兒不盡人意，聽(tīng)起來(lái)更像是損壞割草機(jī)發(fā)出的聲音。我們仔細(xì)分析了日本科學(xué)家研制的這款仿生發(fā)聲系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)這款發(fā)聲系統(tǒng)，僅僅模擬了人類的喉管和鼻腔，而發(fā)聲也是靠喉管下部的幾組伺服電機(jī)帶動(dòng)的推桿來(lái)控制，并不是靠口腔、舌頭和聲帶，而是通過(guò)不同組推桿的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變喉管的形狀，發(fā)出不同的聲音，本質(zhì)上仍然是屬于機(jī)械控制。起初，我們也準(zhǔn)備用這種機(jī)械結(jié)構(gòu)，但是在進(jìn)行可靠性分析之后，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)以及控制方式存在弊端——喉嚨的變形，無(wú)法做到完全連續(xù)，而且從一個(gè)動(dòng)作到另一個(gè)動(dòng)作的過(guò)渡也顯得不連貫。而且對(duì)于研究的初衷而言，這種發(fā)聲的方式背離了模擬人體發(fā)聲系統(tǒng)這一課題。

之后，為了解決以上問(wèn)題，我們決定放棄日本科學(xué)家的這種方法，完全模擬人的發(fā)聲結(jié)構(gòu)，采用硅橡膠來(lái)制作舌頭部分。之所以用硅橡膠做舌頭，在于硅橡膠這種材料與人類的肌肉組織最為接近，并且以硅橡膠培養(yǎng)人體組織，在醫(yī)學(xué)上也有先例可循。但是具體采用何種類型的硅橡膠以及如何實(shí)現(xiàn)對(duì)舌頭動(dòng)作的控制仍然是一個(gè)問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)舌頭的連續(xù)變形，因?yàn)楣柘鹉z屬于軟體材料，因而就不可能使用傳統(tǒng)的機(jī)械控制。對(duì)此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2020年3月研制成功的幾款仿生機(jī)器人，其中有一款“象鼻機(jī)器人”[2]的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)本文起到了一定的啟發(fā)作用。此款機(jī)器人采用了柔性氣動(dòng)波紋管結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的閥和控制技術(shù)，能毫不費(fèi)力地模仿這兩種原型的動(dòng)作。氣動(dòng)輕型機(jī)器人具有十二個(gè)自由度。波紋管由堅(jiān)固的彈性體構(gòu)成。每個(gè)均由獨(dú)特的3D紡織面料包裹[3]，與章魚觸須的肌纖維類似，得益于這一創(chuàng)新纖維技術(shù)，波紋管結(jié)構(gòu)能夠向所需運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行伸展，同時(shí)在另一個(gè)方向上受限，首次能最大限度釋放可用力。

舌頭主體由 Ecoflex-0030的硅橡膠制作而成，其中充滿了一個(gè)個(gè)獨(dú)立的小氣室[4]，向其中的氣室充放氣，就能使仿生舌頭產(chǎn)生不同的彎曲、卷曲和伸長(zhǎng)變形。而這幾類變形恰好與人體舌頭工作時(shí)的幾種變形動(dòng)作相類似。

仿生舌頭的制備，一開(kāi)始考慮舌頭所用的結(jié)構(gòu)是一個(gè)舌頭整體中間有一些空腔留著充氣，但是這就對(duì)舌頭的制備方法有很高的要求，一般的方法是做不出中空的部件。因此，打算將舌頭分成上下兩個(gè)部分，獨(dú)立鑄造，等分別鑄造好了之后再用膠將兩部分粘到一起，但是當(dāng)我們粘好之后發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)不結(jié)實(shí)，當(dāng)我們向舌頭里面泵氣的時(shí)候，用膠粘的部分自動(dòng)裂開(kāi)，這與我們?cè)瓉?lái)的想法不一樣，于是我們又用同材料的硅膠將兩個(gè)部分粘到一起，但是又發(fā)現(xiàn)這樣制作的話對(duì)手工要求就很高，舌頭各組分容易厚薄不均，導(dǎo)致舌頭在泵氣的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)各個(gè)部分膨脹程度不一樣的情況，這會(huì)對(duì)后期的發(fā)聲有很大的影響，所以我們又對(duì)鑄造的方法進(jìn)行了改進(jìn)，先將上半部分鑄造完成之后，在進(jìn)行下半部分的鑄造的時(shí)候我們直接將鑄造好的上半部分放到下半部分的鑄型之中這樣可以將上下部分鑄造成一體的，并且各個(gè)部分比較均勻。

