人臉機器人多管道連結控制器的開發

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中華大學碩士論文

人臉機器人多管道連結控制器的開發

Development of a Multiple-Accessible Controller for a Facial Robot

系所別：電機工程學系碩士班學號姓名：M09901010 陳翔斌指導教授：謝焸家博士

陳竹一博士

中華民國 101 年 8 月

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摘要

打從每天早上打點第一杯咖啡及土司麵包，一直到晚上上床前設定的鬧鐘，各種不同的電子家電，讓我們的每一天均充滿著微控制器(Micro-controller)的影子以及它所帶來的便利。在本文『人臉機器人多管道連結控制器的開發』中，我們藉著系統的升級，從傳統的單晶片處理器(Micro-processor)變成多工性的微控制器，目的就是為了讓機器人也可以提升自己的能力，再配上多管道的連結，使得人臉機器人在科技一直不斷進步的未來，不僅僅只是透過有線連結的控制，也可以擺脫有形的束縛，變成遠端連結控制，獨立而不拖泥帶水的個體。

傳統的方式是以低階的組合語言撰寫軟體，或者花很長的時間，學習用不甚方便的高階語言；此外，還必須針對不同的硬體，設計不同的介面，將特殊應用和微控制器做連結，這將很耗時間。我們選用的新版微控制器也提供軟體的開發平台，只要了解 BASIC 語言，就可以利用簡單容易的方式，來完成複雜的功能，進而和各個外加模組結合，實現創意應用。可以給電子、電機、資訊、控制、機械、心理、語文等科系的老師和學生教學研究之用，甚或是可推廣至專科、技術學院或大學。

關鍵字：人臉機器人、多管道、微控制器

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ABSTRACT

From the first cup of coffee and toast every morning, to the alarm we set before going to bed, various electronic appliances make our life fill with micro-controllers and bring us convenience. In this thesis, “Development of a Multiple-Accessible Controller for a Facial Robot”, by the system upgrade, from the traditional single-chip processor (Micro-processor) into a multi micro-controller, it is the purpose that let the robots can also enhance their abilities. With multiple-accessible links, facial robot will control not only by wired links but also remote links and become an independent individual in the future.

The traditional way is writing software by low-level assembly language, or spending a very long time to learn the high-level language that is not convenient. Besides, we have to design different interfaces for different hardware. It spends a lot of time to get link between applications and micro-controller. We choose a new version of the micro-controller that also provides software to development the platform. By understanding the BASIC, you can take advantage of a simple and easy way to complete the complex features, and combining various additional modules to achieve creative applications. It can provide teachers and students of the department of electronics, electrical engineering, information, control, mechanical, psychological, language teaching and research, or can be extended to a specialist, technical college or university.

Key words：facial robot, multiple-accessible, micro-controller

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致謝

能夠順利完成論文，首先要感謝指導教授謝焸家老師與陳竹一老師在我就讀研究所這兩年來的諄諄教誨，適時的給予我指導與栽培，感恩及謝意盡在不言中。兩年研究所生活學習中，在課業上給予本人莫大的幫助，並在學習過程中不斷的給予我鼓勵與實質的建議。

另外要特別感謝口試委員中原大學梁新聰教授、前鼎光電專案工程師鍾仁峯博士、

王志湖教授在口試期間所給予的指導與建議。

還要謝謝嘉文學長提攜我進入團隊，律佐老師的建議和協助，已經畢業的華翔學長也以電子郵件給我很多的建議。

同時也要感謝實驗室伙伴凱任、偉存、昱君、明祐、俊煌、政霖陪伴我走過兩年的研究所生涯。特別要感謝翊修，在這段期間的互相討論及研究，以及在軟硬體程式編寫上、生活上給我的幫忙和建議，真的給我很大的幫助！

最後我要謝謝我的父母，在我專心念書的這兩年，給我的支持、付出和關心，讓我可以無憂無慮地完成我的研究及論文，在此希望將研究的成果與這份喜悅，獻給教授及所有支持我的的人，並且再次地感謝他們！

