专利名称：一种机器人仿生嗅觉系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机器人技术，具体为一种机器人仿生嗅觉系统，国
际专利分类号拟为Int.Cl.G01D 21/02 (2006.01)。
背景技术：
随着机器人技术的不断发展，机器人的智能化程度越来越高，要求机器 人应具有多种感官能力，以满足各种场合下的应用。近年来，机器人嗅觉已 经成为了一个研究热点。嗅觉功能是完善机器人智能化不可或缺的重要组成 部分。具有嗅觉功能的机器人能够从事与气味相关的各个领域的工作。例 如，在国家安全方面，可以用来探测地雷，搜寻爆炸物，搜救遇难者等工 作；在社会治安方面，可以代替保安巡逻，完成检测有毒气体、火灾报警等 工作；在工业生产中，可以检测和修补各类危险化学物质存储容器或输送管 道的泄漏，还可以进行探矿等工作。另外，机器人的模块化设计也是机器人 技术的一个发展方向按照机器人所具有的不同功能划分模块，设计出各功 能模块的标准组件，每个标准组件可独立完成特定功能，并且具有方便的与 其它模块相连接的软件或硬件接口。实际应用中可针对不同的应用目的，选 择相应的功能模块，组合成所需的机器人。模块化设计方法可縮短机器人开 发周期，减少重复性研发工作，灵活扩展机器人的功能，有利于研究人员专 注于利用机器人解决实际问题。
机器人嗅觉系统要解决的实质问题是，通过搜寻目标气味气体，最终定 位到目标气味源，从而完成特定任务(特别是让机器人代替人从事与有毒有 害气体有关的工作)。机器人嗅觉系统中最重要也是最根本的环节就是首先 要让机器人具有嗅觉功能。机器人的嗅觉是通过气体传感器实现的。气味气 体与气体传感器接触后，会使气体传感器发生响应，输出一定的电压电流信 号，通过传感器的输出信号即可获取气味气体的种类和浓度信息，实现机器 人的嗅觉功能。目前对于机器人嗅觉问题的研究工作中，研究者大都采用直 接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，例如，Hiroshi Ishida等，基于气体传感器瞬时响应的气体/气味烟 羽跟踪机器人的控制，IEEE Sensors Journal 5巻3期，2005年，537-545 (Hiroshi Ishida， Gouki Nakayama， Takamichi Nakamoto,et al. Controlling a Gas/Odor Plume-Tracking Robot Based on Transient Responses of Gas Sensors [J]. IEEE Sensors Journal, 2005，5(3):537-545. ) 、 Pawel Pyk等， 一种人工蛾使用基于飞蛾搜寻策略的神经元模型 的机器人实现化学物质源定位，Auton Robot第20期，2006年，197-213 (Pawel Pyk， Sergi Berm'udez i Badia， Ulysses Bernardet， et al. An artificial moth: Chemical source localization using a robot based neuronal model of moth optomotor anemotactic search [J]. Auton Robot. 2006, (20) : 197 - 213.)就报道了这样的技术；也有研究者自 行研制简易的嗅觉装置，例如，Ishida H等，基于气体传感器和风向传感器 的用于气味源定位的自治移动传感系统研究，Sensors and Actuators A 45 巻2期，1994年，153-157 (Ishida H， Suetsugu K, Nakamoto T， et al. Study of autonomous mobile sensing system for localization of odor source using gas sensors and anemometric sensors [J]. Sensors and Actuators A， 1994， 45(2) : 153-157.) 、 Lilienthal A等， 一种用于移 动检查机器人的立体电子鼻，1st International Workshop on Robotic Sensing会议论文集，2003， 1-6 (Lilienthal A, Duckett T. A stereo electronic nose for a mobile inspection robot [C]. ROSE' 03. 1st International Workshop on Robotic Sensing. USA: IEEE， 2003:1-6.) 就公开了这样的技术。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，通用性也不好，不能满足 实际应用的需要。

