机器人仿生面部系统研究综述.pdf

所需积分/C币:11 2019-10-22 06:05:16 636KB PDF
32
收藏 收藏
举报

机器人仿生面部系统研究综述pdf,机器人仿生面部系统研究综述
机器人 2003年5月 情;若是玩具快速地移动,它会表露岀不知所措的神综合作用而计算得米的,距离该情感点最近的区域 凊,最后还会把眼睛闭上不看了.从这可以看出,制将被激活, K ismet根据被激活区域所代表的情感状 造能够用复杂方式与人进行父流的机器人,是可能态米驱动电机,继而带动面部特征运动,产生相应的 的 血部表情,而情感点与激活区域中心的距离则决定 Kismet的情感状态3可以表示为一个由激励了所产生表情的幅度 ( a rou sa),价( valence)和态( stance3个轴构成的三 非语言交流方式如:视、指示、面部表情、手势 维情感空间中的一个点这个空间被分成以某些特等,是婴儿与人人交流信息和情感的主要方式,8, 定点为中心的若T个区域,每个区域代表着特定的在人类交流能力的发展中走着不可替代的作用.因 种情感状态,如图2所示.某时刻的情感状态是考此,对婴儿交流方式的硏究,对于研究仿人机器人的 虑了 K ism et的动机系统、行为系统以及感知系统的表情产生具有很重要的启迪 当汇C 图1 K isme t正与 B reazea博士亲切交流 图2 K ism et的情感空间 F ig. 1 K is m et is com m unica t ing w ith Dr. Breazeal F ig. 2 Em otional space of k is m et 日本早稻田大学理工学部高西研究室从1996传送给计算机1 年起开发出名为WE-3R的系列机器人,图3所示为 WE-3RV机器人.它总共有28个自由度、其中颈 部4个、眼球4个、眼睑6个、眉毛8个嘴唇4个、下 颚1个、肺1个,并安装了很多的传感器作为感觉器 官.例如:在两个眼球内各装一个黑白CCD摄影机 感觉视觉信息;在耳部装有微型麦克风,接收声音信 息,并根据左、右耳声音的相差来定位声源:用力敏 电阻作为触觉器官,由于设计了双层结构,不仅能感 知力的大小,而且能区分推、打、抚摸等接触形式;采 用4个CMOS传感器感受温度;以4个半导体气体 图3早稻田大学的WE-3RV机器人 传感器和一个人造的机械肺作为嗅觉器官,能识 Fig 3 Robot WE-3RV of w aseda un ive rs ity 别酒精、氨水和昋烟的气味.可以说,WE-3R是目 前感觉器官最为齐仝的仿人机器人 基」 Ekm an划分的6种基木表情1,设计者为 WE-3Rⅴ由两台计算机控制,其中计算机1wE-3Rⅴ定义了7种面部模式:中、喜、怒、厌、悲、 通过图像处理获得视觉信息,并综合4种感觉器官恐、惊,另外又增加了羞、醉两种表情模式.每一种表 的信息痈定机器人的情感状态.计算机2根据计算情的幅度又按照与中性表情的差别分为50个等级 机1提供的视觉和情感信息来控制面部表情、皮肤WE-3Rⅴ根据外部刺激改变情感状态和情绪,并通 颜色以及发声系统,并且接收听觉、嗅觉、触觉和热过面部衣情、颈部运动和面部皮肤颜色衣达出来.如 觉信息,判别声源方向、气味种类和接触方式,然后果事先让WF-3RV对绿色抱有好慼.则当它眼中的 第25卷第3期 罗旆晅等:机器人仿生面部系统研究综述 285 摄像机看到绿色时,它就会做出髙兴的表情,事先让皮肤,十分接近真人.郁雄原的下一个目标是让机器 它对红球感到不愉快,那么,它雨看到红色时就不高人说话,当前他已开始研发有舌头的说话机器人 兴了 不久的将米,感情丰富、行动自如的“萨亚”一定会走 抚摸WE-3Rⅴ的头部,它就高兴.打它的头部,到你面前 它就表现出惊恐、悲伤等的表情 听到声音后,它能把头转向发出声音的方向. 当愤怒的wE-3RV闻到伏特加的气味,它就会 做出愉快的表情. 另外,就像每个人有不同性格一样,wE-3RV有 它的机器人个性13,包括感知个性和表达个性, 这是其它的机器人研究所没有的wE-3RV也定义 了个三维的情感空间1如图4) 图5东京理科大学的SAYA机器人 Mental Vector M Fig 5 Robot SAYa of science un ive rs ity of T okyo pleasant 另夕,该大学的原文雄也制作了个机器人 AHI(如图6) asleep 图4wE-3RV的三维情感空间 Fig4 3-D em otiona I space ofWE-3RV 由愉快轴( P leasan tness)、激励( A ctivation)轴 和确定( Certain ty)轴构成,情感向量M表示着WE 3Rⅴ的情感状态.当WE-3RV感知到环境的刺激 图6东京理科大学的AH机器人 后,根据情感方程式(1)改变情感向量M516,以获 Fig. Robot AH I of sc ience universiLy of T ok yu 得相应的情感状态. M Mt+△M 外观上是一个女性的头部装有假牙、硅橡胶皮 MI=(,pl, C1) 肤和假发,形象与人十分接近AHI由微型气压柔性 △M=(△a,△p,△c) 驱动器驱动面部18个控制点,可以实现人的喜、怒 在2002年横滨的机器人展会中,东京理科大学厌、悲、恐、惊6种基本表情.