语音识别技术控制机器人表情
机器人通过面部动作使其更具有人性化，可以直观地和人们交流。表情机器人具有人的面部特征和情感，在机器人的服务行业内有很大的前景。本文先介绍了机器人的起源以及表情机器人研究案例，凝练了研究表情机器人的相关技术。然后根据人脸面部表情的特征，设计了表情机器人的总体方案。本论文设计的表情机器人机构包括眼睛、眉毛、嘴巴以及颈部。通过单片机实现其运动控制，通过语音识别模块设计人机交互系统。该机器人可实现“开心”、“难过”“向左看看”、“向右看看”等表情。
目录
1.引言 1
1.1机器人的起源 1
1.2国外发展现状 1
1.2.1美国 1
1.2.2日本 2
1.2.3中国 4
1.3课题来源和意义 5
1.4课题研究内容 5
2. 表情机器人机构设计 6
2.1机构设计 6
2.2表情设计 7
2.2.1电动机的选取 7
2.2.2 动作的设计 8
3. 控制系统 10
3.1表情机器人的控制 10
3.1.1舵机的控制 10
3.1.2 LED显示 13
3.1.3主板电路 13
3.1.4按键识别 15
3.1.5语音模块 16
3.2人类的表情 19
3.2.1人的表情分类 19
3.3按键识别再语音识别 20
4. 基于语音识别功能的表情控制 22
4.1LD3320芯片介绍 22
4.2LD3320应用电路的设计 23
4.3LD3320软件编程 24
5. 实验及分析 27
5.1设计优缺点 27
5.2实验分析 27
6. 结论及展望 30
6.1结论 30
6.2展望 30
参考文献 32
致谢 33
附录 34
源代码 34
流程图 37
原理图 39
1.引言
随着社会和科学技术
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的进步与发展，在人们的生活里将会有越来越多的服务机器人出现，例如医疗，餐饮，还有家庭，给人类生活提供了方便。心理学家阿尔培特发现， 在人在感情交流的时候， 语言的表达占 7%， 语调调占 38%， 说话的表情体现占55%。 由此可知，人在表达感情中肢体语言的作用大于实际的语言。 机器人头部在情感交流是至关重要的，所以在服务领域中，仿人服务机器人面部表情的实现是必不可少的[1]。
1.1机器人的起源
机器人在我国最早可追溯到西周时期，叫偃师的一位能工巧匠制造了能歌善舞的偶人，据查实是中国制造的第一个“机器人”。公元前2世纪亚历山大时期，古希腊制造出了以空气、水、蒸汽压力为动力的会动的雕像“自动机”。这些都是古代科学家发明的机械自动物体，是现代机器人的鼻祖[2]。
1959年，英格伯格和德沃尔制造出了第一台工业机器人。1962年,美国机械和铸造公司也制造出了“沃尔萨特兰（VERSTRAN）” 工业机器人，意思是“万能搬动”。“尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”是世界上最早、至今仍在使用的工业机器人[2]。
1.2国外发展现状
国外研究表情机器人的主要有美国和日本。美国研究机器人较早,日本在类人机器人研究中成果最多,位于前列。我国在这方面起步比较晚，还处于研究的初级阶段。
1.2.1美国
美国是发展机器人较早的国家之一,近年来开展和研制了以下类人机器人。
1999 年麻省理工学院 Cynthia Brea zeal 开发研制了Kismet 的婴儿机器人，是仿人表情机器人中的经典之作。如图1.1所示，它的软件和硬件的控制架构设计，实现了对接近 30 Hz 视觉信号和 8 kHz 采样速率的听觉信号的实时处理。脸部电机系统由 4 个 Motorola 68332 微处理器控制，共有 21 个伺服电机。运行 NT 系统450 MHz PC 机处理表现力语音合成和声音的情感意图识别，运行Linux 系统500 MHz PC 机处理语音识别系统。研究人员结合婴幼儿的情感发展、行为学和心理学等，建立出情感模型，像婴儿一样具有原始的社会能力且可以使人类看护进行自然交流[3]。
图1.1 Kismet 的婴儿机器人
2003年，汉森机器人技术公司研发了4个表情机器人: Andy, Kbot, PKD和AlbertHUBO是David的朋友，均被登上美国的电视新闻网等杂志的封面,图1.2是David和他的女友，可以实现28种面部表情的变化。在2002年，他研究的第1个仿人机器人头Andyroid在美国人工智能促进联会(AAAI)上展出。在2003年2月，第2代的Kbot也在美国科学促进联会(AAAS)年度会议上展出,它表情的多样化得到了广泛的赞誉[4]。
