人体发声系统仿生系统设计

罗开怀 姜惠文 陈治安 陆施恩 陈宇航

摘要：人体的发声系主要统涉及声带、气管、舌头三部分。本文采用机械结构仿生的方式，分别对这三个部分进行了结构仿生，并初步搭建了一套人体仿生发声系统，验证了该系统的可行性。

关键词：人体发声系统;仿生声带;仿生舌头;仿生上下颚

0 前言

人主要通过喉头中间的声带振动发声，声带是两片呈水平状左右并列的、对称又富有弹性的白色韧带，吸气时两声带分离，声门开启，吸入空气，发声时，两声带靠拢闭合振动发声。口腔是主要的共鸣器，舌头是口腔中最灵活的器官，舌头通过形成不同形状在口腔形成不同的空气，从而发出各种声音。决定模拟的发声结构主要包括声带、口腔及舌头，口腔使用3D打印完成，且要达到自由开合的目的;声带部分的重点在于两片韧带的振动和开闭，同时气密性也十分关键;舌头需要尽可能的灵活，实现弯曲伸直等动作，其中声带与舌头需要韧性好、与模具材料不相容的材料，便于铸造和起模。与老师和组员讨论后，这个方案的可行性得到了肯定，鉴于声带与舌头是主要的发声部位，且实验较有难度，我们采取分工合作的方式分为声带和舌头两个小组。

1 研究内容

1.1仿生舌头的制备

舌头部分无疑是整个发生系统的关键所在。日本香川大学教授Hideyuki Sawada[1]发明的这款机器人非常独特，它长着突出的橡胶嘴唇。在演示过程中，这款机器人唱了日本童谣《可果美》，但音质有点儿不尽人意，听起来更像是损坏割草机发出的声音。我们仔细分析了日本科学家研制的这款仿生发声系统，发现这款发声系统，仅仅模拟了人类的喉管和鼻腔，而发声也是靠喉管下部的几组伺服电机带动的推杆来控制，并不是靠口腔、舌头和声带，而是通过不同组推杆的上下运动，进而改变喉管的形状，发出不同的声音，本质上仍然是属于机械控制。起初，我们也准备用这种机械结构，但是在进行可靠性分析之后，发现这种结构以及控制方式存在弊端——喉咙的变形，无法做到完全连续，而且从一个动作到另一个动作的过渡也显得不连贯。而且对于研究的初衷而言，这种发声的方式背离了模拟人体发声系统这一课题。

之后，为了解决以上问题，我们决定放弃日本科学家的这种方法，完全模拟人的发声结构，采用硅橡胶来制作舌头部分。之所以用硅橡胶做舌头，在于硅橡胶这种材料与人类的肌肉组织最为接近，并且以硅橡胶培养人体组织，在医学上也有先例可循。但是具體采用何种类型的硅橡胶以及如何实现对舌头动作的控制仍然是一个问题。要实现舌头的连续变形，因为硅橡胶属于软体材料，因而就不可能使用传统的机械控制。对此，哈尔滨工业大学于2020年3月研制成功的几款仿生机器人，其中有一款“象鼻机器人”[2]的结构特点对本文起到了一定的启发作用。此款机器人采用了柔性气动波纹管结构和相应的阀和控制技术，能毫不费力地模仿这两种原型的动作。气动轻型机器人具有十二个自由度。波纹管由坚固的弹性体构成。每个均由独特的3D纺织面料包裹[3]，与章鱼触须的肌纤维类似，得益于这一创新纤维技术，波纹管结构能够向所需运动方向进行伸展，同时在另一个方向上受限，首次能最大限度释放可用力。

舌头主体由 Ecoflex-0030的硅橡胶制作而成，其中充满了一个个独立的小气室[4]，向其中的气室充放气，就能使仿生舌头产生不同的弯曲、卷曲和伸长变形。而这几类变形恰好与人体舌头工作时的几种变形动作相类似。

仿生舌头的制备，一开始考虑舌头所用的结构是一个舌头整体中间有一些空腔留着充气，但是这就对舌头的制备方法有很高的要求，一般的方法是做不出中空的部件。因此，打算将舌头分成上下两个部分，独立铸造，等分别铸造好了之后再用胶将两部分粘到一起，但是当我们粘好之后发现这样的结构不结实，当我们向舌头里面泵气的时候，用胶粘的部分自动裂开，这与我们原来的想法不一样，于是我们又用同材料的硅胶将两个部分粘到一起，但是又发现这样制作的话对手工要求就很高，舌头各组分容易厚薄不均，导致舌头在泵气的时候就会出现各个部分膨胀程度不一样的情况，这会对后期的发声有很大的影响，所以我们又对铸造的方法进行了改进，先将上半部分铸造完成之后，在进行下半部分的铸造的时候我们直接将铸造好的上半部分放到下半部分的铸型之中这样可以将上下部分铸造成一体的，并且各个部分比较均匀。

1.2仿生上下颚的制备

仿生上下颚部件主要功能是实现对仿生舌头的承载，以及模仿人类说话时上下颚的开合活动，最大程度地还原人类在说话时表现出来的生理特征。而对于仿生上下颚的设计要求是：

（1）能实现仿生舌头在其闭合空腔内自由舒卷;（2）开合角度大于60度;（3）可由人自由操控其开合。制作材料有：耐用性尼龙材料、碳棒、15kg伺服舵机、MC6C 6通道2.4g遥控器、6通道信号接收机、7.4V航模用锂电池、4路工控板。

