机器智能:人工情感.pdf
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1、本书面向人工心理和情感机器人等前沿领域,讨论了情感机器人表情控制和机械结构设计的理论、技术及其应用的若干方面,主要包括机器人的起源及发展、情感机器人研究历程及相关理论和关键技术、机械头及身躯设计、表情控制模式、电动机控制、机器视觉、人机交互与合作、软件集成、数据库及知识库技术、情感模型和机器学习等方面的研究理论、技术与应用方法,取材新颖,内容深入浅出,材料丰富,理论与实际紧密联系,具有较好的创新性和学术参考价值。本书可以作为高等院校相关专业高年级本科生或研究生的教材及参考用书,也可供从事计算机、自动化、电子信息、模式识别、智能科学、人机交互技术等领域的教师和科研工作者参考。图书在版编目(C I
2、 P)数据机器智能:人工情感/解仑,王志良编著.2版.北京:机械工业出版社,2 0 1 7.7(智能制造与装备制造业转型升级丛书)I S B N9 7 8-7-1 1 1-5 7 5 0 0-9.机.解王.人工智能-研究.T P 1 8中国版本图书馆 C I P数据核字(2 0 1 7)第 1 7 7 9 5 5号机械工业出版社(北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037)策划编辑:罗 莉 责任编辑:罗 莉责任印制:孙 炜 责任校对:胡艳萍北京振兴源印务有限公司印刷2017年 8月第 2版第 1次印刷184mm 260mm14.5印张349千字0001-3000册标准书号:I S B
3、N9 7 8-7-1 1 1-5 7 5 0 0-9定价:7 9.0 0元凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由本社发行部调换电话服务网络服务服务咨询热线:0 1 0-8 8 3 6 1 0 6 6读者购书热线:0 1 0-6 8 3 2 6 2 9 40 1 0-8 8 3 7 9 2 0 3封面无防伪标均为盗版机 工 官 网:w w w.c m p b o o k.c o m机 工 官 博:w e i b o.c o m/c m p 1 9 5 2金书网:w w w.g o l d e n-b o o k.c o m教育服务网:w w w.c m p e d u.c o m前言随着计算机科学、
4、脑科学、心理学、认知科学的蓬勃发展,以及人们日益增长的物质文化生活需求,越来越多的交叉学科引起了科研工作者的重视。特别是在国务院发布的 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2 0 0 6 2 0 2 0年)中,强调“以人为中心”的信息技术发展需要,自此,大量科研工作者便投身到人工心理、情感机器人以及虚拟现实的交叉合作领域之中。针对以上学科发展需求,本书较为全面地介绍了情感机器人的基本概念、主要内容和应用领域,并对其研究方法和相关技术进行了讨论。以国内外研究发展前沿为基础,重点探讨了情感机器人的总体体系结构及相关的软硬件设计,并给出智能家居系统、虚拟管家系统和服务机器人的具体应用实例。本书的研究内
5、容具有典型的交叉性,涉及心理学、认知科学、智能科学、自动控制、计算机智能、机械设计等多个学科领域。全书共分 1 1章。第 1章介绍了机器人及情感机器人的起源、发展研究历程及其相关理论和关键技术;第 2章介绍了机器头及身躯的设计与实现技术;第 3、4章介绍了机器人的表情控制模式和电控设计;第 5章 第 1 0章探讨了与情感机器人相关的多种软件技术及其相关的智能技术;第 1 1章分析了情感机器人应用的若干实例。本书的学术观点较为先进,内容新颖,材料丰富,理论与实际应用紧密联系,结构合理,从基础理论与技术向应用方法逐步深入,具有一定的理论价值与实际应用意义。读者既可以从中把握本领域的前沿进展,也可以
6、选择需要的研究方向进行深入学习。在此感谢北京科技大学提供的科研和工作条件,使我们顺利地完成了其中的科研工作。我们尤其要感谢韩晶、李敏嘉研究生为本书贡献了重要的研究成果。感谢国家自然科学基金项目(课题编号:6 1 6 7 2 0 9 3、6 1 4 3 2 0 0 4)、国家重点研发计划重点专项课题(课题编号:2 0 1 6 Y F B 1 0 0 1 4 0 4)等的支持和资助。本书内容涉及多个学科前沿,知识面较为广泛,作者的认识领悟能力有限,书中有些观点和见解难免有不妥之处,敬请各位专家及广大读者给予批评指正。作者于北京科技大学目录前言第 1章绪论11.1 机器人的起源与发展史21.1.1