陳翔斌謹致中華民國一百零一年八月於新竹

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圖目錄

圖 2- 1 眉毛部分的各種動作 ... 4

圖 2- 2 眼睛部分的各種動作 ... 5

圖 2- 3 嘴巴部分的各種動作 ... 6

圖 2- 4 臉部的所有可動點表示(左)和人臉機器人全貌(右) ... 7

圖 3- 1 Servo Commander 16 實體圖 ... 8

圖 3- 2 Servo Commander 16 各部份元件 ... 9

圖 3- 3 RC 伺服馬達 ... 11

圖 3- 4 PWM 控制訊號 ... 11

圖 3- 5 InnoBasic Workshop 軟體介面 ... 13

圖 3- 6 表情編輯介面 ... 14

圖 4- 1 系統實現流程圖 ... 15

圖 4- 2 USB to UART 傳輸線 ... 16

圖 4- 3 伺服馬達控制碼 ... 19

圖 4- 4 厭惡的表情變化 ... 20

圖 4- 5 快樂的表情變化 ... 20

圖 4- 6 驚訝的表情變化 ... 20

圖 4- 7 害怕的表情變化 ... 20

圖 4- 8 悲傷的表情變化 ... 20

圖 4- 9 憤怒的表情變化 ... 20

圖 4- 10 人臉機器人實際表情變化 ... 21

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表目錄

表 3- 1 元件功能說明 ... 9

表 3- 2 IC 功能說明 ... 10

表 3- 3 伺服馬達規格 ... 12

表 4- 1 Baudmode 數值取樣表 ... 17

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第一章緒論

1.1 研究背景

時代的進步，科技的日新月異，人們的生活品質不斷的提升，帶領人們進入高科技的生活，現在的機器人已被廣泛使用於自動控制、醫學、工業、或是各式樣式的交通工具，漸漸地機器人已經融入人類的生活當中。在 2007 年 Scientific American《科學人》雜誌第 60 期中，比爾．蓋茲向世界預言：「在未來，家家都有機器人！」。

近年來的研究指出，科學學習是一種學生主動建構知識的過程，其實教師無法單純地經由教學將科學知識直接教授給學生，而只能應用適切的教學策略，安排適切的學習情境，來導引學生主動建構科學知識。因此，學生於學習科學的過程中，如何主動建構有效的科學概念模型(Conceptual models)，是影響學生科學學習成效的關鍵因素[1]。

在科學認知過程和機制的研究方面，為了有效整合認知科學、認知心理學、社會學、資訊科學等的研究發展，以及往後的研究能夠在科學學習理論與認知機制的探討上有所突破，並進一步深入探索科學學習與腦神經生理、認知歷程、學習環境，甚至社會文化等因素之間的關係，以獲致突破性的發現，實有必要有效整合科學教育、科學、神經科學、認知科學、資訊科學、語言學等領域的研究，從認知、概念、情意、

社會文化乃至資訊科學等不同的角度，進行統整性的研究，以期能夠發展出本土的科學學習與認知的相關理論、系統和工具[2]。

1.2 研究動機

隨著通訊的發達，人們漸漸擺脫一些有形的束縛，開始過著比從前更為方便的生活。現在在外面想要打電話，不再需要到處找公共電話，取而代之的是人手一部功能

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強大的智慧型行動電話；資料的儲存不再需要磁碟片、光碟片或者是隨身碟，而是存放在距離你我很遠的雲端硬碟系統裡。以往我們機器人的控制是靠電腦將資料傳給單晶片控制器，控制器再將資料轉換成訊號傳給伺服馬達，來達到實現表情的目的。這是一個單向的資料傳輸，必須藉由 RS-232 來完成目標。

我們要把單晶片控制器升級成單板電腦的微控制器，代表的是機器人的智慧也隨著提升，原本的單晶片沒有辦法儲存伺服馬達的動作，可是新的控制器內建有 ROM，

可以用來儲存資料，而且藉著 cmsBUS，可以用來連結其他的應用外加模組，增加機器人對外在事件的感知，將事件刺激回傳給電腦，變成雙向的資料傳輸。未來如果再加上遠端連線的功能，就能達到遙控機器人的目標，不再需要帶著電腦跟著機器人作移動，使研究可以跟得上時代科技，並且落實使用度。