图1.2David和他的女友仿人机器人
1.2.2日本
日本的可可洛公司（Kokoro Dreams）和先进传媒公司制造了一个美女机器人Actroid如图1.3所示。图1.4是头部结构，利用小型驱动器驱动器官动作。图1.5是机器人的内部身体和皮肤，身体表面装有11个触觉传感器。它能听懂4万多个中、英、日和韩文语句，有2000多种面部表情[5]。
图1.3美女机器人Actroid 图1.4头部机构
图1.5皮肤和身体材料
日本大阪大学石黑浩研制了美女演员 Geminoid F机器人。它可以做出 65种面部表情，还能说话和唱歌如图1.6所示。它可以借助安装在橡胶皮肤下方的机械传动装置实现微笑表情，而且还能做出一些令人开心搞怪的表情比如皱眉和活动嘴巴的动作。它具有说话和唱歌 ，播放唱片或者模仿他人的声音的功能。而且其内部装有12个气压驱动装置，可以实现人的基本表情。石黑浩曾设计过一系列的类人机器人 ，有一款机器人是他本人的造型。他表示未来的类人机器人仿真程度极高 ，让我们误认为它们就是人类[6]。
图1.6美女机器人演员 Geminoid F
1.2.3中国
在1996年，我国成功地研制出了首台仿人像演讲机器人“孙中山”。如图1.7所示。该机器人的头部可以实现演讲时头部和面部的表情动作。这次研究解决了机器人脸部弹性材料以及在制作工艺上的问题，在人像的艺术形象和技术方面取得了进步。2004年在此基础上成功研制了具有弹性面膜可以表现8种基本面部表情的仿人头像机器人F&HrobotI[7]。
图1.7仿人像演讲机器人
2014年4月15日，山东济南一家学校迎来了首个机器人老师如图1.8所示，是由山东大陆有限公司研发的。这台机器人用了5年的时间研发，售价6万多。它可以执行扭动身体、动嘴唇、变换手势等动作，模拟老师上课状态，具有语音仿声交流的功能，可以和学生互动交流完成课堂任务，还具有讲解、英文的教学功能。贫困山区教师资源缺乏，有了机器人老师就可以解决这一问题了。机器人在人机交流还有不足，需要更加的人性化，它是按照 一定的程序教学的，在程序设定内的问题，都能够解答，但是如果学生发音不准就会卡机。机器人教学设计新颖，但还需要提高程序的精准度，灵敏度，在形象设计上也需要改善提高[8]。
目录
1.引言 1
1.1机器人的起源 1
1.2国外发展现状 1
1.2.1美国 1
1.2.2日本 2
1.2.3中国 4
1.3课题来源和意义 5
1.4课题研究内容 5
2. 表情机器人机构设计 6
2.1机构设计 6
2.2表情设计 7
2.2.1电动机的选取 7
2.2.2 动作的设计 8
3. 控制系统 10
3.1表情机器人的控制 10
3.1.1舵机的控制 10
3.1.2 LED显示 13
3.1.3主板电路 13
3.1.4按键识别 15
3.1.5语音模块 16
3.2人类的表情 19
3.2.1人的表情分类 19
3.3按键识别再语音识别 20
4. 基于语音识别功能的表情控制 22
4.1LD3320芯片介绍 22
4.2LD3320应用电路的设计 23
4.3LD3320软件编程 24
5. 实验及分析 27
5.1设计优缺点 27
5.2实验分析 27
6. 结论及展望 30
6.1结论 30
6.2展望 30
参考文献 32
致谢 33
附录 34
源代码 34
流程图 37
原理图 39
1.引言
随着社会和科学技术
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
的进步与发展，在人们的生活里将会有越来越多的服务机器人出现，例如医疗，餐饮，还有家庭，给人类生活提供了方便。心理学家阿尔培特发现， 在人在感情交流的时候， 语言的表达占 7%， 语调调占 38%， 说话的表情体现占55%。 由此可知，人在表达感情中肢体语言的作用大于实际的语言。 机器人头部在情感交流是至关重要的，所以在服务领域中，仿人服务机器人面部表情的实现是必不可少的[1]。
1.1机器人的起源
机器人在我国最早可追溯到西周时期，叫偃师的一位能工巧匠制造了能歌善舞的偶人，据查实是中国制造的第一个“机器人”。公元前2世纪亚历山大时期，古希腊制造出了以空气、水、蒸汽压力为动力的会动的雕像“自动机”。这些都是古代科学家发明的机械自动物体，是现代机器人的鼻祖[2]。
