CN110717299A - 一种基于形体设计的机器人发声系统优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于形体设计的机器人发声系统优化方法，包括以下步骤：首先确定机器人形体的最大尺寸、内部所需空间大小，扬声器安装位置和目标位置；然后优化在机器人上待抠除区域的几何参数：以扬声器安装位置和目标位置为椭圆的两个焦点，扬声器和目标位置的连线为长轴所在直线，根据内部所需空间形状的条件下，从0开始逐渐增大椭圆的短轴尺寸，将椭圆绕长轴旋转一周形成椭圆，椭圆与机器人的重合区域为待抠除区域，以待抠除区域接近内部所需空间的最小值为优化目标，确定椭圆的长轴和短轴；最后在机器人形体加工时抠除待抠除区域。本发明能够提高目标区域的声压级，能够改善人机交互的听音体验。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于形体设计的机器人发声系统优化方法，属于定向发声技术领域。
背景技术
随着技术的日益发展，人们对机器人的需求越来越高。为了保证良好的人机交互体验，服务对象接收到的声信号要有较高的信噪比且有较好的私密性，即要求机器人发声系统在目标位置能够产生幅度足够大的声信号而在其它位置的声信号足够小。
实现定向发声的最直接方法是设计指向性扬声器单元。CN 201020240161.5公开了一种使用指向性扬声器单元和微处理器实现的定向发声的电视机，可以控制声音投射范围。CN 201710322851.1和CN 201720509798.1都公开了使用压电振动器作为换能器的透明定向屏幕发声系统。CN 201820894147.3公开了一种定向发声的扬声器壳体设计，设置发声口和导音软管使声音定向传播。相比于普通的闭箱扬声器，上述公开内容需要使用额外的信号处理系统或者定制专门的腔体结构，结构复杂。
另一种定向发声方法是根据听音目标的位置，调整扬声器的开口指向。CN201811270158.5和CN 201811271468.9分别使用球形麦克风阵列和多个光电检测器检测用户的空间位置，调整扬声器的开口指向，使其和用户位置的水平补偿角度和垂直补偿角度为零。CN 201821867265.1公开了一种多角度旋转的音箱，旋转粗调和精调开关，水平旋转定向音箱，通过调节装置，在垂直方向旋转定向音箱。CN201710881339.0使用行人检测系统、智能控制系统以及定向发声器，对可能发生碰撞的行人进行声音提醒。这类方法不仅需要额外的传感装置获取听音目标的位置，还需要调节扬声器开口指向的旋转装置，系统构成更加复杂。
使用多个声源构成阵列，同样可以实现定向发声。CN 201720452220.7公开了一种矩阵式定向音频系统，通过调节三块矩阵式定向发声面板的相对位置实现声音定向传播。这类方法的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。缺陷在于需要多个单元，此外定向性能取决于阵列的几何尺度，低频应用时阵列尺度较大。
此外，还可以利用超声在空气中传输的非线性效应，实现定向发声。CN201820264574.3公开了一种超声波定向发声的音响系统，包括外接音源设备、AD转换器、声波微处理器、功率放大器和超声波传感器。这类方法可以实现很好的定向发声效果，但需要超声换能器单元以及后续的信号处理，并配置专用的算法，低频音质损失较大。
除了上述定向发声方法外，在一些演出和展览场合，经常在建筑顶部安装反声罩或聚声罩结构汇聚声能，这类结构一般开口朝下，形状为锥形或半圆形。将该类方法用于优化机器人形体以增强目标位置处声压级的方法未见报道。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于形体设计的机器人发声系统优化方法，该方法可以增加目标位置声压级，改善人机交互的听音体验。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于形体设计的机器人发声系统优化方法，包括以下步骤：
步骤1，确定机器人形体的最大尺寸、内部所需空间大小，扬声器安装位置和目标位置；
