一种表情机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种表情机器人。

背景技术：

表情机器人是一种能模拟人类面部表情和情绪动作的智能机器人，其作为一种服务机器人，对于实现人机交互特别是情感交互具有重要作用，由于表情机器人的人性化、情感化的特点，使得表情机器人的研究有着非常广泛的应用前景，近年来，越来越多的研究机构及组织开展了仿人面部表情机器人的研究。

与传统的工业机器人不同，表情机器人对于交互性、智能性和自主性的要求更高，其研究涉及机械设计、自动控制、计算机智能、心理学及认知科学等多领域知识，具有典型的多学科交叉特征，如何综合运用多领域知识成为情感表达的一个关键问题，另外，表情机器人的研究难点之一是在有限空间内完成机械结构设计，而整体设计具有空间狭窄、运动范围小、运动准确及负载小的特点，同时整体机构的动作要协调，符合人类头、面部的运动规律，要求运动传递要准确，不能失真，这也是该课题所要着重解决的问题。

目前，欧美及日本的一些大学与研究机构已取得了一定的研究成果，其所研制的机器人注重机械稳定性，具有复杂的头部结构且面部表皮和肌理逼真。

上述现有的表情机器人虽然基本完成了在外形上与人相似，但内部机械结构复杂，质量过大，造价昂贵，外形不美观，并且驱动装置多数选用直流电机或舵机，在狭小的头部结构中控制不同位点的机构交织在一起，使得运动传递不协调，从而最终影响到机器人整体外观和头部运动效果，并且目前的表情机器人研究领域，多数的研究工作仍重点围绕头部的结构设计方面，交互性较差，只考虑到人机交互的某一方面，不具备多通道情感交互和控制的能力，对于如何将视觉表情分析、语音识别等智能技术应用于表情机器人明显不足，使得机器人无法快速有效的识别与再现用户的面部表情动作，实时交互性表现不佳。

有鉴于此，有必要提供一种能够实现与真人实时互动的表情机器人交互系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能够实现与真人实时互动的表情机器人，旨在解决现有表情机器人由于交互性较差，使得表情机器人无法快速有效的识别与再现用户的面部表情动作的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种表情机器人，所述表情机器人包括一固定架及设置在所述固定架上的表情机器人本体，所述固定架上固设有多个步进电机组及分别与所述步进电机组连接的多个齿轮齿条传动组，所述表情机器人本体包括骨架系统及分别设置在所述骨架系统上的两眉毛转动部件、两眼睑转动部件、两眼球转动部件和下颌运动部件，所述表情机器人本体上设有分别与所述齿轮齿条传动机构连接的用于控制所述眉毛转动部件、眼睑转动部件、眼球转动部件及下颌运动部件运动的多个驱动钢丝，所述表情机器人还包括表情采集单元、与所述表情单元连接的上位机、与所述上位机连接的处理单元，分别与所述处理单元连接的样本表情数据库和控制单元及与所述控制单元连接的动作模块单元；其中，

所述表情采集单元，用于采集人脸表情控制信息，并将采集到的人脸表情控制信息发送给所述上位机，其中，所述人脸表情控制信息包括人脸表情图像、使用者输入的控制人脸表情的操作指令或者使用者输入的控制人脸表情的语音信息；

所述上位机，用于接收所述表情采集单元发送的所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息，并将接收到的所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息发送给所述处理单元；

所述处理单元，用于接收所述上位机发送的所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息，并当接收到所述上位机发送的所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息时，所述处理单元根据接收到的所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息在所述样本表情数据库中进行匹配，以便识别出与所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情，并将识别结果发送给所述控制单元；

所述控制单元，用于接收所述处理单元发送的识别结果，并在接收到所述处理单元发送的识别结果时，生成控制动作单元作出与所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作的控制信号发送给动作单元；

所述动作单元，用于接收所述控制单元发送的控制动作单元作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作的控制信号，并当接收到所述控制单元发送的控制动作单元作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作的控制信号时，作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作。

进一步地，还包括与所述样本表情数据库连接的人机交互单元，所述人机交互单元用于根据用户的输入新增的样本人脸表情图像，并将新增的样本人脸表情图像发送给所述样本表情数据库，以便所述样本表情数据库保存新增的样本人脸表情图像。

