中 華 大 學

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中 華 大 學 碩 士 論 文

題目：情感機器人的運轉 The way that facial robot works

系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名： M9101013 吳嘉文 指導教授： 陳 竹 一 博士 謝 焸 家 博士

中華民國 九十四 年 七 月

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摘 要

在本論文『情感機器人的運轉』中，吾人透過各種機械零件(槓桿、齒 輪、滑輪、轉輪、軸承、鋼絲和彈簧..等等)的運轉，它們互相連接成複雜的 聯動裝置，加上電機系統的相關知識及技術，讓原本沒有生命的機器，也 可以產生有如人的情緒變化。進而研發完成一個能夠模擬人面部表達情感 的機電系統─情感機器人(臉)，並且建立一套此系統專屬的機器感情表達模 式。吾人欲建構此系統為一教學發展模組，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。因為要控制或以此系統表達需要整合許多知識，例如 程式、邏輯、訊號處理、電腦視覺、語音辨識、機械結構、心理學、認知 科學等等。

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Abstract

In this paper “The way that facial robot works”,byvarious kinds of machine components of (lever , gear wheel, pulley , runner , bearing , steel wire and spring.. ,etc.) working, it connects to a complicated linkage device with each other ,with relevant knowledge and the technology of electrical machinery

system ,which makes that is without vitality machine originally creating like emotional change of people. Then, it is to develop an emotional and sensational electromechanical system of humen face expression– Affective Robot (Face) and to build up the modes of the representation of affectivity for the robot.

This robotic system is able to be an educational kit (module) for the

researchers and students in the departments of electronics engineering, electrical engineering, information science/engineering, control, mechanical engineering, psychology, and linguistic. It is also able to promote this system module to the college and high schools. It is needed to integrate several fields of knowledge, ex. programming, logic/reasoning, signal processing, computer vision, pattern recognition, mechanical structure, psychology, and cognitive science, to well control or to represent the robot system.

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誌 謝

嘉文能順利完成論文，首先要感謝指導教授陳竹一老師及謝焸家老師在 就讀研究所期間對我諄諄教誨，適時的給予我指導與栽培，感恩及謝意盡 在不言中。就讀研究所期間，不論課業上或生活上均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 長庚電子梁新聰教授、清大電機張慶元教授 及逢甲電子鄭經華教授在口試期間所給予的指導與建議。

同時也要感謝凱鈞、建勳、智勝、城郁、雅鈴、志和、志聲、易書、

泓文、寬賢、傳旭等同學陪伴我走過兩年的研究所生涯，給予我難以忘懷 的溫馨回憶，以及在論文上提供寶貴的意見與建議。感謝煌益、久雄、國 樟、鶴齡、雅雯、旻保、華祥、盈福等學弟妹平常的關心。

最後，我也要非常感謝我的家人，爸爸、媽媽及兄妹對於我就讀研究 所的支持與鼓勵，使我能順利完成碩士學位。最後僅將本論文獻給我的家 人及所有愛護我的老師、同學及朋友們。

