专利名称：一种运用于儿童用户玩伴机器人的个性化情感模型及其应用方法
技术领域：
本发明属于一种人机交互技术领域，具体来说本发明涉及针对儿童用户的玩伴
机器人个性化交互技术，特别是儿童用户玩伴机器人的个性化情感模型的建立及其应用 方法。
背景技术：
为了真正实现自然和谐的人机交互，迫切要求机器人在进行交互服务过程中具 有更强的人性化能够根据用户的特定需求进行有针对性的交互服务，即符合"以人 为中心"的、具备个性化色彩的多模态信息协同实时交互服务，实现人类用户与机器人 的和谐共存，进行如同人与人之间那样自然和谐的交流。而目前，这方面相关的工作开 展得还很少。机器人个性化交互服务技术是一个亟待解决的问题。 美国麻省理工学院所研制的Kismet机器人，通过所建立的环境、内部剌激和行 为动作的认知心理模型，对外界输入的剌激和内部需要进行综合判断，从而引起表现行 为的各种变化。具有与儿童用户相似的行为方式和能力，比如模仿父母与孩子之间表示 情绪状态的反馈方式，小孩向父母表达需求和愿望的方式，以及儿童自我学习与人和环 境交流的方式。日本早稻田大学开发的儿童玩伴机器人有视觉、听觉、触觉和嗅觉传感 器来感知外界剌激信号。根据所建立的儿童大脑结构化模型，通过外部和内部的剌激相 应地改变其情绪状态，而后由多种方式表达出来，并通过非线性计算所产生的内部钟来 表述心境矢量的激活成分。 为了在人机交互过程中，体现出个性化的因素，解决途径之一是在机器人上建 立情感模型，通过外部剌激的变化，引起模型输出的变化，进而驱动机器人的动作表达 的变化。完成个性化交互。 根据Parkinson(1996)的研究指出，情感可以划分为心境和情绪这两个广泛的分 类。他们是有一定差别的，l)心境持续时间相对较长，情绪相对较短；2)心境是逐渐 发生、连续性的。抑扬的，情绪则快速发生、情节性；3)心境强度相对较弱，情绪则 较强；4)心境是常常伴随着较小事件的发生，以及持久稳固的环境条件逐步形成时引起 的连锁反应而发生，或者是认知过程和新陈代谢的结果，情绪则一般是由特定的事件引 起；5)心境提供自我的当前状态信息，情绪提供情境的当前状态信息；6)心境不是指向 特定对象的，情绪则指向特定对象。 情感计算的概念由美国麻省理工大学媒体实验室的R.Picard教授于1995年提 出，并于1997年正式出版专著"Affective Computing(情感计算)"。在该书中她定义 "情感计算是与情感相关、来源于情感或能够对情感施加影响的计算"。 一经提出， 就引起了很大反响，她领导的情感计算课题组以对人类情绪的生理信号处理为基本出发 点，研究取得了很多进展，其应用领域日益扩大，Picard教授在美国麻省理工大学媒体实 验室的技术报告中已经涉及到约50种应用。1996年日本文部省就以国家重点基金的方式开始支持"情感信息的信息学、心理学研究"的重大研究课题，参加该项目的有十几个 大学和研究单位，主要目的是把情感信息的研究从心理学角度向心理学、信息科学两个 交叉学科领域过渡。 国内北京科技大学提出了人工心理的概念，认为人工心理就是利用信息科学的 手段，对人的心理活动(着重是人的情感、意志、性格、创造)的更全面再一次人工机器 (计算机、模型算法等)模拟，其目的在于从心理学广义层次上研究情感计算、情绪与认 知、动机与情绪的人工机器实现问题。 由于情感可划分为心境(Mood)和情绪(Emotion)两个广泛的分类，并且是可以用 计算机模拟的，因此其转移过程在不同条件下可分为4种，如图l所示
(1)情绪状态剌激转移过程在外部事件的剌激下，情感状态由心境的动态平衡 状态移到某种激发水平的情绪激发状态，由A线表示； (2)情绪状态自发转移过程当外界剌激作用结束后，某种情绪状态将在一定的 时间内由激发状态自发地转移到心境的动态平衡状态，由B线表示； (3)心境状态剌激转移过程在某种特异性的外部事件的剌激下，心境状态将在 以心境的动态平衡状态为中心的一定的范围内发生转移，由C线表示； (4)心境状态自发转移过程在外界剌激消失后，某种心境激发状态将在一定的 时间内自发地向心境动态平衡状态转移，由D线表示。 综合上述的4个过程，针对儿童用户的玩伴机器人个性化情感模型包含4个，分 别是 1)情绪状态剌激转移过程的随机过程模型；
2)情绪状态自发转移过程的马尔可夫链模型；
3)心境状态剌激转移的控制论模型；
