CN110842907A - 一种气动力软体驱动器控制平台及控制方法 - Google Patents

一种气动力软体驱动器控制平台及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种气动力软体驱动器控制平台及控制方法，属于软体机器人领域。该控制平台包括：可编程控制的气源、软体导管、气压传感器、控制阀、微控制器、上位机和显示器。该控制平台由上位机控制输入软体驱动器理想变形所对应的正负气压值信号，采用微控制器作为通讯与处理模块，使软体驱动器在可编程控制的气源的驱动下产生预期的变形，同时气压传感器实时监测气体通道内的气压值并反馈于微控制器进行闭环控制，并通过上位机将实时气压值变化显示于显示器。本发明提供的软体驱动器控制平台能够实现多通道正负气压控制，适用于正压驱动、负压驱动和同时需要正负压驱动的软体驱动器，编程空间大，可拓展性好，造价低廉。

Description

一种气动力软体驱动器控制平台及控制方法
技术领域
本发明属于软体机器人领域，尤其涉及一种气动力软体驱动器控制平台及控制方法。
背景技术
与传统刚性机器人相比，软体机器人主要由软材料组成，可以根据不同的外界环境产生相应的变形，具有非常好的环境适应能力和人机交互性，引发了巨大关注。软体机器人在康复医疗、食品加工、管道检测以及军事侦察等领域中有着巨大的应用前景。
鉴于在气动力软体机器人的应用过程中，需要通过气压控制平台进行驱动。针对此问题，本发明提供了一种气动力软体驱动器控制平台，该控制平台可以通过编写程序满足不同气动力软体驱动器对气压控制的需要，有助于气动力软体机器人的设计、应用和推广。
发明内容
本发明提供一种气动力软体驱动器控制平台及控制方法，为气动力软体驱动器的开发提供一种控制平台，能实现多通道正负气压值控制，所述控制平台适用于正负气压驱动的软体驱动器，并通过对控制平台编写计算机程序代码实现气动力软体驱动器不同变形条件下的气压控制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种气动力软体驱动器控制平台，其用于气动力软体驱动器的控制；所述的控制平台包括可编程控制的气源1、控制阀2、软体导管A3、气压传感器4、软体导管B5、微控制器7、上位机8和显示器9，控制平台的作用对象为内嵌有气体通道的软体驱动器6，软体驱动器6在气压驱动下可以产生预期的变形。
所述的可编程控制的气源1、控制阀2、软体导管A3、气压传感器4、软体导管B5的数量均与软体驱动器6的气体通道数相对应；可编程控制的气源1、控制阀2、软体导管A3、气压传感器4、软体导管B5和软体驱动器6的气体通道依次顺序连接，所述的可编程控制的气源1、控制阀2、气压传感器4和上位机8均与微控制器7连接，显示器9与上位机8连接。
上位机8控制输入软体驱动器6预期变形所对应的正负气压值信号；微控制器7为通讯与处理模块，可编程控制的气源1接收来自微控制器7的控制信号并执行，改变软体驱动器6气体通道中的气压大小，使软体驱动器6在可编程控制的气源1的驱动下达到预期的变形状态；气压传感器4实时监测软体驱动器6气体通道内的气压值并将响应信号反馈于微控制器7进行闭环控制，并通过上位机8将实时的气压值变化趋势以图表等形式通过显示器9显示，控制阀2接收来自微控制器7的控制信号并执行，控制软体驱动器6气体通道与可编程控制的气源1之间气体流通的通断状态，防止气体通道内气压值异常而损害软体驱动器6。
所述的上位机8为笔记本电脑、台式电脑或迷你电脑(如Raspberry Pi或BananaPi)等。
所述的微控制器7为带有控制芯片和若干个I/O口的开发板，如stm32单片机、AVR单片机、Arduino Uno、Arduino Mega等，可以在上位机8的控制程序代码编译软件平台上对微控制器7进行编写程序，同时向上位机8传送数据。
所述的可编程控制的气源1为自行设计的、可编程控制的装置。
