多空中机器人情感表达关键问题研究

本文在基于拉班运动分析(Laban Movement Analysis, LMA)的情感表达轨迹链自动设计方法的基础上，针对多空中机器人的情感表达问题，在情感表达中融入了队形因素，提出了基于队形变化的情感表达策略。针对多空中机器人舞蹈的同步性问题，本文提出了基于音乐特征的同步方法。本文以跟踪节拍的摆动运动为例，将节拍信号作为摆动运动的参考信号，通过相位比较器和修正算法修正相位和振幅误差，进行空中机器人基于运动轨迹的情感表达实验和多空中机器人基于音乐节拍的同步实验，验证了方法的正确性。

近些年来，随着机器情感研究的不断深入和家用智能机器人的日益普及，非人形机器人的情感交互问题成为新的研究热点。旋翼空中机器人以其多自由度和强机动性的特点，逐渐受到研究者的青睐。针对空中机器人基于运动轨迹的情感表达问题，文献[1]提出了一种基于LMA 的情感表达轨迹链自动设计方法。通过建立轨迹链参数与情感表达的关系模型，设计轨迹链-情感标准集，并在此基础上提出了一种基于LMA 理论的机器人运动轨迹链情感表达模型。该方法为机器人完全自主地通过运动轨迹链表达情感奠定了基础。

然而，单一空中机器人的情感表达行为，受到机体本身自由度的限制，只能进行有限的动作，限制了行为的多样性，影响情感表达的效果。多空中机器人编队通过协同的动作和队形的变化来表现不同的情感，可以丰富情感表达的行为，使情感表达更为充分。

多机器人情感表达问题在地面机器人平台上已经进行了一些研究[2]。与地面机器人编队相比，由于空中机器人的动力学特性，其协同控制问题更为复杂。针对这一问题，宾夕法尼亚大学GRASP 实验室的V. Kumar 等人提出了一种对四旋翼无人机机队队形进行控制的方法， 该方法中机器人在根据指令变换队形时跟随一个指定的群体轨迹[3]-[5]。瑞士苏黎世联邦理工大学的D’Andrea 等人开发了一个用两架四旋翼无人机进行有节奏飞行的平台。结果证明当将摆动运动与音乐节拍准确定时时，声音与运动同步是可行的[6]。但目前的研究只停留在飞行器根据音乐节拍和强度进行编排和同步，并不能有效地表达音乐中所蕴含的情感。

在这些研究的基础上，针对多空中机器人情感表达问题，在单机器人情感表达行为设计方法中加入了队形变化的因素，并采用了基于音乐节拍的多空中机器人同步方法，为多空中机器人具有情感表达功能的协同舞蹈表演提供了基础。

2. 多空中机器人情感表达行为设计 文献[1]中基于PAD 情感空间，研究了四种基本情感在PAD 空间中的极性以及运动轨迹的效果因子的极性，如表1 所示。

对多空中机器人编队，影响情感表达的因素除效果因子外，还包括编队队形的变化。以一个由四架空中机器人组成的编队为例，典型的队形变化如图1 所示。