塑料的眼球后面安装了 的展台上哗着一个身穿白色连衣裙的姑娘,长头发 18mm的cCD微型摄像札,用来采集目标面部图像 大眼睛,她就是小林研究室郁雄原教授开发的机器数据,山人脑里的分层神经网络进行面部表情的实 人SAYA(如图5),它能扫瞄注视者的表情,比较时识别,它可以识别人的喜、怒,厌,悲,恐、惊六种基 眼、山、鼻、眉的距离,并和记忆库中没表情的面孔本表情 对照,识别出该表情所表达的某种情绪,然后由人工 这两个机器人都是基于 Ekm an和 Friesen的分 肌肉带动并协调18个面部关键点的运动,展示出相析方法12),把6种基本表情分解成14个面部运动 应的喜悦、生气、惊讶等逼真表情,反映出镜头前的单元(AUS)的组合,通过对面部18个特征点的控 人的表情,这项计划是由改善机器人的表情,来改,实现各运动单元,进而组合出各种表情.由 善人和札器人的关系.如果人们,尤其是老人,不接RKEN脑科学学会的实验室,南加利福尼亚大学的 受机器人,机器人就无法为人类服务,因此我们尝试计算机学习及电机控制实验室以及 SARCOS公司 制造能被老人接受的机器人.SAYA目前还不能行合作开发了名为 MAVeric的机器人头部(如图7) 动,只是一具面部机器人.但她面部五官齐仝,也有它有7个自由度,由一个实时操作系统控制.装有包 86 机器人 2003年5月 括位置感觉、力感觉、听觉、视觉等多感知系统2:41.看起米还是十分简单、粗糙,远没有人类的面部表情 它的运动是在计算机上编写软件程序来控制的.另丰富细腻,想让服务机器人真正被人类接受,融入人 外的一个功能是它可以发出声音,以及伴随着声音们的生活,在这方面还需不断地矿究、改进如改进 的嘴部运动,计算机传输的指令经Rs232串行接口表情机构,增加血部特征点.使用人工肌肉等 输送到一个串行控制电路板,由ⅴB程序编写的活4.2面部表情产生过程心理计算模型的硏究 动窗口控制 人类从感知刺激到形成情绪、情感、意愿,再到 产生语言、表情等外在反应,整个过程是一个十分抽 象,复杂的心理和生坦过程.从⊥程角度,如果要在 机器人身上模拟人类如此复杂的情感过程,就必须 以数学方式描述从输入到输出整个系统.建立从环 境一感觉一知觉一情绪、意慮一砷经、肌肉运动一表 情环境整个过程中,各层次之间的数学逻辑关系 4.3仿生系统致动器的研究 图7 MAVeric机器人头部 机器人头部有限的空间和成本等因素对应用于 Fig.7 Head robot ma veri 仿人机器人头部及面部衣情的致动装置提出了很高 的要求: 以上是几个有代表性的在头部机器人方面的研 (1)致动装置的质量要轻,体积要小效率要高; 究成果,其他还有日本京都通讯研究室开发的婴儿 (2)反应速度快 机器人“ In fano id”1232,卡内基-梅隆大学开发的 (3)动作平稳,连续,无冲+; Beards lev”,早稻田大学的“ISHA”27、香港模型屋 (4)控制尽可能灵活; 公司制造的机器人头部,加州大学的机器人头部,德 (5)安全可靠; 国帕德伯恩大学C实验室的Mexi,卡内基-梅隆大 (6)价格合坦. 学的4目机器人头部, Mark medon is的 目前所用的各种致动器从综合角度考虑还不能 MAXWELL等等.木田的“阿西莫(Asmo)”,NEC尽如人意有待进一步研究开发更适用的致动装置 开发的伴侣机器人“ Papero”,Sony公司的“SKR-很值得一提的是,美国国家航空和宇宙航行局 4x”札器人,日木仿人机器人财团廾发的小HF”,以(NASA)和喷气推进实验所(JPL)进行着一个机器 及世嘉玩具公司的人形机器人玩具“世博(C-人头部的项目,全部以用电活化聚合物(EAP)制 BOT)”等,也具有一定的表情识别和通过表情表达造的人工肌肉驱动器作为致动装置,可以产生一定 情感的功能 的表情.实际上,制作该机器人头部的目的就是作为 4未来的研究重点及展望( Future research 人工肌肉3驱动器的实验平台,已经作了大量的实 验和研究,但应用还不太成熟.可以说,这是一个涉 emphasis and prospect of humano id 及到仿生学、高分子化学、机器人学以及医学的很有 head) 前景的研究方向 4.1表情的细腻化和丰富化 4.4多感知信息融合 我们知道,由于诸多因素的综合作用,使表情的 人类感知外界多种不同方式的刺激,并按照自 变化细微而复杂,日常生活中的表情千变万化,千差己的方式通过表情或动作衣达自己的情感和意愿 万别,各种表情交叉,混合.心理学研究表明,人脸能概括来说,感觉系统包括眼、耳、鼻、舌、身,来自于谝 够产生大约55000种不同的表情,每一种表情都是布全身的感觉器官的信息相互配合,对人产生影响, 因人的某种情绪以及不同刺激而产生的,而能用人而不是单一的某种感觉信息、以往的传感器技术是 类自然语言来区别开的只是微乎其微.目前的机器将传感信息送给各自独立的处理系统.随着对机器 人表情大多基」 Ekman所划分的44和运动单元和系统性能和仿生水平要求的不断提高.在一个机 6种基木表情,以及在六种基本表情基础上扩展的若器人身上需要装配大量的种类繁多的传感器统 十种表情.并且都是采用某种杋械结构带动面部特地处理这些信息意味着增加了待处理的信息量,很 征点运动产生表情,虽然可以表现出一定的情绪,但可能会出现各感觉器数据组之间数据矛盾和不协调 第25卷第3期 罗旆晅等:机器人仿生面部系统研究综述 287 现象.另外,多种传感器的独立处理系统也使机器人 In tc na tional joint c on fc rence on a rtif ic jal in tc lliecncc 的信息处理和控制系统过于庞大.不利于实现机器 (IJCA [99)[C]. Stockholm, Sweden: 1 146-1151 人的独立行动和自治行为的实现.