仿人头像机器人的脸型可变机构仿形研究

摘要

随着科技的进步，对于机器人的研究正朝着个性化、智能化、情感化的方向发展，机器人参与人类的生活、学习，并与人类和谐的共存将是人类对机器人进行研究的奋斗目标。仿人头像机器人具有与人类相似的面部形态和功能，能够促进机器人和人类情感以及信息的交流。目前，对于仿人头像机器人的研究已成为当今机器人领域的热点研究课题。但形象固定的仿人头像机器人无法展现出各种各样的人类面孔，因此为了加强机器人与人交互的效果，本文开展了仿人头像机器人的脸型可变机构仿形研究。
　　通过对人脸几何特征进行分析，确定出对脸型起决定性作用的特征点，并用光滑曲线分段建立了人头面部二维轮廓数学模型。使用所建立的模型对由100组成人正面照片提取得到的头面部轮廓进行验证，结果验证了模型的有效性和普适性。然后根据人类的经验知识将脸型分为圆形脸、方形脸、蛋形脸、心形脸和长形脸5种，通过认知实验获得5种脸型的标准轮廓并计算出各脸型的标准模型参数，进一步提出了基于所提出模型的脸型分类方法，并给出各脸型类别对应的模型参数范围。
　　考虑面部皮肤变形的特点将所确定的特征点均匀化分布作为脸型可变机构的驱动点带动面部皮肤变形。并设计了由3个主驱动和3组由丝杠螺母副带动滑移齿轮进行操纵的操纵机构驱动10个驱动点共计12个自由度的具有自锁功能的脸型可变机构，最后还设计了使用该机构进行脸型变换操作的控制流程。
　　最后在Solidworks中建立了包含有脸型变化机构和面部皮肤的虚拟样机刚性体几何模型，并在Ansys中进行了面部皮肤的柔性化处理，然后在Adams中完成了50组包含5种脸型的人脸样本脸型变换仿真。仿真结果表明虚拟样机得到的面部轮廓与样本脸型相似度在82％以上，仿形误差在4%以下，验证了脸型可变机构设计方案的可行性、面部驱动皮肤驱动点及面部皮肤材料选择的正确性，为脸型可变仿人头像机器人样机的研制和仿形研究提供了理论依据。

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第1章 绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状

1.3 人脸轮廓的获得方法概述

1.4 分析与总结

1.5 本文的主要研究内容

第2章 人的脸型分析与人头面部轮廓数学模型的建立

2.1 引言

2.2 人头面部轮廓通用数学模型的研究

2.3 脸型分类及各类脸型模型参数范围的确定

2.4面部器官位置数学模型的建立

2.5本章小结

第3章 仿人头像机器人脸型可变机构设计

3.1 引言

3.2 面部皮肤材料及面部皮肤驱动点的选取

3.3 脸型可变机构方案设计

3.4 脸型可变机构控制原理与系统设计

3.5 本章小结

第4章 虚拟样机的建立及仿真研究

4.1引言

4.2虚拟样机的建立

4.3 虚拟样机仿真

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