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目 錄

摘 要 ………Ⅰ

Abstract ………Ⅱ

誌 謝 ………Ⅲ

目 錄 ………Ⅳ

圖目錄 ………Ⅵ

第一章 緒論 ………1

第二章 情感機器人臉系統架構………4

2.1 系統機構 ………4

2.2 可動點（Degree of Freedom） ………5

2.3 RC 伺服器 ………6

2.4 RC伺服器的控制原理 ………7

2.5 RC伺服器與可動點之連接 ………8

2.6 各可動點可秀出的樣式組合………12

第三章 情感機器人之情緒行為層級 ………14

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第四章 情感機器人之實現 ………15

4.1 情感機器人之操作環境 ………15

4.2 情感機器人之互動模式軟體介面 ………17

第五章 結語………20

5.1 具體成果 ………20

5.2 未來可繼續研發的主題 ………20

參考文獻………22

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圖 目 錄

圖 2.1 情感機器人之系統架構………4

圖 2.2 情感機器人有十六個可動點………5

圖 2.3 RC 伺服器 ………6

圖 2.4 RC 伺服器的原件 ………6

圖 2.5 PWM 控制訊號 ………7

圖 2.6 導管、鋼絲、RC 伺服器的佈置 ………8

圖 2.7 導管、鋼絲、眼球和眼簾的佈置 ………9

圖 2.8 鋼絲和眼球的佈置 ………9

圖 2.9 眉毛、磅線和 RC 伺服器的佈置………10

圖 2.10 頸部和 RC 伺服器的佈置 ………11

圖 2.11 左眉及右眉的變化………12

圖 2.12 眼球及眼簾的變化………13

圖 2.13 嘴唇的變化………13

圖 3.1 情感機器人之情緒行為層級架構………14

圖 4.1 情感機器人之操作環境 ………15

圖 4.2 互動模式之獨立表情動作區塊 ………17

圖 4.3 互動模式之連續表情動作區………18

圖 4.4 互動模式之事件動作區塊………18

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圖 4.5 情感機器人互動模式之軟體介面………19

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第一章 緒論

對任何機械來說，運作是個原理的問題。因為機械所做的任何一件事，

都是按照一定的原理或科學定律進行的。要觀察機械運作的方式，你可以 打開外殼，檢視機械內部；但若要進一步了解，就必須知道控制機械動作 的原理了。

力學機械是透過轉動的零件運作的。這些零件包括：槓桿、齒輪、皮帶、

轉輪、凸輪、曲柄和彈簧。它們常互相連接成複雜的聯動裝置，有的大到 足以移動一座山，而有些則小得幾乎看不見。它們的運轉可能很快，以致 看不清轉軸與旋轉齒輪的輪廓；也可能很慢，以致看起來好像根本沒有動。

但是不管怎樣，採用這些零件組成的機械，都有一個共同的目標：即保證 以適當的力量，精確地作用在所需要的位置上，產生恰如其份的移動量。

許多力學機械的作用，再於把一種運動形勢轉變成另一種形式。這種 運動可能是直線形式（這種情況通常是前後往返的，就像活塞連桿般地來 回穿梭），也可能是圓周形式。許多機械將直線運動轉變為圓周運動或迴 轉運動，或者剛好相反。

因為驅動機械的動力源往往是以一種方式運轉，而機械本身則是另一 種方式。但是無論方向有沒有改變，機械零件的運轉還有一個目的，就是 把所受的力轉變成另一個作用力---更大或更小---以便執行任務。

力學機械全靠各種作用力來運轉。從某方面來說就像人一樣，要使它們動

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將起來，總是得花費一些力氣。運動不會無緣無故地自動發生，即使一件 東西墜落也不例外，它需要一個驅動力---比如利用馬達推動，或以肌肉 拉動，或重力吸引。

在機械中，這驅動力必須以適當的大小，傳到適當的位置。

把力從一處傳到另一處，並保證以剛剛好的大小傳達，其中含藏著許多巧 妙。當你握緊並轉動開罐器的把手時，刀片會輕易地割穿罐頭蓋。這種裝 置使工作變得很省事，但如果用別的方法，可能就要大費周章了。開罐器 並不是提供你所欠缺的力量，而是把你手腕產生的力，轉變成對工作最有 利的形式---在這個例子中是把力放大---並施加在需要的地方。[1]

人類情感是由腦部的"邊緣葉"中許多複雜的器官所造成的，也就是所 謂"心理"的部份∷到目前為止情感一直都是生物所獨具的特色∷

在本論文『情感機器人的運轉』中，吾人透過各種機械零件(槓桿、齒 輪、滑輪、轉輪、軸承、鋼絲和彈簧..等等)的運轉，它們互相連接成複雜的 聯動裝置，加上電機系統的相關知識及技術，讓原本沒有生命的機器，也 可以產生有如人的情緒變化。進而研發完成一個能夠模擬人表達情感的機 電系統─情感機器人臉∷

吾人知道要讓機器人具有情感，是需要整合相當多領域的相關專業知 識，因此吾人將情感機器人建構成為一套具有模擬人類情緒反應的教學發 展模組，此系統將來可以整合程式、邏輯、訊號處理、電腦視覺、語音辨

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識、機械結構、心理學、認知科學等等的相關知識及技術，可供給大學∶

