一种感知环境变化的微型压电式机器人及环境感知方法

技术领域

本发明涉及一种感知环境变化的微型压电式机器人及环境感知方法，属智能结构及系统领域。

背景技术

当今智能机器人三大核心技术模块：环境感知模块、运动控制模块、人机交互及识别模块。其中环境感知包括：空间气流传感，气压传感等，这类环境感知机器人将广泛应用于医疗监控，微管道安全检测，水下探测等领域。传统具有环境变化感知能力的机器人，利用装载在机器人上的摄像头，热阻流速传感器，超声波传感器作为其嗅觉传感系统来实现周围环境变化的动态检测。然而，上述智能机器人往往结构复杂、整体结构较大，即不易微型化并且传感精度低，所以限制了其应用范围。

发明内容

针对目前智能机器人体积过大、传感精度不足的缺点，本发明提供了一种感知环境变化的微型压电机器人，将压电材料的正压电效应和逆压电效应，通过建立信号处理和驱动的一体化控制方法，实现该机器人对环境中流速(矢量)、压强(矢量)的感知，同时驱动其快速定位和运动。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种感知环境变化的微型压电式机器人，所述机器人包括压电纤维阵列传感器1、微型压电行走机器人奔跑机器人2、导电薄膜3、信号处理芯片4以及驱动控制芯片5；

其中，所述微型压电奔跑机器人2上部设有压电纤维阵列传感器1、导电薄膜3、信号处理芯片4以及驱动控制芯片5，所述压电纤维阵列传感器1采集环境变化的电信号，其上设有导电薄膜3，通过所述导电薄膜3连接到信号处理芯片4上；

所述微型压电奔跑机器人2上部设有柔性足13，所述柔性足13连接驱动控制芯片5。

所述的微型压电奔跑机器人2包括压电陶瓷片6、运动柔性足13、基体14、连接微梁15；所述基体14为金属材料，其包括若干个，并排放置，每个基体14上连接有运动柔性足13，所述基体14通过连接微梁15连接成整体；所述连接微梁15连接有导电薄膜3，所述导电薄膜3分布在各基体14上，为基体14上的电子器件提供电连接；

所述基体14均设有信号处理芯片4、驱动控制芯片5以及压电陶瓷片6。

其中所述压电陶瓷片6采用pzt-8型，所述基体14有两个，为双梁对称结构，压电陶瓷片6与基体14采用航空胶胶合；

所述柔性足13材质为磷青铜，一共4只足，其结构为垂直于基体14的梁，或与基体14成一定角度，所述柔性足13与基体14采用航空胶胶合固化；

所述连接微梁15采用低密度高强度材料，其两端分别与基体14表面胶合。

所述柔性足13为矩形足或者倒三角足。

所述的信号处理芯片4包括电路放大模块、滤波降噪模块、数模转换ADC模块、算法控制模块、存储处理模块和能量收集模块；受环境中流速突变产生的压电感应电荷Q_m，即所述压电纤维阵列传感器(1)检测到的信号，经电路放大模块将电荷转化为电压信号并对该信号进行增益的放大处理，再通过滤波降噪模块对该电压信号进行工频干扰、基线漂移进行噪声预处理并采用低通滤波进行信号滤波；将滤波后电信号进过ADC模块将电路转换成数字信号后送入信号处理模块，得到时域信号U-t，并提取流速特征值，即感应电压冲击值U_0-p；进而通过算法控制模块实现反推环境中流速大小V和方向α；最终通过存储处理模块将V和α发送至驱动控制芯片并作为其控制特征参数；其中能量收集模块，其作用为收集压电纤维PVDF产生的电能为各模块进行供电。

所述驱动控制芯片5包括信号发波模块、功率放大模块和驱动参数模块；由信号处理芯片4获得的流速大小和方向作为发波参数，在发波模块中转化为两路正弦信号，经功率发达器分别将两路正弦信号施加于压电陶瓷片6；根据逆压电效应，所述微型压电奔跑机器人结构表面产生所需的振型，驱动四足运动。通过在驱动参数模块中分别调节频率f,电压幅值UA，实现微型压电奔跑机器人的直线运动和旋转运动。

所述压电纤维阵列传感器1包括柔性基座、微型阵列条状纤维传感单元、导电薄膜以及电极层；

所述柔性基座1为轴对称形状，其具有若干个侧面；在所述侧面上固定有微型阵列条状纤维传感单元，所述微型阵列条状纤维传感单元以悬臂梁结构一端固定于所述侧面上；

在所述微型阵列条状纤维传感单元与侧面连接处设有采用导电薄膜和电极层组成的输出单元。

所述微型阵列条状纤维传感单元包括条状纤维压电薄膜和条状金属纤维，所述条状纤维压电薄膜和条状金属纤维胶合在一起。

一种微型压电式机器人的环境感知方法，方法通过设置所述机器人7于微管道8内，根据所述微管道内泄漏点气流的大小和方向判断检测微管道泄露点的位置和泄露量；n片条状纤维传感单上的导电薄膜受气流变化作用将产生n各感应电压值依次为U₁，U₂，U₃，……，U_n；通过阵列几何位置和平均计算的方法，可反推气流大小V和方向α；计算方法如下：