实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是，设计一种机器 人仿生嗅觉系统，该嗅觉系统基于仿生原理，遵循机器人模块化设计思想， 采用模块化设计，系统集成度高，功能多，并具有简便的机械接口和通讯接 口，可与各种类型的机器人组合，实现嗅觉功能。本实用新型解决所述嗅觉系统技术问题的技术方案是设计一种机器人 仿生嗅觉系统，其特征是该嗅觉系统包括外壳体及封装在其内的仿生鼻腔，
吸气系统和集成电路板，安装在其表面的液晶显示模块和控制面板；所述的 仿生鼻腔由上腔板、下腔板及其之间的隔板密封构成;上腔板上开有一个仿生 鼻腔的进气口，并与隔板构成上气室；下腔板上开有一个仿生鼻腔的出气 口，并与隔板构成下气室；所述隔板上留有与气体传感器设计数目相同均布 的气孔；所述下腔板上还开有与气体传感器设计数目相同的安装孔，可使对 应数目的气体传感器的探测头伸入到下气室中，并使气体传感器的探头上的 入气孔与所述隔板上的气孔位置一一相对应；所述上气室的纵截面为+ 30° 至+ 60°锥角的锥形体；所述下气室的纵截面为一30。至一60°锥角的锥形 体；除气体传感器探头上的入气孔外，仿生鼻腔各连接处都用密封圈密封。 与现有技术相比，本实用新型嗅觉系统具有如下优点 本实用新型设计的机器人仿生嗅觉系统，由于采用了模块化结构设计， 外壳体上还设计有多处使用螺纹连接的安装孔，因而可适于应用于要求具有 嗅觉功能的各种机器人上，帮助机器人完成与有毒有害气体相关的危险性工 作。
本实用新型嗅觉系统依据仿生原理，模仿人的嗅觉系统设计了仿生鼻腔 和吸气系统，使工作环境中的气体能够充分的与气体传感器接触，达到气体 传感器的最佳性能。同时，对揭示人的嗅觉原理也具有一定启发意义。
本实用新型嗅觉系统利用模块化设计思想，采用插槽的形式把气体传感 器与电路板连接，便于更换气体传感器，也利于保护气体传感器，避免焊接 其引线时的损坏。本实用新型嗅觉系统的模块化结构，具有体积小，通用性 强等特点，可作为标准化组件组装到各种机器人本体上(如移动机器人、仿 人形机器人及仿生机器人等)。这种结构设计，使本实用新型嗅觉系统在检 测不同气体时，只需更换相应气体传感器，重新进行训练或标定即可，可有 效增强机器人的嗅觉功能，易于扩展其实际应用范围。
本实用新型嗅觉系统既可组装在机器人本体上使用，也可作为便携式嗅 觉装置独立使用。当组装到机器人上时，可通过通讯接口实时向机器人系统 的主控机发送所测气体的种类及浓度信息；当作为便携式装置独立使用时， 可通过外壳体上的液晶显示模块获得相应的检测信息。另外，本实用新型所述的存储模块可记录在线工作过程中检测到的气体浓度等信息，便于离线后 对所测数据进行分析与管理。
本实用新型嗅觉系统能够完全实现设计的嗅觉功能，对机器人系统的主 控机而言，它只是接收检测信息的最终结果，故节省了主控机的资源，提高 了机器人的工作效率。


图1为本实用新型机器人仿生嗅觉系统一种实施例的整体结构示意图。
图2为本实用新型机器人仿生嗅觉系统一种实施例的仿生鼻腔结构示意图。 图3为本实用新型机器人仿生嗅觉系统一种实施例的集成电路板结构示意图。 图4为本实用新型机器人仿生嗅觉系统一种实施例的外壳体结构示意图。 图5为本实用新型机器人仿生嗅觉系统一种实施例的吸气系统结构示意图。 图6为本实用新型机器人仿生嗅觉系统一种实施例的控制面板结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图详细叙述本实用新型。实施例是以本实用新型 技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程。但本实用新型 权利要求的保护范围不限于下述的实施例。
本实用新型设计的机器人仿生嗅觉系统(以下简称嗅觉系统，参见图 1、 4)基于仿生学原理，遵循机器人模块化设计思想，采用模块化设计，按
