中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目：透過刺激、感覺、警覺、檢定、辨識 過程的機器感知模型

系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：M09501039 鄭文傑 指導教授：謝 焸 家 博士 陳 竹 一 博士

中華民國 九十七 年 八 月

摘要 摘要 摘要 摘要

本論文『透過刺激、感覺、警覺、檢定、辨識過程的機器感知模 型』中，使用已販售的感測器來模擬人的感覺器官，在同時間把多種 訊息傳入腦內時，人們將訊息做比對和處理之後成為個人的知覺表 象，然後反應一些事件，知覺表象會因為人格、背景、經驗不一樣而 不同。機器感知透過刺激、感覺和警覺過程，已有即時訊息來應變緊 急事件。透過檢定和辨識層使機器有了知覺與認知，不在只有冷冰冰 的機械結構，可以是有生命似的機器。S²AIR 模型的軟體程式整合情 感機器人，提高它的互動性與趣味性。

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Abstract

In this thesis, a machine perception S²AIR through Stimulus-Sensation-Alertness-Identification-Recognition process is proposed. The stimulus-response process enables the machine to have perception by itself and it will let the ice-cold machine act like the human being. Many kinds of sensors like sound sensor, light sensor, temperature/humidity sensor and infrared sensor are used in the hardware system to imitate the sense organs of human. While a variety of signal transmits into the brain at the same time, people deal with the message and process to become personal percept, and then react to the events.

Percept for each person will be different because of personality, background, and experience. An S²AIR model integrated with affective robot enhances its interaction and interesting.

致謝 致謝 致謝 致謝

本篇論文能順利完成，首先要感謝謝焸家老師及陳竹一老師在就 讀研究所期間的提點與琢磨，不僅在研究上給予本人很多的啟發，並 且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黃雅軒教授及辛錫進教授在百忙之中 能抽空指導並給予寶貴的建議。

同時也要感謝葉律佐老師、嘉文、麗君、伯宗學長在我研究所生 涯的引導，感謝我的同學智浩、法乾、音傑、華祥在我碩士時期鼓勵 與陪伴，再感謝睿群、依婷、青洲、拓為、煥程、煥程、孟穎等學弟 多方的協助。

最後要感謝辛苦栽培我的父母，謝謝你們無怨無悔的付出以及支 持，使我能順利完成碩士學位。最後僅將我的成果與喜悅獻給我家人 及所有愛護我的老師、同學及朋友們。

鄭文傑 謹致 中華民國九十七年八月於新竹

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目錄 目錄 目錄 目錄

摘要... I Abstract ...II 致謝... III 目錄... IV 圖目錄... VI 表目錄... VIII

第 1 章 緒論 ... 1

第 2 章 感測器與感覺之探討 ... 3

2.1 人類感官系統 ... 3

2.2 視覺與感測器 ... 4

2.3 聽覺與感測器 ... 6

2.4 皮膚感覺與感測器 ... 8

2.5 嗅覺與感測器 ... 9

2.6 味覺與感測器 ... 10

2.7 其他感覺與感測器 ... 11

第 3 章 機器感知過程模型 ... 12

3.1 人類知覺歷程 ... 12

3.2 機器感知過程 ... 13

3.3 S²AIR 模型整合情感機器人... 15

第 4 章 S²AIR 模型的刺激硬體設計... 16

4.1 刺激系統的微處理器 ... 16

4.2 仿刺激電路之實現 ... 17

4.2.1 人體焦耳式體溫感測器 ... 17

4.2.2 麥克風 ... 18

4.2.3 溫度感測器 ... 18

4.2.4 濕度感測器 ... 19

4.2.5 光敏電阻感測器 ... 20

4.3 韌體流程圖與編碼解說 ... 20

第 5 章 S²AIR 模型的軟體實現架構... 22

5.1 六一情緒模型介面說明 ... 22

5.2 S²AIR 模型軟體架構... 24

第 6 章 結語 ... 27

6.1 具體成效 ... 27

6.2 未來方向 ... 28

參考文獻... 29

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圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 2-1 眼睛結構 ... 5

