基于智能交互機(jī)器人平臺(tái)的教學(xué)與實(shí)踐

王志良　劉遙峰　解　侖

摘要：為了將智能機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)更好地引入到智能學(xué)科的教學(xué)與科研之中，我們研制了具有17個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)。在該平臺(tái)上可以完成12個(gè)與智能科學(xué)相關(guān)的試驗(yàn)。為了使人與機(jī)器人之間的交互能像人與人一樣自然、親切和生動(dòng)，我們以仿生學(xué)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并研制了具有某種程度的情感處理和表達(dá)能力的情感機(jī)器人。該機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等來(lái)感知外部環(huán)境的變化，利用六種面部表情、肢體動(dòng)作和語(yǔ)音來(lái)表達(dá)自身的情感。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；人機(jī)交互；教學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1引言

在我國(guó)開(kāi)展智能科學(xué)與技術(shù)研究生教育是跟蹤國(guó)際高技術(shù)前沿，適應(yīng)國(guó)家科技發(fā)展規(guī)劃，解決社會(huì)發(fā)展面臨的重大科技問(wèn)題和填補(bǔ)信息領(lǐng)域?qū)W科結(jié)構(gòu)“漏洞”的必然需求，應(yīng)加快智能科學(xué)與技術(shù)研究生學(xué)科專業(yè)的設(shè)置步伐?！爸悄軝C(jī)器人”是智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的3個(gè)重要平臺(tái)之一。為此我們研制了雙足步行機(jī)器人和情感交互機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)。

人類一直夢(mèng)想著創(chuàng)造出和人類構(gòu)造相似、能與人類合作的仿人型機(jī)器人，本研究的雙足步行機(jī)器人即屬于仿人機(jī)器人。仿人型機(jī)器人是一種具有人的外形，并能夠效仿人體的某些物理功能、感知功能及社交能力并能承襲人類的部分經(jīng)驗(yàn)的機(jī)器人。當(dāng)然，仿人型機(jī)器人的研究目的不是企圖制造以假亂真或替代人類的機(jī)械，而是要?jiǎng)?chuàng)造一種新型工具，它能在典型的日常環(huán)境中和人類交流，在更廣泛的環(huán)境任務(wù)中擴(kuò)展人類的能力。仿人機(jī)器人不僅具有雙腿、雙臂、頭、眼、頸、腰等物理特征，還能模仿人類的視覺(jué)、觸覺(jué)、語(yǔ)言，甚至情感等功能。這和能在特種環(huán)境下工作的服務(wù)機(jī)器人是有區(qū)別的。仿人機(jī)器人的研究是多學(xué)科的交叉、綜合與提高。機(jī)械工程師、電子學(xué)家、計(jì)算機(jī)專家、機(jī)器人學(xué)家、人工智能專家、心理學(xué)家、物理學(xué)家、生物學(xué)家、認(rèn)知學(xué)家、神經(jīng)生物學(xué)家甚至哲學(xué)家、語(yǔ)言學(xué)家和藝術(shù)家等都有參與其研究。

2總體功能結(jié)構(gòu)

2.1雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示機(jī)器人，是將17臺(tái)舵機(jī)以搭積木的方式搭成人形的。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個(gè)舵機(jī)之間是由一些板金件連接而成，背部有一個(gè)舵機(jī)控制板，為了保證舵機(jī)之間能夠有效地連接，同時(shí)17個(gè)舵機(jī)要組裝成一個(gè)人形，需要合理機(jī)械配件。

該雙足步行機(jī)器人是參考日本機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有17個(gè)自由度的在平面上可做各種擬人動(dòng)作的雙足步行機(jī)器人，采用了智能技術(shù)，通過(guò)無(wú)線傳輸，可以多個(gè)機(jī)器人同時(shí)進(jìn)行表演，可以模擬人類的前進(jìn)、后退、向左走、向右走、下蹲、體操表演、直立前行行走、倒地后爬起、做俯臥撐、伏地起身等。

同時(shí)，該機(jī)器人的動(dòng)作庫(kù)提供了已經(jīng)調(diào)試好的近20個(gè)機(jī)器人動(dòng)作數(shù)據(jù)文件，為教學(xué)和科研提供了非常方便友好使用的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，也可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可以用軟件平臺(tái)創(chuàng)意編寫(xiě)出許多有趣的組合動(dòng)作。例如機(jī)器人跳“千手觀音”舞蹈、機(jī)器人跳街舞，機(jī)器人抬花轎，機(jī)器人福娃，機(jī)器人演話劇，等等。

