改善運動表情下高仿真機器人面部應力集中的一種方法研究

梁鑫 蔣剛 戴強

西南科技大學，四川綿陽，621010

改善運動表情下高仿真機器人面部應力集中的一種方法研究

梁鑫 蔣剛 戴強

西南科技大學，四川綿陽，621010

在人類與外界進行信息交流時，溝通者的表情高達 55%（內容僅占 7%，語調占 38%），由此可見表情在人類與外界交流中起到了重要作用。現有面部表情機器人其外觀逼真，靜止狀態足以以假亂真。而動態表情存在呆板、僵硬、不流暢等問題。筆者通過研究設計出一種能夠改善面部柔性體應力集中的方法，對于解決上述問題有一定說服力。

信息交流；面部表情機器人；應力集中；柔性體

文章主要研究表情運動的機械、不流暢。通過對仿真機器人的調查研究，機械、不流暢主要原因是運動行為的剛性過渡，同時存在局部應力集中。內部空間的有限性，使產生相關運動的驅動電機及機構復雜，現階段較難完成上述任務。

調查發現，現有大多高仿真機器人的材料和運動原理如下，面部層材料主要為硅膠，運動原理，內部微型舵機驅動通過細鐵絲牽引硅膠層產生表情。在剛性鐵絲和柔性硅膠人臉的直接作用下，面部表情呈現的問題如上所述。

1 人臉建模前期分析

建模前分析，人臉所覆蓋的曲面多為自由的、非參數化的，若是用參數化建模軟件如ProE或UG等對其進行創建，無疑是復雜且低效的。而通過自己專業知識的儲備，自由多曲面創建可以考慮使用mesh網格多邊形這個曲面工具，而這個工具被廣泛應用于CG動畫或是其他非參曲面。

Mesh網格多邊形曲面建模，是利用Polygon多邊形拼湊而成，這種曲面建模優點很明顯，即易編輯和直觀，多用于生物體模型的創建上。但是Mesh網格建模也有一個劣勢，就是其所建模型沒有真正曲面的特點，不可以用于制造，所以必須在后期對其進行Nurbs的曲面的轉化，使其以數學參數模式記錄，便于后期的工程應用輸出。Mesh網格建模可以在3Dsmax、Rhino等軟件中運用，是其主要的建模手段之一。前者在專業性上強于后者，mesh是網格功能也異常強大，但是不利于工程應用；后者是3Dsmax在曲面功能的延伸，具有更加強大的Polygon和Nurbs建模方法，尤其是在數據轉化上，Rhino擁有眾多插件，能夠有效實現工程數據的仿真應用。

這方面插件主要有RhinoResurf和TS。T-Splines在數據轉化時，中細分，優化，接著檢查貼合度，再轉為T-Splines，最后轉為NURBS，過程復雜且過程存在數據的丟失，以及大量繁雜的后期處理工作。Rhinoresurf這款插件是一款由國人開發的的Rhino逆向插件，其特點是可以快速地從網格模型的基礎上重構出覆蓋模型的 NURBS曲面塊，曲面精度比較好，光滑度高，曲面之間的拼接連續性可達到G1正切連續，同時操作簡單，單一模型甚至可以一鍵轉換。

2 人臉建模

2.1 Rhhiinnoo環境下創建人臉模型

Rhino是由美國Robert McNeel公司于1998年推出的一款基于NURBS為主三維建模軟件。它不象其它三維軟件如MAYA、3DsMax那樣有著龐大的身軀，動輒占用幾個G的空間；而最新版Rhinoceros5.0全部安裝完畢僅需要占用314M的空間。它可以廣泛地應用于三維動畫制作、工業制造、科學研究以及機械設計等領域。它能輕易整合3DS MAX 與Softimage的模型功能部分，對要求精細、彈性與復雜的3D NURBS模型，有點石成金的效能。能輸出OBJ、DXF、IGES、STL、3DM等不同格式，并適用于幾乎所有3D軟件，尤其對增加整個3D工作團隊的模型生產力有明顯效果。

建模時選擇適用生物體曲面效果好的polygon多邊形mesh網格建立曲面，模型效果如圖1所示，人臉曲面效果還原較準確，相比相關僅利用SolidWorks建模人臉仿真的效果好。單從直觀感官層面利用Rhino專業的曲面建模軟件模型效果好。

圖1 Mesh網格建立人臉模型

通過Rhino建立好的mesh人臉模型雖然更加逼真，但是這種多邊形建立的模型在導出適用于SolidWorks的工程文件格式時，存在數據丟失或無法成功導出。原因主要是Mesh網格建立的模型，其空間未曾記錄空間曲面數據，所以無法導出相應的工程模型文件格式，解決的方法為導出之前保存為Nurbs曲面格式，而rhino自帶軟件對于解決此問題的方法尚無。不過rhino的對應插件如T-S和Rhinoresurf，專門用于此問題的研究。章節3-1對此有明確的說法，本節主要介紹利用Rhinoresurf的具體做法。

