關(guān)于仿生嗅覺系統(tǒng)一種新式機(jī)器人的設(shè)計(jì)

引言

目前對(duì)于機(jī)器人嗅覺問題的研究工作中，主要采用了三種方法來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人嗅覺功能：一是在機(jī)器人上安裝單個(gè)或多個(gè)氣體傳感器，再配置相應(yīng)處理電路來實(shí)現(xiàn)嗅覺功能。研究者大都采用這種方法，如Ishida H 的氣體/氣味煙羽跟蹤機(jī)器人；二是研究者自行研制簡(jiǎn)易的嗅覺裝置，例如Lilienthal A等研制的用于移動(dòng)檢查機(jī)器人的立體電子鼻，Kuwana使用活的蠶蛾觸角配上電極構(gòu)造了兩種能感知信息素的機(jī)器人嗅覺傳感器；三是采用商業(yè)的電子鼻產(chǎn)品，如A Loutfi用機(jī)器人進(jìn)行的氣味識(shí)別研究。這些現(xiàn)有技術(shù)中，氣體傳感器的性能易受安裝位置的影響，而氣體傳感器的安裝位置恰恰與所采用機(jī)器人的特定結(jié)構(gòu)相關(guān)，不宜變化，并且現(xiàn)有的嗅覺系統(tǒng)功能單一，穩(wěn)定性差，不具有通用性。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)器人仿生嗅覺系統(tǒng)，該嗅覺系統(tǒng)集成度高，功能多，并具有簡(jiǎn)便的機(jī)械接口和通訊接口，可加載到各種類型的機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)其嗅覺功能。使用了4 個(gè)針對(duì)特定氣體檢測(cè)的電化學(xué)氣體傳感器和1 個(gè)檢測(cè)可揮發(fā)性氣體的光電離氣體傳感器，故可同時(shí)檢測(cè)5種有毒有害氣體。

1 系統(tǒng)概述

該嗅覺系統(tǒng)包括：腔體及封裝在其內(nèi)的仿生鼻腔、吸氣系統(tǒng)和集成電路板。集成電路板分為信號(hào)采集板及主控板。信號(hào)采集板的信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)氣體信號(hào)、溫濕度信號(hào)的采集、濾波及放大，然后把調(diào)理好的信號(hào)傳送給主控板，氣體傳感器陣列通過插槽連接在該板上。主控板上集成了MCU 處理器單元、電源模塊、顯示模塊、吸氣泵控制模塊及通訊模塊。整個(gè)系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人仿生嗅覺系統(tǒng)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 仿生鼻腔及吸氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了結(jié)構(gòu)的緊湊性及加工方便，仿生鼻腔采用簡(jiǎn)易的仿人鼻腔結(jié)構(gòu)，如圖1 中所示。腔體內(nèi)部分成了兩部分，一半腔體是氣流經(jīng)過的“鼻腔”，一側(cè)留有進(jìn)氣口，如人的鼻前孔，與外界相通，是環(huán)境氣體進(jìn)入“鼻腔”的通道，另一側(cè)設(shè)計(jì)了“鼻腔”的出氣口，如人的鼻后孔，與吸氣系統(tǒng)的吸氣管相通，使吸入到“鼻腔”的氣體經(jīng)吸氣系統(tǒng)的排氣管排到外殼體外。吸氣系統(tǒng)如人肺一樣能把氣體吸入鼻腔內(nèi)，由微型吸氣泵、吸氣管及排氣管構(gòu)成，安裝在另一半腔體的適當(dāng)位置。與只依靠氣體擴(kuò)散作用使氣體與氣體傳感器接觸相比，吸氣系統(tǒng)能夠使兩者的接觸更快速、更充分。這樣，“鼻腔”的進(jìn)氣口可外接軟體或硬體導(dǎo)氣管，使工作環(huán)境中的氣體與氣體傳感器的接觸不受整個(gè)系統(tǒng)安裝位置的影響，所以可根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)，選擇合適的安裝位置。另外，可使用密封墊來增強(qiáng)“鼻腔”的氣密性，令氣流能夠在“鼻腔”內(nèi)快速而集中的流向氣體傳感器探頭上的入氣孔。整個(gè)腔體的外形為長(zhǎng)方體，外壁上留有電源接口、通訊接口及液晶顯示器接口。通過腔體蓋上的安裝孔，能夠方便的使用螺釘或螺栓把該嗅覺系統(tǒng)連接到機(jī)器人上。