4)心境状态自发转移的动态平衡模型。 在滕少冬的博士论文《应用于个人机器人的人工心理模型的研究》)(北京科技 大学博士论文，2006)中的第三章及第四章，对于情绪状态剌激转移过程的随机过程模型 及情绪状态自发转移过程的马尔可夫链模型已经做出了精准的描述。 情绪状态剌激转移过程的随机过程模型此过程的随机过程模型，是建立在情 感状态概率空间的基础上，用A = (N， M， Ji， A， B)描述。其中，N是情绪种类；M
是剌激种类；n是初始状态概率分布向量为；状态转移概率矩阵为<formula>formula see original document page 5</formula>
观察值概率矩阵为，-
<formula>formula see original document page 5</formula> 情绪状态自发转移过程的马尔可夫链模型自发转移过程的马尔可夫链模型 是<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，』={fl(l-，/}
€1 j ，
"2W
膽
是状态转移矩阵；PW是前一时刻的
P(t+1)是后一时刻的情感概率向:
情感概率向』 但是，目前开展的研究工作主要限于情绪状态剌激转移过程的随机过程模型及 情绪状态自发转移过程的马尔可夫链模型这两个模型的建立和讨论上，而对于心境状态 剌激转移的控制论模型、心境状态自发转移的动态平衡模型以及上述四个模型的整合乃 至软件化应用等，尚未有人做出完整而系统的阐述，特别是将人类用户的个性化因素及 综合性、通用性的评估标准考虑到实际系统中。因此，融合个性化交互技术将是一个有 前景的研究方向。
发明内容
本发明一种运用于儿童用户玩伴机器人的个性化情感模型，除了利用已有的情 绪状态自发转移过程的马尔科夫链模型和状态剌激转移过程的HMM情绪模型情绪模型 外，特别是对于心境模型的建立，综合了心境的昼夜波动、心境的周变化、心境的月变 化和心境的季节变化等个体的生理性周期变化因素和人格特征水平等个体内源性因素建 立了心境状态自发转移的动态平衡模型；基于控制论的思想，利用惯性环节对心境状态 剌激转移过程建模，在某种特异性的外部事件的剌激下，心境状态将在以心境的动态平 衡状态为中心的一定的范围内发生转移，建立了心境状态剌激转移的控制论模型；并对 上述四个模型进行了整合，建立了t时刻的情感强度值模型。并针对儿童用户，完善儿童 玩伴机器人的完整情感变化。
—、本发明的一些概念。
1、情感能量与情感强度向量 4个模型相辅相成，在4个过程中共同作用。它们的理论基础却是一致的。在 心理学中心理能量观点的基础上，滕少冬提出了情感能量的概念。它是本发明中个性化 情感模型的建立的出发点和基础，同时也是针对儿童用户的玩伴机器人个性化交互技术 的基础。 所谓心理能量就是推动个体进行各种心理活动以及行为的能力，我们用E表 示，它有两种基本表现形式l)自由的心理能量E" 2)受约束的心理能量E"
定义称A = EA/E为心理能量约束度，n = (1- A )为心理能量的自由度。这 两个参数表达了情感状态的状态的松弛-紧张的维度。上述两种形式的心理能量表达式
为
= 7￡ (i》 7 + A = l 心理能量对外部的表现形式主要有两个方面 一方面体现为驱动个体进行感兴 趣或与当前需要相联系的各种活动；另一方面伴随着各种活动的进行以及根据活动目标
6是否达到、需要是否得到满足，而以各种情感状态和情绪表达的方式体现出来c
从这个意义上来说，我们把以后一种形式表现出来的心理能量称为情由于Eq是自由运动的，它可全部用于表达各种情绪，而E,是被约束的，它只能在一定程度上表现为各种情绪，所以情感能量可以用下式表示
Ep = En+YRA = (l-入)E+Y入E = (l-入+ Y入)E (2) 同时，设E卜t《,，《2,…，fi;〗为t时刻实际表现出的情感强度绝对分布向量。
此向量的求解在后面介绍。 2、生理性激活与抑制的情感能量 根据巴浦洛夫高级神经学说，由于生理的原因，人的大脑神经细胞在兴奋与抑制两种状态之间按一定的生理机制呈周期性的变化，伴随着这种变化，个体的意识状态也将在清醒与不清醒之间进行转化，从而使得情感能量Ep在表达的时候，其表现程度也
呈现出周期性的变化。我们把由式
<formula>formula see original document page 7</formula> 定义的情感能量称为生理性激活的情感能量，它是实际用于表现情绪的情感能
量，称a(0《a《l)为生理性唤醒度。把由式