圖 2-2 攝影機 ... 5

圖 2-3 人的耳朵結構 ... 7

圖 2-4 電容式麥克風與動圈式麥克風 ... 7

圖 2-5 可撓曲壓力感知器 ... 8

圖 2-6 AD590... 9

圖 2-7 鼻子的結構 ... 10

圖 2-8 TG-135... 10

圖 2-9 HCZ-H6 溼度感測器 ... 11

圖 3-1 感覺、知覺和檢定/辨認的階段 ... 13

圖 3-2 機器人知覺層級架構 ... 14

圖 3-3 S²AIR 模型整合情感機器人示意圖... 15

圖 4-1 C8051F320... 16

圖 4-2 人體紅外線感測器硬體外貌 ... 17

圖 4-3 麥克風放大器電路圖 ... 18

圖 4-4 溫度感測電路圖 ... 19

圖 4-5 濕度感測電路圖 ... 19

圖 4-6 光敏電阻感測器電路圖 ... 20

圖 4-7 韌體流程圖 ... 21

圖 4-8 編碼系統 ... 21

圖 5-1 六一模型軟體程式介面 ... 22

圖 5-2 S²AIR 模型軟體介面... 23

圖 5-3 S²AIR 模型架構的硬體區塊... 24

圖 5-4 S²AIR 模型軟體架構的前部份... 26

圖 5-5 S²AIR 模型軟體架構的後部份... 26

- VIII

表 表 表

表目錄 目錄 目錄 目錄

表 2-1 人類感官系統:基本特徵 ... 4

第 第 第

第 1 章 章 章 緒論 章 緒論 緒論 緒論

人工智慧結合認知科學，效仿人類的認知行為。隨著人工智慧技 術不斷朝著人類的心智領域來深入發展，就必然會推展人工情感技術 的深入發展。因此，我們已研發完成一個能夠表達情感的機電系統情 感機器─情感機器人 (臉) ，也建立了一套此機器人感情表達模式。

它是各種機械零件如槓桿、齒輪、滑輪、轉輪、軸承、鋼絲和彈簧等 互相連接成複雜的聯動裝置，加上單晶片微控器及介面控制系統的相 關知識及技術，讓原本沒有生命的機器可以產生類似人的情緒變化 [1]。因此情感機器人不是有智慧性的機器人，是有操控者操控它的 臉，所以表情並不是情感機器人本身的情感所表現出來的。

智慧型機器人有一個特色，就是它上面有感測器，透過感測的資 訊，就可以跟上面的電腦程式結合，來因應環境的變化，因此它的智 慧性就可以呈現出來。甚至透過明辨式的這樣一個技術，它還可以跟 人類來做對話，也可以來學習一些人類日常生活中的類似行為，這個 就是我們對智慧的一種了解跟期望[2]。所以說感測器對機器人來講 是很重要的一個環節，雖然感測器基本上不是為了人類感覺而做的，

但是由它變成人的感覺器官是指日可待的。

透過上述之後，吾人在心理學的知覺歷程[3]中提出機器感知過

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程模型，此系統套用在情感機器人，環境刺激是使用市面上已販售的 感測器(sensor)，暫時代替人類的視覺、聽覺、皮膚感覺和其他感覺，

擷取一些相關訊息，稍微把訊息處理之後，若數值符合條件的話，驅 動認知事件。外在多重刺激的類比訊號經由單晶片(C8051F320)來處 理轉換成數位訊號，再將訊號編碼傳送給電腦作分析再處理成機器人 心理情緒，進而研發出具有自發性的臉部表情。外在刺激使用感測器 有兩組CDS光敏電阻、三組人體焦耳式體溫感測器、溫度(AD590)與溼 度(HCZ-H6)感測器、兩組電容式麥克風(全域型)。

吾人提出此系統可以套用任何機器，讓各式各樣的感測器有規則 性的去整合機器，使機器有了認知，應變環境上的訊息。

本論文的第二章感測器與感覺之探討；對於第三章對於機器感知 過程模型；第四章是機器感知模型的刺激硬體設計；第五章解說機器 感知過程模型軟體程式的架構；最後在第六章中提出具體成果在分析 未來方向。

