[发明专利]一种感知环境变化的微型压电式机器人及环境感知方法

权利要求书

1.一种感知环境变化的微型压电式机器人，其特征在于，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(2)、导电薄膜(3)、信号处理芯片(4)以及驱动控制芯片(5)；其中，所述微型压电行走机器人(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；

所述微型压电行走机器人(2)上部设有柔性足(13)，所述柔性足(13)连接驱动控制芯片(5)；

所述的微型压电行走机器人(2)包括压电陶瓷片(6)、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)。

2.根据权利要求1所述的一种感知环境变化的微型压电式机器人，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的一种感知环境变化的微型压电式机器人，其特征在于，所述柔性足(13)为矩形足或者倒三角足。

4.根据权利要求2所述的一种感知环境变化的微型压电式机器人，其特征在于，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流速大小V和方向α数据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。

5.根据权利要求4所述的一种感知环境变化的微型压电式机器人，其特征在于，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，所述微型压电行走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，实现微型压电行走机器人的直线运动和旋转运动。

6.根据权利要求1所述的一种感知环境变化的微型压电式机器人，其特征在于，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(12)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。

7.根据权利要求6所述的一种感知环境变化的微型压电式机器人，其特征在于：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。

8.根据权利要求1所述的一种微型压电式机器人的环境感知方法，其特征在于，方法通过设置所述微型压电式机器人于微管道(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漏点的位置和泄漏量；

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个感应电压值依次为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。