仿人机器人面部表情驱动机构设计仿真.pdf

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1、第34卷第4期计算机仿真2017年04月文章编号：1006—9348(2017)04—0335一05仿人机器人面部表情驱动机构设计仿真云亚文，柯显信，邱本锐(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)摘要：在仿人机器人研究中，面部表情实现是仿人机器人拟人化的重要基础。机器人头部设计面临自由度多、空间狭小等难题，结构之间极易引起干涉。根据仿人机器人基本表情的实现原理，采用模块化设计理念，设计了仿人机器人面部的各个驱动机构。然后，采用ANsYs有限元分析软件，在建立仿人机器人面部弹性体模型的基础上，根据仿人机器人的面部驱动机构设计，对模型进行有限元仿真分析，经过多次试验

2、，求得面部弹性体模型六种基本表情的仿真结果。仿真结果表明，面部驱动机构设计具有合理性，并给出每种表情仿人机器人面部控制区域相应的位移载荷大小。关键词：基本表情；驱动机构；有限元仿真；位移中图分类号：TP242文献标识码：BTheFacialDriVeMechallismDesignandSimulationoftheHumanoidRobotYUNYa—wen，KEXian—xin，QIUBen—mi(SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomation，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China)A

3、BSTRACT：Inthehumanoidrobotresearch，thefacialexpressionisanimponantfoundatjontotheanthropomor—phichumanoidmbot．Robotheaddesignf；LcestheproblemssuchastoomanyDOFandlittlespace．ThiswiⅡcauseinted．erencebetweenstmctures．Accordingtothebasicprincipleofthehumanoidmbotexpressions，eachoft}ledrivemec

4、hanismwasdesignedbasedonthemodulardesign．Then，onthebasisoffacialelastiemodelofthehumarloidm·bot，finiteelementsimlllationanalysiswasconductedwithANSYS．Afterseveraltests，simulationresultsofsixbasicfacialexpressionsbasedontheelasticmodelwereobtained．Simulationresultsshowthatthedrivemechanism

5、designisreasonable．ThedisplacementsofthehumanoidrobotfacecontmlaTeasarelisted．KEYWoRDS：Basicexpressions；Drivemechanism；Finiteelementsimulation；Displacementl引言智能机器人研究是当今各国机器人研究的热点问题，如何研制出与人类高度类似且能够实现人机交互的仿人机器人更是科学家研究的重点。心理学家研究表明，人的情感表达语言占45％，面部表情占55％。1o。所以，在人机交互研究过程中，实现机器人的面部表情表达在机器人与人的情感交

6、流中显得尤为重要。目前，国内外的研究机构主要是采用驱动柔性体皮肤的方法来实现面部表情，2008年，英国布里斯托尔机器人学实验室研制出了仿人机器人Jules旧J，该机器人拥有34个电机，基金项目：国家自然科学基金资助项目(61273325)；“国家重大科学仪器设备开发专项”项目(2012YQl50087)收稿日期：2016一05—20修回日期：2016—06一07这些电机被软性橡胶所覆盖，可以实现人类面部表情和嘴唇运动，模仿人类常见的十种面部表情。2011年，哈尔滨工业大学研制了一款能实现表情识别和表情再现的仿人机器人口J，该机器人具有眼球、眼睑、下颚和表情机构驱动系统，可

7、以实现七种不同特征的面部表情。2014年，日本大阪大学机器人研究所所长石黑浩设计了女播音员机器人“Kodo—moroid，，_4J，该机器人的皮肤采用的是硅树脂材料，并且还配置了人工肌肉。该机器人在与人交流时，嘴唇和眉毛都会动，还会眨眼、左顾右盼等。驱动机构设计和柔性体面部表情仿真对仿人机器人的研究起着至关重要的作用。机器人头部机构设计面临自由度多、空间狭小的难题，结构之间极易造成干涉。文中采用模块化设计理念对表情机器人进行了头部设计，各模块之间既有联动性又有独立性。面部表情仿真为表情动作实现提供重要数据依据。一335—2面部