<formula>formula see original document page 7</formula> 定义的情感能量称为生理性抑制的情感能量，它是用于表现心境的情感能量，称e (o《e《1)为生理性抑制度。且有
a + P = 1 (5) a禾P |3主要由生理机制进行周期性的调节，即"生物钟"的调节。另外，a和13还会受到某些外界剌激的干扰。心理能量以及情感能量的各种形式以及转化关系如图2，图3所示。
3、情绪强度 从动力心理学的观点来看，个体产生各种不同情绪的过程，实际上就是激活的tEDa在不同情绪状态之间的动态分配的过程，图2反映了这样的关系。
称《=〖￡;;，； ..，￡;.]为t时刻实际表现的情绪强度绝对分布向量，
|￡-|e
<formula>formula see original document page 7</formula> 4、心境强度 生理性抑制的情感能量E/在积极心境与消极心境之间变化，由其引起的心境强度变化如图3所示。 相应的，称《 ￡ 2,…，《为t时刻实际表现的心境强度绝对分布向量，并设与积极情绪对应的心境个数是m，与消极情绪对应的心境个数是n个，则m+n二N。其中
AT
鹏
《
ie积极心境i'e消极心境
，M/t为t时刻的心境强度，其计算方法在后面W绍。 K卜
0,l]，i E "， 2， ...， N}是生理性抑制的情感能量在各维度的能量值分
量。则根据情感能量守恒定律，我们有下式成立
l;i鲁《 (7》 5、情感强度 设0 S S l广l S ￡j ^ 1 ，并定义三种运算+， -， A 。
其中， +，-运算和实数域R中的加法和减法运算相似，但加法不具有交换律性质。即V￡J €
时，五- + * + ￡J a
'1 五 A运算是这样一种运算:厶(g，W)
pi'
1
l 激a* i f i
J7级—IT,fi声~
o
0<《+《<10《-《<1
;0
由于情感可划分为心境(Mood)和情绪(Emotion),则t时刻的情感强度定义为
=賴^，《2",,5^，[《,《2,.,"《^) (g) =[A(^,《)，A(《2，《2)，".,A(￡;￡-)
由式(8)可知，t时刻的情感强度与心境强度和情绪强度有关，根据上述的4个转移过程，它们的求解在下面分别进行介绍。
二、个性化情感模型 基于上述理论基础，本申请提出如下个性化情感模型
1、心境自发转移Laresn(1987)认为，平均的、稳定的心境特征并没有真实的反映个体的心境特征，心境随着时间的推移，其性质(好或不好)以及强度(弱或极度)是变化的。Pakrinsno(1996)认为与心境动态性有关的理论有动态平衡理论、社会牵弓|理论和非线性动态理论。并把影响心境的因素可以分作三类，其中之一来自个体内源性因素，如人格和生理因素。 本发明中的心境自发转移模型就是从个体内源性角度建立的。
86/12页 人格对心境的影响 对不同的人而言，所体验到的心境可能不同，换句话说存在着个体差异，这种差异来自于相对稳定的人格。同时，人格特征又决定了心境水平和心境变化性，心境自发地在相对稳定的心境特征水平附近波动，我们用C表示由人格决定的心境特征水平，如图3下半部分中的横线描述。
生理因素对心境的影响
个体的生理性周期变化会引起心境在积极与消极之间随着时间t波动。l)心境的昼夜波动根据Watson(2000)的研究，积极心境在一天中的趋势是早而后在一天中的某个时间上升到最大值；接着逐渐下降，在晚上达到最低。此余弦函数ocos("rt)表示。其中，o是心境的昼夜影响因子，2ji/g^是心境
上较低，
过程用-
的昼夜波动周期。 2)心境的周变化根据Larsen & Kasimatis(1990)的研究发现，具有正弦波的7天间隔解释了日常心境的变化。积极心境在周五达到顶峰，在周二处于最低。此过程用一正弦函数4sin("^t)表示。其中，4是心境的周变化影响因子，2^1/"2是心境的周变化周期。 3)心境的月变化主要是针对女性的月经周期循环的心境效应，因此，此项对心境的影响是个性化的，具有性别差异。此过程用一正弦函数Tsin("^t)表示。其中，t是心境的月变化影响因子，2Ji/"3是心境的月变化周期。4)心境的季节变化Watson(2000)认为在理论上积极情感应该有一个显著的季节模式。春季的积极心境水平较高，接着在夏季和秋季逐渐下降，最终达到冬季的最低点。此过程用一正弦函数usin("ft)表示。其中，u是心境的季节变化影响因子，2 Ji / "4是心境的季节变化周期。 人格和生理因素对心境的动态变化共同产生影响，设心境的人格影响因子为