所述的软体导管A3和软体导管B5均为硅胶管；所述的软体驱动器6的材质为软材料。
所述的控制平台实现多通道正负气压值控制的工作方法包括以下步骤：
步骤S1，安装待测试的软体驱动器6，对整个控制平台的各部件进行物理连接，进入步骤S2；
步骤S2，在上位机8中输入各个通道控制的目标气压值信息，并将目标气压值信息传输至微控制器7，进入步骤S3；
步骤S3，判断各通道的气压传感器4传输到微控制器7的各通道响应信息和从上位机8接收到的各通道目标气压值信息是否对应一致，若是，则重复执行步骤S3，若否，则执行步骤S4；
步骤S4，分别判断不同气压传感器4传输到微控制器7的各通道响应信息值是否高于从上位机8接收到的该通道目标气压值，若是，则进入步骤S5，若否，则进入步骤S6；
步骤S5，微控制器7将步骤S4中响应信息高于目标气压值的通道的降压指令传输至对应可编程控制的气源1，进入步骤S7；
步骤S6，微控制器7将步骤S4中响应信息低于目标气压值的通道的增压指令传输至对应可编程控制的气源1，进入步骤S7；
步骤S7，可编程控制的气源1接收微控制器7发出的多通道气压调整指令并执行，进入步骤S8；
步骤S8，微控制器7将多通道的气压信息传输至上位机8，进入步骤S9；
步骤S9，上位机8将多通道的气压信息做可视化处理并显示于显示器9。
进一步地，所述控制平台实现多通道气压控制的过压保护(气压过大或过小)的工作方法，包括以下步骤：
步骤S10，安装待测试的软体驱动器6，对整个控制平台的各部件进行物理连接，进入步骤S11；
步骤S11，在上位机8中输入各个通道控制的目标气压值信息，并将其传输至微控制器7，进入步骤S12；
步骤S12，判断各通道的气压传感器4传输到微控制器7的各通道响应信息是否异常，若是，则执行步骤S13，若否，则执行步骤S14；
步骤S13，控制阀2控制步骤S12中响应信息异常的通道中气体的通断状态为断，返回步骤S12；
步骤S14，控制阀2控制各个通道中气体的通断状态为通，返回步骤S12。
进一步地，步骤S2中所述的目标气压值信息为指定的气压值或气压值的时序信号。
本发明的有益效果：本发明提供的软体驱动器控制平台能够实现多通道正负气压控制，适用于正负压驱动的软体驱动器，微控制器和上位机的程序编写空间大，可拓展性好，造价低廉。
附图说明
图1为本发明所述控制平台的模块示意图。
图2为本发明所述控制平台实现多通道气压控制的模块示意图。
图3为本发明所述控制平台实现多通道气压控制的工作方法流程图。
图4为本发明所述控制平台实现多通道气压控制的过压保护的工作方法流程图。
图5为本发明使用的一种可编程控制的气源实例的结构图。
图6为本发明实施例1的气压值控制示意图。
图7为本发明实施例2的气压值控制示意图。
图8为本发明实施例3的气压值控制示意图。
图9为本发明实施例4的气压值控制示意图。
图10为本发明实施例5的气压值控制示意图。
图中：1.可编程控制的气源；2.控制阀；3.软体导管A；4.气压传感器；5.软体导管B；6.软体驱动器；7.微控制器；8.上位机；9.显示器；310.可编程控制的气源模块；320.步进电机驱动器；321.导线；322.步进电机；323.底座；324.滑台；325.丝杠；326.活塞芯杆；327.针筒；520.软体导管C；410.控制阀模块；510A.软体导管模块A；510B.软体导管模块B；610.气压传感器模块；710.软体驱动器模块。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明提供的气动力软体驱动器控制平台作进一步详细的说明。
参见图1，为本发明所提供的控制平台的模块示意图，所述的控制平台包括可编程控制的气源1、控制阀2、软体导管A3、气压传感器4、软体导管B5、微控制器7、上位机8和显示器9，控制平台面向的对象是软体驱动器6。