其中，A_n为每片条状纤维传感单元的特征系数，其可通过上述拟合获得；V_n和α_n分别为气流大小与方向；为计算流速大小误差，单位为°；为计算流速方向误差，单位为m/s；m为平均计算的次数，其余阵列的个数有关，随阵列数目的增加，m值越大；另外至少需要2片压电纤维才可以同时计算气流的大小和方向。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明针对目前智能机器人体积过大、传感精度不足的缺点，本发明提供了一种感知环境变化的微型压电机器人。将压电材料的正压电效应和逆压电效应，即传感和作动相结合，通过建立信号处理和驱动的一体化控制方法，实现该机器人对环境中流速(矢量)、压强(矢量)的感知，同时驱动其快速定位和运动。一种新型的微型智能机器人在医疗监控，微管道安全检测，水下探测等领域由广泛的应用前景。相对于现有技术有如下特点：

1.采用的压电纤维作为传感元件，相比传统的热敏流速传感器，前者响应时间短，可达十几毫秒。而后者需数秒。

2.采用多片纤维可布置的阵列结构，纤维的排布为柔性阵列，即可为四边形、六边形、八变形等；边数越多，越能提高该传感器感知流速大小与方向的精度。该结构简单，易于微型化。

3.利用传感单元阵列几何关系，结合采用平均计算误差的方法，简单，快捷，有效。

4.只需对其中一块陶瓷加电或2块陶瓷加电，将驱动4足的同时振动，实现该微机器人的直线运动或旋转运动。相比传统的n足n陶瓷的驱动方式，本发明结构更加简单有效，保证了该类智能机器人微型化的条件。

5.运动柔性一共4只足，其结构可分别为垂直于基体的梁，或其与基体成一定角度；若需要更大的足步变形，可将矩形足改为倒三角足。

6.连接微梁两端分别与A,B梁表面胶合，微梁的作用可大幅度隔绝在A，B梁表面产生振动波对相互之间的干扰和振型的影响，同时微量表面的振动幅值将最小，即属于节点位置。这样有助于降低奔跑机器人表面振动对压电纤维传感器1的检测精度的影响。

7.其中能量收集，能够收集压电薄膜产生的电能为芯片及各模块进行供电，无需外部电源，该方式电能收集可循环利用并绿色环保。

附图说明

图1为本发明微型压电式机器人应用于微管道泄露安全监测示意图；

图2为本发明感知环境变化的微型压电机器人结构示意图；

图3为单个压电纤维阵列传感器结构示意图；

图4为8片压电纤维阵列传感器原理示意图；

图5为微型压电奔跑机器人结构示意图；

图6为微型压电奔跑机器人运动原理示意图；

图7为微型压电式机器人的传感-驱动一体化控制流程图；

图中标号解释：1-压电纤维阵列传感器，2-微型压电奔跑机器人，3-导电薄膜，4-信号处理芯片，5-驱动控制芯片，6-压电陶瓷片，7-感知环境变化的微型压电式机器人，8-微管道，9-微管道泄露点，10-微型阵列条状纤维传感单元，11-导电薄膜+电极层，12-柔性基座，13-运动柔性足，14-基体，15-连接微梁。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题和优点更加清楚，下面结合附图对本发明做更进一步的解释。本发明针对现有智能爬行机器人制作过程复杂、需要大型设备、成本较高、不易微型化、传感精度低的问题，提供了一种感知环境变化的微型压电机器人的设计方法。通过建立信号处理和驱动的一体化控制方法，实现该机器人对环境中流速(矢量)、压强(矢量)的感知，同时驱动其快速定位和运动。未来将在医疗监控，微管道安全检测，水下探测等领域由广泛的应用前景。

如图1所示，为一种感知环境变化的微型压电式机器人应用于微管道泄露安全监测示意图，本发明的机器人7可任意布置与微管道8内，根据泄漏点气流的大小和方向，其可判断检测微管道泄露点的位置和泄露量；多个该类机器人配合行动可精确判断泄漏点的位置，实时监测微管内的存在的安全隐患。

如图2所示，为一种感知环境变化的微型压电机器人结构示意图，其包括压电纤维阵列传感器1、微型压电奔跑机器人2、导电薄膜3、信号处理芯片4、驱动控制芯片5；整体外形尺度可低至毫米级。

