CN112659114B - 一种单通道自动充放气系统与气压稳定控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单通道自动充放气系统，包括供电模块、气压检测模块、数据处理模块、气压驱动模块，供电模块为系统提供电力来源，气压检测模块实时监测受控对象的内部气压，数据处理模块采集反馈气压，利用气压稳定控制算法生成使能信号经气压驱动模块进行调理后输出驱动信号控制泵的启停和电磁阀的开闭，从而稳定的控制受控对象的内部气压。气压稳定控制方法在中央处理单元内实现手动、自动模式控制，稳定的输出所需的预设或预存气压值。该系统采用低成本的气压泵和电磁阀，可以克服利用高压气泵和比例阀实现稳压控制所带来体积大、危险性高的不足，适用于气动型软体执行器的驱动控制。
Description
技术领域
本发明涉及气压控制技术领域，具体来说是一种适用于气动型软体机器人的气压驱动控制系统。
背景技术
目前大规模应用的刚性机械结构机器人，由于其自重大、适应能力差、安全性低等缺陷，阻碍了机器人技术的进一步发展。为了提高机器人的人机交互、环境适应的友好性和灵活性，软体机器人应运而生。相比于传统刚性机器人，软体机器人在材料结构、驱动控制等方面皆有不同。气动型的软体机器人以柔性气动执行器为基本单元，通过控制执行器内部的气压使得软体机器人具有无限多自由度和连续变形能力。
目前，对软体机器人的控制方法主要是通过高压储气罐和比例阀组成控制系统，对气动执行器的气压进行调节。由于高压储气罐和比例阀具有大体积、高危险性的缺点和造价昂贵的问题，无法实现小型、便携的气动型软体机器人控制系统。
本发明提供了一种单通道自动充放气系统，自动控制气泵启停、电磁阀开闭，实现对受控对象的气压稳定调节。该系统解决了传统气压控制系统的大体积、高危险性、造价高的问题，实现了对系统小型化、低成本的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单通道自动充放气系统，通过自动控制气泵启停、电磁阀开闭来实现对受控对象的气压稳定调节。
本发明的发明内容如下：
一种单通道自动充放气系统，包括供电模块、气压检测模块、数据处理模块和气压驱动模块；
所述供电模块包括干电池、电压调节电路和系统电源开关，输出第一电压给气压检测模块、气压驱动模块，输出第二电压给数据处理模块；
所述气压检测模块包括高精度气压检测传感器、信号调理电路，高精度气压检测传感器用来检测受控对象内部气压值，产生的电压信号经信号调理电路处理后输出供数据处理模块采集；
所述数据处理模块包括中央处理单元、增大按钮、减小按钮和显示屏，中央处理单元采集气压检测模块的反馈气压值，将反馈气压值和预设气压值进行比较，自动控制系统的充放气，实现稳定气压控制，增大按钮用来加大预设气压值，减小按钮用来减小预设气压值，配合显示屏显示来调整预设气压；
所述气压驱动模块包括气泵信号驱动模块和电磁阀信号驱动模块，气泵信号驱动模块输出模拟电压控制气泵运行，电磁阀信号驱动模块输出模拟电压控制电磁阀通断；
所述供电模块内部，干电池、系统电源开关与电压调节电路连接；所述电压调节电路输出的第一电压与高精度气压检测传感器、信号调理电路、气泵信号驱动模块、电磁阀信号驱动模块连接；所述电压调节电路输出的第二电压与中央处理单元、显示屏连接；
所述气压检测模块内部，高精度气压检测传感器与信号调理电路连接；所述信号调理电路的模拟电压输出与中央处理单元连接；
所述数据处理模块内部，增大按钮、减小按钮、显示屏与中央处理单元连接；所述中央处理单元输出的气泵启停使能信号与气泵信号驱动模块连接；所述中央处理单元输出的电磁阀开闭使能信号与电磁阀信号驱动模块连接。
所述电压调节电路以AMS1117芯片为核心，将干电池输出的9V电压转化为电压值为5V的第一电压和电压值为3.3V的第二电压。
所述高精度气压检测传感器为压阻式压力敏感元件，型号为XGZP040DB1R，具有一个气压感应接口，气压工作范围从0kPa到40kPa，采用DC5V供电，相对应的输出模拟电压值范围从0mV到70mV；所述数据调理电路将高精度气压检测传感器输出的模拟电压调理为范围从0.5V到4.5V的电压信号。
所述气泵信号驱动模块将中央处理单元的气泵启停使能信号通过三极管S8050放大后输出模拟电压，用来控制气泵运行；所述电磁阀信号驱动模块将中央处理单元的电磁阀开闭使能信号通过三极管S8050放大后输出模拟电压，用来控制电磁阀通断。
一种使用单通道自动充放气系统的气压稳定控制方法，所述数据处理模块从气压检测模块采集反馈气压值，通过算法处理将反馈气压值和预设气压值进行比较，向气压驱动模块输出气泵启停使能信号和电磁阀开闭使能信号，自动控制系统的充放气，实现气压稳定控制，算法包括手动模式和自动模式两部分，具体步骤为：