7、机器人的起源21.1.2 机器人的发展史21.2 情感机器人研究历程41.2.1 物理机器人的发展现状41.2.2 虚拟机器人的发展现状81.3 相关理论及关键技术91.3.1 情感计算、感性工学及人工心理91.3.2 关键技术及主要内容1 3参考文献1 6第 2章机器头及身躯设计1 82.1 情感机器人的头部设计1 82.1.1 总体方案1 92.1.2 人体头部运动与面部肌肉分析1 92.2 表情头的实现2 22.2.1 标准件的选取2 22.2.2 结构设计2 32.2.3 动作设计2 42.2.4 面皮及面部支撑壳的制作2 62.2.5 其他附件2 82.2.6 运动学仿真2 82.3
8、 身躯设计3 52.3.1 主要研究问题3 52.3.2 腰臂机构的设计3 82.4 手臂设计4 02.4.1 碰撞分析的简化4 02.4.2 双臂碰撞模型4 22.4.3 算法的流程图4 22.4.4 手臂避障仿真4 22.4.5 优点及发展趋势4 6参考文献4 7第 3章表情控制模式4 83.1 面部动作编码系统4 83.1.1 概述4 83.1.2 主要内容4 93.2 控制器的设计与制作5 13.2.1 总体结构5 13.2.2 下位机控制5 23.3 面部表情仿真5 53.4 面部表情调试5 8参考文献5 9第 4章电动机控制6 04.1 电动机的基本概念6 04.2 舵机的选择6
9、14.2.1 舵机的结构6 14.2.2 舵机的工作原理6 24.2.3 舵机的注意事项6 24.2.4 直流电动机的选择6 34.3 舵机驱动控制模块6 44.3.1 驱动电路模块6 54.3.2 舵机的控制6 54.4 舵机在情感机器人中的应用7 04.4.1 下位机控制7 04.4.2 上位机控制软件7 0参考文献7 2第 5章机器视觉7 35.1 机器视觉概述7 35.1.1 M a r r 的计算机视觉理论框架7 35.1.2 应用范围及前景7 45.2 机器视觉系统标定算法7 45.2.1 角点提取7 45.2.2 S U S A N算法原理7 45.2.3 改进的 S U S A
10、 N算法7 55.2.4 标定算法7 55.2.5 空间点的三维坐标7 65.3 摄像机标定技术7 75.3.1 摄像机成像模型7 75.3.2 标定摄像机参数8 05.3.3 实验结果8 15.4 双目追踪系统的标定8 35.4.1 双摄像机标定8 45.4.2 系统标定8 45.5 多摄像机系统标定8 75.5.1 标定摄像机内参数和镜像图像外参数8 85.5.2 计算真实摄像机位置8 8参考文献9 0第 6章人机交互与合作9 26.1 人机交互概述9 26.1.1 人机交互的概念9 26.1.2 人机交互的发展9 36.1.3 人机交互的研究内容9 36.2 人机交互技术9 46.2.1
11、 语音交互技术9 56.2.2 说话人识别9 76.2.3 视线交互技术1 0 46.3 人机交互系统的设计与评估1 0 86.3.1 人机交互系统的设计1 0 86.3.2 人机交互系统的评估1 0 9参考文献1 0 9第 7章软件集成1 1 17.1 情感机器人体系结构规划设计1 1 27.1.1 国内外研究现状1 1 27.1.2 基于人工心理认知/行为的分层式交互机器人体系结构1 1 47.2 情感机器人软件平台设计1 1 67.2.1 结构设计1 1 67.2.2 模块设计划分1 1 77.2.3 人机交互界面设计1 1 87.3 各功能模块的设计1 2 07.3.1 语音识别模块设
12、计1 2 07.3.2 语音合成模块设计1 2 17.3.3 人脸识别模块设计1 2 27.3.4 动作行为模块设计1 2 57.3.5 网络功能模块设计1 2 87.4 软件平台的实现1 2 97.4.1 总体架构与模块化编程1 2 97.4.2 各个功能模块的具体实现1 3 07.4.3 故障检测1 3 5参考文献1 3 7第 8章数据库技术1 3 88.1 数据库基础知识1 3 88.2 健康数据库的设计1 4 28.2.1 系统目标设计1 4 38.2.2 应用系统规划及功能结构1 4 38.2.3 系统的业务流程1 4 38.2.4 系统界面设计1 4 38.2.5 系统功能结构1
