人體發聲系統仿生系統設計

羅開懷 姜惠文 陳治安 陸施恩 陳宇航

摘要：人體的發聲系主要統涉及聲帶、氣管、舌頭三部分。本文采用機械結構仿生的方式，分別對這三個部分進行了結構仿生，并初步搭建了一套人體仿生發聲系統，驗證了該系統的可行性。

關鍵詞：人體發聲系統;仿生聲帶;仿生舌頭;仿生上下顎

0 前言

人主要通過喉頭中間的聲帶振動發聲，聲帶是兩片呈水平狀左右并列的、對稱又富有彈性的白色韌帶，吸氣時兩聲帶分離，聲門開啟，吸入空氣，發聲時，兩聲帶靠攏閉合振動發聲。口腔是主要的共鳴器，舌頭是口腔中最靈活的器官，舌頭通過形成不同形狀在口腔形成不同的空氣，從而發出各種聲音。決定模擬的發聲結構主要包括聲帶、口腔及舌頭，口腔使用3D打印完成，且要達到自由開合的目的;聲帶部分的重點在于兩片韌帶的振動和開閉，同時氣密性也十分關鍵;舌頭需要盡可能的靈活，實現彎曲伸直等動作，其中聲帶與舌頭需要韌性好、與模具材料不相容的材料，便于鑄造和起模。與老師和組員討論后，這個方案的可行性得到了肯定，鑒于聲帶與舌頭是主要的發聲部位，且實驗較有難度，我們采取分工合作的方式分為聲帶和舌頭兩個小組。

1 研究內容

1.1仿生舌頭的制備

舌頭部分無疑是整個發生系統的關鍵所在。日本香川大學教授Hideyuki Sawada[1]發明的這款機器人非常獨特，它長著突出的橡膠嘴唇。在演示過程中，這款機器人唱了日本童謠《可果美》，但音質有點兒不盡人意，聽起來更像是損壞割草機發出的聲音。我們仔細分析了日本科學家研制的這款仿生發聲系統，發現這款發聲系統，僅僅模擬了人類的喉管和鼻腔，而發聲也是靠喉管下部的幾組伺服電機帶動的推桿來控制，并不是靠口腔、舌頭和聲帶，而是通過不同組推桿的上下運動，進而改變喉管的形狀，發出不同的聲音，本質上仍然是屬于機械控制。起初，我們也準備用這種機械結構，但是在進行可靠性分析之后，發現這種結構以及控制方式存在弊端——喉嚨的變形，無法做到完全連續，而且從一個動作到另一個動作的過渡也顯得不連貫。而且對于研究的初衷而言，這種發聲的方式背離了模擬人體發聲系統這一課題。

之后，為了解決以上問題，我們決定放棄日本科學家的這種方法，完全模擬人的發聲結構，采用硅橡膠來制作舌頭部分。之所以用硅橡膠做舌頭，在于硅橡膠這種材料與人類的肌肉組織最為接近，并且以硅橡膠培養人體組織，在醫學上也有先例可循。但是具體采用何種類型的硅橡膠以及如何實現對舌頭動作的控制仍然是一個問題。要實現舌頭的連續變形，因為硅橡膠屬于軟體材料，因而就不可能使用傳統的機械控制。對此，哈爾濱工業大學于2020年3月研制成功的幾款仿生機器人，其中有一款“象鼻機器人”[2]的結構特點對本文起到了一定的啟發作用。此款機器人采用了柔性氣動波紋管結構和相應的閥和控制技術，能毫不費力地模仿這兩種原型的動作。氣動輕型機器人具有十二個自由度。波紋管由堅固的彈性體構成。每個均由獨特的3D紡織面料包裹[3]，與章魚觸須的肌纖維類似，得益于這一創新纖維技術，波紋管結構能夠向所需運動方向進行伸展，同時在另一個方向上受限，首次能最大限度釋放可用力。