專科、技術學院的電子、電機、資訊、控制、機械、心理、語文等科系老 師和學生教學研究之用∷

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第二章 情感機器人臉系統架構

本章為整個情感機器人系統架構之描述。圖 2.1 為情感機器人系統架構 之架構圖，整個系統架構分成三個部份來加以說明:系統機構、單晶片微控 器和電腦控制系統。

Personal Computer （PC）

Control System Facial Expression Pattern

Microprocessor

PWM（Pulse Width Modulation）

Generator

Mechanism Servo Module x6

Servo Module x2 Servo Module x2 Servo Module x4

Servo Module x2

Eyebrows

Eyelids Eyeballs

Lips

Neck RS232

圖 2.1 情感機器人之系統架構

2.1 系統機構

情感機器人有人類用於表達情緒最重要的眼睛、眼皮、眉毛和嘴巴，

再加上點頭、搖頭晃腦的動作，可以做出有如人類的表情和一些情緒上的 動作。

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2.2 可動點（Degree of Freedom）

情感機器人外觀如圖 2.2 所示，使用十六個可動點。包括左右眉毛各 三個可動點，眉毛能上下移動；眼皮左右各一個可動點，眼皮能個別閉合；

眼球兩個可動點，眼球可同步上下左右轉動；嘴巴有四個可動點，嘴巴可 張開閉合、上下唇可單獨移動、嘴角可上下移動；整個臉鑲嵌在一有底座 可轉動的支架上，此支架為頸部有兩個可動點，如此臉可自由左右轉及上 下點頭。使得臉部可以表達出喜、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。

圖 2.2 情感機器人有十六個可動點

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2.3 RC 伺服器

情感機器人的可動點全都是經由 RC 伺服器所牽動的。外型如圖 2.3 所示，它是利用 PWM（Pulse Width Modulation）的方式來控制伺服器的 轉 動 。 因 此 RC 伺 服 器 的 輸 入 只 需 三 條 線 ， 分 別 是 紅 色 的 電 源 線

（4.8V~6.0V）、黑色的接地線（GND）及白色的 PWM 訊號控制線（Control）。

圖 2.3 RC 伺服器

RC 伺服器並不只是一顆單純的馬達，它的基本原件包含：齒輪組、電 路板、馬達、電位計及外殼如圖 2.4 所示。因此 RC 伺服器也算是一個小 的機電系統。使用 RC 伺服器除了可以省去很多製作控制馬達及驅動馬達 的電路外，它內部還包含一減速齒輪組，可以讓 RC 伺服器產生相當大的 扭力。所以使用上相當的方便。

]

圖 2.4 RC 伺服器的原件

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2.4 RC 伺服器的控制原理

RC 伺服器的控制原理是利用 PWM 的方式控制馬達在一固定範圍內轉 動，當馬達轉動到 PWM 訊號所給定的位置時，馬達就會鎖定停在該處固 定不動，直到 PWM 訊號改變馬達才會轉動停在其他的位置。PWM 的週期 為 20ms（50Hz），脈波寬度調變為 1ms～2ms（5～10% duty cycle）。

PWM 控制訊號如圖 2.5 所示。

舉例說明，假設 RC 伺服器的轉動角度為 0∘～100∘，而 RC 伺服器 脈波寬度調變的範圍為 1ms～2ms。因此我們設 1ms 脈波寬度時，馬達轉 動到的位置為 0∘；那當脈波寬度為 2ms 時，馬達轉動到的位置就為 100∘。所以當脈波寬度為 1.5ms 時，馬達轉動到的位置就為 50∘。

t V

t V

T=20ms=const 1ms

1ms

2ms

圖 2.5 PWM 控制訊號

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2.5 RC 伺服器與可動點之連接

情感機器人的可動點全都是經由 RC 伺服器所牽動的。連接可動點與 RC 伺服器的機構分為三種：

1. 使用導管及鋼絲驅動(眼球及眼簾)。

使用導管與鋼絲，主要是因為 RC 伺服器與動點(眼球及眼簾

)間有其他的障礙物，因此可利用導管與剛絲都有可彎曲的特性，將導管的 佈置繞過障礙物再到達動點的位置，然後將鋼絲穿過導管，最後再將鋼絲 固定在 RC 伺服器端與動點端。如此就可以順利使 RC 伺服器驅動眼球及眼 簾。相關的佈置可參考 圖 2.6、圖 2.7、圖 2.8。

