随着智能服务机器人的不断发展,具有人机交互功能的机器人将是未来服务机器人重要的发展的方向之一。基于表情识别与再现的人机交互技术已成为研究的热点,表情交流在服务机器人人机交互方式中起着不可代替的作用。因此服务机器人具备面部表情功能,对实现智能化,情感化和人性化的人机交互有着重大意义。本文设计并研制了具有表情再现功能的机器人头部系统,该系统由仿人机器头部本体、图像采集设备、表情及面部器官控制系统等部分组成。通过头部控制系统,头部器官和表情控制点准确、迅速地运动到指定的位置,实现多种表情,表达机器人内在的情感状态,最终使机器人能通过丰富生动的表情与人进行自然流畅的情感交流。本文首先从人类的心理学与解剖学角度,详细地阐述了人类面部表情和头部器官的运动机理,并根据E-kman的面部动作编码系统(FACS)提出了机器人头部与面部表情机构的设计方法。在表情再现部分,本文根据表情特征及表情特征点偏移量等概念,抽取出实现表情的9个表情特征控制点,并基于情感空间分布理论,得到了实现机器人六种基本表情的方法。本文选择以舵机为驱动装置,以摆动导杆机构为传动机构,完成了具有13自由度的机器人头部机构设计,它包括眼睛、眉毛、眼睑、下颚四个运动模块。在Catia环境下进行三维建模,并完成样机的加工与装配。控制系统设计部分,以ATmega8L为主要控制芯片。硬件设计包括电源、串口通信和13路PWM控制电路。软件设计采用基于C语言编程的ICC AVR开发环境,利用单片机定时器、中断等功能,结合机器人表情再现的方法,完成13路PWM信号控制的程序设计,实现机器人的六种基本表情。实验部分通过机器人头部器官动作及6种基本表情再现实验,验证该系统头部器官动作的可靠性,并验证基于表情特征偏移量理论的表情再现方法的有效性与正确性。