2.2雙足機(jī)器人操作軟件

操作軟件的安裝及設(shè)置很簡(jiǎn)單，我們只要在計(jì)算機(jī)裝上vc++，然后再把機(jī)器人上位機(jī)軟件拷到桌面上就行了。我們把電腦的串口設(shè)置為COMI。

2.3操作軟件各功能說(shuō)明及其使用

如果把機(jī)器人的硬件控制平臺(tái)比喻成一個(gè)有血有肉的人的話，那么軟件控制程序則可以說(shuō)是人的靈魂所在。沒(méi)有了程序的引導(dǎo)和控制，整個(gè)機(jī)器人也就只能算是一個(gè)沒(méi)有靈魂的軀體。只有在雙足步行機(jī)器人的硬件控制平臺(tái)上添加完整的控制軟件程序，機(jī)器人才能真正的動(dòng)起來(lái)，完成我們交給它的一系列動(dòng)作。

雙足步行機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)有多種，它們分別是運(yùn)行狀態(tài)、復(fù)位狀態(tài)等，狀態(tài)與狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換，并且狀態(tài)轉(zhuǎn)換方式靈活、不受限制和約束。整個(gè)機(jī)器人智能平臺(tái)包括雙足步行機(jī)器人本體和上位機(jī)控制軟件。雙足步行機(jī)器人上位機(jī)控制軟件由雙足步行機(jī)器人研究課題小組獨(dú)立開(kāi)發(fā)，其作用是產(chǎn)生雙足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和編輯。雙擊執(zhí)行圖標(biāo)后，就會(huì)出現(xiàn)程序的主界面，其主界面如圖2所示。

控制軟件的主界面可以分為幾個(gè)區(qū)域模塊，有菜單控制模塊，速度控制模塊，同步選擇控制，舵機(jī)微調(diào)控制模塊(即17個(gè)滑動(dòng)塊所組成的區(qū)域)，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)顯示模塊以及功能控制模塊等。我們可以看到CH4為機(jī)器人的頭，CH1、CH2、CH3為機(jī)器人的左胳膊，而CH4、CH6、CH7為機(jī)器人的右胳膊，CH8-CH12是機(jī)器人的左腿，CH13-CH17是機(jī)器人的右腿。我們可以根據(jù)具體想要完成的動(dòng)作來(lái)拉動(dòng)各個(gè)舵機(jī)對(duì)應(yīng)的拉條從而改變舵機(jī)的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作。

2.4數(shù)據(jù)傳輸

可采用有線和無(wú)線兩種方式(由控制板的兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換)，有線采用專用下載線與串口連接，下載數(shù)據(jù)。無(wú)線采用專用發(fā)射盒(最大有效距離50米)與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3雙足機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)

3.1系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。用戶只要能夠登錄Internet，就能夠輕松實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作。

3.2系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)(軟件部分)包括：

專用數(shù)據(jù)庫(kù)(sql Server2005)；

客戶端軟件(包括1.遠(yuǎn)程控制傳輸軟件2.機(jī)器人控制軟件)；

服務(wù)器端軟件。

3.3系統(tǒng)需求

操作系統(tǒng)：Windows XP、Windows 2000 Server、Windows 2003 Serven；

系統(tǒng)平臺(tái)：Net Framework 2.0：

數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)：Microsoft SQL Server 2005(僅服務(wù)器端需要)：

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

4機(jī)器人相關(guān)實(shí)驗(yàn)

(1)典型控制芯片——ARM、PIC單片機(jī)編程

(2)常用傳感器

(3)電機(jī)控制

(4)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與認(rèn)識(shí)

(5)簡(jiǎn)單動(dòng)作調(diào)試

(6)動(dòng)作數(shù)據(jù)編程

(7)上位機(jī)編程

(8)串口數(shù)據(jù)通信

(9)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模

(10)多智能體協(xié)調(diào)控制

(11)復(fù)雜動(dòng)作

(12)語(yǔ)音交互控制程序

5情感交互機(jī)器人

現(xiàn)在大多數(shù)的機(jī)器人是作為一種具有特殊功能的工具，其功能比較單一，與人類沒(méi)有情感上的交互。具有情感交互的表情機(jī)器人可以廣泛應(yīng)用于家庭服務(wù)、病人護(hù)理、助老助殘、導(dǎo)購(gòu)導(dǎo)游、表演、機(jī)器人玩具、機(jī)器人寵物等人們的日常生活中。