参见图2，为本发明提供的控制平台实现多通道气压控制的模块示意图，其中包括可编程控制的气源模块310、控制阀模块410、软体导管模块A510A、软体导管模块B510B、气压传感器模块610分别对应多个可编程控制的气源1、控制阀2、软体导管A3、软体导管B5、气压传感器4的组成集合，每个模块中所包含的具体功能装置的个数为控制平台中的气体通路数目。
可编程控制的气源1、控制阀2、软体导管A3、气压传感器4、软体导管B5和软体驱动器6的气体通道依次顺序连接，所述的可编程控制的气源1、控制阀2、气压传感器4和上位机8均与微控制器7连接，显示器9与上位机8连接。
本实施例中，所述上位机8为笔记本电脑，搭载Intel i5-7200U CPU@2.50GHz2.70GHz,Windows10,运行内存12GB,64位操作系统。上位机8作为交互平台，用于微控制器7编译和通信，并且上位机8使用Matlab和Arduino IDE进行程序编写，通过串口对微控制器7传送命令，并对回传的响应信息作可视化处理，实时以图表或数字等形式呈现于显示器9。
本实施例中使用的微控制器7为Arduino Uno R3，是一款单板的微控制器和一整套开发软件，它的硬件包含一个以ATme-ga328p为核心的开发板和其它各种I/O板，软件包括一个标准编程语言开发环境和在开发板上运行的烧录程序；可以实现在上位机8的软件平台Arduino IDE上对微控制器7进行编写程序，同时微控制器7可以向上位机8传送数据。
所述可编程控制的气源1是指其可接收来自微控制器7的控制信号并执行，改变气体通道中气压大小的装置。本实施例中使用的可编程控制的气源1是经过自行组装设计的装置，图5为本实施例使用的一种可编程控制的气源实例的结构图，包括步进电机驱动器320、导线321、步进电机322、底座323、滑台324、丝杠325、活塞芯杆326、针筒327和软体导管C520。其中导线321、步进电机322、底座323、滑台324、丝杠325组成的装置为步进电机丝杠滑台。本实施例中使用的步进电机丝杠滑台为GGP精密双光轴滚珠丝杆，所使用的步进电机驱动器320为57步进电机驱动DM542(50V 4A)128细分DSP数字式。
本实施例中使用的可编程控制的气源1的工作原理为：当步进电机驱动器320接收到来自微控制器7的控制信号后，步进电机322通过导线321与步进电机驱动器320相连，根据控制信号中脉冲的频率和占空比执行丝杠325的转动，从而使滑台324在导轨上平移，由于针筒327与底座323相固定，活塞芯杆326与滑台324相固定，滑台324的平移引起活塞芯杆326的移动，从而改变气体通道内气压值的大小。由可编程控制的气源1的工作原理，可通过为滑台324设置合理的初始位置，对微控制器7内程序进行编写，使滑台324相对于初始位置的向前和向后移动实现对气体通路中正负气压值的控制。
本实施例中使用的控制阀2为SMC VQ100 3通电磁阀和JQC-3FF/T73电磁继电器配合使用，其功能是为了防止应用过程中气体通路中的气压值过高或过低，从而导致软体驱动器6的破坏。所述控制阀2实现多通道气压控制的过压保护的工作方法流程图参见图4。
所述软体导管的作用是连接各气体通路中的元件或装置，并保证密封，本实施例中使用的软体导管为硅胶管。
所述气压传感器4用于监测气体通道中的气压值并将信号传送至微控制器7的I/O口，本实施例中使用的气压传感器4为XGZP6857型气体压力传感器，量程为-100～100kP。
所述软体驱动器6为气动力的、软材料制成的、内嵌气体通道的驱动器，可在正负气压的作用下产生指定的变形，按照气体通道内气压值的变化是否相同可分为单通道软体驱动器和多通道软体驱动器。鉴于所选用的微控制器7的I/O口数目，本实施例最大通道数为3，但可以通过改换微控制器类型或在各气体通路中加入比例阀等方法提高本发明所提供的控制平台的控制通道的数目，这也是本发明所述控制平台可拓展性好的优势所在。
