CN101751852A - 机器人实现拟人表情的方法 - Google Patents

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白建松
包春雷
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Abstract

一种机器人实现拟人表情的方法，在所述机器人的面部设置若干LED点阵模块，这些所述LED点阵模块用于分别显示代表机器人面部不同部位的图形，通过一个显示控制装置以扫描方式控制该些所述LED点阵模块所显示的图形，在机器人的面部形成拟人的静态表情或者动态表情。本发明实现方法简单，成本低，显示表情丰富，适用于机器人和拟人玩具等行业。

Description

机器人实现拟人表情的方法
【技术领域】
本发明涉及机器人制造或者人形玩具领域，特别是涉及一种机器人实现拟人表情的方法。
【背景技术】
随着科技的发展，机器人特别是人形机器人越来越频繁地出现在人们的日常生活和工作中，关于机器人的研究、设计和生产已经成为一个很重要的产业。人们在和人形机器人交互的过程中，总是希望机器人的拟人程度越高越好，其中面部表情的真实再现是影响机器人拟人化的关键的因素之一。如果机器人能够像人类一样具有丰富多彩的面部表情，那么它的可接受程度就更高，市场价值也更大。
目前，人形机器人的面部设计主要有以下几种方法：
1、运用人体仿真学，完全按照人类真实情况来构造出各种面部器官，例如眼睛、眉毛、嘴巴等，采用机械方式来驱动这些器官的运动。这种方法的优点是仿真程度高，可以真实再现人类的面部特征。但是其缺点也是显而易见的：(1)技术要求高，完全仿真人类面部表情的困难非常大；(2)结构设计困难，运动自由度多，生产成本高；(3)控制复杂，系统可靠性和稳定性较差。
2、采用液晶显示屏，利用图形方式来显示机器人的面部。这种方法的优点是可以通过软件编程的方法显示出丰富的面部表情，成本也较低廉。该方法的缺点在于：  (1)需要采用额外的计算机或者嵌入式处理器来控制；(2)要编写较为复杂的显示屏的驱动和应用程序。
3、仅仅采用象征性的表示方法，比如眼睛用灯泡或者发光面板来实现，最多通过闪烁来表现眨眼睛等。这种方法实现简单、成本低，但是无法表现复杂的表情，拟人程度最低。
在成熟产品中，方法3由于成本最低，所以使用最多。但是该方法拟人化程度低，人机交互很不理想。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明公开了一种机器人实现拟人表情的方法。该方法既可以使机器人实现丰富多彩的面部表情，又具备设计方法简单、成本低的特点，适于机器人和拟人玩具等行业的广泛应用。
一种机器人实现拟人表情的方法，包含如下步骤：
在机器人的面部设置若干LED点阵模块，这些所述LED点阵模块用于分别显示代表机器人面部不同部位的图形；
通过一个显示控制装置以扫描方式控制这些所述LED点阵模块所显示的图形，在机器人的面部形成拟人的静态表情或动态表情。
所述若干LED点阵模块为9块8行×8列的LED点阵模块，左、右眼各由其中4块LED点阵模块所显示的图形表示，嘴部由其中1块LED点阵模块所显示的图形表示。
所述显示控制装置中预先设置有若干静态表情数据，每一组静态表情数据都对应一个编号，由这些静态表情数据及其对应的编号组成一个静态表情数组，显示控制装置依据静态表情数组中的编号执行对应的静态表情数据，使机器人面部的LED点阵模块上显示静态表情。显示控制装置还能够控制若干个不同的所述静态表情按照预设的顺序和时间间隔显示，使机器人面部的LED点阵模块上显示动态表情。作为优选的技术方案，预设的时间间隔为0.5秒。LED点阵模块的画面扫描频率大于30帧/秒，作为优选的技术方案，LED点阵模块的画面扫描频率为125帧/秒。