圖 2.6 導管、鋼絲、RC 伺服器的佈置

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圖 2.7 導管、鋼絲、眼球和眼簾的佈置

圖 2.8 鋼絲和眼球的佈置

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2. 使用磅線直接牽動可動點(眉毛及嘴唇)。

眉毛及嘴唇所使用的材料是女生綁頭髮常用的布質橡圈，因為此材料 伸縮性優，在運作時不會磨損臉部的材質(壓克力)。因此吾人選用布質橡 圈作為眉毛及嘴唇的材料。眉毛的動作方法如圖 2.9 所示，RC 伺服器直接 拉動綁在布質橡圈上的磅線，就可以讓眉毛產生動作。嘴唇的動作原理也 是如此。

圖 2.9 眉毛、磅線和 RC 伺服器的佈置

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3. 使用摃桿驅動(頸部)

頸部是要承受整個頭部的重量，因此頸部就需要剛性強的傳動機 構，才可以讓頭部運轉得宜。在此吾人運用摃桿的原理，讓 RC 伺服 器透過四個連桿的運作才驅動頭部，如此可以改變 RC 伺服器施力的 方向，也可以讓 RC 伺服器較省力。如圖 2.10 所示。

圖 2.10 頸部和 RC 伺服器的佈置

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2.6 各可動點可秀出的樣式組合

透過 RC 伺服器的運轉，眉毛、眼部和嘴唇就可以產生千萬種的組合，

由下列的圖 2.11、圖 2.12、圖 2.12 的幾個範例就可以看的出來。

圖 2.11 左眉及右眉的變化

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圖 2.12 眼球及眼簾的變化

圖 2.13 嘴唇的變化

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第三章 情感機器人之情緒行為層級

情感機器人的情緒行為可利用層級方式依次將其細分。圖 3.1 為情感 機器人的情緒行為層級架構，第四層為情感機器人的情緒行為，此情緒行 為由第三層的表情、聲音及動作所組成。

圖 3.1 情感機器人之情緒行為層級架構

第三層的表情依照情感機器人臉部特徵可分為四大區塊，分別為第二 層的右上眉毛區、左上眉毛區、眼皮與眼球區及嘴唇區。聲音為情感機器 人執行情緒行為時所附帶的聲音。動作為情感機器人頸部的擺動。

第一層為最低階的情感機器人可動點設定，因此情感機器人依此情緒 行為層級架構來開發獨特的機器情緒行為。

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第四章 情感機器人之實現

4.1 情感機器人之操作環境

情感機器人的系統架構再整合現有的科技，設計一套可供大眾（對象：

學生、親子、社會大眾）參與的科學活動操作環境，提供大眾與機器人互 動的新奇體驗。如圖 4.1 所示為情感機器人之操作環境。

圖 4.1 情感機器人之操作環境

將情感機器人之系統架構分成兩個不同空間環境，此兩個不同空間環 境分別為操控者空間環境與大眾空間環境。

情感機器人鼻子上有裝一 CCD，此 CCD 將情感機器人面對大眾空間

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環境的影像傳回給監看電腦。情感機器人的情緒行為有著簡單聲音，此聲 音與操控者表達的聲音透過變聲器再經擴音器能傳達至大眾空間環境，而 大眾空間環境之聲音也能傳回給操控者空間環境。如此一來，當操控者送 出情感機器人之情緒行為與大眾進行交流時，大眾所產生的情緒訊息能反 饋給操控者，操控者去理解大眾的情緒，再將情感機器人之情緒行為反饋 回去，兩者間為一個動態的關係，而形成一套可供大眾參與的科學活動操 作環境。

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4.2 情感機器人之互動模式軟體介面

使用 Microsoft Visual C++ 6.0 開發出情感機器人應用軟體程式之互 動模式，此互動模式分成三個主要區塊，分別為獨立表情動作區塊、連續 表情動作區塊及事件動作區塊。

獨立表情動作區塊如圖 4.2 所示，提供十種擬人之表情類別，快樂、

生氣、悲傷、驚訝、害怕、鬼臉、苦笑、呆滯、無奈及疲憊，每一種擬人 表情類別因情感機器人所受刺激程度之不同，而區分六種不同程度之表情。

圖 4.2 互動模式之獨立表情動作區塊

連續表情動作區塊如圖 4.3 所示，此區塊依獨立表情動作區塊提供之

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表情類別與各表情程度可編排出多樣化的連續表情動作事件，並依每秒展 現五十個畫面數計算連續表情動作之總時間。