为了解决这些问 [5] Cynth ia Breazeal. Soc iab le M ach ines: Express ive soc ial exchange be tw een hum ans and robots D]. M IT, 2000. 题,需要采用传感器信息融合技术 [6]Breazeal C, Scassellati B. In fant-like soc ial in te rac t ions be tween 我们知道,目前对于单个传感器的设计及其数 a rob ot and a hum an ca re take r j. Adaptive behavior, 2000,8 据分析和处理已经有了许多成熟论和应用,但对 于来自于多种传感器的数据融合处理还没有一套完t7] BREAZEAL C. Em ot ive qualit ies in robot speech[A1h 善而且通用的埋论方法 Proceed ings of IEEE/RSJ In te rnational Con fe rence on 4.5人工神经网终 In tell igent Robots and System s( IR OS- 2001)IFFE, 2001[C] l38 394. 人的感觉信息进入大脑皮层后,先到达各自的 [&]Breazeal C. Des ig n ing Soc iab le Robots[ M ] M IT Press, 2002 初级感觉区,继而到达各自的次级感觉区,进而投射[91 iroy asu m iw a, ideaki takanobu. A tsuo t akan ishi ilum an 到各自相应的感觉联合区,最后投射到前额叶,已有 like head robot We-3rv for em otional hum an-robot in te ract ion 实验证明,视听、無、嗅、痛、热等感觉都汇聚到前额 [A]. Fo th C ISM-IFT (MM Sym pos iT [C]. RoM: nS 叶,甚至到同一神终元上.概括来说,人体神经网终 2002.51952 0] H iroyasu M iw a, T om oh iko U metsu, A tsuo T ak an ish i h ideak i 是个广泛并行分布基础上的逐级集中结构因此 Takanobu. Il um an-lke robot head that has olfactory sensation 只有分层次逐级综合的人工神经网络才能让机器人 and facial color exp ress ion[A ] P roceed ings of the 2001 IEEE 拥有更高的智能,以模拟更髙级的智力活动,实现更 Inte ional Con fe rence on Robut ies and Aulom at in[C]. 加自然流杨的反应过程和丰富的表达方式 2001.459-464. 4.6未来展望 [11 H iroyasu M iw a, T om oh ko U metsu, A tsuo Tak an ish i, H ideak 由于很多因素的制约,机器人仿生面部系统目 Takanobu. Robot pe rsonalization based on the m ental dy nam ics [A]. Proceed ings of the 2000 IEEE/RSJ In te rnational 前还基本上处于初步的试验研究阶段,但已经引起 Con fe rence on In telliyent Robuis and System s[C]. 2000. 8 了机器人界足够的兴趣和重视.作为仿人机器人不 可缺少的一部分,美国、日本等国家的一些人学和研 [12] H iroyasu M w a, A tsuo T akan ishi H ideak i t akanobu 究机构已经对机器人仿生面部系统的研究作了长远 Expcrm ental study on rob ot pc rs on a lity for hum ano id head 的研究计划.相信不远的将来.在计算机、人工智能 robot[A]. Proceed ings of the 2001 IEEE/RSJ Inte rnational Confe rence on In telligent Robots and Sys tems[C]. 2001. 1183 材料科学、机构学、传感技术、仿生学、控制技术、数 1188 学等相关学科发展的推动下,机器人仿生面部系统 [13 H iroyasu M w a, A tsuo T akan ishi H ideak i Takanobu 方面的研究一定会有更大的突破随着世界经济和 Developm ent of a hum an-lke head robot W[-3RV with various 科技的飞速发展,护理、娱乐、清扫等服务性机器人 robot pe rsonalit ies[A ] P roceed ings of IE EE-RAS In te rnational 即将进入人类的日常牛活已经是大势所趋,人们将 Confe rence on Hum anoids robots[C]. 2001. 