本发明所提供的的控制平台不仅适用于正压驱动的软体驱动器，也适用于负压驱动的软体驱动器，还适用于同时有正负压控制需求的软体驱动器，就正压驱动的软体驱动器而言，驱动方式为：先给定一个目标正压P1，让气体通道中的气压值从0增大到该目标正压值P1，此时软体驱动器产生预期的变形，维持一段时间后，再给定目标气压值为0或其他低于P1的气压值，之后软体驱动器的变形会发生改变，循环这一过程，软体驱动器完成周期性的动作，从而实现某种实用的功能。负压驱动的软体驱动器在给定目标气压值时先给定目标负压P2，之后给定气压值0或其他某高于P2的气压值。
参见图3，为本发明控制平台实现多通道正负气压控制的算法流程图。在所述的控制平台实际工作时，会在上位机8中编写好对应程序，以确保所述的控制平台正常工作。具体步骤如下：
步骤S1，安装待测试的软体驱动器6，对整个控制平台的各部件进行物理连接，进入步骤S2；
步骤S2，在上位机8中输入各个通道控制的目标气压值信息，并将目标气压值信息传输至微控制器7，进入步骤S3；
步骤S3，判断各通道的气压传感器4传输到微控制器7的各通道响应信息和从上位机8接收到的各通道目标气压值信息是否对应一致，若是，则重复执行步骤S3，若否，则执行步骤S4；
步骤S4，分别判断不同气压传感器4传输到微控制器7的各通道响应信息值是否高于从上位机8接收到的该通道目标气压值，若是，则进入步骤S5，若否，则进入步骤S6；
步骤S5，微控制器7将该通道的降压指令传输至对应可编程控制的气源1，进入步骤S7；
步骤S6，微控制器7将该通道的增压指令传输至对应可编程控制的气源1，进入步骤S7；
步骤S7，可编程控制的气源1接收微控制器7发出的多通道气压调整指令并执行，进入步骤S8；
步骤S8，微控制器7将多通道的气压信息传输至上位机8，进入步骤S9；
步骤S9，上位机8将多通道的气压信息做可视化处理并显示于显示器9。
其中，步骤S1只用在所述控制平台一开始运行时操作一次即可，步骤S2在工作过程中随时执行，步骤S2中的目标气压值信息为指定的气压值或气压值的时序信号。
参见图6，为实施例1的气压控制示意图。实施例1为图3所示的多通道气压控制方法在软体驱动器只有一个气体通道时的情况，方法如下：步骤S1，安装待试验的单通道软体驱动器，对整个控制平台的各部件进行物理连接；步骤S2，在上位机中输入单通道控制的目标气压值P1；并将其传输至微控制器；步骤S3，控制平台刚工作时气体管路中气压值为0kPa，依次进入上述步骤S4、步骤S6、步骤S7，从而使管路中的气压值从0kPa开始增大；当通道中的气压值增大到P1后，不断反复执行步骤S3，此时可编程控制的气源不执行任何操作，气压值不变；当管路气压中受到干扰，气压值突然超过或低于P1后，进入步骤S3、步骤S4、步骤S5、步骤S6、步骤S7，这时可编程控制的气源执行降压或增压指令，管路中的气压会恢复至P1；在控制平台开始工作后，根据步骤S8与步骤S9将管路中实时的气压值记录下来并以图表等形式呈现于显示器，整个过程中气体通道内气压值的变化趋势同图6。
参见图7，为实施例2的气压控制示意图。在实施例1的基础上，实施例2的工作过程为：当通道气压值从0增大至P1后，软体驱动器产生预期的变形，维持(t2-t1)时间后，通道内气压值从P1增大至P2，软体驱动器产生另一预期的变形，再维持(t4-t3)时间后，气压值从P2降低至0kPa。在控制平台开始工作后，将通道中实时的气压值记录下来并以图表等形式呈现于显示器，整个过程中气体通道内气压值的变化趋势同图7。
参见图8，为实施例3的气压控制示意图。在实施例1和实施例2的基础上，实施例3的工作过程为：当通道内气压值从0增大至P2后，软体驱动器产生预期的变形，维持(t2-t1)时间后，通道气压值从P2减小至负压P1，软体驱动器产生另一种预期变形，再维持(t4-t3)时间后，气压值从P1增大至0kPa，之后以T＝t5＝(t6-t5)为一个周期重复这一过程。在控制平台开始工作后，将通道中实时的气压值记录下来并以图表等形式呈现于显示器，整个过程中气体通道内气压值的变化趋势同图8。