第 第 第

第 2 章 章 章 章 感測器與感覺之探討 感測器與感覺之探討 感測器與感覺之探討 感測器與感覺之探討

2.1 ^{人類感官系統 人類感官系統 人類感官系統 人類感官系統}

我們已經不斷地描述人類一切感覺歷程所共有的抽象屬性。感 覺系統也分享了訊息的相同基本流動。環境刺激係由刺激偵察器

（detector）單位特化的感覺受納器神經元偵察而得。刺激偵察器把 感覺訊號的物理形式轉換成可被神經系統處理的細胞訊號。這些細胞 訊號會將訊息貢獻給較高層次的神經元，此類神經元統合了不同偵察 器單位的訊息。在此階段，神經元抽取有關刺激之基本特性的訊息，

例如：它的大小、強度、形狀及距離。在感覺系統的更深層部分，訊 息甚至會被組成更複雜的密碼，這些密碼被傳到特殊的感覺區和腦部 的聯合皮質。表 2-1 摘要了各種人類感覺的刺激和受器[3] 。目前科 技還沒有辦法製造人類器官，機器人只有依賴感測器來感知這世界上 的訊息，來創造出機器人的感覺。依據人類感官系統來分感測器種類 以及接收到的訊息來做分析。

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表 2-1 人類感官系統:基本特徵 感覺感覺

感覺感覺 刺激刺激 刺激刺激 感覺器官感覺器官感覺器官感覺器官 結果結果 結果結果

視覺 光波 眼 顏色、樣式和質地

聽覺 聲波 耳 噪音、聲調

皮膚感覺 外界接觸 皮膚 觸覺、痛覺、溫覺和冷覺 嗅覺 揮發性物質 鼻子 氣味(麝香、花香、焦味)

味覺 可溶性質 舌頭 味道(酸甜苦鹹)

運動感覺 機械能 肌肉、關節

和肌腱

動作和身體器官的位置

前庭感覺 機械力和重 力

內耳 空間運動和地心拉力

2.2 視覺與感測器 視覺與感測器 視覺與感測器 視覺與感測器

對人類和大多數可以動的動物而言，視覺是最複雜、高度發展而 重要的一種感覺系統，也使得人類得以察覺物理環境中的變化。眼睛 是腦部拍攝世界影片的攝影機 [3] 。人類眼睛(如下圖 2-1)可以感知 到物體的大小、物體的形狀、長度、角度、顏色、顏色對比、位置、

移動。首先先介紹目前最接近眼睛結構的感測器是攝影機(如下圖 2-2)，它能擷取 2D 畫面，經過電腦處理可以辨識許許多多知訊，這 已成為一門專業領域，例如：影像處理、影像辨識等，可以辨識出眼

睛所知道訊息。以移動訊號來講有超因波測距、雷射區域測量儀、紅 外線測距、PIR 物體移動檢知器等，還有辨識單一顏色的感測器，機 器人若有這些感測器的話，確實可以擁有眼睛的功能來獲得視覺。現 在許多開發中的機器人都已經把感測器用來躲避障礙物，辨識圖像大 小、形狀、物體距離、顏色等等。

圖 2-1 眼睛結構

圖 2-2 攝影機

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2.3 聽覺與感測器 聽覺與感測器 聽覺與感測器 聽覺與感測器

有些神經元會在進來的聲音抵達每一隻耳朵(圖 2-3)時比較相 對時間，而第一種機制便和這類神經元有關。例如：有個到你右邊消 失的聲音，它會先抵達你的右耳，在抵達你的左耳。人類聽覺系統中 的神經元擅長對兩耳之間的特定時間延宕進行最活躍的發動。你的大 腦利用這項關於抵達時間之差異為空間中可能的聲音來源做最精確 的預測。

第二種機制仰賴這樣的原則，亦即，抵達第一隻耳朵的聲音具 有稍微大一點的強度因為你的頭部本身投擲了一個會減弱訊號的聲 音「影子」。就你的頭部而言，這些強度差異取決於聲調波長的相對 大小。大波長、低頻率的聲調幾乎無法顯出強度差異；但是，小波長、