照人的嗅觉系统工作原理而设计。该嗅觉系统包括外壳体6及封装在其内 的仿生鼻腔l，吸气系统3和集成电路板2，安装在其表面的液晶显示模块4 和控制面板5。
本实用新型嗅觉系统所述的仿生鼻腔1 (参见图2、 1)系本实用新型基 于仿生学原理独创，它由上腔板11、下腔板110及其之间的隔板17密封构 成。所述的上腔板110上开有一个仿生鼻腔1的进气口 13，并与隔板17构 成上气室12。实施例的进气口 13开在上腔板11的中心；所述的下腔板110 上开有一个仿生鼻腔1的出气口 15，并与隔板17构成下气室19。实施例的 出气口 15尽可能开在下腔板110的中心(因中心位置安排有安装孔18); 所述的隔板17上留有与气体传感器24设计数目相同均布的气孔14，可使吸 入的气体能够由上气室12顺畅地进入到下气室19中。所述下腔板110上还开有与气体传感器24设计数目相同的安装孔18，可使对应数目的气体传感 器24的探测头伸入到下气室19中，并使气体传感器24的探头上的入气孔与 所述隔板17上的气孔14的位置一一相对应，这样设计有利于气体传感器24 与环境气体充分接触。所述的上气室12的纵截面为+ (30-60° )锥角的锥 形体；所述的下气室19的纵截面为一 (30-60° )锥角的锥形体。所述的锥 形体包括锥形体和锥台体，形状可以是圆锥形体或方锥形体。实施例的锥角 采用了±45° 。这种结构设计符合流体力学的基本原理，可使气流能够在仿 生鼻腔l内快速而集中的流向气体传感器24探头上的入气孔。所述的上、下 气室12、 19和中间隔板17实施例采用了螺钉16连接在一起，除气体传感器 探头上的入气孔外，仿生鼻腔1各连接处都用密封圈密封。所述仿生鼻腔1 的进气口 13处可加装过滤网，以防止大的粉尘等脏物进入上气室13中。
本实用新型所述仿生鼻腔1采用类似人鼻腔的结构，其进气口 13如人的 鼻前孔，与外界相通，是环境中气体进入仿生鼻腔1的通道；其出气口15如 人的鼻后孔，与吸气系统3的吸气管32相通，使吸入到仿生鼻腔1的气体经 吸气系统3将所述气体吸入到仿生鼻腔1之内。本实用新型嗅觉系统的仿生 鼻腔1的进气口 13可外接软体或硬体导气管，使工作环境中的气体与气体传 感器的接触不受其安装位置的影响，或者说可根据机器人的实际结构，选择 合适的安装位置，因而可使嗅觉系统的工作性能更加稳定。本实用新型仿生 鼻腔1采用轻质且不易与各种化学气体发生反应或吸附作用的材料制造，例 如聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯或硅橡胶等。
本实用新型嗅觉系统的吸气系统3 (参见图1、 5)由微型吸气泵31、吸 气管32及排气管33构成，吸气管32与微型吸气泵31的吸气口相连，排气 管33与微型吸气泵31的排气口相连。该系统采用微型吸气泵31作为嗅觉系 统的肺部，以完成吸气动作，实现类似人的呼吸系统的功能。所述吸气系统 3的吸气管32与仿生鼻腔1的下气室19的出气口 15管路相连接；吸气系统 3的排气管33与外壳体6的排气管安装孔66连接，可将仿生鼻腔1内的气 体排出外壳体6之外。微型吸气泵31的开启和关闭由集成电路板2上的MCU 处理器单元22完成，工作速度可以设定。所述微型吸气泵31可安装在外壳 体6内的适当位置上，如下腔板110上或内壁上等(参见图4)。
本实用新型嗅觉系统所述的集成电路板2 (参见图1、 3)包括气体传感 器阵列24、信号调理模块23、 A/D转换模块29、 MCU处理器单元22、电源模块27、温、湿度补偿模块25、存储模块26和通讯模块28。所述各模块都被 适当地集成到一块电路基板21上。所述的气体传感器阵列24通过插槽与电 路基板21相连，其余各模块及其组成电路均焊接在电路基板21上。电气连 接关系是气体传感器阵列24—-信号调理模块23—-A/D转换模块29-—MCU 处理器单元22-—通讯模块28;温、湿度补偿模块25和存储模块26直接与 MCU处理器单元22相连，电源模块27与所有需要供电的元器件相连。所述 的集成电路板2系本实用新型依据嗅觉系统功能的需要而专门设计，但其各 功能模块采用了通用技术。