进一步地，所述表情采集单元包括第一表情采集单元、第二表情采集单元及第三表情采集单元；

所述第一表情采集单元，用于采集人脸表情图像，并当采集到人脸表情图像时，所述第一表情采集单元将采集到的人脸表情图像发送给所述上位机；

所述第二表情采集单元，用于采集使用者输入的控制人脸表情的操作指令，并当采集到使用者输入的控制人脸表情的操作指令时，所述第二表情采集单元将采集到的使用者输入的控制人脸表情的操作指令发送给所述上位机；

所述第三表情采集单元，用于采集使用者输入的控制人脸表情的语音信息，并当采集到使用者输入的控制人脸表情的语音信息时，所述第三表情采集单元将采集到的使用者输入的控制人脸表情的语音信息发送给所述上位机。

进一步地，所述处理单元包括第一处理单元、第二处理单元及第三处理单元；

所述第一处理单元与所述上位机连接，用于接收所述上位机发送的所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息，并当所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息为人脸表情图像时，所述第一处理单元对人脸表情图像在所述样本表情数据库中进行匹配，以便识别出与人脸表情图像相互匹配的人脸表情，并识别出与人脸表情图像相互匹配的人脸表情发送给所述控制单元；

所述第二处理单元与所述上位机连接，用于接收所述上位机发送的所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息，并当所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息为控制人脸表情的操作指令时，所述第二处理单元对控制人脸表情的操作指令在所述样本表情数据库中进行匹配，以便识别出与控制人脸表情的操作指令相互匹配的人脸表情，并识别出与人脸表情图像相互匹配的人脸表情发送给所述控制单元；

所述第三处理单元与所述上位机连接，用于接收所述上位机发送的所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息，并当所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息为控制人脸表情的语音信息时，所述第三处理单元对控制人脸表情的语音信息在所述样本表情数据库中进行匹配，以便识别出与控制人脸表情的语音信息相互匹配的人脸表情，并识别出与人脸表情图像相互匹配的人脸表情发送给所述控制单元。

进一步地，所述控制单元包括第一控制单元、第二控制单元及第三控制单元；

所述第一控制单元与所处理单元连接，用于接收所述第一处理单元发送的与人脸表情图像相互匹配的人脸表情，并在接收到所述第一处理单元发送的与人脸表情图像相互匹配的人脸表情时，生成与人脸表情图像相互匹配的人脸表情动作的控制指令发送到所述动作单元；

所述第二控制单元与所处理单元连接，用于接收所述第二处理单元发送的与控制人脸表情的操作指令相互匹配的人脸表情，并在接收到所述第二处理单元发送的与控制人脸表情的操作指令相互匹配的人脸表情时，生成与控制人脸表情的操作指令相互匹配的人脸表情动作的控制指令发送到所述动作单元；

所述第三控制单元与所处理单元连接，用于接收所述第三处理单元发送的与控制人脸表情的语音信息相互匹配的人脸表情，并在接收到所述第三处理单元发送的与控制人脸表情的语音信息相互匹配的人脸表情时，生成与控制人脸表情的语音信息相互匹配的人脸表情动作的控制指令发送到所述动作单元。

进一步地，所述人脸表情图像包括左眉上下运动的人脸表情图像、左眉旋转运动的人脸表情图像、右眉上下运动的人脸表情图像表、右眉旋转运动的人脸表情图像、左上睑运动的人脸表情图像、左下睑运动的人脸表情图像、右上睑运动的人脸表情图像、右下睑运动的人脸表情图像、眼球水平运动的人脸表情图像及下颌运动的人脸表情图像；

所述使用者输入的控制人脸表情的操作指令包括左眉上下运动的人脸表情的操作指令、左眉旋转运动的人脸表情的操作指令、右眉上下运动的人脸表情的操作指令、右眉旋转运动的人脸表情的操作指令、左上睑运动的人脸表情的操作指令、左下睑运动的人脸表情的操作指令、右上睑运动的人脸表情的操作指令、右下睑运动的人脸表情的操作指令、眼球水平运动的人脸表情的操作指令及下颌运动的人脸表情的操作指令；