117-124 要面对的将不再仅仅是冷冰冰的金属,而是不但能 [l4]H irovasu M iw a, T om oh iko Umetsu, A tsuo Tak an ish i, H ideak i Takanobu. Robot pe rsonality based on the equations of em otion 出色的完成需要的工作,而且具有感情和个性,能够 n the 3d m en tal space[a]. Proceedings of the 2001 通过语言、表情和动作去交流的越来越接近人类的 IEEE In te rn ational C on fe rence on Robot ics and A u tom ation[ c] 仿人机器人 2001.2602-2607 [I5] Atsuo T akan ishi, Kensuke Sato, Kunio Segaw a, H ideak i 参考文献( References) Takanobu, H iroyasu M w a. An anth rop om orph ic head-eye 1 A lbe rt Meh rah ian. Com m ln ia ion w ithout w ords[1]. robot exp ress ing em tions based on equations of em ot ion[A Psych ology Today, 1968, 2(4) Proceed ings of the IEEE In te rna tional Con fe rence on Robot ics 2] Breazeal C. Robot in soc ie ty: friend or aliance[a]. In d Auto a t ion[ C]. 2000. 2243- 2249 Proceed ings of the 1999 Autonom ous Agents W ork shop cn [6H iroyasu M Iw a, H ideak i tak anou, A tsuo Takan ishi. hum an Em otion- Based Agent A rch itec tu res[ C ]. Seattle: WA,1999B like robot he d th at hias pe rsonality based on equations of cm otion [a]. prcprin ts of the sixth Sym pos ium on thcory of [3]Breazeal C, Scassellati B. H ow to bu ild robots that m ake friends M ach ines and Mech an ism s[C]. 2000. 1-8 id in fluence people[A ]. 1999, IROS 99[C]. 858-863 [17 Ekm an P, Friesen wv. Facial Action Cod ing System [M [4] Breazeal C, Scassellati B. A con text-de pen dent attent ion sys ter Californ a: Consulting Psycholog i is Press, Palo Alto. 1977. Tor a soc ial robot [A]. In P roceed ings of the S ix leen th [18 Fum io h arl, H idletosh i A k avaw a. H irsh i K obay ash i. Rea lis t ic 机器人 2003年5月 facial cxp ress ions by sma driven facc robot A I. P rocco dings of IJ. Auton om ous Rob ots, 2002, 12(1):55-69 IEEE In te rnat ional w ork shop on Robot and Hum an In te ract ive 25]H idek i K oz im a, Coco ro N agaw a. and H iroyuki Yano Com m unication[C].(2001-09). 504-510 Em e rgence of im ita tion mediated by ob jects[ A]. The Second [19]H irosh i K obayashi. Ich ikaw a Y, Tsuji T. Face rob ot-tow ard In te national W ork shop on Ep igenetic Robotics[ C](e dinbu rgh, alt im e-rich fac ial exp ressions[A ] Proceed ings of IEEL Scotland): 2002 In te rnational w orkshop on Rob ot and Hum an In te rac t ive 26]K oz m a H. Infan o id: a babybot that ex p lores the social Com m un ication[C].