圖2 曲面缺陷的分布

打開人臉模型文件，在安裝好rhinoresurf的界面進行如下操作，框選構成人臉模型的所有曲面，鼠標左鍵單擊rhinoresurf工具欄的“自動從網格模型生成多曲面”選項，此時系統會后臺運算一定時間，待結束后，產生新的nurbs曲面，此時工作界面存在兩個曲面群。刪除原有的mesh網格曲面，僅保留新的人臉曲面。仔細觀察會發現，此時的曲面數量超過2000個，并且有小部分曲面銜接存在縫隙和壞面，以及曲率半徑過大等問題，需要借助rhino的曲面重建工具進行再造，防止導入下游工程應用軟件出現無法修復或加厚的問題。

圖3 人臉模型的曲面缺陷及修復

本研究數據模型主要有幾個明顯的曲面缺陷，如圖2所示。利用曲面嵌面工具，先刪除錯誤曲面；再通過邊緣重構曲面，基于曲面模型質量考慮，UV數量保持較高，同時其硬度設置為1，使其保持基本的曲面舒展度，其參數設置如圖3所示。重構所有面后并檢查曲面曲率及斑馬線，保存進入下一步。

圖4 人臉模型實體

2.2 SolidWorks環境下編輯模型

本次所用到的工程建模軟件是SolidWorks，該軟件主要具有功能強大、易學易用和技術創新三大特點，這使得SolidWorks成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，而且對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。

因精細曲面模型生成的nurbs曲面群包含至少2000個不同大小曲面，本研究為方法研究，所以在不影響人臉整體五官的前提下，簡化模型并調整，得到如圖4加厚文件。加厚成功后，根據FACS人臉運動控制區域的劃分情況，在模型陰面相關區域建立錐形柱。錐形柱建立主要通過實體放樣，放樣時需要合并實體，保證材料的一致性。然后再使用分割命令，減掉多余部分實體，得出理想模型。模型創建好后，如圖5所示。

圖5 局部帶錐形柱人臉模型

本文中彈性體模型均賦予彈性模量為0.00784Gpa、柏松比為0.475、密度1300 kg/m3的材料屬性，各向同性，與“愛因斯坦”[5]采用的材料 Frubber 的受力變形量相似，大約為0.0015m/N。通過Simulation進行仿真時，嘴角施加拉力，固定人臉邊緣，我們發現，僅僅在面具四周增加夾具其應力集中主要在錐形柱上，而不是硅膠人臉。如圖6所示達到了一定的效果，能夠呈現一定的受力趨勢。

圖6 SolidWorks中的初步仿真結果

相比沒有錐形柱的硅膠人臉，具有錐形柱的在應力上，領先了一個數量級，最高為僅1.1 N/cm2，且集中于內部錐形柱頂端。而沒有錐形柱的硅膠人臉其最大應力達到了16.7 N/cm2，并且集中在面部施力部位。如圖7所示。

圖7 SolidWorks中的初步仿真結果（不含錐形柱）

3 結語

筆者通過問題分析和模型仿真對上述問題研究，提出一種改善仿真機器人面部應力集中的方法，同時進行方法驗證。剛性鐵絲直接牽引硅膠人臉使得應力集中在接觸部位，所以在接觸部位設置一個緩沖裝置分散硅膠表面的應力集中是解決問題的關鍵。如在內部通過粘接方式添加緩沖層，使內部牽引力作用在其上，其類似于將力分散在緩沖層上，或者說放大了接觸面積，原理也是一樣的。硅膠外表面則形成局部面的驅動，結果整體僵硬度未得到明顯改善。該文章通過將緩沖層與硅膠面層一體化結合，通過實驗仿真分析得出結果。

對比錐形柱的有無，柔性體表面應力的變化情況，能夠很清楚的獲知，錐形柱對于改善柔性體面部應力集中的作用是肯定的。從根本上解決了表情僵硬、不流暢、呆板等問題。對于后期的表情表現，提供了一種思維途徑和調整方法。

[1]柯顯信,尚宇峰,盧孔筆.仿人情感交互表情機器人研究現狀及關鍵技術[J].智能系統學報.2013(06):482-488.

[2]李瑞峰,孫中遠,王珂,等.具有面部表情識別與再現的機器人頭部系統的研制[J].機械設計與制造.2011(07):95-97.

[3]柯顯信,柏垠,唐文彬.仿人面部表情機器人研究現狀與展望[J].機械設計.2009(11):5-8.

[4]王志良,王巍,谷學靜,等.具有情感的類人表情機器人研究綜述[J].計算機科學.2011(01):34-39.

[5]唐文彬,柯顯信,柏垠,等.仿人面部表情機器人的控制系統設計[J].機械設計.2010(08):54-57.

梁鑫/1990年生/男/四川蓬溪人/碩士/研究方向為產品設計