所述使用者输入的控制人脸表情的语音包括左眉上下运动的人脸表情的语音信息、左眉旋转运动的人脸表情的语音信息、右眉上下运动的人脸表情的语音信息、右眉旋转运动的人脸表情的语音信息、左上睑运动的人脸表情的语音信息、左下睑运动的人脸表情的语音信息、右上睑运动的人脸表情的语音信息、右下睑运动的人脸表情的语音信息、眼球水平运动的人脸表情的语音信息及下颌运动的人脸表情的语音信息。

进一步地，所述动作单元作出的与所述表情采集单元采集到的人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作具体包括左眉上下运动的人脸表情动作、左眉旋转运动的人脸表情动作、右眉上下运动的人脸表情动作、右眉旋转运动的人脸表情动作、左上睑运动的人脸表情动作、左下睑运动的人脸表情动作、右上睑运动的人脸表情动作、右下睑运动的人脸表情动作、眼球水平运动的人脸表情动作及下颌运动的人脸表情动作。

进一步地，所述第一表情采集单元为摄像感应装置、第二表情采集单元为触摸屏，第三表情采集单元为麦克风。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的表情机器人，该表情机器人的表情采集单元采集人脸表情控制信息，并将采集到的人脸表情控制信息发送给上位机，上位机将接收到的人脸表情控制信息发送给处理单元，处理单元接收上位机发送的人脸表情控制信息，并根据接收到的人脸表情控制信息在样本表情数据库中进行匹配，以便识别出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情，并将识别结果发送给控制单元，控制单元接收处理单元发送的识别结果，并生成控制动作单元作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作的控制信号发送给动作单元，以便动作单元控制信号，作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作，从而对表情机器人进行头部结构进行精简和改进，减少了连接点，提高了空间利用率，简化了实现表情的自由度数量，机器人运行更加平稳、安装和操作更加简单，具有面部表情识别、语音识别与操作指令的交互方式，能够快速准确的识别用户面部表情动作，使人机交互过程更加生动有趣。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型第二实施例提供的表情机器人的结构示意图。

图2是本实用新型第一实施例提供的表情机器人工作原理示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供了一种表情机器人，所述表情机器人包括一固定架2及设置在固定架2上的表情机器人本体1，所述固定架2上固设有多个步进电机组21及分别与所述步进电机组21连接的多个齿轮齿条传动组22，所述表情机器人本体1包括骨架系统11及分别设置在所述骨架系统11上的两眉毛转动部件12、两眼睑转动部件13、两眼球转动部件14和下颌运动部件15，所述表情机器人本体上1设有分别与所述齿轮齿条传动机构连接的用于控制所述眉毛转动部件12、眼睑转动部件13、眼球转动部件14及下颌运动部件15运动的多个驱动钢丝(图中未标示)，所述表情机器人还包括表情采集单元3、与所述表情单元3连接的上位机4、与所述上位机4连接的处理单元5，分别与所述处理单元5连接的样本表情数据库6和控制单元7及与所述控制单元连7接的动作模块单元8；其中，

所述表情采集单元3，用于采集人脸表情控制信息，并将采集到的人脸表情控制信息发送给所述上位机4，其中，所述人脸表情控制信息包括人脸表情图像、使用者输入的控制人脸表情的操作指令或者使用者输入的控制人脸表情的语音信息；

所述上位机4，用于接收所述表情采集单元3发送的所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息，并将接收到的所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息发送给所述处理单元5；

所述处理单元5，用于接收所述上位机4发送的所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息，并当接收到所述上位机4发送的所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息时，所述处理单元5根据接收到的所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息在所述样本表情数据库6中进行匹配，以便识别出与所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情，并将识别结果发送给所述控制单元7；

所述控制单元7，用于接收所述处理单元6发送的识别结果，并在接收到所述处理单元6发送的识别结果时，生成控制动作单元8作出与所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作的控制信号发送给动作单元8；

所述动作单元8，用于接收所述控制单元7发送的控制动作单元8作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作的控制信号，并当接收到所述控制单元7发送的控制动作单元作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作的控制信号时，作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作。