1.3 章節概要

本篇論文共分成五個章節，第一章是緒論。第二章介紹人臉機器人的機構，包括表現出人類的眉毛、眼睛和嘴巴以及當中包含的可動點。第三章介紹新的硬體單板電腦微控制器、RC 伺服馬達，還有開發硬體控制的軟體平台 InnoBasic Workshop，和用來製作電腦端控制的人機介面的程式語言 Microsoft Visual Basic 6.0。第四章是說明控制器實現部分，第五章是結論和未來的展望。

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第二章

人臉機器人介紹

本章介紹團隊所製作的人臉機器人模型，內容包含模擬人類臉孔用於表達情感的眼睛、眉毛和嘴巴，其中眼睛部分又分為眼瞼和眼球兩個部分，再搭配上點頭以及搖頭晃腦等動作，可以做出有如人類的表情和一些情緒上的動作。

2.1 人臉機器人面部機構

人臉機器人的面部為一個壓克力平面，配上可以動的眉毛、眼睛和嘴巴。眉毛與嘴巴的動作只是毛線和線圈在面部平面上移動和形變所造成的效果，以下是針對各個部位分別的說明：

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2.1.1 眉毛

眉毛是由兩條粗毛線所組成。左右兩邊的眉毛機構其實是相同且對稱的，我們在眉毛部位的位置上方與下方，分別鑽出三個平行的小孔，然後以尼龍絲定位和帶動；

當拉動牽引毛線的尼龍絲時，就可以讓毛線做出如人的眉毛一般，在高興、生氣和憂慮時…等情緒下所產生的動作。

圖 2- 1 眉毛部分的各種動作

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2.1.2 眼睛

眼睛的部分是由眼瞼以及眼球所構成。眼瞼的部分是兩個弧形塑膠板，配合眼球面的曲率，將其固定在直徑的兩端，使其可以在眼球面上上下滑動。眼球的部分則是由保麗龍球所構成，後端連接四條控制眼球活動的鋼絲，使其可以產生三百六十度的旋轉。這樣我們就可以做出眨眼、閉眼還有眼球各角度的動作。

圖 2- 2 眼睛部分的各種動作

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2.1.3 嘴巴

嘴巴是由一個線圈所構成。在嘴巴部份的位置，我們在其上下分別鑽出四個平行的小洞，再以尼龍絲定位和帶動。左右兩端就是嘴角的部分，中間的兩個位置則分別控制上、下嘴唇；當我們拉動尼龍絲的時候，就會牽引線圈，做出張嘴、閉嘴、微笑和扁嘴…等等有如人在各種情緒下的嘴部動作。

圖 2- 3 嘴巴部分的各種動作

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2.2 可動點

人臉機器人使用十六個伺服馬達來控制面部機構和頸部關節。包括前一節所提到的左右眉毛各有三個可動點，使眉毛能上下移動及形變；眼瞼左右各有一個可動點，

讓眼瞼可以單獨的閉合；眼球兩個可動點，使得眼球可以同時的上下左右轉動；嘴巴有四個可動點，可以張開、閉合，上下嘴唇可單獨的移動，嘴角也可上下移動；最後，

整個面部機構鑲嵌在一個可轉動的底座支架上，此支架即為頸部，有兩個可動點，如此一來，整個頭部就可以自由的左右轉動及上下點頭。使得面部可以表達出喜、怒、

哀、樂、發呆、沉思等等各種千變萬化的表情與情緒上的動作[3]。

圖 2- 4 臉部的所有可動點表示(左)和人臉機器人全貌(右)

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第三章

多管道連結控制器系統架構

3.1 硬體介面

3.1.1 Servo Commander 16 介紹

Servo Commander 16 是利基應用科技股份有限公司所開發的伺服機輸出控制模組[4]，由 Basic Commander(BC-1)和 Servo Runner A 所組成，分成 16 與 32 兩種，數字代表的意義即是可以同時控制的伺服機數量。Basic Commander 是一個縮小版的個人單板電腦(Personal Single-Board Computer) ，可以透過 USB 線與 PC 連接，方便它與 PC 間的資料傳遞，當程式下載完畢，它也可以脫離 PC 而獨立作業。Servo Runner A 則是伺服機控制介面，可以提供整合好的指令，讓使用者可以直接使用速度或時間，

