关于仿生嗅觉系统一种新式机器人的设计.doc
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1、关于仿生嗅觉系统一种新式机器人的设计引言目前对于机器人嗅觉问题的研究工作中,主要采用了三种方法来实现机器人嗅觉功能:一是在机器人上安装单个或多个气体传感器,再配置相应处理电路来实现嗅觉功能。研究者大都采用这种方法,如Ishida H 的气体/气味烟羽跟踪机器人;二是研究者自行研制简易的嗅觉装置,例如Lilienthal A等研制的用于移动检查机器人的立体电子鼻,Kuwana使用活的蚕蛾触角配上电极构造了两种能感知信息素的机器人嗅觉传感器;三是采用商业的电子鼻产品,如A Loutfi用机器人进行的气味识别研究。这些现有技术中,气体传感器的性能易受安装位置的影响,而气体传感器的安装位置恰恰与所采用
2、机器人的特定结构相关,不宜变化,并且现有的嗅觉系统功能单一,稳定性差,不具有通用性。针对现有技术的不足,本文设计了一种新的机器人仿生嗅觉系统,该嗅觉系统集成度高,功能多,并具有简便的机械接口和通讯接口,可加载到各种类型的机器人上实现其嗅觉功能。使用了4 个针对特定气体检测的电化学气体传感器和1 个检测可挥发性气体的光电离气体传感器,故可同时检测5种有毒有害气体。1 系统概述该嗅觉系统包括:腔体及封装在其内的仿生鼻腔、吸气系统和集成电路板。集成电路板分为信号采集板及主控板。信号采集板的信号调理模块负责气体信号、温湿度信号的采集、滤波及放大,然后把调理好的信号传送给主控板,气体传感器阵列通过插槽连
3、接在该板上。主控板上集成了MCU 处理器单元、电源模块、显示模块、吸气泵控制模块及通讯模块。整个系统的组成如图1 所示。图1 机器人仿生嗅觉系统2 结构设计2.1 仿生鼻腔及吸气系统设计为了结构的紧凑性及加工方便,仿生鼻腔采用简易的仿人鼻腔结构,如图1 中所示。腔体内部分成了两部分,一半腔体是气流经过的“鼻腔”,一侧留有进气口,如人的鼻前孔,与外界相通,是环境气体进入“鼻腔”的通道,另一侧设计了“鼻腔”的出气口,如人的鼻后孔,与吸气系统的吸气管相通,使吸入到“鼻腔”的气体经吸气系统的排气管排到外壳体外。吸气系统如人肺一样能把气体吸入鼻腔内,由微型吸气泵、吸气管及排气管构成,安装在另一半腔体的适
4、当位置。与只依靠气体扩散作用使气体与气体传感器接触相比,吸气系统能够使两者的接触更快速、更充分。这样,“鼻腔”的进气口可外接软体或硬体导气管,使工作环境中的气体与气体传感器的接触不受整个系统安装位置的影响,所以可根据机器人的实际结构,选择合适的安装位置。另外,可使用密封垫来增强“鼻腔”的气密性,令气流能够在“鼻腔”内快速而集中的流向气体传感器探头上的入气孔。整个腔体的外形为长方体,外壁上留有电源接口、通讯接口及液晶显示器接口。通过腔体盖上的安装孔,能够方便的使用螺钉或螺栓把该嗅觉系统连接到机器人上。2.2 气体传感器的选择机器人嗅觉研究中使用的嗅觉传感器总体分两类,即化学传感器和生物传感器。以
5、往的机器人嗅觉研究中,研究者大都采用价格低廉,灵敏度高的金属氧化物气体传感器,但此种传感器存在对气体选择性差、恢复时间长的缺点,满足不了机器人对实时性的要求。电化学气体传感器只对特定的气体响应,对被测气体具有良好的选择性及线性输出,因而在同时测量多种气体时可省去模式识别算法,大大减少嗅觉系统的运算量,提高了准确率和检测效率,满足机器人对实时性的要求。这种传感器与特定气体发生电化学反应而产生电子转移,根据电子转移产生的电流大小,可以检测出被测气体的浓度,精度可达1ppm,且响应时间也很短。光电离气体传感器利用紫外光电离气体分子,测量头将此时测量到的紫外光辐射能转化为气体浓度,从而用于探测易挥发有
6、机化合物(VOC)。这种气体传感器具有灵敏度高,响应快,无中毒现象等优点。故该嗅觉系统中选用了4 个英国城市技术公司生产的4 系列圆柱形电化学气体传感器,分别对CO、SO2 及H2S 三种有毒气体和O2 种发生响应。选用了美国baseline 公司生产的光电离气体传感器,可检测多种易挥发有机化合物,各传感器检测范围如表1 所示。通过更换检测不同气体的气体传感器,则轻易地实现检测气体种类的变化,从而扩展机器人嗅觉系统的应用范围。3 系统设计3.1 硬件电路设计为了减小嗅觉系统的结构尺寸及考虑抗干扰等问题,把电路集成到了两块电路板上,即信号采集板及主控板。信号采集板进行气体信号及环境温湿度的采集、
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