所述的气体传感器阵列24是指圆柱形封装带有金属柱引脚的气体传感 器，采用4-8个该气体传感器呈方形阵列安装在集成电路板2上的布置结 构。本实用新型实施例的所述气体传感器的引脚与集成电路2采用插座式连 接，以便于更换，也利于保护传感器，避免焊接时引脚引线的损坏。本实用 新型可采用能对不同种气体响应的气体传感器(如半导体氧化物气体传感器 等)组成所述的气体传感器阵列24，利用气体传感器对不同气体敏感度的不 同，通过神经网络、主成分分析等常用模式识别算法实现气体的定性定量分 析；也可采用针对特定气体响应的几种传感器(如电化学型气体传感器等) 组成所述的气体传感器阵列24，完成对特定目标气体的检测任务。当应用针 对特定气体响应的气体传感器阵列时，不需要在嗅觉系统中使用模式识别算 法对气体进行辨识，因而可大大降低嗅觉系统的资源开销，提高气体种类辨 识的准确率和整个机器人系统的工作效率。本实用新型实施例使用了同类 型、同系列的气体传感器，这样可简化信号调理电路的设计，且可以把气体 传感器的插座及仿生鼻腔下腔板110的安装孔18分别设计成统一的尺寸，能 够方便的变换检测不同气体的气体传感器，轻易地实现嗅觉模块检测气体种 类的变化，从而扩展机器人嗅觉系统的应用范围。
所述的信号调理模块23的功能是对气体传感器输出的微弱信号进行放 大、滤波处理后，送入A/D转换模块29，转换成数字信号后输入到MCU处理 器单元22进行相应的处理。所述的电源模块27负责供给所述气体传感器、 微型吸气泵31和MCU处理器单元22所用的电力。所述的温、湿度补偿模块 25分别采用温度传感器和湿度传感器，以测量环境中的温度和湿度，为保证 气体传感器线性输出的补偿算法提供温、湿度数据。所述的存储模块26采用 外部独立的存储器，记录所述嗅觉系统在线工作过程中检测到的气体浓度信息，便于离线后对所测数据进行分析和管理。所述的通讯模块28负责嗅觉系 统与机器人的主控机(系统)进行通讯，将所测信息实时地传输给机器人主
控系统，以便机器人根据任务做出相应决策。通讯模块28实施例采用了标准 的通讯接口，如串口或USB接口。在所述集成电路板2上安装有与气体传感 器设计数目相同的气体传感器插座，用于安装所述的气体传感器。
本实用新型嗅觉系统所述的液晶显示模块4安装于外壳体6的易于观察 位置上(参见图1)，以实时显示和方便察看工作环境中的气体种类及浓度 信息。这种设计可使本实用新型嗅觉系统即使不集成到机器人上，也可以当 作便携式气体检测工具使用。
本实用新型嗅觉系统所述的控制面板5采用薄膜面板的形式(参见图 1、 6)，其上设计有电源开关51，微型吸气泵速度设定52，速度增53，速 度减54及存储设置55等功能按键。
本实用新型嗅觉系统的所述外壳体6 (俯视看)可以为方形体或圆形 体。实施例设计为方形盒状(参见图1、 4)。所述的外壳体6可把所述的仿 生鼻腔l、集成电路板2，吸气系统3，液晶显示模块4及控制面板5密封安 装为一体。所述外壳体6上分别设计有液晶显示模块安装孔61、控制面板安 装孔62、仿生鼻腔进气口安装孔63、微型吸气泵安装孔65、吸气系统排气 管安装孔66、电源接口安装孔67、通讯接口安装孔68和集成电路板安装孔 610。另外，所述的外壳体6在三维方向上还设计有延展边69，在延展边69 上适量均布打有外壳体安装孔64，以使本实用新型嗅觉系统与不同的机器人 本体的安装空间相适应。所述的外壳体安装孔64可以是光孔，也可以是螺纹 孔，以方便地使用螺钉或螺栓把本实用新型嗅觉系统连接到机器人上。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
下面根据本实用新型的技术方案给出本实用新型的具体实施例 实施例1
首先，根据嗅觉系统所测气体的种类和要求，选择和确定气体传感器的 类型。本实施例中采用了 5个气体传感器组成所述的传感器阵列。其中，4 个气体传感器为4系列电化学原理气体传感器(英国城市技术有限公司生 产)，分别可对C0、 S02、 H2S和02发生响应。这种气体传感器只对所述特定 的气体响应，受其它气体的影响或干扰很小。另外1个气体传感器为可测挥 发性有机物气体的PID气体传感器(美国Baseline公司生产，ZPP6000102型)。该气体传感器只对挥发性有机物响应，但使用时，需预先知道所测挥
发性气体的种类；或者说根据所要检测的挥发性气体的种类来选择PID气体 传感器。显然，本实施例的嗅觉系统可同时检测5种不同的气体，因所采用 的气体传感器都是只对单一气体响应，因而可省去了模式识别算法，大大减 少了嗅觉系统的运算量，提高了运算的准确率和检测效率。