步骤301：开始；
步骤302：判断是否进入手动模式，如果是，则跳到步骤303进入手动模式，否则跳到步骤313进入自动模式；
手动模式：
步骤303：通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏来设置预设气压值；
步骤304：判断设置完成的预设气压值是否小于安全阈值，如果是，则跳到步骤305，否则跳到步骤306；
步骤305：保存设置完成的预设气压值；
步骤306：重新通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏设置预设气压值，并返回步骤304；
步骤307：读取反馈气压值；
步骤308：判断预设气压值是否大于反馈气压值，如果是，则跳到步骤309，否则跳到步骤310；
步骤309：输出气泵启动使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵工作，电磁阀阀门关闭，对受控对象充气，并返回步骤307；
步骤310：判断预设气压值是否小于反馈气压值，如果是，则跳到步骤311，否则跳到步骤312；
步骤311：输出气泵停止使能信号和电磁阀开启使能信号，气泵停机，电磁阀阀门开启，对受控对象放气，并返回步骤307；
步骤312：输出气泵停止使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵停机，电磁阀阀门关闭，保持受控对象的气压，并返回步骤307；
自动模式：
步骤313：判断预存气压值是否存在，如果是，则跳到步骤314，否则跳到步骤321；
步骤314：读取预存气压值；
步骤315：读取反馈气压值；
步骤316：判断预存气压值是否大于反馈气压值，如果是，则跳到步骤317，否则跳到步骤318；
步骤317：输出气泵启动使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵工作，电磁阀阀门关闭，对受控对象充气，并返回步骤315；
步骤318：判断预存气压值是否小于反馈气压值，如果是，则跳到步骤319，否则跳到步骤320；
步骤319：输出气泵停止使能信号和电磁阀开启使能信号，气泵停机，电磁阀阀门开启，对受控对象放气，并返回步骤315；
步骤320：输出气泵停止使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵停机，电磁阀阀门关闭，保持受控对象的气压，并返回步骤315；
步骤321：通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏来设置预存气压值；
步骤322：判断重新设置完成的预存气压值是否小于安全阈值，如果是，则跳到步骤323，否则跳到步骤324；
步骤323：保存设置完成的预存气压值，并返回步骤313。
步骤324：通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏来重新设置预存气压值，并返回步骤322。
本发明的有益技术效果在于：
(1)利用干电池作为系统供电，可提供持续的电源输出，供自动系统长时间使用，能够保证系统的自动充放气，使得受控对象可以维持稳定的气压，适用于需要气压稳定调节的场合。
(2)单通道自动充放气系统利用低成本的小型气泵和电磁阀进行调节，输出稳定气压，摒弃了高压储气罐、比例阀，大大减小了系统的体积，提高了系统的安全性。
(3)单通道自动充放气系统具有手动和自动气压调节模式，可以手动设置所需输出气压的大小，自动稳定受控对象的维持气压，保证受控对象处于平稳的工作状态。
附图说明
图1是本发明的单通道自动充放气系统原理结构图；
图2是本发明的单通道自动充放气系统总体连接图；
图3是本发明的气压稳定控制方法程序流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的说明。
如图1所示，一种单通道自动充放气系统，包括供电模块(110)、气压检测模块(120)、数据处理模块(130)和气压驱动模块(140)；
所述供电模块(110)包括干电池(111)、电压调节电路(112)和系统电源开关(113)，输出第一电压给气压检测模块(120)、气压驱动模块(140)，输出第二电压给数据处理模块(130)；
所述气压检测模块(120)包括高精度气压检测传感器(121)、信号调理电路(122)，高精度气压检测传感器(121)用来检测受控对象(230)内部气压值，产生的电压信号经信号调理电路(122)处理后输出供数据处理模块(140)采集；
