仿人机器人人性化表情交互理论与实现

Humanoid robots are highly similar to human beings in appearance, behaviors, facial expressions. Compared with other forms of robots, they .look more friendly. In order to expand the utilization of humanoid robots and let them play a key role in our daily lives, they should have the same communication capabilities as humans, for example, facial expression interaction. The primary issues we need to solve before achieving human-like facial expression interaction is how to model, recognize and realize human expressions. While there have been recent .work on robot facial expression, researchers have not studied facial expressions considering emotion, which is an urgent issue to be solved. .In this project, we study the generation mechanism of human's affection, and map the relationship of facial expression between human beings and humanoids. Then we will extract characteristics of human expressions and model it. Expression recognition will be used to increase accuracy and decrease delay. Expression showing decision model based on mood, emotion and personality will be proposed to achieve humanoid facial expressions, which feature psychologic characters. Finally, we will demonstrate our proposed methods on a humanoid robot.

仿人机器人从外形、举止、表情等方面与人类极为相似，具有很好的亲和性。为了使仿人机器人得到更广泛的应用，进入人们的工作、生活，要求仿人机器人具有人类习惯的、自然的、具有情感的表情交互能力。解决仿人机器人表情建模、辨识、表达等基础理论和关键技术，是解决机器人表情交互的必要前提。目前国内外对于机器人表情的研究刚起步，但考虑心理特性的高仿真度仿人机器人表情设计理论与方法的研究还未开展，这是一个亟待解决的基础科学问题。.本项目研究和借鉴人的情感产生机理、过程，人类表情与仿人机器人表情之间的映射关系，提取人类表情特征，建立仿人机器人表情模型；建立表情识别和推断的新算法，提高识别的准确性和实时性；提出基于心情、情感以及个性等心理因素的面向仿人机器人的表情表达决策模型，实现具有心理特性的仿人机器人的表情表达；在已研制的高仿真度仿人机器人上进行实验验证，为机器人"高仿真"地与人自然交互提供基础理论和方法。

本项目分析和借鉴人的情感产生机理、过程及外部特征，研究机器人情感交流与实现，建立了仿人机器人表情设计理论与方法，研究了人体表情的获取与建模、仿人机器人对人的表情的辨识方法、基于心理的仿人机器人的表情实现方法等问题，并在已研制的仿人机器人上进行了实验验证，为仿人机器人与人的人性化交互提供基础理论和方法。首先，借鉴人的面部表情产生机理和过程，采用人体运动捕捉系统获取人的面部运动数据并对其进行分析，通过分析获得表征人的面部表情的运动点之间的主被动规律，为建立仿人机器人面部模型提供仿生依据。其次，根据表征人的面部表情的运动点之间的主被动规律，提出了主动驱动点（ADP）的概念，并提出了一种用较少的自由度来表达人类面部表情的方法，解决了现有的面部模型具有较多自由度造成的仿人机器人头部集成难、系统可靠性低的问题；根据所提的方法设计了一款仿人机器人头部，实现了六种基本的面部表情；建立了相似性评价方法，用来评估仿人机器人的表情与人的表情的相似性。最后，对所提方法在仿人机器人平台进行了验证。通过面部表情识别实验，验证了所提主动驱动点方法的有效性；通过仿人机器人人性化人机友好交互实验，验证了所提的仿人机器人人性化交互方法的有效性；通过人机的友好交互实验，验证了所提的基于机器人面部表情的人机友好交互控制方法的有效性。