机器人舞蹈浅议

李 菁 彭 华 周昌乐

机器人舞蹈浅议

李 菁 彭 华 周昌乐

舞蹈，作为一种社会文化形态，同时也是一种以丰富的肢体语言所呈现的动觉艺术。在人类社会中，舞蹈贯穿于整个人类文明之中，在运动、社交、求偶、祭祀、礼仪等各个方面起着无可替代的作用。不同的地域、民族以及文化衍生出各种各样的舞蹈种类与形式，无一不体现着人类对其涉身环境的认识与探索。从本质上来看，舞蹈是一系列变化的人体动作姿态，它以这些动作姿态来表现人类的情感乃至整个精神世界，用动作姿态来展现它所要展现的一切。

而机器人，则是一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。一方面来说，机器人把人类从单调的、重复性的劳作中解放出来，大大提高了生产效率；另一方面，机器人替代人类在不适宜人类活动的环境之中工作，拓宽了人类的活动范围（如深海、外星球等）；更重要的是，机器人作为一种高度智能体已经融入人类社会，使其变成了一个人—机器人共存的混合社会，并在其中的各个领域（如远程医疗、军事国防、家庭娱乐等）发挥着不可估量的巨大作用。

作为上述两者的结合，机器人舞蹈有机地连接了属于自然科学的机器人学与属于社会科学的舞蹈学，成为了一个极具吸引力的交叉学科下的研究方向。尽管国内也开始重视机器人技术的研究与发展，但对于机器人舞蹈方面的研究仍缺乏关注且鲜有好的成果。

一、定义与现状

严格来说，机器人舞蹈是以机器人作为载体，以舞蹈作为蕴含内容的一种艺术表现形式。从审美角度来看，它是通过灵活的动作语言来表现舞蹈内容，以人工情感来展现舞蹈精髓，以机器造型来塑造舞蹈形象，并以动律节奏来呈现舞蹈韵律，最终所形成的一种特殊的艺术文化形态。下面分别从舞蹈机器人、机器人表演的舞蹈种类、机器人舞蹈研究的方向等方面进行阐述。

尽管“机器人”这个名词中使用了“人”，然而并不意味着机器人一定以人的形态存在，常见的机器人形态包括：双足类人机器人（Biped humanoid robot）、轮式类人机器人（Wheeled humanoid robot）、仿生机器人（Biorobotics）、车式机器人（Vehicle-like robot）、外骨骼机器人（Exoskeleton robot）等，它们都可以作为机器人舞蹈的载体而对其进行研究。其中，由于双足类人机器人（如NAO、ASIMO、HRP等）与人的相似性最高，使用它来研究人的舞蹈显然是最自然的一种方式；而轮式类人机器人（如Mr DancerR、PBDR）的上肢与人相似，其下肢则使用履带或轮子以简化其平衡控制，这有助于研究特定的一些舞蹈；仿生机器人（如Biomimetic honeybee robot）是模仿了某种特定生物的机器人，利用它可以便于研究该生物的舞蹈行为；车式机器人（如MIURO、E-puck等）则通过其在二维平面上的路径及其运动特征（如地面上的加速、减速、转弯等运动）来表现其舞蹈动作；外骨骼机器人是一种人可以穿戴的机器人，通过与人的动作融合来体现整个舞蹈行为。