所述数据处理模块(130)包括中央处理单元(131)、增大按钮(132)、减小按钮(133)和显示屏(134)，中央处理单元(131)采集气压检测模块(120)的反馈气压值，将反馈气压值和预设气压值进行比较，自动控制系统的充放气，实现稳定气压控制，增大按钮(132)用来加大预设气压值，减小按钮(133)用来减小预设气压值，配合显示屏(134)显示来调整预设气压；
所述气压驱动模块(140)包括气泵信号驱动模块(141)和电磁阀信号驱动模块(142)，气泵信号驱动模块(141)输出模拟电压控制气泵(210)运行，电磁阀信号驱动模块(142)输出模拟电压控制电磁阀(220)通断；
所述供电模块(110)内部，干电池(111)、系统电源开关(113)与电压调节电路(112)连接；所述电压调节电路(112)输出的第一电压与高精度气压检测传感器(121)、信号调理电路(122)、气泵信号驱动模块(141)、电磁阀信号驱动模块(142)连接；所述电压调节电路(112)输出的第二电压与中央处理单元(131)、显示屏(134)连接；
所述气压检测模块(120)内部，高精度气压检测传感器(121)与信号调理电路(122)连接；所述信号调理电路(122)的模拟电压输出与中央处理单元(131)连接；
所述数据处理模块(130)内部，增大按钮(132)、减小按钮(133)、显示屏(134)与中央处理单元(131)连接；所述中央处理单元(131)输出的气泵启停使能信号与气泵信号驱动模块(141)连接；所述中央处理单元(131)输出的电磁阀开闭使能信号与电磁阀信号驱动模块(142)连接。
所述电压调节电路(112)以AMS1117芯片为核心，将干电池输出的9V电压转化为电压值为5V的第一电压和电压值为3.3V的第二电压。
所述高精度气压检测传感器(121)为压阻式压力敏感元件，型号为XGZP040DB1R，具有一个气压感应接口，气压工作范围从0kPa到40kPa，采用DC5V供电，相对应的输出模拟电压值范围从0mV到70mV；所述数据调理电路(122)将高精度气压检测传感器(121)输出的模拟电压调理为范围从0.5V到4.5V的电压信号。
所述气泵信号驱动模块(141)将中央处理单元(131)的气泵启停使能信号通过三极管S8050放大后输出模拟电压，用来控制气泵(210)运行；所述电磁阀信号驱动模块(142)将中央处理单元(131)的电磁阀开闭使能信号通过三极管S8050放大后输出模拟电压，用来控制电磁阀(220)通断。
如图2所示，高精度气压检测传感器(121)的气压感应接口、气泵(210)的充气接口、电磁阀(220)的进气接口、受控对象(230)的通气接头通过气管联通，共同组成单通道充放气管路；所述气泵(210)、电磁阀(220)的工作电压符合电压调节电路(112)输出的第一电压；所述受控对象(230)为可重复充放气物体，包括但不限于软体机器人执行器。
如图3所示，一种使用所述的单通道自动充放气系统的气压稳定控制方法，所述的数据处理模块(130)从气压检测模块(120)采集反馈气压值，通过算法处理将反馈气压值和预设气压值进行比较，向气压驱动模块(140)输出气泵启停使能信号和电磁阀开闭使能信号，自动控制系统的充放气，实现气压稳定控制，算法包括手动模式和自动模式两部分，具体步骤为：
步骤301：开始；
步骤302：判断是否进入手动模式，如果是，则跳到步骤303进入手动模式，否则跳到步骤313进入自动模式；
手动模式：
步骤303：通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏来设置预设气压值；
步骤304：判断设置完成的预设气压值是否小于安全阈值，如果是，则跳到步骤305，否则跳到步骤306；
步骤305：保存设置完成的预设气压值；
步骤306：重新通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏设置预设气压值，并返回步骤304；
步骤307：读取反馈气压值；
步骤308：判断预设气压值是否大于反馈气压值，如果是，则跳到步骤309，否则跳到步骤310；
步骤309：输出气泵启动使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵工作，电磁阀阀门关闭，对受控对象充气，并返回步骤307；
步骤310：判断预设气压值是否小于反馈气压值，如果是，则跳到步骤311，否则跳到步骤312；