参见图9，为实施例4的气压控制示意图。实施例4为多通道控制，具体通道数为3。所述控制平台的工作方法如下：步骤S1，安装待试验的软体驱动器，对整个控制平台的各部件进行物理连接；步骤S2，在上位机中输入多通道控制的目标气压值；在第一个工作阶段(0～t1时间内)中，进入步骤S3，控制平台刚工作时三个通道中的气压值均为0kPa，依次进入步骤S4、步骤S5、步骤S6、步骤S7，从而使通道中的气压值从0kPa开始增大或减小；当某一通道中的气压值达到该通道的目标气压值后，不断反复执行步骤S3，此时该通路中可编程控制的气源不执行任何操作，该通路气压值不变；当某一通道气压中受到干扰，气压值突然超过或低于该通路目标气压值后，进入步骤S3、步骤S4、步骤S5、步骤S6、步骤S7，这时该通路中可编程控制的气源执行降压或增压命令，该通道中的气压会恢复至目标气压值；在第二个工作阶段(t1～t2时间内)中，通道中气压值保持不变(t2-t1)时间，进入第三个工作阶段后(t2～t3时间内)，第三个工作阶段具体流程与第一个工作阶段相似，从而使各通道内的气压值变化到指定的目标值。在该控制平台开始工作后，根据步骤S8与步骤S9将通道内实时的气压值记录下来并以图表等形式呈现于显示器，整个过程中各通道内气压值的变化趋势同图9。
参见图10，为实施例5的气压控制示意图。在实施例3和实施例4的基础上，实施例5的工作过程为：当三个通道内的气压值从0kPa分别增大至P1、P2、P3后，含有三个气体通道的软体驱动器产生预期的变形，维持一段时间后，通道内气压值分别从P1、P2、P3减小至0kPa，软体驱动器恢复至初始状态，再维持(t2-t1)时间，之后以T＝t2＝(t4-t2)为周期重复这一过程。在控制平台开始工作后，将通道中实时的气压值记录下来并以图表等形式呈现于显示器，整个过程中各通道内气压值的变化趋势同图10。
上述实施例仅仅是本发明所述控制平台所能实现功能中的一些例子，可以通过修改计算机程序实现其他预期的控制。同时，控制平台所能控制通道的数目也不限于实施例中的3个通道。总之，可根据本发明提供的技术思路搭建与实施例中实体装置相类似的控制平台。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，对本发明的技术方案进行依据本发明思路作出的变化，都应属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气动力软体驱动器控制平台，其特征在于，该控制平台包括：可编程控制的气源(1)、控制阀(2)、软体导管A(3)、气压传感器(4)、软体导管B(5)、微控制器(7)、上位机(8)和显示器(9)；
所述控制平台的控制对象为内嵌有气体通道的软体驱动器(6)，软体驱动器(6)在气压驱动下产生预期的变形；
所述的可编程控制的气源(1)、控制阀(2)、软体导管A(3)、气压传感器(4)、软体导管B(5)的数量均与软体驱动器(6)的气体通道数相对应；可编程控制的气源(1)、控制阀(2)、软体导管A(3)、气压传感器(4)、软体导管B(5)和软体驱动器(6)的气体通道依次顺序连接，所述的可编程控制的气源(1)、控制阀(2)、气压传感器(4)和上位机(8)均与微控制器(7)连接，显示器(9)与上位机(8)连接；
上位机(8)控制输入软体驱动器(6)预期变形所对应的正负气压值信号；微控制器(7)为通讯与处理模块，微控制器(7)控制可编程控制的气源(1)来改变软体驱动器(6)气体通道中的气压大小，使软体驱动器(6)在可编程控制的气源(1)的驱动下达到预期的变形状态，同时气压传感器(4)实时监测软体驱动器(6)气体通道内的气压值并反馈于微控制器(7)进行闭环控制，同时通过上位机(8)将实时气压值变化趋势以图表形式通过显示器(9)显示；控制阀(2)控制软体驱动器(6)气体通道与可编程控制的气源(1)之间气体流通的通断状态，防止气体通道内气压值异常而损害软体驱动器。
