分析人体头部运动与面部肌肉动作

我们设计的情感机器人需要以人类的头部运动作为参考对象，使人体头部的表层肌肉和颈部肌肉能够实现头部运动和面部表情生成。因此，了解人体头部以及面部肌肉的运动对研究情感机器人的面部表情具有十分重要的意义。

1.头部运动构成与分析

头部运动包括颈部自由转动、摆动以及面部的眼球、眼睑、嘴及肌肉的运动。

（1）颈部的运动

我们的颈部肌肉有18块，它们使我们能够弯曲颈部，向前倾斜头部，以及使头部从一边转向另一边。其中，斜方肌将头向后拉，胸锁乳突肌使头倾斜或转向一边。

（2）眼球的运动

成人的眼球近似球形，其前后径约24mm，垂直径约23mm，水平径约23.5mm。眼球位于眼眶的前半部。眼睛可以自如地转动是因为眼睛有六条肌肉控制着眼球的转动。内、外直肌负责眼球向内或向外转动；上、下直肌收缩时，眼球上转或下转，同时还使眼球内转；上斜肌主要使眼球内旋，同时还使眼球下转和外转；下斜肌主要使眼球外转，同时还使眼球上转和外转。这六条肌肉互相密切配合，使眼球协调一致地上下左右自由转动。

（3）眼睑的运动

眼睑是长在眼球前面的软组织，它就像两扇能自动开合的大门一样，对眼球起保护作用。眼睑分上下两部分，上眼睑较下眼睑大而宽。肌层，包括眼轮匝肌和提上睑肌，眼轮匝肌是由动眼神经支配，起开睑作用。

（4）下颚的运动

颞下颌关节由下颌关节凹、骨状突、关节盘和关节囊所组成，邻近并有韧带附着。颞下颌关节是具有传动和滑动的左右联动关节，主要有开闭、前伸和侧方运动三种基本形式。这些运动是通过咀嚼肌群、韧带、关节之间互相协调的动作而产生的。

图2-3 面部肌肉分布图

2.面部肌肉分析

面肌为扁薄的皮肌，位置浅表，大多起自颅骨的不同部位，止于面部皮肤，主要分布于面部孔裂周围，如眼裂、口裂和鼻孔周围，可分为环形肌和辐射肌两种，有闭合或开大上述孔裂的作用；同时，牵动面部皮肤，显示喜怒哀乐等各种表情。人类面肌较其他动物发达，这与人类大脑皮质的高度发展、思维和语言活动有关，人耳周围肌已明显退化。人体面部肌肉分布图如图2-3所示。

（1）颅顶肌

颅顶肌阔而薄，左右各有一块枕额肌，它由两个肌腹和中间的帽状腱膜构成。前方的肌腹位于额部皮下，称额腹；后方的肌腹位于枕部皮下，称枕腹。帽状腱膜很坚韧，连于两肌腹，并于头皮紧密结合，而与深部的骨膜则隔以疏松的结缔组织。枕腹起自枕骨，额腹止于眉部皮肤。枕腹可向后牵拉帽状腱膜，额腹收缩时可提眉，并使额部皮肤出现皱纹。(www.xing528.com)

（2）眼轮匝肌

眼轮匝肌位于眼裂周围，呈扁圆形。能使眼裂闭合。由于少量肌束附着于泪囊后面，当收缩闭眼时，可同时扩张泪囊，促使泪液经鼻泪管流向鼻腔。

（3）口周围肌

口周围肌位于口裂周围，包括辐射状肌和环形肌。辐射状肌分别位于口唇的上、下方，能上提上唇，降下唇或拉口角向上、向下或向外。在面颊深部有一对颊肌，此肌紧贴口腔侧壁，可使唇、颊紧贴牙齿，帮助咀嚼和吸吮；还可以外拉口角。环绕口裂的环形肌称为口轮匝肌，收缩时关闭口裂（闭嘴）。

（4）鼻肌

鼻肌不发达，为几块扁薄小肌，分布在鼻孔周围，有开大或缩小鼻孔的作用。

3.面部表情研究及实现方法

机器人要产生仿人的表情，一般有如下两个方向：

其一是采用机械结构并安装摄像机、传声器等传感器构成头部和眼、耳、口等器官。根据美国心理学家Ekman的面部动作编码系统（Facial Action Coding System，FACS）的44个运动单元（AU）中，有24个AU与人的表情有关。为实现面部表情，在机器人面部皮肤上设计与各AU点对应的表情控制点，面部表情驱动机构（一般采用电动机、气缸驱动，液压驱动）与表情控制点相连，通过表情控制点的组合和位移变化，实现不同的面部表情。

其二是采用仿人头骨、仿人器官、仿人肌肉、仿人皮肤等构成人头部，用人工肌肉来驱动产生表情，可以使头部外表和面部表情高度仿真，但目前来说，在仿人肌肉等方面的研究还不十分完善，实现起来比较困难。所以，目前大多采用前一种方法，如日本的原文雄教授研制的“AH I”机器人。

人脸是一个层次化的结构，它由头骨、肌肉层、覆盖的结缔组织和外部的皮层组成，人脸表情的产生是由于脸部肌肉的变形引起的。使人脸具有表情所涉及的主要肌肉有口轮匝肌、鼻肌、颧肌、眼轮匝肌等，唇部的状态主要由口轮匝肌完成；皱鼻子主要由于鼻肌收缩；颧肌收缩造成颧骨处脸颊的提高；眼睛及眼部周围的运动主要是由眼轮匝肌收缩导致的。

瑞典解剖学家约特舍在20世纪60年代首次发现并研究了人类表情的最小单元，在约特舍理论的基础上，美国心理学家Paul Ekman和Friesen较早地对脸部肌肉群的运动及其对表情的控制作用做了深入研究，开发了面部动作编码系统（Facial Action Coding System，FACS）来描述人类面部表情。他们根据人脸的解剖学特点，将其划分成既相互独立又相互联系的44个运动单元（AU），并分析了这些运动单元的运动特征及其所控制的主要区域及与之相关的表情。这44个活动单元指的是脸部肌肉的运动，其中某些基本运动的组合就构成特定的面部表情。例如，向上竖起眉毛是一个活动单元，抬起面颊是一个活动单元，抬起嘴角也是一个活动单元，抬起嘴角并抬起面颊就形成了微笑。关于面部动作编码系统的详细介绍见本书第3章。

通过对上述理论的研究和分析，得到的基本的面部表情的肌肉运动大致组合见表2-2。

表2-2 肌肉运动与表情的关系表