仿人机器人面部结构设计与情感表达控制

摘要

面部情感表达技术是研究仿人机器人的热点课题之一。情感表达丰富化以及情感模型细腻化是该课题待突破的两个难题。论文在分析了人脸表情产生机理的基础上，采用面部动作编码系统(FACS)，对提出的十种表情进行了动作编码。通过剖析情感再现方法以及编码规律，得出了仿人机器人面部情感再现的13个运动控制点。通过采集实际人脸表情，量化了每个控制点的运动范围。
　　根据运动控制点的分布特点，将面部结构分成了眉毛、眼睑、眼球、鼻部、嘴部以及下颌等六个模块，分别分析设计，并对运动机构进行了ADAMS仿真验证。在Pro/E软件中对面部结构1∶1实体建模，并在ADAMS软件中进行了表情仿真。
　　针对微处理器任务顺序执行的缺陷，设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的面部运动控制系统。按照FPGA的设计特点，将系统分模块设计。在QuartusⅡ软件中，设计了VerilogHDL语言的模块控制代码，并调用了EDA仿真工具ModelSim-Atlera对模块仿真验证。通过在一片FPGA上实例化每个模块，完成了控制系统的设计。
　　研究了PAD(Pleasure-Arousal-Dominance)三维情感模型，对PAD空间中的情感离散、情感交叉无法描述等缺陷进行了改进。改进后的PAD模型将情感分为类别级、连续级等两个级别。运用改进的PAD三维情感模型，提出了实现仿人机器人面部情感连续性表达方案。
　　最后，通过实物样机的三个情感表达实验，分别验证了论文所提出的面部结构、控制系统以及改进的PAD三维情感模型的正确性和有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 选题研究意义

1．3 课题研究现状分析

1．3．1 国外研究现状概述

1．3．2 国内研究现状概述

1．3．3 研究现状总结

1．4 课题主要研究内容及研究方法

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

1．5 论文组织架构

1．6 本章小结

2 人脸表情编码与机器人表情再现分析

2．1 面部表情产生机理的研究

2．1．1 面部肌肉运动分析

2．1．2 面部器官运动分析

2．2 基于FACS面部表情动作编码

2．2．1 面部动作编码系统

2．2．2 基本表情动作编码

2．2．3 拓展表情动作编码

2．3 仿人机器人面部表情再现方法

2．4 仿人机器人面部运动分析

2．4．1 面部运动点量化建模

2．4．2 面部结构自由度分析

2．5 本章小结

3 仿人机器人面部结构设计与仿真

3．1 面部整体规划

3．1．1 面部器官布局

3．1．2 机构驱动单元选择

3．1．3 面部结构设计方法

3．2 眉毛模块运动结构设计

3．2．1 眉梢处结构

3．2．2 眉心处结构

3．3 眼睑模块运动结构设计

3．4 眼球模块运动结构设计

3．4．1 眼球水平转动

3．4．2 眼球竖直转动

3．5 鼻部模块运动结构设计

3．6 嘴部模块运动结构设计

3．6．1 嘴唇运动结构

3．6．2 嘴角运动结构

3．7 下颌模块运动结构设计

3．8 仿人机器人面部结构整体设计与表情仿真

3．9 本章小结

4 基于FPGA的面部运动控制系统设计

4．1 控制系统整体分析

4．1．1 控制系统整体分析

4．1．2 主控芯片与开发环境选择

4．2 电机驱动模块设计与验证

4．2．1 舵机驱动模块

4．2．2 步进电机驱动模块

4．3 传感器信号采集模块设计与验证

4．3．1 电位器模块

4．3．2 旋转编码器模块

4．4 上位机通信模块设计与验证

4．4．1 FPGA与CY7C68013A通信设计与验证

4．4．2 CY7C68013A软件设计

4．5 调试接口模块设计与验证

4．6 控制系统整体设计

4．7 本章小结

5 PAD三维情感模型改进与面部情感连续性研究

5．1 PAD三维情感模型

5．2 PAD三维情感模型改进

5．2．1 模型改进方案

5．2．2 模型改进实现

5．3 面部情感连续性变化实现

5．3．1 同类别的表情连续变化

5．3．2 不同类别的表情连续变化

5．4 本章小结

6 仿人机器人面部情感表达实验

6．1 实验一：十种情感表达实验

6．2 实验二：运动控制系统对比实验

6．3 实验三：基于改进PAD的面部情感连续表达实验

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录1 十种表情对应的电机角位移参数表(C形式)

附录2 表情连续变化的电机角位移查找表(C形式)

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果