5.1相關(guān)研究

目前，情感機(jī)器人的研究主要在美國(guó)、日本和歐盟的一些大學(xué)和研究所，我國(guó)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)也作了一些相關(guān)的研究，下面是比較有代表性的研究成果。

美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)人工智能實(shí)驗(yàn)室的Cynthia，

Breazeal研發(fā)了一個(gè)名為“Kismet”的表情機(jī)器人；日本早稻田大學(xué)理工學(xué)部高西研究室從1996年起研發(fā)出名為WE-R的一系列機(jī)器人(共四臺(tái))，在2002年橫濱的機(jī)器人展會(huì)中，東京理科大學(xué)的展臺(tái)上坐著一個(gè)身穿白色連衣裙的姑娘，長(zhǎng)頭發(fā)大眼睛，她就是小林研究室郁雄原教授開(kāi)發(fā)的機(jī)器人SAYA；德國(guó)凱澤斯勞滕大學(xué)啟動(dòng)了一個(gè)仿人頭的項(xiàng)目；來(lái)自歐盟6個(gè)國(guó)家的25名科學(xué)家目前正在英國(guó)赫特福德大學(xué)研究開(kāi)發(fā)能夠同人類進(jìn)行感情交流的機(jī)器人；哈爾濱工業(yè)大學(xué)院士蔡鶴皋教授和吳偉國(guó)博士在1996年研制了具有講演技能的仿人演講機(jī)器人；吳偉國(guó)教授于2004年在國(guó)內(nèi)首次研制成功了具有八種面部表情的仿人頭像機(jī)器人H&F Robot2I；哈爾濱理工大學(xué)智能機(jī)械研究所張永德教授設(shè)計(jì)了一種仿人機(jī)器人頭。

5.2 情感機(jī)器人平臺(tái)

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)具有面部表情的情感機(jī)械頭，用以研究和開(kāi)發(fā)能夠通過(guò)表情、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、語(yǔ)音等方式與人類自然交流。該機(jī)器人系統(tǒng)有機(jī)械、電控、上位機(jī)三部分組成，主要應(yīng)用了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、語(yǔ)音合成技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、材料成型技術(shù)，涉及到信息、機(jī)械、材料、美學(xué)等多個(gè)學(xué)科。情感機(jī)械頭的機(jī)械設(shè)計(jì)是參照成年男性頭部，以1:1的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，有12個(gè)自由度。以Ekman和Friesen的FACS分類方法為理論基礎(chǔ)，參考人類面部表情肌的分布和運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了眉毛、上下眼瞼、眼球、嘴、下顎、頸部等六個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊。由運(yùn)動(dòng)模塊參照FACS里面的特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)合成機(jī)器人的面部表情。

5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對(duì)機(jī)器人的情感表達(dá)作出評(píng)估，在第二屆北京國(guó)際科技文化創(chuàng)意博覽會(huì)上作了一項(xiàng)調(diào)查。將仿人機(jī)器人頭部安裝一個(gè)仿人的身體軀干上，為機(jī)器人增加了上肢動(dòng)作。機(jī)器人的實(shí)際照片如圖4和圖5所示。對(duì)機(jī)器人的招手、微笑、驚訝、憤怒、眨眼、點(diǎn)頭、握手、提拐杖、擺臂、語(yǔ)言對(duì)話、外貌、恐懼、友善等13項(xiàng)表現(xiàn)，讓觀眾現(xiàn)場(chǎng)打分，分值從1至10不等，分值越高代表與人的相似度越高，分值越低代表與人的相似度越低。一共收回62份調(diào)查表，通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到如圖6所示的調(diào)查結(jié)果。圖標(biāo)的橫坐標(biāo)代表從招手到友善等13項(xiàng)被調(diào)查項(xiàng)，縱坐標(biāo)代表各個(gè)單項(xiàng)的平均得分。外貌得分最高為9.2，其他的有5項(xiàng)得分介于8與9之間，有7項(xiàng)得分在7與8之間。這些數(shù)據(jù)為今后所要做的工作和要提高的地方提供了依據(jù)。

6結(jié)束語(yǔ)

以上兩種教學(xué)和科研平臺(tái)在國(guó)內(nèi)部分高校已經(jīng)得到應(yīng)用和實(shí)踐，并取得很好的教學(xué)和科研效果。這兩種試驗(yàn)平臺(tái)接口具有開(kāi)放性，為二次開(kāi)發(fā)提供了有利的條件和方便之處。