基于智能交互机器人平台的教学与实践

摘要：为了将智能机器人及其相关技术更好地引入到智能学科的教学与科研之中，我们研制了具有17个自由度的双足步行机器人教学平台。在该平台上可以完成12个与智能科学相关的试验。为了使人与机器人之间的交互能像人与人一样自然、亲切和生动，我们以仿生学为基础，设计并研制了具有某种程度的情感处理和表达能力的情感机器人。该机器人通过视觉、听觉和触觉等来感知外部环境的变化，利用六种面部表情、肢体动作和语音来表达自身的情感。

关键词：机器人；人机交互；教学实验

中图分类号：G642　文献标识码：B

1　引言

在我国开展智能科学与技术研究生教育是跟踪国际高技术前沿，适应国家科技发展规划，解决社会发展面临的重大科技问题和填补信息领域学科结构“漏洞”的必然需求，应加快智能科学与技术研究生学科专业的设置步伐。“智能机器人”是智能科学与技术本科专业教学、实验活动的3个重要平台之一。为此我们研制了双足步行机器人和情感交互机器人试验平台。

人类一直梦想着创造出和人类构造相似、能与人类合作的仿人型机器人，本研究的双足步行机器人即属于仿人机器人。仿人型机器人是一种具有人的外形，并能够效仿人体的某些物理功能、感知功能及社交能力并能承袭人类的部分经验的机器人。当然，仿人型机器人的研究目的不是企图制造以假乱真或替代人类的机械，而是要创造一种新型工具，它能在典型的日常环境中和人类交流，在更广泛的环境任务中扩展人类的能力。仿人机器人不仅具有双腿、双臂、头、眼、颈、腰等物理特征，还能模仿人类的视觉、触觉、语言，甚至情感等功能。这和能在特种环境下工作的服务机器人是有区别的。仿人机器人的研究是多学科的交叉、综合与提高。机械工程师、电子学家、计算机专家、机器人学家、人工智能专家、心理学家、物理学家、生物学家、认知学家、神经生物学家甚至哲学家、语言学家和艺术家等都有参与其研究。

2　总体功能结构

2.1　双足机器人的机械结构

如图1所示机器人，是将17台舵机以搭积木的方式搭成人形的。机体大部分是由舵机组成的，各个舵机之间是由一些板金件连接而成，背部有一个舵机控制板，为了保证舵机之间能够有效地连接，同时17个舵机要组装成一个人形，需要合理机械配件。

该双足步行机器人是参考日本机器人的机械结构，具有17个自由度的在平面上可做各种拟人动作的双足步行机器人，采用了智能技术，通过无线传输，可以多个机器人同时进行表演，可以模拟人类的前进、后退、向左走、向右走、下蹲、体操表演、直立前行行走、倒地后爬起、做俯卧撑、伏地起身等。

同时，该机器人的动作库提供了已经调试好的近20个机器人动作数据文件，为教学和科研提供了非常方便友好使用的数据库文件，也可以进行二次开发，可以用软件平台创意编写出许多有趣的组合动作。例如机器人跳“千手观音”舞蹈、机器人跳街舞，机器人抬花轿，机器人福娃，机器人演话剧，等等。

2.2　双足机器人操作软件

操作软件的安装及设置很简单，我们只要在计算机装上vc++，然后再把机器人上位机软件拷到桌面上就行了。我们把电脑的串口设置为COMI。

2.3　操作软件各功能说明及其使用

如果把机器人的硬件控制平台比喻成一个有血有肉的人的话，那么软件控制程序则可以说是人的灵魂所在。没有了程序的引导和控制，整个机器人也就只能算是一个没有灵魂的躯体。只有在双足步行机器人的硬件控制平台上添加完整的控制软件程序，机器人才能真正的动起来，完成我们交给它的一系列动作。

双足步行机器人的运行状态有多种，它们分别是运行状态、复位状态等，状态与状态之间可以相互转换，并且状态转换方式灵活、不受限制和约束。整个机器人智能平台包括双足步行机器人本体和上位机控制软件。双足步行机器人上位机控制软件由双足步行机器人研究课题小组独立开发，其作用是产生双足步行机器人的运动数据，并对机器人的运动数据进行传输和编辑。双击执行图标后，就会出现程序的主界面，其主界面如图2所示。

控制软件的主界面可以分为几个区域模块，有菜单控制模块，速度控制模块，同步选择控制，舵机微调控制模块(即17个滑动块所组成的区域)，运动数据显示模块以及功能控制模块等。我们可以看到CH4为机器人的头，CH1、CH2、CH3为机器人的左胳膊，而CH4、CH6、CH7为机器人的右胳膊，CH8-CH12是机器人的左腿，CH13-CH17是机器人的右腿。我们可以根据具体想要完成的动作来拉动各个舵机对应的拉条从而改变舵机的角度来实现机器人的动作。