V，心境的生理因素影响因子为l，且有 V E (0， 1)，《E (0， 1)， ijr+《=1 (9) 建立的心境自发转移模型为
馬p
《.
cr cos(o， ") + f sin(, ' I1) + r sin(,
M/t动态变化范围的确定
cr eos— .,) e〖—<j,+<j〗
vsin( 4 - /) e〖—y,+y[o cos( co ! . t)+ ; sin( co 2 . t)+ t sin("
C G [-1， +1]
f) + y sin(ci4' 0+ F' C
(10》
t)+ u sin(" 4. t)]
...M- e[(—《一r),(《+ v0l=[—+ ^)，(f+ W)=[—1，+1
(11》
以上参数中，A, iG{l， 2， 3， 4}取值较大时，相应的生理性周期变化引起的心境随着时间t的波动周期越小，即心境变化性越强。因此，针对儿童用户来说，其值应取较大值。 2、心境剌激转移 在外部因素事件和情境剌激下，心境和情绪都受到影响，但其变化过程是有区别的第一，持续时间上的差别；第二，相对强度上的差别；第三，信号功能上的差异。在本发明中，对于情绪受激后的变化过程，利用HMM这个双重随机过程来构造情绪状态剌激转移过程的情感模型，用HMM的前向和后向算法来模拟情绪在外界剌激下的变化规律，这一方法在后面将会介绍；对于心境受激后的变化过程，则采用控制论的调整策略进行研究。 Larsen(2000)提出应将控制理论应用到心境调节的动态过程中。本发明根据此观点对心境的剌激转移过程建模。 根据已有研究，心境对剌激的反应强度是略微平缓的， 一阶惯性环节更适合描述。 本发明中，定义心境的剌激转移模型为
1*，+《=￡諸的 (12)
其中，T称为心境转移时间常数，它是表征心境发生转移惯性的一个重要参数。有研究发现，女性可能比男性更容易受情绪传染或影响，因此，T参数也是男女性别差异对心境的影响参数之一，是个性化参数。后面将会介绍此参数对心境激发子过程的影响。Event(t)是外源性因素(如工作方式、生活事件、家中变故等)对心境的影响强度。
心境的剌激转移过程分为两个子过程
1)心境激发子过程 该子过程与一个零状态响应过程类似。假设心境在t时刻受某一外源性因素激发
时，心境强度初值为Mf" el-1,+1，则事件影响强度为:
- A#f ￡ve / €积极情绪事件-1 - Mf ￡ww e消機情绪事件
在此条件下，求解式(12)表示的心境剌激转移模型。
丄
r《+《=￡丽"0]=>『(&M， + Ev潔/(勾3『(sM， — 0) + Mf = ￡w ,(*》
￡ven/(/)=
(13)
考，？=勘測啡)- M，=五卿,,
(14》 ...Aff"-zr
1
10
其中，L[']， L—^']分别是拉普拉斯变换和反变换。 根据心理学中情绪反应的时间动力性的基本概念，可以定义心境中相应的概念。 定义称T,为心境反应调节时间，T^4T。这个参数表达了心境从初始强度Aff"变化到-0.98或+0.98(-1或+1的±2% )的最短时间。 定义称Td为心境反应延迟时间，T^0.69T。这个参数表达了心境从初始强度M，第一次达到Event(t) X 50 %所需的时间。 定义称Tr为心境反应上升时间，Y产2.20T。 这个参数表达了心境从强度《.+￡^"/(/)><10%第次1..JT达到A^。 +￡ 柳><卯％所需的时间(Event G积极情绪
事件)，或从强度淑，+勘6 啡^10%第一次下降达到艇，+￡聰《柳乂卯％所需的时间(Event G消极情绪事件;)。根据上述的三个定义，可以看到心境反应调节时间的快慢，心境反应延迟时间和心境反应上升时间的长短，可能包含了重要的个体差异信息。这三个值都与心境转移时间常数T有关。因此，T参数是男女性别差异对心境的影响参数之一，是个性化参数，其大小对心境激发子过程是有影响的。 图4是当T = 0.5和T = 0.9， Event(t) = 1时，心境激发子过程。从图中可以看出，心境反应调节时间、心境反应延迟时间和心境反应上升时间均不同，反映了男女性别差异对心境的影响。 心境强度M/t在某一外源性因素的持续激发下不断变大，表现出了事件的影响随时间的积累作用。但其变化率却不断变小，即影响随时间变小，表明了心境在某一特定时间剌激下，越来越不敏感，对此事件的发生变得麻木，如图5所示。