決定伺服機的移動模式。

圖 3- 1 Servo Commander 16 實體圖

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圖 3-2 將 Servo Commander 16 上的所有元件在模組上的位置標示出來，表 3-1 說明各個元件的功能：

表 3- 1 元件功能說明

元件名稱功能

伺服機電源主要電源供應

I/O 腳位由程式控制輸入或輸出端

額外電源額外應用的電源供應

電子元件輸入電源電子元件的電源供應

Reset 按鈕重置系統

伺服機連接腳位伺服馬達連接端

USB 接頭程式下載

cmdBUS 外加模組連接端

圖 3- 2 Servo Commander 16 各部份元件

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Servo Commander 上包含四個 IC，分別掌控不同的工作，表 3-2 分別指出它們個別的功能：

表 3- 2 IC 功能說明

名稱功能

HT48E70 程式主控核心

HT46R24 伺服馬達 PWM 訊號產生器

HT24LC64 EEPROM 儲存

WT65F4 USB Bridge 及人機燒錄程式控制器

3.1.2 RC 伺服馬達

人臉機器人之可動點是由 RC 伺服馬達轉動而形成。RC 伺服馬達本身內建電動機、齒輪箱、位置回饋機構及控制電路，利用 PWM（Pulse Width Modulation）的訊號來控制伺服馬達轉動至某一位置。

RC 伺服馬達在收到訊號時，可以自我調整直到與該訊號匹配，其內建傳動裝置與反饋控制系統的直流電動機，只要三條訊號線即可控制 RC 伺服電動機轉子之轉向，

分別是紅色的電源線（+5V）、黑色的接地線（GND）及白色的 PWM 訊號控制線

（Control）。

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圖 3- 3 RC 伺服馬達

RC 伺服馬達的控制原理是利用 PWM 的方式來控制 RC 伺服電動機在某一固定範圍內移動，PWM 的週期為 20ms（50Hz），脈波寬度為 1ms〜2ms（5〜10% duty cycle），

PWM 控制訊號如圖 3-4 所示。舉例加以說明，假設 RC 伺服電動機的轉動角度為 0

∘〜100∘，則 0∘的脈波寬度為 1ms，50∘的脈波寬度為 1.5ms，然而 100∘的脈波寬度為 2ms。

圖 3- 4 PWM 控制訊號

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機器人上所使用的 RC 伺服馬達共有兩種，臉部所有機構使用的是 Futaba S3003，只有頸部使用的是 Futaba S5301，個別的規格說明標示在表 3-3：

表 3- 3 伺服馬達規格[5]

名稱尺寸(L*W*H) 重量速度出力

Futaba S3003

40.4*19.8*36.0(mm) 37.2g

0.23sec/60°(4.8v) 0.19sec/60°(6.0v)

3.2kg/cm(4.8v) 4.1kg/cm(6.0v) Futaba

S5301

59.2*28.8*49.8(mm) 125g

0.29sec/60°(4.8v) 0.23sec/60°(6.0v)

16.8kg/cm(4.8v) 21.0kg/cm(6.0v)

3.2 軟體介面

3.2.1 InnoBasic Workshop 介紹

InnoBasic Workshop 是利基應用科技股份有限公司為了提供給使用者一個簡單、

快速、好用的程式開發工具所開發出來的程式語言[6]。它以大家熟知的 BASIC 程式語言為基礎，加上一些自己的特色，可以很容易地用來控制硬體以及其周邊模組，是個非常好用的人機介面

我們在程式編輯視窗中，撰寫我們的程式碼，其中包含參數的設定、資料的接收和發射端設定、伺服馬達的控制設定…等等。編寫好之後利用編譯功能，可以在輸出視窗中看看程式中是否有錯誤，如果有錯誤，直接點選錯誤，馬上就可以帶你到達錯誤的程式部分。如果沒有錯誤，可以利用 debug 指令配上終端視窗，觀察程式的輸出入結果，不必要直接拿模組作實際的測試，這樣可以避免一時不查的疏忽，而導致工具的損壞。

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圖 3- 5 InnoBasic Workshop 軟體介面