(2001-09).518-523 environm enL. In Dau lenha hn. K. Bond. A h. Ca nam e ro. L 20 H roshi K obayashi Ich ik aw a Y, I suji T, Kikuchi K and edm onds, B. (eds). Socially In te lligent Agents: C reating Deve lopm ent on face robot for real facial exp ress ions[A J Re lationsh ips w ith C on puters and robots[ m]. 2002. 157 Proceed ings of the 2001 IEEE/RSJ In te rnational Con fe rence on 164. Kluwer: Academ ic Publishers In te lligent Robots and Systems[C]. Maui Haw aiL, USA [27]Kenji Suzuki R iku h k jji and Shuji H ash im oto. De ve lopm ent of 2001.2215-2220 an autonom ous hum anold robot[ j]. ISIlA, for il arm on ized 21] Hiroshi KOBAYASH l, Seiji SLZUKI. H Hum anm ach ine Enyironm en t. Jou rnal of robotics and takahash akira tange and ohki Kikuch i Mechatron ics,2002,14(5):324-332. Autom atic con tou r extraction of fac al organs for fron tal facial [28 worldw ide EP (Art if ic il M usc les) New s letter[ J]. 2002, 4 im ages w ith various fac ial exp ress ions[ J]. JSM E In te rnational Jou rnal Se ries C, 2002, 45(1): 298-305 [29R ichardson RC, W atte rson K, Leves ley M, Brow n M, H aw kes [22]Ying-li T in, T akeo Kanade, Je ffrey F. Cohn recogn i ing J,Walker P. B io log ically insp ired control for artif ic ia l m uscles action un its for fac ia l exp ress ion analys is[ J]. In P roceed ings of [A]. SPie confe re nce on L lectroac tive polymer actua tors and the ieee T ransactions on Patte rn A naly s is and M ach ine dev ices[C]. March, Californ ia: 2002 In telligence, 2001, 28(2) 作者简介 Jorg con radt, T om oh iro Sh ibata, s Schaal overt visual atte ntion for a hum ano id robot[ A]. In Proc 罗旆晅(1972),男,硕上研究生,研究领域:仿生机器人 In te rnationa l Conte re nce in Robotics and Auton om ous Sys tem s 张永德(1965-),男,博士,教授,矶究领域:仿生机器人,医 (IROS2001)[C] H aw aii2001.2332-233 疗机器人,多指灵巧手 [24 Scthu V ijayakun ar, Aaron D'souza, T om oh iro Sh ib a ta, Jorg 宋继良(1944-),男,教授,研究领域:CAD/CAM,机器人 Conradt, Ste fan Schaal. Stat is t ical learn ing for hum ano id robots 机构学 告广大作者、读者 尊敬的作者、读者 我部自开通电了信箱投稿以来,极大地方便了广大作者、读者.现在网上投稿口益增多.造成信 件人量堆积一方面山于编辑部条件有限;另外,有的电子邮件带病毒,使网终经常岀现故障,严重 地影响了编辑部的止常上作.鉴于上述原因,今后我部决定不再接收电了信箱投稿,作者、读者投稿 律通过邮局寄往我部经审查,编辑部决定录用的稿件可以通过电子信箱发来. 望广大作者、读者周知 《机器人》、《信息与控制》编辑部 2002.4.10

...展开详情
试读 7P 机器人仿生面部系统研究综述.pdf
立即下载 身份认证后 购VIP低至7折
一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
您会向同学/朋友/同事推荐我们的CSDN下载吗?
谢谢参与!您的真实评价是我们改进的动力~
  • 至尊王者

关注 私信
上传资源赚钱or赚积分
最新推荐
机器人仿生面部系统研究综述.pdf 11积分/C币 立即下载
1/7
机器人仿生面部系统研究综述.pdf第1页
机器人仿生面部系统研究综述.pdf第2页

试读结束, 可继续读1页

11积分/C币 立即下载