高頻率的聲調卻能顯出重要的強度差異[3]。使用麥克風感測器，藉 由第一種及第二種機制原理來抓取訊號，以頻率來講電容式麥克風 (圖 2-4 左)收到的範圍 20~20kHz，人類的耳朵對純音的感受可低至 20Hz 的頻率，以迄於高至 20kHz 的頻率，與電容式麥克風相當，動 圈式(圖 2-4 右)用在機器人身上有許多不適合原因，若跟電容是比較 的話他體積過大低敏度。電容式麥克風者是利用電容器充放電原理，

由超輕薄的振動膜感應的音壓，直接改變極間電壓，轉換成電能訊 號

。

的複雜性。ㄧ個複雜的聲音可解析許多不同的純音(每個純音具有一 種不同的振幅和頻率)的總合[3]。目前麥克風只能收取到響度與頻 率，若要辨識音質的話需要電腦來做取樣分析。在聲音已有許多研 究，諸如語音合成、語音辨識、聽音辨位等等，都是為了電腦聽的懂 人話與說人話。

圖 2-3 人的耳朵結構

圖 2-4 電容式麥克風與動圈式麥克風

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2.4 皮膚感覺與感測器 皮膚感覺與感測器 皮膚感覺與感測器 皮膚感覺與感測器

皮膚是一種相當多用途的器官。皮膚除了保護我們抵抗外界傷 害、保存體液並有助於調節體溫之外，也包含有神經末梢，當受到外 在物體的碰觸而被激發時將會產生壓覺、溫覺及冷覺。這些感覺稱為 皮膚感覺。由於你藉由皮膚收到如此多的感覺訊息，因此許多不同類 型的受納器細胞再靠近身體表層的地方進行運作。你擁有不同的冷、

熱訊號已監控環境溫度的變化，而不是具有一種像溫度計一般運作的 受納器類型[3]。以壓覺訊息有可撓曲壓力感知器 (圖 2-5)，可以偵 測出壓力大小轉換成電壓訊號 A/D 輸出轉換- 0V 無力量; 4.2V 是 100 lbs.，溫度訊息有 AD590 是一種電流型感測器(圖 2-6)，會隨溫 度高低而改變其本身電流大小。

圖 2-5 可撓曲壓力感知器

圖 2-6 AD590

2.5 嗅覺與感測器 嗅覺與感測器 嗅覺與感測器 嗅覺與感測器

嗅覺就是分辨好味道與壞味道，聞到味道代表你鼻子(圖 2-7) 的細胞接觸到該東西的分子，經神經傳導然後大腦分析該訊號為＂某 種味道＂，所以是以分子經擴散的方式傳遞的。當你置身花海中，花 香是怎麼傳到大腦？許多全球頂尖的科學家都在尋求解答。清華大學 腦科學研究中心在歷經 5 年的努力後，終於找到答案，並繪製出全球 第一張腦內嗅覺神經網路地圖，可見真正聞到味道的是大腦，而非鼻 子[5]。目前雖然感測器無法感測出花香訊息，但是可以偵測到氣體 CO²、甲烷、乙醇、氫氣、硫化物、氫氧化物、石油氣、煙霧等，感 測器(圖 2-8)TG-135 市面上已售賣。

- 10

圖 2-7 鼻子的結構

圖 2-8 TG-135

2.6 味覺與感測器 味覺與感測器 味覺與感測器 味覺與感測器

人類的味覺是由味蕾接受味道分子的刺激，經由神經傳導到大腦 產生各種味道的感覺，食物的味道則由四種基本味覺（酸甜鹹苦）組 合而成。

葡萄糖感測器是屬於半導體離子感測器此類型的半導體係由金 屬絕緣場效性晶體改良而成，使用不易被水分子及離子物質侵入的氮 化矽(SiN4)膜取代 MOSFET 使用的金屬氧化物薄膜。此類感測器可

直接安置於溶液中，當待測物與離子感應膜上的接受器產生反應後，

離子感應膜即產生界面電位變化，信號則由漏極(drain)輸出。到目前 為止已有可以感應 Na+、K+、NH4+、Ca+2、Ag+、Li+、Cl-、Br-等 離子。目前這種感測器不多，功能不太大許多種離子尚未感測到，因 此機器人缺乏這種感覺