2)心境衰减子过程 该子过程与一个零输入响应过程类似，是在心境激发子过程之后的。假设在t时刻外源性因素对心境的影响消失Event(t) = 0，消失时的心境强度初值为M， e[—1,+1〗。
在此条件下，求解式(12)表示的心境剌激转移模型。
￡一， +《=五驚《柳i『(《-Af ， ) + Af， = 0, + l对=TMf
L (15)
程，并进
—i
1房，.
其中，L[」，L—^J分别是拉普拉斯变换和反变换。3、情绪自发转移
根据滕少冬的研究，在概率空间的基础上，把情绪的变化过程看成一个随机过步用马尔科夫链来描述情绪状态自发转移过程，给出了基本方程以及计算方法。此过程的随机过程模型，是建立在情感状态概率空间的基础上，用A = (N， M，
11^T， A， B)描述。其中，N是情绪种类；M是剌激种类；Jl是初始状态概率分布向:
flf， i "畫2 "， 3
为；状态转移概率矩阵为J-
% flH fl23
3! fl32 fl:
33
;观察值概率矩阵为5 =
611 ft As
d2i !>a ft23
iPl fl iPl
031 D33. 4、情绪剌激转移 根据滕少冬的研究，利用HMM这个双重随机过程来构造情绪状态剌激转移过 程的情感模型，用HMM的前向和后向算法来模拟情绪在外界剌激下的变化规律。自发 转移过程的马尔可夫链模型是= P(t)A。 其中，=
flu … flw
WW匿
是状态转移矩阵；PW是前一时刻的
f感概率向量；P"+"是后一时刻的情感概率向: 5、整合后t时刻情感强度模型 由于情感可划分为心境(Mood)和情绪(Emotion),则t时刻的情感强度定义为
￡,=〖￡-，￡-，. ,￡-
=崎《;，《2"."^]，[^，《2""，碌) (8)=[辜-,), A(《2 ，《2),…,， )〗 为了将上述模型实现软件化应用，本发明还提出了一种基于上述模型的一种应
用方法，其特征在于所述方法包括如下步骤 (1)设置情绪状态的初始值； (2)设置心境状态的初始值；(3)设置定时器Timer 1的初始值； (4)判断定时器Timerl的计时是否到ls，如未到，则继续计时，如到ls，则执行 定时器Timerl的响应函数。所述步骤(4)中定时器Timerl的响应函数流程为
(l)计算情绪强度
(2)计算心境强度
(3)计算情感强度
(4)根据情感滤波器，选择t时刻的输出情感；
(5)绘制情感强度曲线。 其中，计算情绪强度部分的流程为l)判断是否受到激发，如未受到激发，则 进行情绪自发转移过程计算输出情绪值Emotion; 2)如果受到激发，则将当前情感值设置 为剌激转移初始情感；3)获取外界剌激事件类型与强度；4)进行情绪剌激转移过程计算 并输出情绪值Emotion。 计算心境强度部分的流程为1)进行心境自发转移过程的计算；2)输出自发转 移过程的心境值SelfMood; 3)判断是否受到激发，如果受到，则获取当前心境值，计算
12心境剌激转移中受激子过程并输出心境值TriggerMood; 4)如果未受到激发，则获取当前 心境值，计算心境剌激转移中衰减子过程并输出心境值TriggerMood。
图1是心境与情绪状态转移图。 图2心理能量以及情感能量的各种形式以及与情绪强度之间的转化关系。 图3心理能量以及情感能量的各种形式以及与心境强度之间的转化关系。 图4是心境激发子过程。 图5是心境强度变化率。 图6是本发明的模型应用方法主流程图。 图7是定时器Timerl的响应函数流程图。 图8是针对儿童用户的玩伴机器人个性化情感模型软件。
具体实施例方式
本发明中，具体实现3个情感维度(高兴，愤怒和害怕)的计算。基于上述对四 个模型的讨论，具体参数的选择以及
具体实施方式
如下 心境状态自发转移的动态平衡模型中，人格决定的心境特征水平C由多种因素 影响，在积极消极分界线左右一定范围内变动，本发明中假设C G [-1， +1]。心境的
昼夜影响因子、周变化影响因子、月变化影响因子以及季节变化影响因子o ，^ ，t ， u G
，且有o + 4 + t + u = 1。Wl = 7"2 = 30"3 = 365 "4。 本发明中，对于 男性用户，取o =0.7， 4 =0.2， t =0， u =0.1;对于女性用户，取o =0.5， 4 =0.2， T=0.2， u=0.1。由于心境是变化缓慢且某一心境常常能持续一段时间，因 此，在本发明中，每隔1小时计算一次心境量值，心境的昼夜波动模型中，周期取24小 时，则= 2ji/24。此外取心境的人格影响因子V = 0.5，心境的生理因素影响因子 l =0.5。当参数确定后，心境状态自发转移的动态平衡模型就建立完成了。