1.2.1设计过程：

对于上下颚的外形，我们进行了一再的简化，极简的壳体保证其在闭合状态下不会发生漏气现象;后部我们设计成通槽结构，方便后期实验时，输气管能通过并完成输气。自左向右打一个通孔，插入碳棒作为连接轴，连接舵机后实现上下颚的开合，并通过遥控器和信号接收机来完成对其控制。

在上下颚成后，为实现上下颚开合的稳定和顺畅，我们在装置一侧加装了两根杆件，构成了一个四连杆结构，将杆件与舵机相连，利用舵机转动带动四连杆机构运动间接实现对上下颚的控制。

在正式组建装置时，根据设计时的理念，用碳棒和两根杆件连接起了上下颚部件，杆件与舵机相连，构成了稳定的四连杆结构。舵机、信号接收机和供电的航空锂电池固定于上腭外表面。开启遥控器，利用对码器完成信号连接，随后将舵机调整至中位。

1.2.2 实验过程及结果

装置组装完成后，我们很快对其各方面性能进行了测试。在空载状态下，该装置可实现人工控制，并在一秒中内完成了4次开合。最大开合角度达到70度。而在负载（内腔装填仿生舌头）状态下，该装置可实现每秒一次开合，最大开合角度不变。杆件寿命约为3000次，电池可供装置连续工作90分钟。后续我们通过编写程序段，利用单片机传输信号，实现了该装置的自动开合。

1.3 声带部分的制备

1.3.1声带发声原理

声带是人发声的振源，体内气流冲击声带，带动声带振动，从而发出声音。发声过程是气流冲击闭合的声门，声门打开，产生振动，发出声音。正常情况下，声带是光滑且闭合完全的，这时气流冲击声门的气流，就是均匀集中的，声门各个部位振动频率和幅度大致平均，声音清脆明亮。如果声门局部闭合不好，就会导致声音嘶哑，有杂音感。

1.3.2声带装置

人类的声音是人的发音器官活动的结果。仿人体发声装置中，采用了仿生肺部、气管、声带、口腔、舌头来初步模仿人的发声。

肺部呼出的气流是发声的动力。在这里我们采用了变量型气泵（输出气流量稳定）装置来充当“肺”这一动力源。气管输送气流的通道，由肺部呼出的气流通过气管、支气管到达喉头，作用于声带，声带组织，才能发出不同的声音。这里我们采用了塑料软管来模拟人体的气管。

声带是发生器官的主要组成部分。位于喉腔中部，由声带肌、声带韧带和粘膜三部分组成，左右对称。声带的固有膜是致密结缔组织，在皱襞的边缘有强韧的弹性纤维和横纹肌，弹性大。两声带间的矢状裂隙为声门裂。

仿人体发声装置采用了材料填充模具，上下分模铸造。声带整体呈椭球形，高110mm，长64mm，宽25.5mm。在模具中间，采用了1—3mm不等厚度的膜，从而充当声带固有膜。膜上，根据不同情况添加不同厚度的锡箔纸，从而增加膜的震动频率。声带膜把椭球形的声带分为两个腔室。我们称之为入气腔与出气腔。两个膜见留缝隙1-3mm，预留气体通过。

1.3.3发声模拟

打开变量气泵，通过变量气泵输入稳定的气流量，根据需求调节输入气体流量。气体在塑料软管的中与气管发生轻微弱震动，并且将气流通向 “声带”。

气流来到橢球形的声带的入气腔，由于入气腔的体积较气管口径大，气体会再此大量聚集，气体压强升高。此时出气腔的压强较低，入气腔气体在气压的作用下进入出气腔。在两腔室之间“类声带固有膜”会阻碍气体的流动。气体在膜见缝的作用下，会形成压力差，此压力差较大，气体流速较快，使“类声带固有膜”和空气震动，且在椭球形的密闭空间内，形成气鸣现象。引起声带发声。

2 存在问题及解决方案

2.1 存在的问题

（1）杆件寿命过短;（2）连续开合过程中存在动作不连贯现象;（3）装置内腔过于平整，与人体结构仍有差距;（4）控制方法响应灵敏度不够。

2.2改进方案

（1）选用疲劳强度更高的3D打印材料;（2）调整杆件尺寸，优化连杆结构，改用球头连接减小阻力使其运动更加顺畅;（3）仿照口腔倒模，利用Ecoflex-0030等仿生材料制作口腔软组织粘贴固定在装置内壁;（4）将遥控器控制改为电脑终端控制。

3 总结

对于人体仿生发声的研究在国内鲜有见闻，本文的研究是从仿生工程学的角度出发进行仿生设计与实验。实验表明，通过使用和人体组织相近的仿生材料可以实现对人体发声很大程度的还原，也证明了在不借助电子播放器的情况下可以实现对人类说话的模仿。希望人体仿生发声技术在未来的机器人领域和医学领域发挥出其重要的作用。

参考文献

[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]尹顺禹，许艺，岑诺，金飘飘，李铁风.软体智能机器人的系统设计与力学建模[J].力学进展，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.

罗开怀，男，生于2001年6月，汉族，四川广安人，扬州大学，车辆工程方向