2.7 其他感覺與感測器 其他感覺與感測器 其他感覺與感測器 其他感覺與感測器

前庭感覺靠訴我們的身體(頭部)相對於重力之下在這世界上的 方位。這種訊息的受納器是位於內耳中充滿液體的囊和管道中的微小 毛細胞。運動感覺可能來源：第一個是來自關節中的受納器，第二個 來自肌肉和肌腱中的受納器。位於關節中的受納器對伴隨不同的肢體 位置而產生的壓力做反應，另一個則對伴隨肌肉和肌腱的縮短或拉長 時產生的張力變化作反應[3]。還有痛覺是對有害刺激所做的反應。

感測器方面有溼度(圖 2

-9

圖 2-9 HCZ-H6 溼度感測器

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第 第 第

第 3 章 章 章 機器 章 機器 機器感知過程模型 機器 感知過程模型 感知過程模型 感知過程模型

本章為本論文的主要核心重點。

3.1 ^{人 人 人 人類 類 類 類知 知 知 知覺 覺 覺歷 覺 歷 歷程 歷 程 程 程}

心理學的感覺、知覺和檢定/辨認的階段，這個圖式摘要了在感 覺、知覺和檢定/辨認的階段中使輸入的訊息產生轉換的歷程。舉例:

懸掛牆壁上的圖畫，在感覺的階段，這幅圖畫對應你的網膜影像上一 個二次元的梯型；圖畫的上邊和下邊朝向右邊聚集，左邊和右邊長度 不一。在知覺的階段，你把這個梯型看作是在三次元空間中向遠處延 伸的一矩形。你把圖畫的上邊和下邊知覺為平行的，但朝向右倒退；

你把左邊和右邊知覺為相同的長度。你的知覺歷程對於遠測刺激的物 理特性已經發展出某種堅實的假設；現在它需要一種身分(identity)。

在辨認的階段，你辨認這個矩形的物體為一幅圖畫[3]。依據這樣理 論完成了機器人知覺過程層級，拿溫度感測器說明一下：感測器為第 一階層屬於環境刺激，第二層有感覺透過 AD590 感測器把室溫轉換 電壓數值再往第三層知覺把數值套固定的公式，算出我們知道的溫度 (攝氏)，在跟第五層我們自己定義的條件來檢定辨認來觸發機器人的 認知。

圖 3-1 感覺、知覺和檢定/辨認的階段

3.2 機器 機器 機器 機器感知過程 感知過程 感知過程 感知過程

這是機器人感覺到或者機器人所知道的過程(圖 3-2)，第一層 (Stimulus Layer)是機器人各種感測器，將刺激轉換成可處理的訊號，

例如：電壓、電流、或者一些電腦可接受的訊息。第二層(Sensation Layer)是將訊號依據人類的感覺做分類處理與第一次運算成人類知 道的訊息也讓機器人得知，例如：溫度將感測器得知的電壓訊號轉成 我們所認知的攝氏溫度。第三層(Alertness Layer)把第二層訊號與緊急 事件值做比對，無關緊要的就丟給第四層處理，若是符合緊急事件的

環境刺激 感覺

知覺組織(特徵的綜合) 檢定/辨認

其他心智歷程

預期

信念 動機

知識 記憶 語言

分析成各部份

恆常性 深度

組織

感覺歷程

由下而上的歷

程 (

由資料所驅

動 )

由上而下的歷

程 (

由概念所驅

動 )

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話需要馬上處理，例如:光線亮度符合很亮，會傷害眼睛時，會把眼 皮拉下。第四層(Identification Layer )判定每個事件是否要把資料去做 總 和 ， 將第 五層的 資 料 作總 和處理 成 為 機器 人的認 知 。 第五 層 (Recognition Layer )記錄了條件、狀況與資料庫等等，將資料與記錄 做比對與辨識再給檢定層。將每一層取出第一個英文字成為 S²AIR 模 型。

把這套模型應用在我們已完成的情感機器人上，讓機器人的認 知觸發情感機器人的表情，使它有自發性情緒。

圖 3-2 機器人知覺層級架構

3.3 S ² AIR 模型 模型 模型 模型整合情感機器人 整合情感機器人 整合情感機器人 整合情感機器人

此模型套用在情感機器人，利用以販售外在刺激有人體紅外線 3 組、電容式麥克風兩組、光敏電阻 2 組、溫度和濕度感測器，透過了 F320 單晶片的類比訊號轉數位訊號，再做編碼與傳送給電腦。電腦 端先給 S²AIR model 若有重要性的資料會傳給情感機器人，再把普通 訊號添加上六一情緒模型完成情感機器人的感知。