步骤311：输出气泵停止使能信号和电磁阀开启使能信号，气泵停机，电磁阀阀门开启，对受控对象放气，并返回步骤307；
步骤312：输出气泵停止使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵停机，电磁阀阀门关闭，保持受控对象的气压，并返回步骤307；
自动模式：
步骤313：判断预存气压值是否存在，如果是，则跳到步骤314，否则跳到步骤321；
步骤314：读取预存气压值；
步骤315：读取反馈气压值；
步骤316：判断预存气压值是否大于反馈气压值，如果是，则跳到步骤317，否则跳到步骤318；
步骤317：输出气泵启动使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵工作，电磁阀阀门关闭，对受控对象充气，并返回步骤315；
步骤318：判断预存气压值是否小于反馈气压值，如果是，则跳到步骤319，否则跳到步骤320；
步骤319：输出气泵停止使能信号和电磁阀开启使能信号，气泵停机，电磁阀阀门开启，对受控对象放气，并返回步骤315；
步骤320：输出气泵停止使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵停机，电磁阀阀门关闭，保持受控对象的气压，并返回步骤315；
步骤321：通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏来设置预存气压值；
步骤322：判断重新设置完成的预存气压值是否小于安全阈值，如果是，则跳到步骤323，否则跳到步骤324；
步骤323：保存设置完成的预存气压值，并返回步骤313。
步骤324：通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏来重新设置预存气压值，并返回步骤322。
最后说明的是本发明的一种单通道自动充放气系统不局限于上述实施例，还可以做出各种修改、变换和变形。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡是依据本发明的技术方案进行修改、修饰或等同变化，而不脱离本发明技术方案的思想和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种单通道自动充放气系统，其特征在于，包括：供电模块(110)、气压检测模块(120)、数据处理模块(130)和气压驱动模块(140)；
所述供电模块(110)包括干电池(111)、电压调节电路(112)和系统电源开关(113)，输出第一电压给气压检测模块(120)、气压驱动模块(140)，输出第二电压给数据处理模块(130)；
所述气压检测模块(120)包括高精度气压检测传感器(121)、信号调理电路(122)，高精度气压检测传感器(121)用来检测受控对象(230)内部气压值，产生的电压信号经信号调理电路(122)处理后输出供数据处理模块(130)采集；
所述数据处理模块(130)包括中央处理单元(131)、增大按钮(132)、减小按钮(133)和显示屏(134)，中央处理单元(131)采集气压检测模块(120)的反馈气压值，将反馈气压值和预设气压值进行比较，自动控制系统的充放气，实现稳定气压控制，增大按钮(132)用来加大预设气压值，减小按钮(133)用来减小预设气压值，配合显示屏(134)显示来调整预设气压；
所述气压驱动模块(140)包括气泵信号驱动模块(141)和电磁阀信号驱动模块(142)，气泵信号驱动模块(141)输出模拟电压控制气泵(210)运行，电磁阀信号驱动模块(142)输出模拟电压控制电磁阀(220)通断，其中，当需要对所述受控对象(230)充气时，控制所述气泵(210)工作，并使所述电磁阀(220)的阀门关闭；当需要对所述受控对象(230)放气时，控制所述气泵(210)停机，并使所述电磁阀(220)的阀门开启；当需要保持所述受控对象(230)的气压时，控制所述气泵(210)停机，并使所述电磁阀(220)的阀门关闭；
所述供电模块(110)内部，干电池(111)、系统电源开关(113)与电压调节电路(112)连接；所述电压调节电路(112)输出的第一电压与高精度气压检测传感器(121)、信号调理电路(122)、气泵信号驱动模块(141)、电磁阀信号驱动模块(142)连接；所述电压调节电路(112)输出的第二电压与中央处理单元(131)、显示屏(134)连接；