2.2 氣體傳感器的選擇

機(jī)器人嗅覺研究中使用的嗅覺傳感器總體分兩類，即化學(xué)傳感器和生物傳感器。以往的機(jī)器人嗅覺研究中，研究者大都采用價(jià)格低廉，靈敏度高的金屬氧化物氣體傳感器，但此種傳感器存在對(duì)氣體選擇性差、恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，滿足不了機(jī)器人對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。電化學(xué)氣體傳感器只對(duì)特定的氣體響應(yīng)，對(duì)被測(cè)氣體具有良好的選擇性及線性輸出，因而在同時(shí)測(cè)量多種氣體時(shí)可省去模式識(shí)別算法，大大減少嗅覺系統(tǒng)的運(yùn)算量，提高了準(zhǔn)確率和檢測(cè)效率，滿足機(jī)器人對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。這種傳感器與特定氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流大小，可以檢測(cè)出被測(cè)氣體的濃度，精度可達(dá)1ppm，且響應(yīng)時(shí)間也很短。光電離氣體傳感器利用紫外光電離氣體分子，測(cè)量頭將此時(shí)測(cè)量到的紫外光輻射能轉(zhuǎn)化為氣體濃度，從而用于探測(cè)易揮發(fā)有機(jī)化合物（VOC）。這種氣體傳感器具有靈敏度高，響應(yīng)快，無(wú)中毒現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。故該嗅覺系統(tǒng)中選用了4 個(gè)英國(guó)城市技術(shù)公司生產(chǎn)的4 系列圓柱形電化學(xué)氣體傳感器，分別對(duì)CO、SO2 及H2S 三種有毒氣體和O2 種發(fā)生響應(yīng)。選用了美國(guó)baseline 公司生產(chǎn)的光電離氣體傳感器，可檢測(cè)多種易揮發(fā)有機(jī)化合物，各傳感器檢測(cè)范圍如表1 所示。通過更換檢測(cè)不同氣體的氣體傳感器，則輕易地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)氣體種類的變化，從而擴(kuò)展機(jī)器人嗅覺系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

為了減小嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸及考慮抗干擾等問題，把電路集成到了兩塊電路板上，即信號(hào)采集板及主控板。信號(hào)采集板進(jìn)行氣體信號(hào)及環(huán)境溫濕度的采集、濾波及放大等工作。主控板具有電源模塊、通訊模塊、吸氣泵控制模塊及MCU 處理器單元等功能模塊，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，傳輸、顯示等工作。整個(gè)電路的框圖如圖2 所示。

圖 2 硬件電路框圖

系統(tǒng)采用C8051F020 芯片作為微處理器， C8051F020 單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051 兼容的高速CIP-51 內(nèi)核，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其它功能部件［5］。氣體信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集板進(jìn)行濾波、放大，調(diào)整到0 到3.3V 范圍內(nèi)輸入給C8051F單片機(jī)的12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0，選擇單片機(jī)的AIN0.0-AIN0.3 和P3.0 口分別作為5 個(gè)氣體傳感器信號(hào)的模擬輸入通道，選用0P77 作為電壓放大器件。溫度測(cè)量模塊中采用DS18B20 溫度傳感器，輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)P3.7 口進(jìn)入單片機(jī)。濕度傳感器為Honeywell 公司的HIH-4000 型濕度傳感器，具有低功耗，高精度的特點(diǎn)。通訊模塊中使用MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人主控機(jī)的RS232 串口通信，把氣體濃度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸給機(jī)器人主控機(jī)。系統(tǒng)的供電電壓為12V，通過電源模塊，轉(zhuǎn)換成各器件所需的輸入電壓。另外，MCU 單元與GXM12864 LCD 顯示模塊相連，可以實(shí)時(shí)顯示所測(cè)數(shù)據(jù)，便于調(diào)試或作為便攜式氣體檢測(cè)裝置。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