1.2仿生上下顎的制備

仿生上下顎部件主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生舌頭的承載，以及模仿人類說(shuō)話時(shí)上下顎的開(kāi)合活動(dòng)，最大程度地還原人類在說(shuō)話時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的生理特征。而對(duì)于仿生上下顎的設(shè)計(jì)要求是：

（1）能實(shí)現(xiàn)仿生舌頭在其閉合空腔內(nèi)自由舒卷;（2）開(kāi)合角度大于60度;（3）可由人自由操控其開(kāi)合。制作材料有：耐用性尼龍材料、碳棒、15kg伺服舵機(jī)、MC6C 6通道2.4g遙控器、6通道信號(hào)接收機(jī)、7.4V航模用鋰電池、4路工控板。

1.2.1設(shè)計(jì)過(guò)程：

對(duì)于上下顎的外形，我們進(jìn)行了一再的簡(jiǎn)化，極簡(jiǎn)的殼體保證其在閉合狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生漏氣現(xiàn)象;后部我們?cè)O(shè)計(jì)成通槽結(jié)構(gòu)，方便后期實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸氣管能通過(guò)并完成輸氣。自左向右打一個(gè)通孔，插入碳棒作為連接軸，連接舵機(jī)后實(shí)現(xiàn)上下顎的開(kāi)合，并通過(guò)遙控器和信號(hào)接收機(jī)來(lái)完成對(duì)其控制。

在上下顎成后，為實(shí)現(xiàn)上下顎開(kāi)合的穩(wěn)定和順暢，我們?cè)谘b置一側(cè)加裝了兩根桿件，構(gòu)成了一個(gè)四連桿結(jié)構(gòu)，將桿件與舵機(jī)相連，利用舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)上下顎的控制。

在正式組建裝置時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的理念，用碳棒和兩根桿件連接起了上下顎部件，桿件與舵機(jī)相連，構(gòu)成了穩(wěn)定的四連桿結(jié)構(gòu)。舵機(jī)、信號(hào)接收機(jī)和供電的航空鋰電池固定于上腭外表面。開(kāi)啟遙控器，利用對(duì)碼器完成信號(hào)連接，隨后將舵機(jī)調(diào)整至中位。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

裝置組裝完成后，我們很快對(duì)其各方面性能進(jìn)行了測(cè)試。在空載狀態(tài)下，該裝置可實(shí)現(xiàn)人工控制，并在一秒中內(nèi)完成了4次開(kāi)合。最大開(kāi)合角度達(dá)到70度。而在負(fù)載（內(nèi)腔裝填仿生舌頭）狀態(tài)下，該裝置可實(shí)現(xiàn)每秒一次開(kāi)合，最大開(kāi)合角度不變。桿件壽命約為3000次，電池可供裝置連續(xù)工作90分鐘。后續(xù)我們通過(guò)編寫程序段，利用單片機(jī)傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了該裝置的自動(dòng)開(kāi)合。

1.3 聲帶部分的制備

1.3.1聲帶發(fā)聲原理

聲帶是人發(fā)聲的振源，體內(nèi)氣流沖擊聲帶，帶動(dòng)聲帶振動(dòng)，從而發(fā)出聲音。發(fā)聲過(guò)程是氣流沖擊閉合的聲門，聲門打開(kāi)，產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)出聲音。正常情況下，聲帶是光滑且閉合完全的，這時(shí)氣流沖擊聲門的氣流，就是均勻集中的，聲門各個(gè)部位振動(dòng)頻率和幅度大致平均，聲音清脆明亮。如果聲門局部閉合不好，就會(huì)導(dǎo)致聲音嘶啞，有雜音感。

1.3.2聲帶裝置

人類的聲音是人的發(fā)音器官活動(dòng)的結(jié)果。仿人體發(fā)聲裝置中，采用了仿生肺部、氣管、聲帶、口腔、舌頭來(lái)初步模仿人的發(fā)聲。

