第12卷第4期 智能系统学报 Vol.12 No.4 2017年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Aug.2017 D0I:10.11992/is.201609005 网s络出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20170606.0951.002.html 不同个性的情感机器人表情研究 柯显信，云亚文，邱本锐 (上海大学机电工程与自动化学院，上海200072) 摘要：在情感机器人研究中，不同个性的面部表情是情感机器人增强真实感的重要基础。为实现情感机器人更加 丰富细腻的表情，将人类的个性特征引人情感机器人，分析个性理论和情感模型理论，得知不同个性机器人的情感 强度。结合面部动作编码系统中面部表情与机器人控制点之间的映射关系，得到情感机器人不同个性的基本表情 实现方法。利用Solidworks建立情感机器人脸部模型，在ANSYS工程软件中将SHFR-Ⅲ情感机器人脸部模型设置为 弹性体，通过有限元仿真计算方法，对表情的有限元仿真方法进行了探究，得到实现SHFR-Ⅲ不同个性基本表情的控 制区域载荷大小和仿真结果。最后，根据仿真结果，进行SHFR-Ⅲ情感机器人不同个性的表情动作实验。实验结果 表明，有限元表情仿真可以指导SHFR-Ⅲ情感机器人实现近似人类的不同个性的基本面部表情。 关键词：情感机器人：面部表情：情感模型：个性：人脸模型：弹性皮肤：有限元仿真：控制区域 中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：1673-4785(2017)04-0468-07 中文引用格式：柯显信，云亚文，邱本锐.不同个性的情感机器人表情研究[J].智能系统学报，2017,12(4)：468-474. 英文引用格式：KE Xianxin,YUN Yawen,,QIU Benrui.Research on expressions of the Humanoid robot based on personalities[J]. CAAI transactions on intelligent systems,2017,12(4):468-474. Research on expressions of the Humanoid robot based on personalities KE Xianxin,YUN Yawen,QIU Benrui (School of Mechatronics Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China) Abstract:In humanoid robot research,the facial expressions of different personalities are an important basis for enhancing the realism of humanoid robots.To achieve more vivid emotional expression by robots,in this paper,we introduce human personality characteristics into robots,based on the personality and emotional model theories,and determine the emotional intensity of robots with different personalities.By mapping the relationship between facial expressions and robot control points in the facial action coding system,we obtained a basic expression implementation method for humanoid robots with different personalities.We used Solidworks software to establish the facial model for the emotional robot and set the model as an elastomer in ANSYS.Using the finite element simulation calculation method,we explored its expression capabilities,and obtained the load sizes of the control regions that realize basic expressions in the humanoid robot SHFR-III and simulation results.Based on these simulation results,we conducted expression experiments with the humanoid robot SHFR-II for different personalities.Our experimental results show that these simulation results can guide the humanoid robot SHFR-III to achieve basic humanlike facial expressions associated with different personalities. Keywords:humanoid robot;facial expressions;emotion model;personality;facial model;elastic skin;finite element simulation;control regions 情感机器人是当今机器人研究领域的热点问 进入人类的日常生活，它们在家政服务和医疗等方 题，随着人类社会逐步进入老龄化社会，情感机器 面已经代替了人类的部分工作)。并且，越来越多 人研究的智能效率性、行动灵活性和人际交往性等 的仿人情感机器人相继问世，这些机器人不仅有人 功能变得越来越有价值。现如今，机器人已经开始 类的外表，还具有与人类相似的面部表情，几乎可 以像人一样交流。 收稿日期：2016-09-07.网络出版日期：2017-06-06. 2008年，英国布里斯托尔机器人学实验室研制 基金项目：国家自然科学基金项目(61273325). 通信作者：柯显信.E-mail:xxke@staff.shu.edu.cm. 出了仿人机器人Jules[),该机器人拥有34个电动第 １２ 卷第 ４ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１２ №．４ ２０１７ 年 ８ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｕｇ． ２０１７ ＤＯＩ：１０．１１９９２ ／ ｔｉｓ．２０１６０９００５ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ｔｐ．２０１７０６０６．０９５１．００２．ｈｔｍｌ 不同个性的情感机器人表情研究 柯显信，云亚文，邱本锐 （上海大学 机电工程与自动化学院，上海 ２０００７２） 摘 要：在情感机器人研究中，不同个性的面部表情是情感机器人增强真实感的重要基础。 为实现情感机器人更加 丰富细腻的表情，将人类的个性特征引入情感机器人，分析个性理论和情感模型理论，得知不同个性机器人的情感 强度。 结合面部动作编码系统中面部表情与机器人控制点之间的映射关系，得到情感机器人不同个性的基本表情 实现方法。 利用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ 建立情感机器人脸部模型，在 ＡＮＳＹＳ 工程软件中将 ＳＨＦＲ⁃Ⅲ情感机器人脸部模型设置为 弹性体，通过有限元仿真计算方法，对表情的有限元仿真方法进行了探究，得到实现 ＳＨＦＲ⁃Ⅲ不同个性基本表情的控 制区域载荷大小和仿真结果。 