13、4 58.2.6 数据库设计1 4 58.3 系统的主要功能模块设计与实现1 4 78.3.1 系统登录设计与实现1 4 88.3.2 管理相关设计与实现1 4 88.3.3 统计分析模块的设计与实现1 4 98.3.4 系统维护及帮助的设计与实现1 5 08.3.5 开发过程中应用的关键技术1 5 28.4 测试1 5 3参考文献1 5 4第 9章知识库技术1 5 59.1 知识库1 5 59.1.1 知识库的概念1 5 59.1.2 知识的概念1 5 69.1.3 知识的分类1 5 69.1.4 知识的存在与获取1 5 79.1.5 知识的表示方法1 5 89.2 虚拟管家知识库实例1 5
14、 99.2.1 研究意义1 5 99.2.2 功能的实现1 6 09.2.3 功能的实例1 6 1参考文献1 6 4第 1 0章情感模型和机器学习1 6 61 0.1 情感模型的国内外研究现状分析1 6 61 0.1.1 认知心理学1 6 81 0.1.2 情绪的有限状态集与维度空间1 7 01 0.1.3 认知情感计算1 7 21 0.2 经典的情感计算模型1 7 51 0.2.1 基于欧式空间的人工情感模型1 7 51 0.2.2 基于概率空间的 H M M情感建模1 7 61 0.2.3 情感计算模型的优势与劣势1 8 11 0.3 情感建模的新研究1 8 21 0.3.1 普适性1 8
15、 21 0.3.2 个体情绪差异性1 8 81 0.3.3 实用性1 9 31 0.4 基于机器学习的情感模型2 0 2参考文献2 0 7第 1 1章情感机器人实例2 1 01 1.1 智能家居系统2 1 01 1.1.1 智能家居的设计背景2 1 01 1.1.2 智能家居的整体设计2 1 11 1.1.3 智能家居的工作过程2 1 11 1.2 虚拟管家系统2 1 61 1.2.1 虚拟管家系统的开发背景2 1 61 1.2.2 虚拟管家系统的整体设计2 1 61 1.2.3 虚拟管家系统功能模块说明2 1 81 1.3 服务机器人2 2 01 1.3.1 服务机器人的开发背景2 2 01
16、 1.3.2 服务机器人的整体设计2 2 01 1.3.3 服务机器人的功能模块说明2 2 2书书书第 1章绪论人工情感(A r t i f i c i a l E m o t i o n,A E)是指以人类学、心理学、脑科学、认知科学、信息科学、人工智能(A r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e,A I)等学科为理论基础,利用信息科学的手段对人类情感过程进行模拟、识别和理解,使机器能够产生类人情感,并与人类进行自然和谐的人机交互的研究领域。因此,我们可以将具有人工情感的机器人称为情感机器人。作为机器人研究领域的新兴热点,情感机器人(E m o t
17、 i o n a l R o b o t)既是人工情感的重要研究和应用对象,也是研究开发人工情感的高效实验和演示平台。研究情感机器人的价值功能具体体现在界面友好性、智能效率性、行为灵活性、决策自主性、思维创造性和人际交往性等方面。同时,情感机器人的研究也具有较大的社会影响。如在经济结构的调整方面,当情感机器人能够参与社会事务和人际交往以后,就会在越来越多的社会管理领域、生产领域和生活服务领域取代人类,成为一支日趋庞大的“劳动主力军”,从而机器人的机体制造厂、软件开发公司、程序调整中心、医院、美容店、餐馆、俱乐部、学校、托儿所、职介所等将会迅速发展起来,社会生产结构和经济结构将会出现重大调整。此
18、外,情感机器人的发展对伦理观念的变迁、生活方式的变更和人机一体化的发展都有着重大影响。目前,有关情感机器人的研究已成为机器人研究的重点方向之一,在国内外众多学术网站以及图书中均能查到相关参考资料,有兴趣的读者可以从以下提示或链接中找到更多的信息与资料。国外相关系列图书:美国麻省理工学院(M I T)M i n s k y 的专著 T h eS o c i e t yo f M i n d(意识社会);美国 M I T媒体实验室 R.P i c a r d 的专著 A f f e c t i v eC o m p u t i n g(情感计算);T o mM.M i t c h e l l 编著
19、的 M a c h i n eL e a r n i n g(机器学习);由 A.O r t o n y、G.C l o r e、A.C o l l i n s 编著的 情感的认知结构;P a u l E k m a n 的 T e l l i n gL i e s ;苏联教育部批准的心理学教科书 普通心理学,由彼得罗夫斯基编著。国内相关系列图书:北京科技大学王志良教授编写的包括 人工心理 人工情感和 人脸工程学等在内的“人工心理与数字人技术丛书”;史忠植研究员编写的 人工智能;心理学家曹日昌编写的 普通心理学等。相关的网站或网页:M I T媒体实验室网站:h t t p:/w w w.m e