进一步地，还包括与所述样本表情数据库6连接的人机交互单元9，所述人机交互单元9用于根据用户的输入新增的样本人脸表情图像，并将新增的样本人脸表情图像发送给所述样本表情数据库，以便所述样本表情数据库6保存新增的样本人脸表情图像。

进一步地，所述表情采集单元3包括第一表情采集单元31、第二表情采集单元32及第三表情采集单元33；

所述第一表情采集单元31，用于采集人脸表情图像，并当采集到人脸表情图像时，所述第一表情采集单元31将采集到的人脸表情图像发送给所述上位机4；

所述第二表情采集单元32，用于采集使用者输入的控制人脸表情的操作指令，并当采集到使用者输入的控制人脸表情的操作指令时，所述第二表情采集单元32将采集到的使用者输入的控制人脸表情的操作指令发送给所述上位机4；

所述第三表情采集单元33，用于采集使用者输入的控制人脸表情的语音信息，并当采集到使用者输入的控制人脸表情的语音信息时，所述第三表情采集单元33将采集到的使用者输入的控制人脸表情的语音信息发送给所述上位机4。

进一步地，所述处理单元5包括第一处理单元51、第二处理单元52及第三处理单元53；

所述第一处理单元51与所述上位机4连接，用于接收所述上位机4发送的所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息，并当所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息为人脸表情图像时，所述第一处理单元51对人脸表情图像在所述样本表情数据库6中进行匹配，以便识别出与人脸表情图像相互匹配的人脸表情，并识别出与人脸表情图像相互匹配的人脸表情发送给所述控制单元7；

所述第二处理单元52与所述上位机4连接，用于接收所述上位机4发送的所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息，并当所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息为控制人脸表情的操作指令时，所述第二处理单元52对控制人脸表情的操作指令在所述样本表情数据库6中进行匹配，以便识别出与控制人脸表情的操作指令相互匹配的人脸表情，并识别出与人脸表情图像相互匹配的人脸表情发送给所述控制单元7；

所述第三处理单元53与所述上位机4连接，用于接收所述上位机4发送的所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息，并当所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息为控制人脸表情的语音信息时，所述第三处理单元53对控制人脸表情的语音信息在所述样本表情数据库6中进行匹配，以便识别出与控制人脸表情的语音信息相互匹配的人脸表情，并识别出与人脸表情图像相互匹配的人脸表情发送给所述控制单元7。

进一步地，所述控制单元7包括第一控制单元71、第二控制单元72及第三控制单元73；

所述第一控制单元71与所处理单元5连接，用于接收所述第一处理单元51发送的与人脸表情图像相互匹配的人脸表情，并在接收到所述第一处理单元51发送的与人脸表情图像相互匹配的人脸表情时，生成与人脸表情图像相互匹配的人脸表情动作的控制指令发送到所述动作单元8；

所述第二控制单元72与所处理单元5连接，用于接收所述第二处理单元52发送的与控制人脸表情的操作指令相互匹配的人脸表情，并在接收到所述第二处理单元52发送的与控制人脸表情的操作指令相互匹配的人脸表情时，生成与控制人脸表情的操作指令相互匹配的人脸表情动作的控制指令发送到所述动作单元8；

所述第三控制单元73与所处理单元5连接，用于接收所述第三处理单元53发送的与控制人脸表情的语音信息相互匹配的人脸表情，并在接收到所述第三处理单元53发送的与控制人脸表情的语音信息相互匹配的人脸表情时，生成与控制人脸表情的语音信息相互匹配的人脸表情动作的控制指令发送到所述动作单元8。

优选地，本实用新型实施例中，所述人脸表情图像包括左眉上下运动的人脸表情图像、左眉旋转运动的人脸表情图像、右眉上下运动的人脸表情图像表、右眉旋转运动的人脸表情图像、左上睑运动的人脸表情图像、左下睑运动的人脸表情图像、右上睑运动的人脸表情图像、右下睑运动的人脸表情图像、眼球水平运动的人脸表情图像及下颌运动的人脸表情图像；