圖 3-3 S²AIR 模型整合情感機器人示意圖

- 16

第 第 第

第 4 章 章 章 章 S ² AIR 模型 模型的 模型 模型 的 的 的刺激硬體 刺激硬體 刺激硬體 刺激硬體設計 設計 設計 設計

本章參考一堆市面上的感測器與單晶片，選取幾種方便又適當的 感測器來當作機器人的器官來接收環境訊號。

4.1 刺激系 刺激系 刺激系 刺激系統的微處理器 統的微處理器 統的微處理器 統的微處理器

主要把類比訊號轉換成數位訊號利用單晶片編碼傳送電腦端，像 是人類的神經元傳給大腦一樣功能。單晶片選擇 Silicon Laboratoriesr 家 C8051F320 這顆晶片(圖 4-1)，他比原來 8051 還要小，又有類比 轉數位訊號 IC，還有 RS232 電壓轉換成 USB，相當方便的晶片。使用 I/O 六組腳位去接到需要囀換成數位的感測器，在三隻腳位是接收數 位訊號

圖 4-1 C8051F320

4.2 仿刺激電路之實現 仿刺激電路之實現 仿刺激電路之實現 仿刺激電路之實現

視覺訊息選了光敏電阻和人體焦耳式體溫感測器三組，人體焦 耳式體溫感測器三組分別朝向前、朝右、朝左，獲得機器人感知人的 位置，光敏電阻者是感覺環境中的光線強度。聽覺訊息利用機器人左 右邊的麥克風兩組，再單音源環境下，把訊號傳給電腦做分析，辨識 音源在機器人哪一邊。皮膚感覺者是用溫度感測器代替人類的冷、溫 覺。

4.2.1 人體焦耳式體溫感測器 人體焦耳式體溫感測器 人體焦耳式體溫感測器 人體焦耳式體溫感測器

是用市面上睿意科技的感測器套件(圖 4-2)，人體紅外線感測器 (焦電型)三組。在電路上做點修改，再把主要感測結果的腳位拉出來 給單晶片。

- 18

4.2.2 麥克風 麥克風 麥克風 麥克風

使用 TL074 線性放大器，基本的反向放大器放大 100 倍，二極 體整流電容濾波。圖 4-3 為電路圖：

0 0

0

0

0

Vo R2

100k

R1

1k +

-

TL074 3

2

1

411

R1 1k

V2 5V

V1 5V

C1 0.01u D1

D1N4007 麥麥麥

圖 4-3 麥克風放大器電路圖

4.2.3 溫度感測器 溫度感測器 溫度感測器 溫度感測器

AD590 是一種電流型感測器，會隨溫度高低而改變其本身電流大 小，只要串接電阻就行驅動，因電流乘上電阻所的電壓，溫度越高電 壓就越高，再由單晶片做轉換成數位數值。圖 4-4 為電路圖：

0 0

Vo

2k

9k 5V

AD590

1 2

3

+V -V

CAN

圖 4-4 溫度感測電路圖

4.2.4

使用 HCZ-H6 溼度感測器，它需要有交流驅動[7]，所以利用 TL074 放大器產生了韋恩電橋振盪電路構成 1KHz 振幅大約 4Vpp，

溼度感測器因為環境溼度 90%時，電阻值大約 2.7K 歐姆，20%時有 6300K 歐姆，再由一顆放大器作電壓追隨器，電壓追隨器輸入端有無 限大的電阻，輸出端看進去電阻幾乎 0 歐姆，在作整流濾波，在接上 單晶片腳位。圖 4-5 為電路圖：