1959年，英格伯格和德沃尔制造出了第一台工业机器人。1962年,美国机械和铸造公司也制造出了“沃尔萨特兰（VERSTRAN）” 工业机器人，意思是“万能搬动”。“尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”是世界上最早、至今仍在使用的工业机器人[2]。
1.2国外发展现状
国外研究表情机器人的主要有美国和日本。美国研究机器人较早,日本在类人机器人研究中成果最多,位于前列。我国在这方面起步比较晚，还处于研究的初级阶段。
1.2.1美国
美国是发展机器人较早的国家之一,近年来开展和研制了以下类人机器人。
1999 年麻省理工学院 Cynthia Brea zeal 开发研制了Kismet 的婴儿机器人，是仿人表情机器人中的经典之作。如图1.1所示，它的软件和硬件的控制架构设计，实现了对接近 30 Hz 视觉信号和 8 kHz 采样速率的听觉信号的实时处理。脸部电机系统由 4 个 Motorola 68332 微处理器控制，共有 21 个伺服电机。运行 NT 系统450 MHz PC 机处理表现力语音合成和声音的情感意图识别，运行Linux 系统500 MHz PC 机处理语音识别系统。研究人员结合婴幼儿的情感发展、行为学和心理学等，建立出情感模型，像婴儿一样具有原始的社会能力且可以使人类看护进行自然交流[3]。
图1.1 Kismet 的婴儿机器人
2003年，汉森机器人技术公司研发了4个表情机器人: Andy, Kbot, PKD和AlbertHUBO是David的朋友，均被登上美国的电视新闻网等杂志的封面,图1.2是David和他的女友，可以实现28种面部表情的变化。在2002年，他研究的第1个仿人机器人头Andyroid在美国人工智能促进联会(AAAI)上展出。在2003年2月，第2代的Kbot也在美国科学促进联会(AAAS)年度会议上展出,它表情的多样化得到了广泛的赞誉[4]。
图1.2David和他的女友仿人机器人
1.2.2日本
日本的可可洛公司（Kokoro Dreams）和先进传媒公司制造了一个美女机器人Actroid如图1.3所示。图1.4是头部结构，利用小型驱动器驱动器官动作。图1.5是机器人的内部身体和皮肤，身体表面装有11个触觉传感器。它能听懂4万多个中、英、日和韩文语句，有2000多种面部表情[5]。
图1.3美女机器人Actroid 图1.4头部机构
图1.5皮肤和身体材料
日本大阪大学石黑浩研制了美女演员 Geminoid F机器人。它可以做出 65种面部表情，还能说话和唱歌如图1.6所示。它可以借助安装在橡胶皮肤下方的机械传动装置实现微笑表情，而且还能做出一些令人开心搞怪的表情比如皱眉和活动嘴巴的动作。它具有说话和唱歌 ，播放唱片或者模仿他人的声音的功能。而且其内部装有12个气压驱动装置，可以实现人的基本表情。石黑浩曾设计过一系列的类人机器人 ，有一款机器人是他本人的造型。他表示未来的类人机器人仿真程度极高 ，让我们误认为它们就是人类[6]。
图1.6美女机器人演员 Geminoid F
1.2.3中国
在1996年，我国成功地研制出了首台仿人像演讲机器人“孙中山”。如图1.7所示。该机器人的头部可以实现演讲时头部和面部的表情动作。这次研究解决了机器人脸部弹性材料以及在制作工艺上的问题，在人像的艺术形象和技术方面取得了进步。2004年在此基础上成功研制了具有弹性面膜可以表现8种基本面部表情的仿人头像机器人F&HrobotI[7]。
图1.7仿人像演讲机器人
2014年4月15日，山东济南一家学校迎来了首个机器人老师如图1.8所示，是由山东大陆有限公司研发的。这台机器人用了5年的时间研发，售价6万多。它可以执行扭动身体、动嘴唇、变换手势等动作，模拟老师上课状态，具有语音仿声交流的功能，可以和学生互动交流完成课堂任务，还具有讲解、英文的教学功能。贫困山区教师资源缺乏，有了机器人老师就可以解决这一问题了。机器人在人机交流还有不足，需要更加的人性化，它是按照 一定的程序教学的，在程序设定内的问题，都能够解答，但是如果学生发音不准就会卡机。机器人教学设计新颖，但还需要提高程序的精准度，灵敏度，在形象设计上也需要改善提高[8]。
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