[发明专利]基于散射声功率的服务机器人圆柱形机身设计方法

说明书

本发明公开了一种基于散射声功率的服务机器人圆柱形机身设计方法，首先确定机器人发声系统的频率下限和预期的声功率级增益，然后建立机器人机身声辐射模型，计算不同机身半径时的辐射声功率，得到声功率级增益随机身半径和频率乘积的变化曲线，最后根据声功率变化曲线、低频截止频率和预期的声功率增益，确定机身半径的最小值。本发明可以快速确定机器人圆柱形外壳所需的截面直径，提高发声系统的辐射声功率，改善交互的听音体验。

技术领域

本发明涉及一种基于散射声功率的服务机器人圆柱形机身设计方法，属于机器人技术领域。

背景技术

随着技术的日益发展，人们对机器人尤其是服务型机器人的需求越来越大。人机交互时，要求服务机器人发出的声信号有足够的强度，才能保证服务对象能够自然清晰地接听。

现有的服务机器人大多采用单个扬声器，其发声系统的辐射声能量存在上限。为了改善其发声性能，最直接的方法是采用多个扬声器单元组成阵列。扬声器阵列的基本原理是在空间中按一定的拓扑结构布放多个扬声器单元，通过算法调节馈给各个扬声器单元声信号的幅度和相位，实现特定方向或特定位置的声信号的操控。目前扬声器阵列的缺陷是需要多个扬声器单元以及后续的信号处理，硬件成本高、需要配置相应的算法。此外，扬声器单元辐射性能的一致性也会影响发声性能。

出于美观需求，应用中往往将不同组件安装在机器人近似圆柱的机身中。机身的尺寸取决与加工成本、美观需求和内部组件的大小。利用机器人机身的声散射提高其发声系统声辐射性能的研究未见报道。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种基于散射声功率的服务机器人圆柱形机身设计方法，使用该方法可以快速确定机器人圆柱形外壳所需的截面直径，提高发声系统的辐射声功率，改善交互的听音体验。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于散射声功率的服务机器人圆柱形机身设计方法，包括以下步骤：

步骤1，确定机器人发声系统的频率下限和预期的声功率级增益；

步骤2，建立机器人机身声辐射模型，计算不同机身半径时的辐射声功率，得到声功率级增益随机身半径和频率乘积的变化曲线；

步骤2中建立的机器人机身辐射模型，简化为无限大圆柱上的点声源辐射模型，此时声功率级增益为：

其中

ρ_air为空气密度，Q为扬声器源强，k为波数，ω为角频率，a为机身半径，ε_n为常数，和分别是第1类和第2类Hankel函数的导数，n为Hankel函数的阶数，π为圆周率，t为积分变量，当n＝0，ε_n取1，当n≠0时，ε_n取2；

步骤3，根据声功率变化曲线、低频截止频率和预期的声功率增益，确定机身半径的最小值

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1.提高了机器人辐射系统的辐射声功率。

2.与常规的扬声器阵列方法相比，系统复杂度低，软硬件成本小。

3.仅需要对机器人形体进行改动，便于实施。

附图说明

图1服务机器人圆柱形机身示意图。

图2简化的点声源圆柱散射模型。

图3声功率级增益随频率和半径乘积的变化曲线。

具体实施方式