0

0 0 0

0

0

Vo

0.1u 10k

C2

0.1u 5V

5V + -

TL074 3

2

1

411

R8 20k

10k 10k

10k

15n

15n

D1

D1N4007 5V

+ -

TL074 3

2

1

411

濕濕濕濕濕

5V

- 20

4.2.5

MT7528 光敏電阻感測器，此感測器光度越強電阻值越小，電壓 也就越小，單晶片所的數值就很小。圖 4-6 為電路圖：

0 0

Vo

5V

光光光光

100k

圖 4-6 光敏電阻感測器電路圖

4.3

韌體是用 C 語言在 Keil C 介面撰寫出來的[13][14]，流程圖(圖 4-7)是說明單晶片裡面的韌體程式的主要結構，它是如何讀取資料與 編碼。整個程式大約花了 160mS 來取像類比訊號，之間有個延遲是 可以不需要的，只是我們機器人還不需要高取樣來接收訊息，有這個 延遲資料比較不會傳送電腦端的緩衝記憶體擠滿，導致電腦程式當 機。

開始

初始化

類比轉成數位訊號 每組之間有10ms延

遲共六組

讀取

人體紅外線腳位3組

編碼傳送給電腦

1

1

延遲100mS

圖 4-7 韌體流程圖

編碼系統這邊為了把每筆資料讀取正確，而不會讀取到別種的資料或 錯誤的數值，所以在每筆資料前面加個碼，碼是很簡單的 8bit碼，如 圖4-8 所示，然後透過USB給電腦端做解碼。

- 22

第 第 第

第 5 章 章 章 章 S ² AIR 模型的軟體實現架構 模型的軟體實現架構 模型的軟體實現架構 模型的軟體實現架構

本章的目的在於介紹架構實現。分為以下兩部份說明：第一節軟 體程式介面說明；第二節主要解說S²AIR模型軟體架構。

5.1 六一 六一 六一 六一情緒 情緒 情緒模型 情緒 模型 模型介面說明 模型 介面說明 介面說明 介面說明

六一模型軟體程式介面是用 Visual Basic 6.0 程式撰寫出來的 [8][9][10][12]，六一情緒模型[11]程式(圖 5-1)是已開發完成，而我把 S²AIR 模型系統(圖 5-2)整合進去裡面，在多增加了六一參數總合的 因素，與刺激事件之間做反應。

圖 5-1 六一模型軟體程式介面

S²AIR模型刺激的溼度、溫度、光亮度、聲音和人體紅外線是從 單晶片端接收訊號，在解碼之後所顯現出的數值。下一節再用架構來 解說介面程式裡面的事件。

圖 5-2 S²AIR 模型軟體介面

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5.2 S ² AIR 模型軟體 模型軟體 模型軟體 模型軟體架構 架構 架構 架構

圖5-3、圖5-4、圖5-5和圖5-6從左而右是S²AIR模型去整合六一模 型的架構。粉紅色區塊是屬於人體器官去分類的，多種刺激→人類的 感覺器官→傳輸訊息的神經元→到大腦分析→人臉肌肉。橘色區塊是 屬於機器人的軟硬體，感測器電路的類比訊號→單晶片把訊號轉換數 位在編碼傳送→電腦程式把資料處理完→情感機器人。

淡藍色區塊是屬於S²AIR模型軟體的架構，圖4-3 環境因素是說 接收光波、聲波、人體紅外線和溫溼度等等，類比訊號由感測器的電 路去接收轉成電壓訊號，數位訊號是由單晶片裡面A2D區塊去負責把 電壓訊號(0~3.3V)轉換成數位數值(0~1024)，然後編碼(圖 4-8)透過 USB到電腦這裡是編碼與傳送區塊。

圖 5-3 S²AIR模型架構的硬體區塊

在圖 4-4大黃色區塊是電腦程式所撰寫的方法，解碼區塊是把單 晶片那邊訊號做解碼動作，並且運算過後顯示出人類懂的訊息數值 (圖 5-2)。條件式辨別區塊是第一次運算，這區塊在刺激層級(圖 3-3) 第三層警覺層，若符合條件(操作者自定)的話會做即時反應(如人類的 反射動作)和把不是緊要訊息傳送到認知判定區塊。認知判定區塊是 跟人為刺激區塊與六一模型的情緒參數表區塊有關係，它需要依據人 為刺激去判定是否觸發事件是否要加入六一參數總合裡面，若要加入 就得從六一情緒模型的情緒參數表取區六個基本情緒值，再丟到六一 情緒模型裡做處理(圖5-5)。