步骤2，根据内部所需空间形状，优化在机器人上待抠除区域的几何参数：以扬声器安装位置和目标位置为椭圆的两个焦点，扬声器和目标位置的连线为长轴所在直线，根据内部所需空间形状的条件下，从0开始逐渐增大椭圆的短轴尺寸，将椭圆绕长轴旋转一周形成椭圆，椭圆与机器人的重合区域为待抠除区域，以待抠除区域接近内部所需空间的最小值为优化目标，确定椭圆的长轴和短轴；
步骤3，在机器人形体加工时抠除待抠除区域。
优选的：在抠除区域的位置处安装声透明的保护结构。
优选的：所述机器人形体为圆柱形结构或者长方体结构。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.提高目标区域的声压级。
2. 仅需要单个扬声器，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为优化在机器人上待抠除区域示意图
图2为机器人躯干抠除所设计待抠除区域后的有限元模型
图3为点所在位置的声压级分布。
其中，1为机器人躯干，2为扬声器，3为目标位置，4为长轴，5为短轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于形体设计的机器人发声系统优化方法，包括以下步骤：
步骤1，确定机器人形体的最大尺寸、内部所需空间大小，扬声器安装位置和目标位置；
步骤2，根据内部所需空间形状，优化在机器人上待抠除区域的几何参数：以扬声器安装位置和目标位置为椭圆的两个焦点，扬声器和目标位置的连线为长轴所在直线，根据内部所需空间形状的条件下，从0开始逐渐增大椭圆的短轴尺寸，将椭圆绕长轴旋转一周形成椭圆，椭圆与机器人的重合区域为待抠除区域，以待抠除区域接近内部所需空间的最小值为优化目标，确定椭圆的长轴和短轴；
步骤3，在机器人形体加工时抠除待抠除区域。
步骤4，根据美观和使用需求，在抠除区域的位置处安装声透明的保护结构。
仿真
以某型号服务机器人为例，介绍本发明。
1.确认机器人躯干近似为圆柱形结构，横截面直径约0.35 m，躯干顶部和底部需要安装光学传感器、传动装置等组件，因此扬声器的合适安装高度为0.65 m，扬声器的辐射声功率为1 W。目标位置高度为1.5 m，离圆柱形躯干轴线的水平距离为1 m。
2.如图1所示，画出该机器人的剖面图，以扬声器安装位置和目标位置为焦点，以扬声器和服务对象的连线为长轴所在直线，根据内部所需空间形状的条件下，从0开始逐渐增大短轴尺寸，将椭圆绕长轴旋转一周形成椭圆，椭圆与机器人的重合区域为待抠除区域，以待抠除区域接近内部所需空间的最小值为优化目标，最终确定长轴和短轴的长度为1.32m和0.59 m。
3.使用ANSYS建立机器人躯干抠除所设计待抠除区域后的有限元模型如图2所示，导入到边界元软件SYSNOISE中进行仿真。在竖直通过圆心和目标位置的平面内，以声源为圆心，以声源到目标位置的距离1.18 m为半径，角度间隔为2o设置180个观察点。
4.设置计算频率为1000 Hz，得到观察点所在位置的声压级分布如图3所示。可看出抠除设计的椭球体后，观察点处声压级分布的指向性发生了明显的变化。在目标位置处（约44o）抠除椭球后的声压级由114.4 dB增加至117.5 dB，提高了3.1 dB。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于形体设计的机器人发声系统优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定机器人形体的最大尺寸、内部所需空间大小，扬声器安装位置和目标位置；
步骤2，根据内部所需空间形状，优化在机器人上待抠除区域的几何参数：以扬声器安装位置和目标位置为椭圆的两个焦点，扬声器和目标位置的连线为长轴所在直线，根据内部所需空间形状的条件下，从0开始逐渐增大椭圆的短轴尺寸，将椭圆绕长轴旋转一周形成椭圆，椭圆与机器人的重合区域为待抠除区域，以待抠除区域接近内部所需空间的最小值为优化目标，确定椭圆的长轴和短轴；
步骤3，在机器人形体加工时抠除待抠除区域。
2.根据权利要求1所述基于形体设计的机器人发声系统优化方法，其特征在于：在抠除区域的位置处安装声透明的保护结构。
3.根据权利要求1所述基于形体设计的机器人发声系统优化方法，其特征在于：所述机器人形体为圆柱形结构或者长方体结构。
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