肺部呼出的氣流是發(fā)聲的動(dòng)力。在這里我們采用了變量型氣泵（輸出氣流量穩(wěn)定）裝置來(lái)充當(dāng)“肺”這一動(dòng)力源。氣管輸送氣流的通道，由肺部呼出的氣流通過(guò)氣管、支氣管到達(dá)喉頭，作用于聲帶，聲帶組織，才能發(fā)出不同的聲音。這里我們采用了塑料軟管來(lái)模擬人體的氣管。

聲帶是發(fā)生器官的主要組成部分。位于喉腔中部，由聲帶肌、聲帶韌帶和粘膜三部分組成，左右對(duì)稱。聲帶的固有膜是致密結(jié)締組織，在皺襞的邊緣有強(qiáng)韌的彈性纖維和橫紋肌，彈性大。兩聲帶間的矢狀裂隙為聲門裂。

仿人體發(fā)聲裝置采用了材料填充模具，上下分模鑄造。聲帶整體呈橢球形，高110mm，長(zhǎng)64mm，寬25.5mm。在模具中間，采用了1—3mm不等厚度的膜，從而充當(dāng)聲帶固有膜。膜上，根據(jù)不同情況添加不同厚度的錫箔紙，從而增加膜的震動(dòng)頻率。聲帶膜把橢球形的聲帶分為兩個(gè)腔室。我們稱之為入氣腔與出氣腔。兩個(gè)膜見(jiàn)留縫隙1-3mm，預(yù)留氣體通過(guò)。

1.3.3發(fā)聲模擬

打開(kāi)變量氣泵，通過(guò)變量氣泵輸入穩(wěn)定的氣流量，根據(jù)需求調(diào)節(jié)輸入氣體流量。氣體在塑料軟管的中與氣管發(fā)生輕微弱震動(dòng)，并且將氣流通向 “聲帶”。

氣流來(lái)到橢球形的聲帶的入氣腔，由于入氣腔的體積較氣管口徑大，氣體會(huì)再此大量聚集，氣體壓強(qiáng)升高。此時(shí)出氣腔的壓強(qiáng)較低，入氣腔氣體在氣壓的作用下進(jìn)入出氣腔。在兩腔室之間“類聲帶固有膜”會(huì)阻礙氣體的流動(dòng)。氣體在膜見(jiàn)縫的作用下，會(huì)形成壓力差，此壓力差較大，氣體流速較快，使“類聲帶固有膜”和空氣震動(dòng)，且在橢球形的密閉空間內(nèi)，形成氣鳴現(xiàn)象。引起聲帶發(fā)聲。

2 存在問(wèn)題及解決方案

2.1 存在的問(wèn)題

（1）桿件壽命過(guò)短;（2）連續(xù)開(kāi)合過(guò)程中存在動(dòng)作不連貫現(xiàn)象;（3）裝置內(nèi)腔過(guò)于平整，與人體結(jié)構(gòu)仍有差距;（4）控制方法響應(yīng)靈敏度不夠。

2.2改進(jìn)方案

（1）選用疲勞強(qiáng)度更高的3D打印材料;（2）調(diào)整桿件尺寸，優(yōu)化連桿結(jié)構(gòu)，改用球頭連接減小阻力使其運(yùn)動(dòng)更加順暢;（3）仿照口腔倒模，利用Ecoflex-0030等仿生材料制作口腔軟組織粘貼固定在裝置內(nèi)壁;（4）將遙控器控制改為電腦終端控制。

3 總結(jié)

對(duì)于人體仿生發(fā)聲的研究在國(guó)內(nèi)鮮有見(jiàn)聞，本文的研究是從仿生工程學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)使用和人體組織相近的仿生材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體發(fā)聲很大程度的還原，也證明了在不借助電子播放器的情況下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人類說(shuō)話的模仿。希望人體仿生發(fā)聲技術(shù)在未來(lái)的機(jī)器人領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮出其重要的作用。

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羅開(kāi)懷，男，生于2001年6月，漢族，四川廣安人，揚(yáng)州大學(xué)，車輛工程方向