其次，根据所选定气体传感器的外形尺寸，设计其在仿生鼻腔下腔板的 安装位置和大小、气体传感器安装孔18的安装位置和大小、以及在集成电路 板2上的插座尺寸。然后，根据整个气体传感器阵列24的布局设计仿生鼻腔 1的结构尺寸。本实施例中的传感器阵列24呈四方形，仿生鼻腔1的上气室 12呈圆锥形状，下气室19呈圆锥台形状，其内壁倾角分别为±45° (参见 图1)。安装时要上、下两气室的大直径端相对安装在一起，而整个仿生鼻 腔1用螺钉固定在集成电路板2上。
再次，采用现有技术把信号调理模块23、 A/D转换模块29、 MCU处理器 单元22、电源模块27、温、湿度补偿模块25、存储模块26和通讯模块28 集成到一块电路基板21上。根据所述气体传感器特性，通过信号调理模块 23把传感器输出的微弱信号放大，经A/D转换模块29转换后，进入MCU处 理器单元22中处理。本实施例采用C8051F020单片机做处理器，自身带有 A/D转换通道，采用串口通讯方式，与机器人系统的主控机进行通讯。本实 施例选用了 18B20温度传感器和HIH4000湿度传感器分别测量环境中温度和 湿度，然后输入到单片机中用于气体传感器的温、湿度补偿。
最后，根据所述集成电路板2和仿生鼻腔1的尺寸设计嗅觉系统的外壳 体6尺寸，确定所述各种安装孔的位置。然后，把微型吸气泵31安装在外壳 体6的内壁上，以节省空间，并接好管路；把仿生鼻腔1和集成电路板2安 装在外壳体6的下腔板110上；再把液晶显示模块4和控制面板5安装到外 壳体6的正前面，本实用新型嗅觉系统即可组装完成。所述的微型吸气泵31 采用1319D型微型吸气泵(美国RAE公司制造)。该微型吸气泵体积小，性 能强(能平吸30米距离)。所述液晶显示模块4选用GXM12864图形液晶显 示模块，是一种采用低功耗CMOS技术实现的点阵图形LCD模块。
权利要求1. 一种机器人仿生嗅觉系统，其特征是该嗅觉系统包括外壳体及封装在其内的仿生鼻腔，吸气系统和集成电路板，安装在其表面的液晶显示模块和控制面板；所述的仿生鼻腔由上腔板、下腔板及其之间的隔板密封构成；上腔板上开有一个仿生鼻腔的进气口，并与隔板构成上气室；下腔板上开有一个仿生鼻腔的出气口，并与隔板构成下气室；所述隔板上留有与气体传感器设计数目相同均布的气孔；所述下腔板上还开有与气体传感器设计数目相同的安装孔，可使对应数目的气体传感器的探测头伸入到下气室中，并使气体传感器的探头上的入气孔与所述隔板上的气孔位置一一相对应；所述上气室的纵截面为+30°至+60°锥角的锥形体；所述下气室的纵截面为—30°至—60°锥角的锥形体；除气体传感器探头上的入气孔外，仿生鼻腔各连接处都用密封圈密封。
2.根据权利要求1所述的机器人仿生嗅觉系统，其特征在于所述的集 成电路板包括集成在电路基板上的气体传感器阵列、信号调理模块、A/D转 换模块、MCU处理器单元、电源模块、存储模块、温、湿度补偿模块和通讯 模块；电气连接关系是气体传感器阵列-一信号调理模块-一A/D转换模 块-一MCU处理器单元---通讯模块；温、湿度补偿模块和存储模块直接与 MCU处理器单元相连，电源模块与所有需要供电的元器件相连。
3. 根据权利要求1所述的机器人仿生嗅觉系统，其特征在于所述上气 室的纵截面为+45°锥角的锥形体；所述下气室的纵截面为一45。锥角的锥 形体。
4. 根据权利要求1所述的机器人仿生嗅觉系统，其特征在于所述仿生 鼻腔的进气口处加装有过滤网。
专利摘要本实用新型涉及一种机器人仿生嗅觉系统，该系统包括外壳体及封装在其内的仿生鼻腔，吸气系统和集成电路板，安装在其表面的液晶显示模块和控制面板；仿生鼻腔由上腔板、下腔板及其之间的隔板密封构成；上腔板上开有一个仿生鼻腔的进气口，并与隔板构成上气室；下腔板上开有一个仿生鼻腔的出气口，并与隔板构成下气室；隔板上留有与气体传感器设计数目相同均布的气孔；下腔板上还开有与气体传感器设计数目相同的安装孔，可使对应数目的气体传感器的探测头伸入到下气室中，并使气体传感器的探头上的入气孔与隔板上的气孔位置一一相对应；上气室的纵截面为+(30-60°)锥角的锥形体；下气室的纵截面为-(30-60°)锥角的锥形体；除气体传感器探头上的入气孔外，仿生鼻腔各连接处都用密封圈密封。
文档编号G01D21/02GK201233255SQ20082007394
公开日2009年5月6日 申请日期2008年2月28日 优先权日2008年2月28日
发明者璇 刘, 刘更谦, 吕晓玲, 孙建广, 张小俊, 张明路 申请人:河北工业大学