2.根据权利要求1所述的一种气动力软体驱动器控制平台，其特征在于，所述的上位机(8)包括控制程序代码编译软件平台，所述的微控制器(7)为带有控制芯片和若干个I/O口的开发板，实现在上位机(8)的控制程序代码编译软件平台上对微控制器(7)进行编写程序，同时向上位机(8)传送数据。
3.根据权利要求1或2所述的一种气动力软体驱动器控制平台，其特征在于，所述的可编程控制的气源(1)包括步进电机驱动器(320)、导线(321)、步进电机(322)、底座(323)、滑台(324)、丝杠(325)、活塞芯杆(326)和针筒(327)；步进电机(322)一端通过导线(321)与步进电机驱动器(320)相连，步进电机(322)另一端固定在底座(323)上并与丝杠(325)相连，丝杠(325)的两端均水平固定在底座(323)上，所述步进电机(322)带动丝杠(325)转动，滑台(324)在丝杠(325)上平移，针筒(327)与底座(323)固定，活塞芯杆(326)与滑台(324)固定，滑台(324)平移引起活塞芯杆(326)移动。
4.根据权利要求1或2所述的一种气动力软体驱动器控制平台，其特征在于，所述的软体导管A(3)和软体导管B(5)均为硅胶管；所述的软体驱动器(6)的材质为软材料。
5.根据权利要求3所述的一种气动力软体驱动器控制平台，其特征在于，所述的软体导管A(3)和软体导管B(5)均为硅胶管；所述的软体驱动器(6)的材质为软材料。
6.如权利要求1～5任一所述的气动力软体驱动器控制平台实现多通道正负气压值控制的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，安装待测试的软体驱动器(6)，对整个控制平台的各部件进行物理连接，进入步骤S2；
步骤S2，在上位机(8)中输入各个通道控制的目标气压值信息，并将目标气压值信息传输至微控制器(7)，进入步骤S3；
步骤S3，判断各通道的气压传感器(4)传输到微控制器(7)的各通道响应信息和从上位机(8)接收到的各通道目标气压值信息是否对应一致，若是，则重复执行步骤S3，若否，则执行步骤S4；
步骤S4，分别判断不同气压传感器(4)传输到微控制器(7)的各通道响应信息值是否高于从上位机(8)接收到的该通道目标气压值，若是，则进入步骤S5，若否，则进入步骤S6；
步骤S5，微控制器(7)将步骤S4中响应信息高于目标气压值的通道的降压指令传输至对应可编程控制的气源(1)，进入步骤S7；
步骤S6，微控制器(7)将步骤S4中响应信息低于目标气压值的通道的增压指令传输至对应可编程控制的气源(1)，进入步骤S7；
步骤S7，可编程控制的气源(1)接收微控制器(7)发出的多通道气压调整指令并执行，进入步骤S8；
步骤S8，微控制器(7)将多通道的气压信息传输至上位机(8)，进入步骤S9；
步骤S9，上位机(8)将多通道的气压信息做可视化处理并显示于显示器(9)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，软体驱动器控制平台实现多通道气压控制的过压保护的方法包括以下步骤：
步骤S10，安装待测试的软体驱动器(6)，对整个控制平台的各部件进行物理连接，进入步骤S11；
步骤S11，在上位机(8)中输入各个通道控制的目标气压值信息，并将其传输至微控制器(7)，进入步骤S12；
步骤S12，判断各通道的气压传感器(4)传输到微控制器(7)的各通道响应信息是否异常，若是，则执行步骤S13，若否，则执行步骤S14；
步骤S13，控制阀(2)控制步骤S12中响应信息异常的通道中气体的通断状态为断，返回步骤S12；
步骤S14，控制阀(2)控制各个通道中气体的通断状态为通，返回步骤S12。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述的目标气压值信息为指定的气压值或气压值的时序信号。
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