如今，在人类社会中的许多舞种已经被作为机器人舞蹈的研究对象所涉及。以华尔兹为典型代表的交谊舞，已经能够通过人与舞伴机器人（如：Mr DancerR、PBDR）的协作很好地表演出来。借助触觉传感器，舞伴机器人可以智能地感知人的意图而选择合适的舞步与人相配合。以拉班运动分析（Laban Movement Analysis）为方法，通过使用Spider Crab机器人所构建的系统能够较好地完成其与人类舞者的现代舞表演。该系统通过视觉传感器感知绑定在人类舞者手腕上的标记，从而理解人的运动，并让Spider Crab以合适的模式响应着这些运动；而参与表演的人类舞者觉得该机器人更像是具有人类个性的一个真实舞伴。另外，肚皮舞作为一种东方舞蹈，如能让机器人来表演将令人着迷。韩国的Jimmy Or发现七鳃鳗的节奏性运动与肚皮舞非常类似，因此为类人机器人设计了一种灵活的脊柱运动机制来让机器人（WBD）表演肚皮舞。而英国的艺术家Giles Walker所设计的类人机器人（robot pole dancers）能够通过性感地摆动它的臀部来展现钢管舞的魅力。此外，在对人类舞者所表演的街舞进行观察后，日本的Kuniya Shinozaki等人从中提取了60个典型的街舞动作，并利用机器人动作生成软件，生成对应动作，然后通过随机连接若干个街舞动作让Tai-Chi机器人来表演街舞。

纵观机器人舞蹈的研究现状，主要的研究方向包括：预编程机器人舞蹈、合作式人-机器人舞蹈、模仿人类舞蹈动作、舞蹈与音乐同步以及舞蹈自主创作。预编程机器人舞蹈利用某种软件工具（如：Choreographe、Choreonoid等）将设计好的舞蹈动作预先编程进机器人硬件设备中，再在合适的时候让机器人舞蹈表演出来。由此可见，这种方式的智能水平不高，重复性的表演将导致人们兴趣的减弱乃至丧失。而后面四个研究方向均利用了智能化的方法对机器人舞蹈进行了研究。合作式人—机器人舞蹈，顾名思义，是机器人与人通过合作共同来完成的一种舞蹈表演。机器人通过一些传感器（如视觉、听觉、触觉等）来感知人的运动以及人的意图，并根据某种策略来执行特定的舞蹈动作以配合人类舞者。而人类舞者在观察到机器人的舞蹈动作后主观地进一步决定后一阶段的舞蹈动作。人-机器人间通过这种周而复始的双向信息交流构成了合作式的舞蹈，所有的这些感知、决策以及执行全是以实时的方式完成，因此具有较高的智能性。

人类的学习都是通过模仿开始的，对机器人也是如此。通过对人类舞者的舞蹈动作的观察，将其重现在机器人身上是一个令人着迷的事情。利用运动捕获系统（Motion Capture System）或深度传感器（Kinect等）可以有效地提取人类舞者舞蹈运动的轨迹及关节数据，再通过一些演示学习方法以及重定位技术，可以方便地将这些轨迹及关节数据转换至机器人硬件平台。这样，机器人就可以完成对人类舞者动作的模仿。

在人类社会中，舞蹈与音乐是相辅相成，互为补充，不可分割的。因此，只有让机器人舞蹈动作和谐地同步于音乐，整个机器人舞蹈才会令人满意。尽管音乐包含有很多特征，如：节拍、拍速、节奏、曲式、调式等，目前用在机器人舞蹈与音乐同步中的音乐特征仅有3个：节拍、拍速和节奏。通过设计音乐节拍追踪算法来预测音乐中下一节拍以及下一节拍间隔，再合理的把预定义的舞蹈动作进行安排，使其开始于音乐的下一节拍并在下一节拍间隔中结束，从而完成机器人舞蹈与音乐节拍和拍速的同步。另外，在对音乐节奏特征以及舞蹈动作节奏特征进行分析的基础上，可以按照音乐的顺序（看作音乐节奏的一个序列），挑出一个与音乐节奏特征最匹配的机器人舞蹈动作序列，从而完成机器人舞蹈与音乐节奏的同步。

对于舞蹈自主创作而言，它强调了机器人借助自身智能自主地创作出美的机器人舞蹈（编舞）。机器人舞蹈被看作为一个由舞蹈姿态或舞蹈动作所组成的序列，其舞蹈创作则需要根据某种策略来决定这个序列的构成。理想上来说，完美的机器人舞蹈需要同时具备三个条件：（1）保持人类舞蹈的特征；（2）具有创新性；（3）符合人类的审美。然而不幸的是，由于（1）与（2）是相互矛盾的，并且舞蹈审美具有主观性特征，导致上述三个条件很难同时满足。尽管如此，许多的智能化方法仍被用于机器人舞蹈自主创作中。虽然所创作的机器人舞蹈效果算不上完美，但仍然是较好的。