20、 d i a.m i t.e d u/;有关 K i s m e t 的相关资料可以在 M I T的该项目网站上查到:h t t p:/w w w.a i.m i t.e d u/p r o j e c t s/h u m a n o i d-r o b o t i c s-g r o u p/k i s m e t/k i s m e t.h t m l;史忠植研究员的个人网址:h t t p:/w w w.i n t s c i.a c.c n/s h i z z/;T o mM.M i t c h e l l 的个人网址:h t t p:/w w w.c s.c m u.e d u/t
21、o m/;提出 F A C S理论的 P a u l E k m a n的个人网址:h t t p:/w w w.p a u l e k m a n.c o m/,以及 面部动作编码系统使用手册的网址:h t t p:/w w w.f a c e-a n d-e m o t i o n.c o m/d a t a f a c e/f a c s/d e s c r i p t i o n.j s p 等。1.1 机器人的起源与发展史1.1.1 机器人的起源机器人的历史可以追溯到我国的西周时期,一名叫做偃师的能工巧匠制造了一个能歌善舞的偶人,这是有据可查的第一个“机器人”。在汉朝,张衡造出了记里
22、鼓车。三国时期的诸葛亮发明了木牛流马,用来运送粮草。在国外,公元前 2世纪亚历山大时期,古希腊人制造出了“自动机”以空气、水、蒸汽压力为动力的会动的雕像。这些都可以看成是广义上的机器人。1 9 2 0年,一名捷克剧作家发表了一部名叫 罗萨姆的万能机器人的剧本,剧本中叙述了一个叫罗萨姆的公司把机器人作为人类生产的工业品推向市场,让它充当劳动力代替人类劳动的故事,引起了人们的广泛关注。后来,这个故事就被当成为机器人在科幻和文学作品中的起源。但真正机器人的出现,则是在 1 9 5 9年,当时美国人英格伯格和德沃尔制造出了世界上第一台工业机器人,标志着机器人的正式诞生。英格伯格和德沃尔供职于同一家汽车
23、公司,他们认为,汽车工业最适合于机器人干活,这样不仅可以替代工人简单重复的劳动,更重要的是,它们不需要吃饭,不知疲倦,不需要报酬,而且始终任劳任怨。于是,他们分工进行研制,由英格伯格负责设计机器人的“手”“脚”“身体”,德沃尔设计“头脑”“神经系统”“肌肉系统”。这台机器人研制出来后,只有手臂功能与人相似,外形像坦克的炮塔,基座上有一个大机械臂,大臂上又伸出一个可以伸缩转动的小机械臂,能够代替人类做一些如抓放零件的简单工作。它的诞生,开创了机器人研究的新纪元。此后,英格伯格和德沃尔创办了世界上第一家机器人制造工厂,并生产出一批名叫“尤尼梅特(U N I M A T E)”的工业机器人,从而把科
24、幻剧本中的罗萨姆万能机器人公司从虚幻变成现实,他们也因此获得“世界工业机器人之父”的殊荣。1 9 8 4年,当英格伯格离开从事了 2 0多年研究的机器人公司时,他说,如有可能,他还要改造他的“尤尼梅特”机器人,使它们能够擦地板、做饭、走到门外去洗刷汽车和进行安全检查等。5 0多年过去了,现在全世界已装备了数百万台工业机器人,它们在许多领域得到了广泛的应用,为人类的生产和生活带来了极大的方便。机器人专家美国麻省理工学院教授约翰菲尼克斯预言:“2 1世纪人类将真正进入机器人时代,人类创造的每一份财富都将包含着机器人的功劳!”1.1.2 机器人的发展史直到 1 9 5 9年美国的英格伯格和德沃尔制造
25、出世界上第一台工业机器人,现代机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论,这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的2理论。德沃尔曾于 1 9 4 6年发明了一种系统,可以“重演”所记录的机器的运动。1 9 5 4年,德沃尔又获得可编程机械手专利,这种机械手臂按程序进行工作,可以根据不同的工作需要编制不同的程序,具有良好的通用性和灵活性,英格伯格和德沃尔都在研究机器人,认为汽车工业最适于用机器人干活,因为是用重型机器进行工作,且生产过程较为固定。1 9 5 9年,英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。由英格伯格负责设计机器人的“手”“脚”“身体”,即机器人的机械部分和完成操
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