最后，根据仿真结果，进行 ＳＨＦＲ⁃Ⅲ情感机器人不同个性的表情动作实验。 实验结果 表明，有限元表情仿真可以指导 ＳＨＦＲ⁃Ⅲ情感机器人实现近似人类的不同个性的基本面部表情。 关键词：情感机器人；面部表情；情感模型；个性；人脸模型；弹性皮肤；有限元仿真；控制区域 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４７８５（２０１７）０４－０４６８－０７ 中文引用格式：柯显信，云亚文，邱本锐．不同个性的情感机器人表情研究［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１７， １２（４）： ４６８－４７４． 英文引用格式：ＫＥ Ｘｉａｎｘｉｎ， ＹＵＮ Ｙａｗｅｎ， ＱＩＵ Ｂｅｎｒｕｉ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｉｅｓ［Ｊ］． ＣＡＡＩ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１７， １２（４）： ４６８－４７４． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｉｅｓ ＫＥ Ｘｉａｎｘｉｎ， ＹＵＮ Ｙａｗｅｎ， ＱＩＵ Ｂｅｎｒｕｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ｔｈｅ ｆａｃｉａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｉｅｓ ａｒｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｓｍ ｏｆ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔｓ． Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｍｏｒｅ ｖｉｖｉｄ ｅｍｏｔｉｏｎａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂｙ ｒｏｂｏｔｓ， ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｈｕｍａｎ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎｔｏ ｒｏｂｏｔｓ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｍｏｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅｏｒｉｅｓ， ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｅｍｏｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｒｏｂｏｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｉｅｓ． Ｂｙ ｍａｐｐｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆａｃｉａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｏｂｏｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｃｉａｌ ａｃｔｉｏｎ ｃｏｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｗｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａ ｂａｓｉｃ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｉｅｓ． Ｗｅ ｕｓｅｄ Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｆａｃｉａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｍｏｔｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｓｅｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｓ ａｎ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｉｎ ＡＮＳＹＳ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｗｅ ｅｘｐｌｏｒｅｄ ｉｔｓ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ， ａｎｄ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｓｉｚｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｇｉｏｎｓ ｔｈａｔ ｒｅａｌｉｚｅ ｂａｓｉｃ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ＳＨＦＲ⁃Ⅲ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｗｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ＳＨＦＲ⁃Ⅲ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｉｅｓ． Ｏｕｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ＳＨＦＲ⁃Ⅲ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｂａｓｉｃ ｈｕｍａｎｌｉｋｅ ｆａｃｉａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｉｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ； ｆａｃｉａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ； ｅｍｏｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ； ｐｅｒｓｏｎａｌｉｔｙ； ｆａｃｉａｌ ｍｏｄｅｌ； ｅｌａｓｔｉｃ ｓｋｉｎ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｇｉｏｎｓ 收稿日期：２０１６－０９－０７． 网络出版日期：２０１７－０６－０６． 基金项目：国家自然科学基金项目（６１２７３３２５）． 通信作者：柯显信． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｘｘｋｅ＠ ｓｔａｆｆ．ｓｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ． 情感机器人是当今机器人研究领域的热点问 题，随着人类社会逐步进入老龄化社会，情感机器 人研究的智能效率性、行动灵活性和人际交往性等 功能变得越来越有价值。 现如今，机器人已经开始 进入人类的日常生活，它们在家政服务和医疗等方 面已经代替了人类的部分工作［１］ 。 并且，越来越多 的仿人情感机器人相继问世，这些机器人不仅有人 类的外表，还具有与人类相似的面部表情，几乎可 以像人一样交流［２］ 。 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 ［３］ ，该机器人拥有 ３４ 个电动