如图3所示，为单个压电纤维阵列传感器结构示意图，该压电纤维阵列传感器1包括柔性基座12、微型阵列条状纤维传感单元10、导电薄膜+电极层11组成；整体结构尺寸可低至微米级。其中所述柔性基座采用轻质材料组成，比如：Acrylonitrile-butadine-styrene(ABS)塑料，可用3D打印制备；其整体结构为等边多边形，即可为四边形、六边形、八变形等。其中所述微型阵列条状纤维传感单元包括：由PVDF条状纤维与条状金属纤维复合而成。其外形均为微型悬臂梁结构并由2-氰基丙烯酸乙酯胶合；采用多片纤维可布置为阵列结构；纤维的排布为柔性阵列，即可为四边形、六边形、八变形等；边数越多，越能降低该传感器感知流速大小与方向的精度。条状纤维传感单元与柔性基体采用2-氰基丙烯酸乙酯胶合。

如图4所示，为8片压电纤维阵列传感器原理示意图，n片压电纤维受气流变化作用将产生n各感应电压值依次为(U₁，U₂，U₃，……，U_n)；通过阵列几何位置和平均计算的方法，可反推气流大小(V)和方向(α)；计算方法如下：

其中，A_n为每片条状纤维传感单元的特征系数，其可通过上述拟合获得；V_n和α_n分别为气流大小与方向；为计算流速大小误差，单位为(°)；为计算流速方向误差，单位为(m/s)；m为平均计算的次数，其余阵列的个数有关，随阵列数目的增加，m值越大；另外至少需要2片压电纤维才可以同时计算气流的大小和方向。

如图5所示，为微型压电奔跑机器人结构示意图，该结构包括压电陶瓷片6、运动柔性足13、基体14、连接微梁15。其中所述压电陶瓷片6采用pzt-8型。所述基体14材质可采用可导电金属材料(例如磷青铜等)或不可导电金属材料(例如铝等)；其结构为双梁对称结构(A梁与B梁)；压电陶瓷片6与基体14采用航空胶胶合，需固化10-20小时。所述运动柔性足13材质为磷青铜，一共4只足，其结构可分别为垂直于基体的梁，或其与基体成一定角度；若需要更大的足步变形，可将矩形足改为倒三角足；柔性足13与基体14采用航空胶胶合固化。所述连接微梁15采用低密度高强度材料(包括碳纤维)，其两端分别与A,B梁表面胶合；微梁的作用能大幅度隔绝在A，B梁表面产生振动波对相互之间的干扰和振型的影响，同时微量表面的振动幅值将最小，即属于节点位置。这样有助于降低奔跑机器人表面振动对压电纤维传感器1的检测精度的影响。

如图6所示，微型压电奔跑机器人运动原理示意图，图中的中心线表示该机器人基体(14)和足部(13)的形变。根据逆压电效应，受电信号激励后，激励的频率(f)和幅值(A)决定压电奔跑机器人表面的振型和幅值。由于四足结构的不对称行，产生基体重心的向前移动。通过模态分析实验和谐响应实验，可确定奔跑机器人产生直线运动的刺激频率(f)；同时幅值(A)与该机器人运动速度成线性关系。如果一侧陶瓷加电，另一侧不加电，将会是该机器人产生旋转运动。最终同时实现其直线和旋转运动。

如图7所示，为微型压电式机器人的传感-驱动一体化控制流程图。其硬件包括信号处理芯片4和驱动控制芯片5。前者包括电路放大模块、滤波降噪模块、ADC模块、算法控制模块、存储处理模块和能量收集模块。受环境中流速突变产生的压电感应电荷(Q_m)经电路放大模块将电荷转化为电压信号并对该信号进行增益的放大处理，再通过滤波降噪模块对该电压信号进行工频干扰、基线漂移进行噪声预处理并采用低通滤波进行信号滤波；将滤波后电信号进过数模转换(ADC)模块将电路转换成数字信号后送入信号处理模块，得到时域信号(U-t)，并提取流速特征值，即感应电压冲击值(U_0-p)；进而通过算法控制模块实现反推环境中流速大小(V)和方向(α)；最终通过存储处理模块将V和α发送至驱动控制芯片并作为其控制特征参数。其中能量收集模块，其作用为收集压电纤维(PVDF)产生的电能为各模块进行供电。后者包括信号发波模块、功率放大模块和驱动参数模块。由信号处理芯片获得的V和α作为发波参数，在发波模块中转化为两路正弦信号，经功率发达器分别将两路正弦信号施加于压电陶瓷。根据逆压电效应，奔跑机器人结构表面产生所需的振型，驱动四足运动。通过在驱动参数模块中分别调节频率(f),电压幅值(U_A)，实现奔跑机器人的直线运动和旋转运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。