本发明的有益效果在于，本发明的方法仅采用若干标准的8行×8列LED点阵模块即构造出机器人的面部形象，包括五官中最能表现人物表情的部分。通过处理器扫描控制方式显示出不同的眼睛和嘴巴形状，从而形成各种各样的人物面部表情。本方法既可以使机器人显示丰富的面部表情，又无需复杂的驱动和应用程序，提升了人机交互性，且成本较为低廉，适用于机器人和拟人玩具等行业。
【附图说明】
图1为本发明的机器人面部构造示意图；
图2为本发明具体实施方式中机器人的静态表情示意图。
【具体实施方式】
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
参见图1，图1为本发明的机器人面部构造示意图。一种机器人实现拟人表情的方法，在该机器人的面部设置若干LED点阵模块，这些所述LED点阵模块用于分别显示代表机器人面部不同部位的图形。在本具体实施方式中，机器人的面部设置有9块8行×8列的LED点阵模块1、2、3、4、5、6、7、8、9，这9块LED点阵模块用于分别显示代表机器人面部不同部位的图形：机器人的左、右眼各由其中4块LED点阵模块所显示的图形表示，嘴部由其中1块LED点阵模块所显示的图形表示。如图1所示，其中LED点阵模块1、2、3、4组成机器人的左眼，即左眼形成一个16行×16列的点阵列，LED点阵模块6、7、8、9组成人物的右眼，即右眼也形成一个16行×16列的点阵列，点阵模块5构成机器人的嘴巴。采用这种设计是因为，人物的眼睛是面部表情的重要表现器官，其细节能够反应出人物内心的多种情感内容。大比例的眼睛在拟人表现中的应用非常普遍，有利于人机交互。而鼻子在面部表情中的作用比较小，为了节省资源和营造效果，本具体实施方式中未加实现。
一个显示控制装置(未图示)通过控制扫描来控制该些LED点阵模块1～9所显示的图形，用以在机器人的面部形成拟人表情。显示控制装置可以采用微处理器来实现，由于LED点阵模块1～9需要通过扫描方式来显示图像，所以根据实际情况可以选用处理器总线或者GPIO(General Purpose Input/Output)管脚来实现显示控制功能。在本具体实施方式中，显示控制装置采用三星公司的S3C2410处理器，利用GPIO作为LED阵列扫描显示的控制管脚。由于机器人的两只眼睛构成了一个16行×32列的LED点阵列，嘴巴构成8行×8列的LED点阵列，因此完全可以采用16位地址线和16位数据线实现对机器人面部所有点阵的扫描控制。其中6根GPIO管脚作为地址线，通过译码器控制选通40列中的某一列进行显示；而另外16根GPIO管脚作为表情数据的数据线，控制该列的显示结果。显示控制装置先控制LED点阵列显示两只眼睛的16行×32列，再显示嘴巴的8行×8列。由于采用横向扫描方式，每次只用选择显示一列数据(眼睛16位，嘴巴8位)，所以16位数据线足够显示一列16行的16个数据。而地址线用来选择列，使用译码器的情况下，6根地址线就可以实现控制。
由于视觉暂留现象，只有当一副画面的扫描频率大于24帧/秒时，人才感觉不到画面在闪烁。本发明采用大于30帧/秒的画面扫描频率，即行扫描频率要大于120列/秒。显示控制装置的速度须能满足这个条件，对于现有的芯片产品来讲，这是容易实现的。在本具体实施方式中，每一列的显示时间为1/5000秒，则一幅画面的扫描周期为40/5000秒，也就是画面的扫描频率为125帧/秒，远大于正常显示所需的频率，完全避免了画面闪烁，确保显示清晰稳定。
机器人面部表情的设计可以分为静态表情和动态表情两种：静态表情是指眼睛和嘴巴的形状确定，由固定的点构成的图像；而动态表情则是象动画一样，将若干个静态表情画面按照确定顺序间隔显示构成的复杂表情。
参见图2为本发明具体实施方式中机器人的静态表情示意图。在本具体实施方式中，10组典型的静态表情示如a到j所示。