仿生嗅覺系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)和機(jī)器人主控機(jī)上的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集處理、串口通訊、數(shù)據(jù)顯示等部分。系統(tǒng)初始化后，單片機(jī)通過配置AMX0SL 寄存器輪流選擇每個(gè)氣體傳感器信號(hào)進(jìn)入ADC0 轉(zhuǎn)換，得到氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)。然后單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的環(huán)境溫度及各個(gè)氣體傳感器受溫度影響的特性，對(duì)氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，得到準(zhǔn)確的氣體濃度數(shù)據(jù)。最后將這些數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸給機(jī)器人的主控機(jī)，也可同時(shí)輸出到液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示。另外在Visual C++6.0 環(huán)境下設(shè)計(jì)了運(yùn)行在機(jī)器人主控機(jī)上的軟件系統(tǒng)，采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的讀取及實(shí)時(shí)氣體濃度曲線的繪制。構(gòu)建了基于ADO 技術(shù)和ACCESS 的數(shù)據(jù)庫(kù)，可在需要時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過DataGrid 控件顯示歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能則便于離線后對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與管理。

4 試驗(yàn)

為了使系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)氣體的檢測(cè)更為準(zhǔn)確，分別針對(duì)所檢測(cè)5 種氣體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。所謂的標(biāo)定是指使用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)?？蛇x擇氣體傳感器測(cè)量范圍內(nèi)的零點(diǎn)和最大濃度點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定零點(diǎn)時(shí)均使用清潔的空氣。以標(biāo)定CO 氣體傳感器為例，說明標(biāo)定過程。整個(gè)標(biāo)定過程在一個(gè)透明的密閉氣室中進(jìn)行，氣室有操作口、進(jìn)氣通道和通向室外的通風(fēng)管，操作人員可通過操作口把手伸入到氣室內(nèi)進(jìn)行操作。先開啟系統(tǒng)20 分鐘，使傳感器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后對(duì)著嗅覺系統(tǒng)的進(jìn)氣口處吹入潔凈的空氣，持續(xù)3 分鐘，這時(shí)由于各種干擾的影響，系統(tǒng)顯示的氣體濃度并不為零，通過調(diào)節(jié)電路中的相關(guān)電位器使CO 氣體的濃度值為零，則零點(diǎn)標(biāo)定完畢。接下來用500ppm 的CO 標(biāo)氣標(biāo)定另一個(gè)濃度點(diǎn)。標(biāo)定完畢后，用100ppm 的CO 標(biāo)氣對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3 所示。使用同樣的方法，依次對(duì)其它4 種氣體的濃度點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定、測(cè)試。結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)所測(cè)氣體的誤差均在±5ppm 之間，能夠滿足實(shí)現(xiàn)機(jī)器人嗅覺功能的需要。

圖 3 系統(tǒng)對(duì)100ppm CO 氣體的響應(yīng)結(jié)果

結(jié)論

該機(jī)器人仿生嗅覺系統(tǒng)使用電化學(xué)和光電離氣體傳感器，能夠同時(shí)檢測(cè)5 種有毒氣體，且可根據(jù)需要方便的變換檢測(cè)不同氣體的氣體傳感器，從而擴(kuò)展了機(jī)器人嗅覺系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。具有簡(jiǎn)便的機(jī)械接口和通訊接口，可作為標(biāo)準(zhǔn)化組件組裝到各種機(jī)器人本體上（如移動(dòng)機(jī)器人、仿人形機(jī)器人及仿生機(jī)器人等），幫助其完成與有毒有害氣體相關(guān)的危險(xiǎn)性工作，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)奠定了一定基礎(chǔ)。對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的主控機(jī)而言，它只是接收檢測(cè)信息的最終結(jié)果，故節(jié)省了主控機(jī)的資源，有助于提高機(jī)器人的工作效率。也可作為便攜式嗅覺裝置獨(dú)立使用，可直接從液晶顯示屏上讀取檢測(cè)信息。在后續(xù)工作中，該系統(tǒng)的使用，將為課題組關(guān)于機(jī)器人搜尋危險(xiǎn)氣體泄漏源的研究工作帶來幫助。

本文創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)器人仿生嗅覺系統(tǒng)，具有類似人的鼻腔結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)檢測(cè)CO、SO2、H2S、O2 及一種可揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體。結(jié)構(gòu)緊湊，具有簡(jiǎn)便的機(jī)械接口和通訊接口，即可作為便攜式嗅覺裝置使用，又可作為機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化組件組裝到各種類型的機(jī)器人上，以幫助其完成與嗅覺有關(guān)的工作。

本文的研究成果機(jī)器人仿生嗅覺系統(tǒng)，可用于各種類型的機(jī)器人上，代替人類完成檢測(cè)有毒氣體泄漏、搜尋爆炸物、搜救遇難者等危險(xiǎn)工作，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，預(yù)計(jì)可帶來一百萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。