2.4　数据传输

可采用有线和无线两种方式(由控制板的两个双向开关进行模式转换)，有线采用专用下载线与串口连接，下载数据。无线采用专用发射盒(最大有效距离50米)与机器人进行数据传输。

3　双足机器人远程控制平台

3.1　系统功能

本系统可以实现双足机器人的远程控制。用户只要能够登录Internet，就能够轻松实现双足机器人的远程操作。

3.2　系统构成

本系统(软件部分)包括：

专用数据库(sql Server2005)；

客户端软件(包括1.远程控制传输软件2.机器人控制软件)；

服务器端软件。

3.3　系统需求

操作系统：Windows XP、Windows 2000 Server、Windows 2003 Serven；

系统平台：Net Framework 2.0：

数据库平台：Microsoft SQL Server 2005(仅服务器端需要)：

系统网络拓扑结构如图3所示。

4　机器人相关实验

(1)典型控制芯片――ARM、PIC单片机编程

(2)常用传感器

(3)电机控制

(4)机械结构设计与认识

(5)简单动作调试

(6)动作数据编程

(7)上位机编程

(8)串口数据通信

(9)机器人动力学建模

(10)多智能体协调控制

(11)复杂动作

(12)语音交互控制程序

5　情感交互机器人

现在大多数的机器人是作为一种具有特殊功能的工具，其功能比较单一，与人类没有情感上的交互。具有情感交互的表情机器人可以广泛应用于家庭服务、病人护理、助老助残、导购导游、表演、机器人玩具、机器人宠物等人们的日常生活中。

5.1　相关研究

目前，情感机器人的研究主要在美国、日本和欧盟的一些大学和研究所，我国的哈尔滨工业大学和哈尔滨理工大学也作了一些相关的研究，下面是比较有代表性的研究成果。

美国麻省理工学院(MIT)人工智能实验室的Cynthia， Breazeal研发了一个名为“Kismet”的表情机器人；日本早稻田大学理工学部高西研究室从1996年起研发出名为WE-R的一系列机器人(共四台)，在2002年横滨的机器人展会中，东京理科大学的展台上坐着一个身穿白色连衣裙的姑娘，长头发大眼睛，她就是小林研究室郁雄原教授开发的机器人SAYA；德国凯泽斯劳滕大学启动了一个仿人头的项目；来自欧盟6个国家的25名科学家目前正在英国赫特福德大学研究开发能够同人类进行感情交流的机器人；哈尔滨工业大学院士蔡鹤皋教授和吴伟国博士在1996年研制了具有讲演技能的仿人演讲机器人；吴伟国教授于2004年在国内首次研制成功了具有八种面部表情的仿人头像机器人H&F Robot2I；哈尔滨理工大学智能机械研究所张永德教授设计了一种仿人机器人头。

5.2 情感机器人平台

本研究设计了一个具有面部表情的情感机械头，用以研究和开发能够通过表情、计算机视觉、语音等方式与人类自然交流。该机器人系统有机械、电控、上位机三部分组成，主要应用了语音识别技术、语音合成技术、图像识别技术、电机控制技术、计算机通信技术、单片机应用技术、机械设计技术、材料成型技术，涉及到信息、机械、材料、美学等多个学科。情感机械头的机械设计是参照成年男性头部，以1:1的比例进行设计，有12个自由度。以Ekman和Friesen的FACS分类方法为理论基础，参考人类面部表情肌的分布和运动，设计了眉毛、上下眼睑、眼球、嘴、下颚、颈部等六个运动模块。由运动模块参照FACS里面的特征点运动合成机器人的面部表情。

5.3　实验结果与分析

为了对机器人的情感表达作出评估，在第二届北京国际科技文化创意博览会上作了一项调查。将仿人机器人头部安装一个仿人的身体躯干上，为机器人增加了上肢动作。机器人的实际照片如图4和图5所示。对机器人的招手、微笑、惊讶、愤怒、眨眼、点头、握手、提拐杖、摆臂、语言对话、外貌、恐惧、友善等13项表现，让观众现场打分，分值从1至10不等，分值越高代表与人的相似度越高，分值越低代表与人的相似度越低。一共收回62份调查表，通过统计得到如图6所示的调查结果。图标的横坐标代表从招手到友善等13项被调查项，纵坐标代表各个单项的平均得分。外貌得分最高为9.2，其他的有5项得分介于8与9之间，有7项得分在7与8之间。这些数据为今后所要做的工作和要提高的地方提供了依据。

6　结束语

以上两种教学和科研平台在国内部分高校已经得到应用和实践，并取得很好的教学和科研效果。这两种试验平台接口具有开放性，为二次开发提供了有利的条件和方便之处。