心境状态剌激转移的控制论模型中，T参数是男女性别差异对心境的影响参数之 一，本发明中，取丁 = 0.5。 为了便于计算机实现心境剌激转移模型，在本发明中，需要求解微分方程式 (12)的差分方程形式。
根据式(12)，有
『 ^ + Mf = fverf的 (16)
《—￡卿丰)-《 "7、 根据欧拉法，可得
13(18》 其中，h称为步长，是计算心境强度的间隔时间，本发明中，取11 = 0.02。
这种微分方程差分化，可以为人工心理模型在计算机上的应用带来方便，但是 却会带来一定误差，如表l， 2所示。
表1差分化后的误差(心境激发子过程)
f A《《f =《
00000
10， 020. 03920, 0400-0, 000820. 040, 07690. 0784-0.0015
30. 060.11310. 1 i 53-0. 0022
40. 080.14790. 1507-0. 0028
50. 100.皿30. 1846-0, 0033表2差分化后的误差(心境衰减子过程)AffMf -M，
000.98170, 9838-().0021
10. 020.94320. 9445-0,001320, 040, 90620,卯67-0.0005
30. 060, 87070. 87040, 0003
40, 080, 83650, 8356().0009
50. 100.80370. 80220.(麵从表1、 2中看到，微分方程差分化后的误差为10—3数量级，因此，
仍采用差分的方法计算儿童玩伴机器人在t时刻的情感强度，以利于情感计算的计算机实 现。
绪状态自发转移过程的马尔可夫链模型中，状态转移矩阵
533
0,94 0,03 0.03 0.03 0.94 0.03 0,03 0,03 0,94 情绪状态剌激转移过程的随机过程模型中，HMM模型为A =(N， M， Ji ， A， B)。由于情感维度是3，所以N = 3 ;某种剌激确定性地只引发某一种情绪，所以M = N = 3。初始初始状态概率分布向量为Ji [ Ji工Ji 2 Ji 3] = [1/3 1/3 1/3];状态转移概率矩 阵为 情
-S3 <5W <a
14"l2—0,60.20.2—/1 =0.20,60.2;观察值概率矩阵为
3，仏)、—0,20.20,6,
—6li6,2.0.50,30,2—fl = 0.20.50.3-最大剌激强度Tmax
~20.30,20,5— 基于以上的情绪状态剌激转移模型、情绪状态自发转移模型、心境状态剌激转 移模型、心境状态自发转移模型和情感滤波器，用丫〔++和SQL Server开发针对儿童用户 的玩伴机器人个性化情感模型软件。 此个性化人工情感软件，包括情绪状态自发转移、情绪状态剌激转移、心境状 态自发转移和心境状态剌激转移四部分。每一部分都包括运行参数(初始值)的设定、情 绪(心境)的计算和输出几个基本环节。 软件的主流程为1)设置情绪状态的初始值；2)设置心境状态的初始值；3)设 置定时器Timerl的初始值；4)判断定时器Timerl的计时是否到ls，如未到，则继续计 时，如到ls，则执行定时器Timerl的响应函数。 上述四个模型的计算过程都放置在了定时器Timerl的响应函数中。 定时器Timerl的响应函数流程为1)计算情绪强度；2)计算心境强度；3)计算
情感强度；4)根据情感滤波器，选择t时刻的输出情感；5)绘制情感强度曲线。 其中，计算情绪强度部分的流程为l)判断是否受到激发，如未受到激发，则
进行情绪自发转移过程计算输出情绪值Emotion; 2)如果受到激发，则将当前情感值设置
为剌激转移初始情感；3)获取外界剌激事件类型与强度；4)进行情绪剌激转移过程计算
并输出情绪值Emotion。
计算心境强度部分的流程为l)进行心境自发转移过程的计算；2)输出自发转
移过程的心境值SelfMood; 3)判断是否受到激发，如果受到，则获取当前心境值，计算
心境剌激转移中受激子过程并输出心境值TriggerMood; 4)如果未受到激发，则获取当前
心境值，计算心境剌激转移中衰减子过程并输出心境值TriggerMood。基于以上的情绪状态剌激转移模型、情绪状态自发转移模型、心境状态剌激转
移模型、心境状态自发转移模型和情感滤波器，用丫〔++和SQL Server开发针对儿童用户
