机器人技术日新月异,正在朝着人性化、情感化、表情化的方向发展,未来的智能机器人将能够与人类自然、和谐、友好的共存和交流。仿人头像机器人及人工情感的研究涉及机器人学以及人类心理学、行为科学、人像艺术等多门学科,其研究将进一步丰富和发展机器人学,因此本文的研究具有深远的科学意义。本文设计并研制了具有视觉、表情识别与再现功能的仿人头像机器人H&F ROBOT-II系统。该系统由仿人头像机器人H&F ROBOT-II本体、CCD图像采集设备、表情及面部器官控制系统、表情识别软件等部分组成。本文合理地设计了眼球、眼睑、下颚等面部器官的机构及驱动系统,该设计节省了空间;实现了面部器官动作的单片机控制。采用基于知识的方法,设计并编写了表情识别算法程序,实现了人脸检测、表情特征提取和表情分类;通过对5组不同人的基本表情的识别测试,识别率达到80%。以人类的基本表情为参照建立了表情分类器,实现了使用表情特征变量的组合来进行表情分类的功能,能够识别正常、开心、生气、悲伤、惊讶、厌恶6种基本表情。本文还探索性地研究了仿人头像机器人等强度再现人类表情的理论问题,提出了表情特征点偏移量及偏移系数的概念,解决了人类表情到机器人表情的等强度转换问题。利用研制出的仿人头像机器人H&F ROBOT-II系统进行面部器官动作及表情再现实验,结果表明该机器人系统能够识别并再现人类的自然、开心、生气、悲伤、惊讶、厌恶6种人类基本面部表情。本文的研究为进一步的仿人头像机器人高度集成化设计与研究奠定了理论与技术基础。