所述显示控制装置中预先设置有上述静态表情数据，每一组静态表情数据都对应一个编号，由这些静态表情数据及其对应的编号组成一个静态表情数组。对于动态表情，则是把组成动态表情的静态表情编号按顺序取出，单独组成一个动态表情数组。在显示静态表情的时候，显示控制装置根据静态表情编号，把数据按照每个字(16比特)对应一列的原则，依次刷新显示，显示完一帧以后重新循环显示，直到表情发生改变的时候再显示下一幅表情。
而显示动态画面的时候，则是根据静态表情编号顺序，每隔0.5秒显示一幅静态表情，循环进行，由此即可实现机器人面部的动态表情。其中，每一幅静态表情的显示方法和前面相同。在本具体实施方式中，动态表情共6组，定义如下：
眨眼睛：静态表情a、b交替显示，时间间隔为0.5秒；
眼珠上下看：静态表情c、d交替显示，时间间隔为0.5秒；
眼珠左右看：静态表情e、f交替显示，时间间隔为0.5秒；
眼珠转动：按照静态表情c、e、d、f的顺序依次显示，时间间隔为0.5秒；
说话：静态表情g、h交替显示，时间间隔为0.5秒；
微笑：静态表情i、j交替显示，时间间隔为0.5秒；
真实人物的面部表情还有很多，可以根据上面的设计方法进行进一步扩展出譬如吃惊、害怕等其它内容来。每一幅表情可以事先用40个十六进制数据来保存，需要显示该表情的时候，显示控制装置就把这40个数据依次在LED点阵列上进行扫描写入，就可以实现表情的再现。
此外，表情的显示可以和机器人的“内心活动”结合起来。当机器人的“情感”被设定处于某种状态的时候，有一种表情和该状态相对应，这时机器人的中央处理器通知显示控制装置应该做出表情的编号，显示控制装置就根据该编号显示相应的表情画面。这样就把机器人的“情感”通过面部表情表现出来，和人类的活动类似，使得机器人更加贴近真实人类的反应，采用这项技术的机器人或者玩具也就更加拟人化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种机器人实现拟人表情的方法，其特征在于，包含如下步骤：
在机器人的面部设置若干LED点阵模块，这些所述LED点阵模块用于分别显示代表机器人面部不同部位的图形；
通过一个显示控制装置以扫描方式控制这些所述LED点阵模块所显示的图形，在机器人的面部形成拟人的静态表情或动态表情。
2.根据权利要求1所述的机器人实现拟人表情的方法，其特征在于，所述若干LED点阵模块为9块8行×8列的LED点阵模块。
3.根据权利要求2所述的机器人实现拟人表情的方法，其特征在于，所述机器人的左、右眼各由其中4块8行×8列的LED点阵模块所显示的图形表示。
4.根据权利要求2所述的机器人实现拟人表情的方法，其特征在于，所述机器人的嘴部由其中1块8行×8列的LED点阵模块所显示的图形表示。
5.根据权利要求1所述的机器人实现拟人表情的方法，其特征在于，所述显示控制装置中预先设置有若干静态表情数据，每一组静态表情数据都对应一个编号，由这些静态表情数据及其对应的编号组成一个静态表情数组，显示控制装置依据静态表情数组中的编号执行对应的静态表情数据，使机器人面部的LED点阵模块上显示静态表情。
6.根据权利要求5所述的机器人实现拟人表情的方法，其特征在于，显示控制装置控制若干个不同的所述静态表情按照预设的顺序和时间间隔显示，使机器人面部的LED点阵模块上显示动态表情。
7.根据权利要求6所述的机器人实现拟人表情的方法，其特征在于，所述时间间隔为0.5秒。
8.根据权利要求1所述的机器人实现拟人表情的方法，其特征在于，所述LED点阵模块的画面扫描频率大于30帧/秒。
9.根据权利要求8所述的机器人实现拟人表情的方法，其特征在于，所述LED点阵模块的画面描频率为125帧/秒。
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