3.2.2 電腦端軟體介面

在電腦端的人機介面，我們使用 Microsoft Visual Basic 6.0(VB6)軟體來開發[7]，

它是由微軟公司開發的包含協助開發環境的事件驅動程式語言。類似於 InnoBasic Workshop，也是源自於 BASIC 程式語言。VB6 擁有圖形使用者介面（GUI）和快速應用程式開發（RAD）系統，讓程式開發者可以輕鬆的使用 VB6 提供的元件快速建立一個應用程式[8]。

圖 3-6 就是我們使用 VB6 開發出來的圖形化表情編輯介面，畫面中間 1 到 16 的數字，所代表的就是相對應的可動點，可以在數字後的空白處中輸入數值，或者是使用畫面右方的按鍵式控制，來改變表情，變化的幅度會顯示在畫面左方的模擬圖像上。

畫面中下方的三個按鍵，分別是還原、變化和取出值。還原就是將所有的可動點

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都回復到原始狀態；變化是在各動點的數值輸入完成之後，讓模擬圖像產生變化的開關；而取出值，是為了方便我們記憶當前表情的參數設定，所制定的按鍵，它會把目前表情的參數數值紀錄在下方的資料庫，以方便我們使用和比較。

圖 3- 6 表情編輯介面

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第四章

多管道連結控制器之實現

圖 4- 1 系統實現流程圖

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圖 4-1 為系統實現的流程圖，其中自電腦和控制器連接的部分開始，到資料的傳輸、解碼、轉碼，最後是驅動伺服馬達，這幾個步驟比較重要，也是複雜且關鍵的部分，所以本章就針對這幾個地方加以說明。

4.1 控制器和電腦的連接

目前在電腦端的控制應用程式，是透過 Microsoft Visual Basic 6.0 的語言程式所編寫的，由於資料暫時無法透過 USB 端直接傳遞，所以我們利用 Servo Commander 上擁有的 I/O 接腳作為資料傳送和接收的出入口。作為兩邊溝通橋梁的是 USB to UART 傳輸線，電腦端的接頭為 USB，是目前電腦上最普遍的資料傳輸介面；而在 I/O 接腳這邊的接頭則為四個杜邦端子接頭，分別是紅色的電源線(+5V)、黑色的接地線(GND)、綠色的傳輸線(TxD)和白色的接收線(RxD)。

圖 4- 2 USB to UART 傳輸線

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因為在 Servo Commander 是採用非同步式串列資料傳輸(UART)的方法，所以我們在程式中設定傳送或接收資料的時候，必須設定它的傳輸模式(Baudmode)，下面說明如何決定 Baudmode：

表 4- 1 Baudmode 數值取樣表[9]

由傳輸速率(Baud Rate)決定所需週期 (Period)

Period = 4096- INT(2,000,000 / baud rate) 注意: INT 為無條件取至整數 Baud rate 最大值請勿超過 80,000(bps)

Baud rate 最小值請勿小於 500(bps)

是否需要位元檢查

8-bit/no-parity = 0 7-bit/even-parity = 8192

是否需反相輸出

True (non-inverted) = 0 Inverted = 16384

選擇 driven 或是 open 模式輸出

Driven = 0 Open = 32768 將前四步驟的所得結果相加即為

Baudmode 數值

Baudmode = results of step 1 to 4

我們所設定的傳輸介面的規格為：(a) 9600 bps (bit per second)，(b)無位元檢查，(c) 無反相輸出，(d)driven 模式輸出。

4.2 資料的編譯

資料從電腦端傳送至 Servo Commander 16 之後，我們利用 InnoBasic Workshop 的終端視窗先確認資料正確以及完整性。不過，我們發現傳送過來的資料和原本的輸入完全不同，並不能直接被拿來使用，所以我們在資料接收之後必須重新編譯成為可以讓程式用來控制伺服馬達的資料。

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我們傳送的資料為 0 到 99 的數字，在逐一測試中，我們發現其中的規律性，只要將接收到的資料數值先減去 48，然後在除以 256，式子如下：

Value<傳送>= (Value<接收>−48)÷256 (式 4.1) 如此一來，接收到的資料便與傳送的資料相同了。不過，這仍然不是可以用來控制伺服馬達位置的資料，所以我們必須乘上 14 倍再加上 800，14 這個數字，是從馬達轉動範圍(800〜2200)之間的差，除以 100 所得來，式子如下：