所述使用者输入的控制人脸表情的操作指令包括左眉上下运动的人脸表情的操作指令、左眉旋转运动的人脸表情的操作指令、右眉上下运动的人脸表情的操作指令、右眉旋转运动的人脸表情的操作指令、左上睑运动的人脸表情的操作指令、左下睑运动的人脸表情的操作指令、右上睑运动的人脸表情的操作指令、右下睑运动的人脸表情的操作指令、眼球水平运动的人脸表情的操作指令及下颌运动的人脸表情的操作指令；

所述使用者输入的控制人脸表情的语音包括左眉上下运动的人脸表情的语音信息、左眉旋转运动的人脸表情的语音信息、右眉上下运动的人脸表情的语音信息、右眉旋转运动的人脸表情的语音信息、左上睑运动的人脸表情的语音信息、左下睑运动的人脸表情的语音信息、右上睑运动的人脸表情的语音信息、右下睑运动的人脸表情的语音信息、眼球水平运动的人脸表情的语音信息及下颌运动的人脸表情的语音信息。

进一步地，所述动作单元8作出的与所述表情采集单元3采集到的人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作具体包括左眉上下运动的人脸表情动作、左眉旋转运动的人脸表情动作、右眉上下运动的人脸表情动作、右眉旋转运动的人脸表情动作、左上睑运动的人脸表情动作、左下睑运动的人脸表情动作、右上睑运动的人脸表情动作、右下睑运动的人脸表情动作、眼球水平运动的人脸表情动作及下颌运动的人脸表情动作。

进一步地，所述第一表情采集单元31为摄像感应装置、第二表情采集单元32为触摸屏，第三表情采集单元33为麦克风。

需要说明的是，本实用新型提供的表情机器人交互系统中的摄像头可以通过通用串行总线(Universal Serial BUS，USB)与表情机器人连接，或者摄像头也可以通过蓝牙、红外线等无线方式与终端设备连接，本实用新型实施例对表情机器人和摄像头之间的部署方式以及连接方式不作具体限定，只要连接关系本质存在即可。

需要说明的是，本实用新型提供的表情机器人，其机器人本体构架1包括骨架系统11及分别设置在所述骨架系统11上的两眉毛转动部件12、两眼睑转动部件13、两眼球转动部件14和下颌运动部件15，本实用新型是从表情机器人整体结构出发，在不影响表情实现效果的前提下，对所述眉毛转动部件12、眼睑转动部件13、眼球转动部件14及下颌运动部件15这四个主要的面部模块重新进行结构设计，采用十一路电机联动控制，精确实现十一个自由度的控制，对应如下：

(1)左眉毛：上下运动自由度(两电机同步)；

(2)左眉毛：旋转自由度(两电机反向)；

(3)右眉毛：上下运动自由度(两电机同步)；

(4)右眉毛：旋转自由度(两电机反向)；

(5)左上睑：上下运动自由度；

(6)左下睑：上下运动自由度；

(7)右上睑：上下运动自由度；

(8)右下睑：上下运动自由度；

(9)左右眼球：上下运动自由度；

(10)左右眼球：左右运动自由度；

(11)下颌：上下运动自由度。

其中，动力上选择精准度更高的步进电机作为驱动，同时将驱动系统从机器人本体构架分离，通过齿轮传动机构将动力传至驱动钢丝，最终带动各面部模块实现自由运动。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的表情机器人，该表情机器人的表情采集单元采集人脸表情控制信息，并将采集到的人脸表情控制信息发送给上位机，上位机将接收到的人脸表情控制信息发送给处理单元，处理单元接收上位机发送的人脸表情控制信息，并根据接收到的人脸表情控制信息在样本表情数据库中进行匹配，以便识别出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情，并将识别结果发送给控制单元，控制单元接收处理单元发送的识别结果，并生成控制动作单元作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作的控制信号发送给动作单元，以便动作单元控制信号，作出与人脸表情控制信息相互匹配的人脸表情动作，从而对表情机器人进行头部结构进行精简和改进，减少了连接点，提高了空间利用率，简化了实现表情的自由度数量，机器人运行更加平稳、安装和操作更加简单，具有面部表情识别、语音识别与操作指令的交互方式，能够快速准确的识别用户面部表情动作，使人机交互过程更加生动有趣。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。