二、机器人舞蹈的研究意义

对于人类社会来说，机器人舞蹈具有重要的社会性作用：

（一）它是一种社会交互式行为

随着人类社会向人-机器人混合社会的演变，人和机器人之间的交互越来越多，机器人舞蹈仅仅是众多的社会交互式行为中的一种。从本质上来说，机器人舞蹈与其他的社会交互式行为并没有什么不同。机器人通过传感器感知人的活动与意图，人则根据机器人的行为作出反馈，两者共同构成了一个完整的人-机器人交互。

（二）它是机器人用肢体语言表达其情感和意图的一种方式

人类舞蹈作为一种肢体语言，通过舞蹈姿态与造型、舞蹈动作的变化与组合、舞蹈图式的刻画等方面来表现舞蹈创作者的情感与意图。尽管存在着载体上的差异，机器人舞蹈也是一种非言说的通信方式，也可以通过构建其舞姿、舞蹈动作及舞蹈图式来展现机器人自身的情感和意图，这也是机器情感与机器意识所关注的内容。

（三）它是一种治疗各种心理疾病的有效手段

在人类社会中，先天性疾病、不断增长的外在压力以及环境因素，给人们的心理产生了不同程度的影响，很容易出现各种各样的心理疾病，如：自闭症、发育障碍、注意力缺陷、认知障碍等。机器人舞蹈是一种已经被验证的、行之有效的治疗手段。以治疗自闭症的孩子为例，尽管他们拒绝其他人进入其内心世界，但当他们与机器人进行舞蹈交互时却表现出了较好的交互意愿，这对改善其病症是具有积极的意义。

（四）它作为一种娱乐方式丰富着人们日益增长的精神文化需要

机器人已不再像以前那样仅存在于科学幻想中，已经真真切切影响着我们的生活。在不久的将来，机器人也会像日用品一样进入人们的家庭之中。随着现代物质生活水平的进一步提高，人们对精神文化也提出了更高的要求。在娱乐方面，观赏机器人舞蹈甚至于与机器人一起舞蹈可以极大地丰富和满足人们精神文化的需要，这也是人-机器人混合社会中一种必然的趋势。

（五）它的存在有助于人类舞蹈文化的保护与传承

在人类璀璨的文化历史长河中，存在着许许多多瑰丽的舞蹈文化。然而，有一部分舞蹈文化却由于其传承人的逝去而灭绝。以机器人科学与技术为支撑，利用机器学习、计算智能等方法，可以有效发展机器人的学习和模仿能力，使得它们对舞蹈学习掌握的周期要比人类舞者更短。因此，机器人舞蹈的存在将更加有利于濒临灭绝的舞蹈文化继续生存，实现对人类舞蹈文化的保护与传承。

三、结论

自从舞蹈学与机器人学相结合的第一天起，机器人舞蹈就显现了强烈的生命力。本文从人文社会科学的角度对机器人舞蹈的研究背景、概念定义、研究现状以及研究意义进行了阐述。作为一个新兴的交叉学科研究方向，机器人舞蹈在自然科学研究中获得了越来越多的关注，尽管在目前社会科学研究中出现得极少，但由于其重要的社会性作用以及对舞蹈学的推动作用，相信在未来会逐渐得到重视。这也是本文的意图所在。

＊ 本文系国家重点基础研究发展计划（973）项目（2013CB329502），国家自然科学基金面上项目（61273338），国家社会科学基金重大项目（11＆ZD088）阶段性成果。

李 菁：吉首大学音乐舞蹈学院副教授

彭 华：厦门大学智能科学与技术系博士研究生，吉首大学信息科学与工程学院讲师周昌乐：厦门大学智能科学与技术系教授