六一情緒模型[11]處理完都給傳送 16組參數區塊，它是判別先處 理誰的數值優先權，若有即時反應電腦會以這個為最高優先權先丟出 給情感機器人，就如人類的反射動作防止身體受到傷害，將傷害降低 有保護的作用。

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圖 5-4 S²AIR模型軟體架構的前部份

圖 5-5 S²AIR 模型軟體架構的後部份

第 第 第

第 6 章 章 章 結語 章 結語 結語 結語

6.1 ^{具體成效 具體成效 具體成效 具體成效}

刺激層面可以讓感測器有規則性的依照視覺、聽覺、皮膚感覺、

嗅覺和味覺等等去整合機器。感覺層面使機器有得到像人類的訊息，

有透過刺激、感覺和警覺使機器產生了及時反應，像可以保護自己或 者做些緊急事件，來處理重要的訊息。檢定層面篩選了重要的訊息，

而產生機器知覺，然後來與人類做互動，使人覺得親近而不是冷血 的。辨識層面像似人類的記憶與經驗，機器的知覺結果都是由辨識層 面資料所比對出來的。依照這樣理論(S²AIR 模型)配合六一情緒模 型，再結合情感機器人使它產生了自發性行為與情緒，讓情感機器人 擁有智慧性趨向。

提出 S²AIR模型，不只用在情感機器人身上，也可以套用在任何 機器，增強機器有趣性與互動性，若用在學習平台上的話，像說故事 平台一邊講故事一邊產生機器行為，假如故事說到有快樂時，此時機 器會產生快樂訊號，或者偵測到聽故事者厭煩時，增加一些快樂的音 樂，使這套說故事機器提高學習效果。

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6.2 ^{未來方向 未來方向 未來方向 未來方向}

在未來只要感測器做到體積很小更精確、視覺的影像處理、影 像辨識有像人的視覺一樣，語音合成與辨識能做的聽懂人說話、講出 人話，在這刺激層面發展的好話，連人類不知道資訊，機器都有可能 知道。目前辨識層面沒有像大腦一樣有短暫記憶跟永久記憶，若在建 立好資料庫、記憶、經驗與背景，加上人格有特殊的檢定與辨認將很 難預料整合的情感機器人的動作行為與模式，使情感機器人的智慧性 就會慢慢呈現出來。

參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻

[1] 吳嘉文. “情感機器人的運轉”, 中華大學電機工程學系碩士論文, 2004.

[2] 科學不簡單講座，機器人養成秘笈，

http://sa.ylib.com/noteasy/noteasy_show.asp?CourseType=

1&CourseNo=40，2006.

[3] Philip G. Zimbardo 、Richard J. Gerrig著, “心理學”, 五南圖書出 版有限公司, 2000.

[4] 鄭瑋璿, “SE-EBS:臉部表情機器人之連續事件情緒行為排程器”, 中華大學電機工程學系碩士論文, 2003.

[5] 聯合新聞網，嗅覺網路圖 看大腦如何聞味道，

http://mag.udn.com/mag/life/storypage.jsp?f_MAIN_ID=207&f_SU B_ID=1348&f_ART_ID=63004，2007.

[6] 彭建勳, “SE-EBS：情感機器人之連續性動態控制表示分析”, 中華 大學電機工程學系碩士論文, 2005.

[7] 許桂樹、陳克群、李怡銘著, “感測器原理與應用”, 全華圖書股份 有限公司, 2007.

[8] 林建仁、林文廣著, “Visual Basic 6 新世代高手”, 碁峰資訊股份 有限公司, 1999.

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[10] 洪錦魁著, “精通 Visual Basic 6 中文版”, 文魁資訊股份有限公 司, 2003.

[11] 范智浩, “SO-EM:情感機器人之六一情緒模型”, 中華大學電機 工程學系碩士論文, 2008.

[12] 陳永達、詹可文著, “微電腦控制：專題製作：VB串並列埠控制”, 全華科技圖書股份有限公司, 2006

[13] 蔡朝洋著,“單晶片微電腦8051/8951原理與應用”, 全華科技圖書 股份有限公司, 2005

[14] 賴麒文著,“C與8051單晶片實務設計 使用Keil C”, 文魁資訊股 份有限公司, 2007.