舌頭主體由 Ecoflex-0030的硅橡膠制作而成，其中充滿了一個個獨立的小氣室[4]，向其中的氣室充放氣，就能使仿生舌頭產生不同的彎曲、卷曲和伸長變形。而這幾類變形恰好與人體舌頭工作時的幾種變形動作相類似。

仿生舌頭的制備，一開始考慮舌頭所用的結構是一個舌頭整體中間有一些空腔留著充氣，但是這就對舌頭的制備方法有很高的要求，一般的方法是做不出中空的部件。因此，打算將舌頭分成上下兩個部分，獨立鑄造，等分別鑄造好了之后再用膠將兩部分粘到一起，但是當我們粘好之后發現這樣的結構不結實，當我們向舌頭里面泵氣的時候，用膠粘的部分自動裂開，這與我們原來的想法不一樣，于是我們又用同材料的硅膠將兩個部分粘到一起，但是又發現這樣制作的話對手工要求就很高，舌頭各組分容易厚薄不均，導致舌頭在泵氣的時候就會出現各個部分膨脹程度不一樣的情況，這會對后期的發聲有很大的影響，所以我們又對鑄造的方法進行了改進，先將上半部分鑄造完成之后，在進行下半部分的鑄造的時候我們直接將鑄造好的上半部分放到下半部分的鑄型之中這樣可以將上下部分鑄造成一體的，并且各個部分比較均勻。

1.2仿生上下顎的制備

仿生上下顎部件主要功能是實現對仿生舌頭的承載，以及模仿人類說話時上下顎的開合活動，最大程度地還原人類在說話時表現出來的生理特征。而對于仿生上下顎的設計要求是：

（1）能實現仿生舌頭在其閉合空腔內自由舒卷;（2）開合角度大于60度;（3）可由人自由操控其開合。制作材料有：耐用性尼龍材料、碳棒、15kg伺服舵機、MC6C 6通道2.4g遙控器、6通道信號接收機、7.4V航模用鋰電池、4路工控板。

1.2.1設計過程：

對于上下顎的外形，我們進行了一再的簡化，極簡的殼體保證其在閉合狀態下不會發生漏氣現象;后部我們設計成通槽結構，方便后期實驗時，輸氣管能通過并完成輸氣。自左向右打一個通孔，插入碳棒作為連接軸，連接舵機后實現上下顎的開合，并通過遙控器和信號接收機來完成對其控制。

在上下顎成后，為實現上下顎開合的穩定和順暢，我們在裝置一側加裝了兩根桿件，構成了一個四連桿結構，將桿件與舵機相連，利用舵機轉動帶動四連桿機構運動間接實現對上下顎的控制。

在正式組建裝置時，根據設計時的理念，用碳棒和兩根桿件連接起了上下顎部件，桿件與舵機相連，構成了穩定的四連桿結構。舵機、信號接收機和供電的航空鋰電池固定于上腭外表面。開啟遙控器，利用對碼器完成信號連接，隨后將舵機調整至中位。

1.2.2 實驗過程及結果

裝置組裝完成后，我們很快對其各方面性能進行了測試。在空載狀態下，該裝置可實現人工控制，并在一秒中內完成了4次開合。最大開合角度達到70度。而在負載（內腔裝填仿生舌頭）狀態下，該裝置可實現每秒一次開合，最大開合角度不變。桿件壽命約為3000次，電池可供裝置連續工作90分鐘。后續我們通過編寫程序段，利用單片機傳輸信號，實現了該裝置的自動開合。

1.3 聲帶部分的制備

1.3.1聲帶發聲原理

聲帶是人發聲的振源，體內氣流沖擊聲帶，帶動聲帶振動，從而發出聲音。發聲過程是氣流沖擊閉合的聲門，聲門打開，產生振動，發出聲音。正常情況下，聲帶是光滑且閉合完全的，這時氣流沖擊聲門的氣流，就是均勻集中的，聲門各個部位振動頻率和幅度大致平均，聲音清脆明亮。如果聲門局部閉合不好，就會導致聲音嘶啞，有雜音感。