800+Value<傳送>×14 (式 4.2) 其中有因為伺服馬達方向置放的位置問題，所以，在第一、四、五、七、十三、十四組的伺服馬達，旋轉方向和其他伺服馬達不同，我們利用互補的方式來計算，用 2200 減去資料數值乘上 14 倍，式子如下：

2200-Value<傳送>×14 (式 4.3)

，將數值放大到伺服馬達可以使用的範圍，然後再將資料傳送給對應的伺服馬達，使之移動到我們想要的位置。

4.3 控制器和機器人的整合

在完成資料傳輸的正確性之後，我們就將整個控制器移植到最初始的人臉機器人模型-蛋頭(Egg)上，作整合的測試。蛋頭擁有八個可動點，所以我們必須同時控制八組伺服馬達，我們傳送一筆有九組的資料，第一組的資料不是用來控制伺服馬達的，

而是用來辨識資料用。當第一組資料被辨識為〝真〞的時候，控制器就會接收後面八組的數值，將其運算，之後再依序傳給各個伺服馬達，移動到正確的位置，便可以產生我們想要的表情。

在蛋頭的測試完成後，置換到人臉機器人上的工作就是將控制八組的伺服馬達增加到十六組，電腦傳送的資料變成十七組，如此我們也就可以根據不同心情、情緒的參數變化，計算各個伺服馬達的位置，來產生各種不同的千變萬化的表情了。

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圖 4- 3 伺服馬達控制碼

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圖 4- 4 厭惡的表情變化

圖 4- 5 快樂的表情變化

圖 4- 6 驚訝的表情變化

圖 4- 7 害怕的表情變化

圖 4- 8 悲傷的表情變化

圖 4- 9 憤怒的表情變化

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圖 4- 10 人臉機器人實際表情變化

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第五章

結論與未來展望

5.1 具體成果

多管道連結控制器和人臉機器人系統，除了臉部機構的部分需要懂機構設計的相關人才外，還需要下列幾種專業技能才能完成，其中包含控制系統的硬體設計、韌體程式的撰寫和電腦應用程式，我們可以順利的將單晶片控制器更新成單板電腦微控制器，並且將它成功的和機器人連結，編寫控制器的軟體程式，使其可以接收電腦端應用程式所傳送過來的控制資料，就是成功的將機器人的智慧提升了，而且帶入單純的韌體開發介面，大大地降低了程式設計上的難度，同時也提高了它的相容性及擴充性，

使得研究更可以跟上時代科技，落實它的實用性。

5.2 未來展望

未來可以根據外加應用模組的不同功能，來提高機器人系統對外在事件的感知，

可以把外來的刺激反應回饋給電腦端，使得情緒參數的計算更多元化，讓機器人會對於外部事件有更多的反應，更進一步的作出接近人的情緒變化，進而反映在表情的變化。也可以加入遠端控制模組，利用遙控的方式來操作機器人，配合上影像的即時回傳，可以讓電腦端的操控者，與在機器人端的互動者，彼此產生更多的反應和互動。

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參考文獻

[1]吳嘉文, “情感機器人的運轉”,碩士論文, 中華大學, 2005.

[2] 李敬洲 , “ Ping: Hardware Implementation of an Affective Facial Expression Machine”, 碩士論文, 中華大學, 2003.

[3]鄭瑋璿, “SE-EBS：臉部表情機器人之連續事件情緒行為排程器”,碩士論文, 中華大學, 2004.

[4] Servo Commander 16 十六組伺服機輸出控制模組, 利基應用科技股份有限公司.

[5]http://www.speed-rc.com.tw/front/bin/ptdetail.phtml?Part=S3003, 超速度遙控模型.

[6]BASIC Commander® &InnoBASIC™ Workshop 使用手冊, 利基應用科技股份有限公司.

[7]黃世陽、吳明哲編著, “Visual Basic 6.0 學習範本”, 松崗電腦圖書資料股份有限公司.

[8] http://zh.wikipedia.org/wiki/Visual_Basic, 維基百科.

[9] BASIC Commander® &InnoBASICTM Workshop 補充指令手冊, 利基應用科技股份有限公司.

人臉機器人多管道連結控制器的開發

中 華 大 學 碩 士 論 文