所述气压检测模块(120)内部，高精度气压检测传感器(121)与信号调理电路(122)连接；所述信号调理电路(122)的模拟电压输出与中央处理单元(131)连接；所述数据处理模块(130)内部，增大按钮(132)、减小按钮(133)、显示屏(134)与中央处理单元(131)连接；所述中央处理单元(131)输出的气泵启停使能信号与气泵信号驱动模块(141)连接；所述中央处理单元(131)输出的电磁阀开闭使能信号与电磁阀信号驱动模块(142)连接。
2.根据权利要求1所述的单通道自动充放气系统，其特征在于，所述电压调节电路(112)以AMS1117芯片为核心，将干电池输出的9V电压转化为电压值为5V的第一电压和电压值为3.3V的第二电压。
3.根据权利要求1所述的单通道自动充放气系统，其特征在于，所述高精度气压检测传感器(121)为压阻式压力敏感元件，型号为XGZP040DB1R，具有一个气压感应接口，气压工作范围从0kPa到40kPa，采用DC5V供电，相对应的输出模拟电压值范围从0mV到70mV；所述信号调理电路(122)将高精度气压检测传感器(121)输出的模拟电压调理为范围从0.5V到4.5V的电压信号。
4.根据权利要求1所述的单通道自动充放气系统，其特征在于，所述气泵信号驱动模块(141)将中央处理单元(131)的气泵启停使能信号通过三极管S8050放大后输出模拟电压，用来控制气泵(210)运行；所述电磁阀信号驱动模块(142)将中央处理单元(131)的电磁阀开闭使能信号通过三极管S8050放大后输出模拟电压，用来控制电磁阀(220)通断。
5.一种使用权利要求1所述的单通道自动充放气系统的气压稳控制方法，其特征在于，所述数据处理模块(130)从气压检测模块(120)采集反馈气压值，通过算法处理将反馈气压值和预设气压值进行比较，向气压驱动模块(140)输出气泵启停使能信号和电磁阀开闭使能信号，自动控制系统的充放气，实现气压稳定控制，算法包括手动模式和自动模式两部分，具体步骤为：
步骤301；开始；
步骤302：判断是否进入手动模式，如果是，则跳到步骤303进入手动模式，否则跳到步骤313进入自动模式；
手动模式：
步骤303：通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏来设置预设气压值；
步骤304：判断设置完成的预设气压值是否小于安全阈值，如果是，则跳到步骤305，否则跳到步骤306；
步骤305：保存设置完成的预设气压值；
步骤306：重新通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏设置预设气压值，并返回步骤304；
步骤307：读取反馈气压值；
步骤308：判断预设气压值是否大于反馈气压值，如果是，则跳到步骤309，否则跳到步骤310；
步骤309：输出气泵启动使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵工作，电磁阀阀门关闭，对受控对象充气，并返回步骤307；
步骤310：判断预设气压值是否小于反馈气压值，如果是，则跳到步骤311否则跳到步骤312；
步骤311：输出气泵停止使能信号和电磁阀开启使能信号，气泵停机，电磁阀阀门开启，对受控对象放气，并返回步骤307；
步骤312：输出气泵停止使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵停机，电磁阀阀门关闭，保持受控对象的气压，并返回步骤307；
自动模式：
步骤313：判断预存气压值是否存在，如果是，则跳到步骤314，否则跳到步骤321；
步骤314：读取预存气压值；
步骤315：读取反馈气压值；
步骤316：判断预存气压值是否大于反馈气压值，如果是，则跳到步骤317，否则跳到步骤318：
步骤317：输出气泵启动使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵工作，电磁阀阀门关闭，对受控对象充气，并返回步骤315；
步骤318：判断预存气压值是否小于反馈气压值，如果是，则跳到步骤319，否则跳到步骤320；
步骤319：输出气泵停止使能信号和电磁阀开启使能信号，气泵停机，电磁阀阀门开启，对受控对象放气，并返回步骤315；
步骤320：输出气泵停止使能信号和电磁阀关闭使能信号，气泵停机，电磁阀阀门关闭，保持受控对象的气压，并返回步骤315；
步骤321：通过数据处理模块的增大按钮、减小按钮、显示屏来设置预存气压值；
步骤322：判断重新设置完成的预存气压值是否小于安全阈值，如果是，则跳到步骤323，否则跳到步骤324；
步骤323：保存设置完成的预存气压值，并返回步骤313；
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