1.3.2聲帶裝置

人類的聲音是人的發音器官活動的結果。仿人體發聲裝置中，采用了仿生肺部、氣管、聲帶、口腔、舌頭來初步模仿人的發聲。

肺部呼出的氣流是發聲的動力。在這里我們采用了變量型氣泵（輸出氣流量穩定）裝置來充當“肺”這一動力源。氣管輸送氣流的通道，由肺部呼出的氣流通過氣管、支氣管到達喉頭，作用于聲帶，聲帶組織，才能發出不同的聲音。這里我們采用了塑料軟管來模擬人體的氣管。

聲帶是發生器官的主要組成部分。位于喉腔中部，由聲帶肌、聲帶韌帶和粘膜三部分組成，左右對稱。聲帶的固有膜是致密結締組織，在皺襞的邊緣有強韌的彈性纖維和橫紋肌，彈性大。兩聲帶間的矢狀裂隙為聲門裂。

仿人體發聲裝置采用了材料填充模具，上下分模鑄造。聲帶整體呈橢球形，高110mm，長64mm，寬25.5mm。在模具中間，采用了1—3mm不等厚度的膜，從而充當聲帶固有膜。膜上，根據不同情況添加不同厚度的錫箔紙，從而增加膜的震動頻率。聲帶膜把橢球形的聲帶分為兩個腔室。我們稱之為入氣腔與出氣腔。兩個膜見留縫隙1-3mm，預留氣體通過。

1.3.3發聲模擬

打開變量氣泵，通過變量氣泵輸入穩定的氣流量，根據需求調節輸入氣體流量。氣體在塑料軟管的中與氣管發生輕微弱震動，并且將氣流通向 “聲帶”。

氣流來到橢球形的聲帶的入氣腔，由于入氣腔的體積較氣管口徑大，氣體會再此大量聚集，氣體壓強升高。此時出氣腔的壓強較低，入氣腔氣體在氣壓的作用下進入出氣腔。在兩腔室之間“類聲帶固有膜”會阻礙氣體的流動。氣體在膜見縫的作用下，會形成壓力差，此壓力差較大，氣體流速較快，使“類聲帶固有膜”和空氣震動，且在橢球形的密閉空間內，形成氣鳴現象。引起聲帶發聲。

2 存在問題及解決方案

2.1 存在的問題

（1）桿件壽命過短;（2）連續開合過程中存在動作不連貫現象;（3）裝置內腔過于平整，與人體結構仍有差距;（4）控制方法響應靈敏度不夠。

2.2改進方案

（1）選用疲勞強度更高的3D打印材料;（2）調整桿件尺寸，優化連桿結構，改用球頭連接減小阻力使其運動更加順暢;（3）仿照口腔倒模，利用Ecoflex-0030等仿生材料制作口腔軟組織粘貼固定在裝置內壁;（4）將遙控器控制改為電腦終端控制。

3 總結

對于人體仿生發聲的研究在國內鮮有見聞，本文的研究是從仿生工程學的角度出發進行仿生設計與實驗。實驗表明，通過使用和人體組織相近的仿生材料可以實現對人體發聲很大程度的還原，也證明了在不借助電子播放器的情況下可以實現對人類說話的模仿。希望人體仿生發聲技術在未來的機器人領域和醫學領域發揮出其重要的作用。

參考文獻

[1] Thanh Vo NHU，Hideyuki SAWADA. A Talking Robot and Its Real-Time Interactive Modification for Speech Clarification[J]. The Society of Instrument and Control Engineers，2016，9（6）.

[2] Guan， Q. H.， et al. （2020）. "Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk." Soft Robotics 7（5）： 597-614.

[3]尹順禹，許藝，岑諾，金飄飄，李鐵風.軟體智能機器人的系統設計與力學建模[J].力學進展，2020，50（00）：195-220.

[4] Shepherd RF， Ilievski F， Choi W， et al. Multigait soft robot. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011;108（51）：20400-20403. doi：10.1073/pnas.1116564108.

羅開懷，男，生于2001年6月，漢族，四川廣安人，揚州大學，車輛工程方向