圖 4.3 互動模式之連續表情動作區

事件動作區塊如圖 4.4 所示，此區塊之事件動作是由應用軟體程式所 編輯的，當情感機器人參與不同主題環境時，透過應用軟體程式編排獨特 之事件動作。

圖 4.4 互動模式之事件動作區塊

將情感機器人應用軟體程式互動模式之獨立表情動作區塊、連續表情

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動作區塊及事件動作區塊組合在同一面板上，而構成情感機器人應用軟體 程式之互動模式，如圖 4.5 所示。

圖 4.5 情感機器人互動模式之軟體介面

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第五章 結語

5.1 具體成果

要讓機器人具有情感，是需要整合相當多領域的相關專業知識，

因此吾人研發完成一個能夠模擬人表達情感與知覺的機電系統─情感機器 人。並建構成為一套具有模擬人類情緒反應的教學發展模組，此系統將來 可以整合程式、邏輯、訊號處理、電腦視覺、語音辨識、機械結構、心理 學、認知科學等等的相關知識及技術，可供給大學、專科、技術學院的電 子、電機、資訊、控制、機械、心理、語文等科系老師和學生教學研究之 用。

5.2 未來可繼續研發的主題!

A. 核心處理與作業系統的研發：

人從感知訊息、到心理反應、到思考判斷、到下定決策，是一個怎麼 樣的過程？若是同時接收到兩個以上的訊息，那又是怎麼樣的決策過程？

舉例來說，到了美食街要選擇這一餐飯吃什麼呢？吃飯、吃麵，中式、日 式，可能和喜好有關、也可能和當時環境(人、招牌、味道)有關。又如一個 人凝視著前方，這個人感受到什麼？是什麼較引起他的興趣？光(亮)點、顏

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色、移動物、還是什麼？不同的人，站在同一地方，往同一方向看，會看 到部分相同部分不同的東西。人到底是怎麼想(看)的？要來模擬可以做的像 嗎？由此，是否有機器人獨特的作業系統？

B. 報新聞機器人的研發：

讀稿時，配合文字的意義，適切地情感表達，這牽涉到認知科學、資 訊科學、語言學以及機器人學等領域的整合。

C. 詩詞朗誦機器人的研發：

對特定稿件的朗讀，配合語意、抑揚頓挫，除了控制嘴型並由喇叭發 出聲音外，尚需控制其他部位，例如可適度的搖頭眨眼。

D. 娛樂機器人的研發：

結合手機或 PDA，由手機或 PDA 控制，例如直接由手機按鍵控制眼睛 嘴巴開合、搖頭晃腦。

E. 櫥窗機器人的研發：

櫥窗模特兒依設定模式與行人產生互動，吸引注意力，例如會盯著人 看(可結合瞳孔定位)，會眨眨眼，會傻笑，會發呆，會講出適切順耳的話。

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參考文獻

1. David Macaulay,Neil Ardley 合著，王原賢譯，THE NEW WAY THINGS WORK , Copyright1998, 1998 Dorling Kindersley Limited, London.

Illustration Copyright 1999. 1998 David Macaulay. Text Copyright 1988, 1998 David Macaulay,Neil Ardley. Chinese Text Copyright 2000 Owl Publishing House All right reserved.

2. R. A. Wilson and F. C. Keil (Editors), The MIT Encyclopedia of the Cognitive Sciences, MIT Press, 1999.

3. E. E. Smith and D. N. Osherson, (editors), An Invitation to Cognitive Science, Volume 3, Thinking, Second edition, The MIT Press, 1995.

4. “BlueEyes–Pong,"

http://www.almaden.ibm.com/almaden/media/image_pong.html.

5. “RC Servo,” http://www.seattlerobotics.org/encoder/200009/S3003C.html.

6. F.Hara H.Kobayashi Department of Mechanical Engineering, Science University of Tokyo 1-3 kagurazaka, Shinjku-ku, Tokyo162, Japan, Use for Robot Human-Computer Communication