的玩伴机器人个性化情感模型软件。 软件的用户交互界面包括两个部分结果展示区和参数调整区。结果展示区主 要用来显示情绪、心境和情感状态的。在Picture控件上绘图，通过定时器Timerl的运 行，不断更新情绪、心境和情感状态。 参数调整区主要是进行模型的参数设定。用Slider控件、Combo Box控件禾P Edit Box控件完成上述模型参数的初始化工作。 在上述个性化的情感模型软件化后，嵌入到儿童玩伴机器人中，使其在后台运 行。接受非结构化环境与用户的信息输入后，通过个性化的情感软件模块，产生个性化 的输出，实现针对儿童用户的玩伴机器人个性化交互。
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权利要求
一种运用于儿童用户玩伴机器人的个性化情感模型，所述模型包括情绪模型及心境模型，分别是(1)情绪状态刺激转移过程的随机过程模型；(2)情绪状态自发转移过程的马尔可夫链模型；(3)心境状态刺激转移的控制论模型；(4)心境状态自发转移的动态平衡模型。其特征在于所述心境状态自发转移的动态平衡模型建立的模型为 <mrow><msubsup> <mi>M</mi> <mi>p</mi> <mi>βt</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>ξ</mi><mo>·</mo><mo>[</mo><mi>σ</mi><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>ω</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>·</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>ζ</mi><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>ω</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>·</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>τ</mi><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>ω</mi><mn>3</mn> </msub> <mo>·</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>υ</mi><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>ω</mi><mn>4</mn> </msub> <mo>·</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>+</mo><mi>ψ</mi><mo>·</mo><mi>C</mi><mo>;</mo> </mrow>所述心境状态刺激转移的控制论模型建立的模型为 <mrow><mi>T</mi><msubsup> <mover><mi>M</mi><mo>·</mo> </mover> <mi>p</mi> <mi>βt</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup> <mi>M</mi> <mi>p</mi> <mi>βt</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>Event</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>整合上述四模型，Epα是情绪强度，Epβ心境强度，t时刻的情感强度值模型为 <mrow><msubsup> <mi>E</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi></msubsup><mo>=</mo><mo>[</mo><mi>Δ</mi><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>E</mi><mrow> <mi>p</mi> <mn>1</mn></mrow><mi>αt</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <msubsup><mi>E</mi><mrow> <mi>p</mi> <mn>1</mn></mrow><mi>βt</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>Δ</mi><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>E</mi><mrow> <mi>p</mi> <mn>2</mn></mrow><mi>αa</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <msubsup><mi>E</mi><mrow> <mi>p</mi> <mn>2</mn></mrow><mi>βt</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>Δ</mi><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>E</mi><mi>pN</mi><mi>αt</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <msubsup><mi>E</mi><mi>pN</mi><mi>βt</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>.</mo> </mrow>
2. 根据权利要求1所述的一种运用于儿童用户玩伴机器人的个性化情感模型，其特 征在于所述心境状态自发转移的动态平衡模型中，参数o， f，t，v G
， cr + f+ r + t> = l , " J = 7 co2 = 30 co3 = 365 co4， C G [-1， +|]， W E (()， 1)， 《E (()，1)， W+l =1，在允许范围内能够根据实际情况调整。
3. 根据权利要求1所述的一种运用于儿童用户玩伴机器人的个性化情感模型，其特征在于所述心境状态剌激转移的控制论模型包括计算机可计算且可与情绪模型整合的心境激发控制论模型M， =Bwtf(f).〖l-e^]和心境衰减控制论模型A^ =M， V、
4. 一种如权利要求1所述的个性化情感模型的应用方法，其特征在于所述方法包括如下步骤(1) 设置情绪状态的初始值；(2) 设置心境状态的初始值；(3) 设置定时器Timeri的初始值；(4) 判断定时器Timeri的计时是否到ls，如未到，则继续计时，如到ls，则执行定时 器Timeri的响应函数。所述步骤(4)中定时器Timeri的响应函数流程为(1) 计算情绪强度；(2) 计算心境强度；(3) 计算情感强度；(4) 根据情感滤波器，选择t时刻的输出情感；(5) 绘制情感强度曲线。
5. 根据权利要求4所述的个性化情感模型的应用方法，其特征在于计算情绪强度 部分的流程为l)判断是否受到激发，如未受到激发，则进行情绪自发转移过程计算输 出情绪值Emotion; 2)如果受到激发，则将当前情感值设置为剌激转移初始情感；3)获取 外界剌激事件类型与强度；4)进行情绪剌激转移过程计算并输出情绪值Emotion。
6. 根据权利要求4所述的个性化情感模型的应用方法，其特征在于计算心境强 度部分的流程为l)进行心境自发转移过程的计算；2)输出自发转移过程的心境值SelfMood; 3)判断是否受到激发，如果受到，则获取当前心境值，计算心境剌激转移中 受激子过程并输出心境值TriggerMood; 4)如果未受到激发，则获取当前心境值，计算心 境剌激转移中衰减子过程并输出心境值TriggerMood。
全文摘要
本发明提出了一种运用于儿童用户玩伴机器人的个性化情感模型，所述模型主要包括情绪状态刺激转移过程的随机过程模型、情绪状态自发转移过程的马尔可夫链模型、心境状态刺激转移的控制论模型、心境状态自发转移的动态平衡模型。本发明现有的情绪模型基础上，提出了融合个性化交互技术心境模型及上述四模型的整合，并提出了模型的应用方法实现了软件化。
文档编号G06F3/01GK101692261SQ20091016979
公开日2010年4月7日 申请日期2009年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者王巍, 王志良, 解仑, 谷学静, 郑思仪 申请人:北京科技大学