李曉萌，黃海明，溫淑煥，袁 毅,*

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004； 2.深圳大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518060)

0 引言

目前，氣壓控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)之中，航空電子設(shè)備需要提供仿真激勵(lì)作用的氣壓控制系統(tǒng)；在化工、機(jī)械和采礦領(lǐng)域需要用到空氣壓縮機(jī)供氣系統(tǒng)；醫(yī)療行業(yè)需要對(duì)特定的氣體進(jìn)行壓力控制，或者使用特定的氣體對(duì)生化試劑進(jìn)行推動(dòng)；機(jī)器人行業(yè)需要使用氣壓控制器對(duì)軟體模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以完成各類(lèi)目標(biāo)動(dòng)作。為此，研究人員發(fā)明設(shè)計(jì)了各種各樣的氣壓控制器或控制系統(tǒng)。

為滿(mǎn)足行業(yè)需求，研究人員發(fā)明設(shè)計(jì)了各種各樣的氣壓控制器或控制系統(tǒng)。氣壓控制系統(tǒng)是指用電子/電氣設(shè)備作為控制裝置，以氣動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的綜合系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1]基于STM32控制板設(shè)計(jì)了一種校準(zhǔn)水位檢測(cè)計(jì)出廠設(shè)置的氣壓頻率控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度，適應(yīng)生產(chǎn)需求；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種基于比例調(diào)節(jié)閥的氣壓控制系統(tǒng)，滿(mǎn)足多材料生物3D打印一體成型的應(yīng)用需求；文獻(xiàn)[3]采用FPGA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了熱壓罐溫度和氣壓控制；文獻(xiàn)[4]針對(duì)現(xiàn)有空氣壓縮機(jī)性能單一現(xiàn)狀，提出了一種同時(shí)提供高、低壓供氣系統(tǒng)方案；文獻(xiàn)[5]針對(duì)航空電子設(shè)備研制過(guò)程中所需的動(dòng)態(tài)壓力模擬裝置，提出了一種新型混合氣壓控制策略及系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)并搭建軟體手指組氣動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行抓握實(shí)驗(yàn)。然而上述氣壓控制器或控制系統(tǒng)功能單一、通道數(shù)量少，極大限制了自身應(yīng)用范圍。當(dāng)受控對(duì)象需要多路氣壓控制通道時(shí)，需同時(shí)使用多個(gè)氣壓控制器，這提高了使用成本，造成了資源浪費(fèi)。

近年來(lái)，軟體機(jī)器人發(fā)展迅速，且種類(lèi)繁多，控制日趨復(fù)雜，常見(jiàn)的腔道致動(dòng)器如兩腔、三腔道致動(dòng)器[7-10]需使用多路正向氣壓通道驅(qū)動(dòng)；變剛度機(jī)器人[11-14]需使用負(fù)向氣壓通道驅(qū)動(dòng)；多腔道變剛度軟體機(jī)器人需同時(shí)使用多路正向氣壓通道和負(fù)向氣壓通道驅(qū)動(dòng)。而現(xiàn)有氣壓控制器或控制系統(tǒng)很難同時(shí)滿(mǎn)足這些控制需求。因此，本文研究并設(shè)計(jì)了一種多通道可擴(kuò)展氣壓控制器，此氣壓控制器以STM32F407單片機(jī)為核心，集信號(hào)采集、氣壓實(shí)時(shí)顯示、氣壓反饋值顯示、模式切換和操作控制于一體，擁有上位機(jī)模式和手動(dòng)模式兩種模式，包含十路正向氣壓通道，一路負(fù)向氣壓通道以及一路混合氣壓通道，并可以更換氣壓閥組進(jìn)行功能擴(kuò)展。此氣壓控制器自身性能良好，兼容性高，可同時(shí)滿(mǎn)足各類(lèi)復(fù)雜軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)需求。

1 氣壓控制器方案設(shè)計(jì)

該氣壓控制器設(shè)計(jì)思路是：1)采用STM32F407單片機(jī)作為控制器，以此實(shí)現(xiàn)各模塊功能。2)氣壓控制器包含十二路氣壓通道，其中十路為正向氣壓通道，一路為負(fù)向氣壓通道，一路為混合氣壓通道，各通道相互獨(dú)立，互不干擾。氣壓閥組可模塊化安裝與拆除，便于后期功能擴(kuò)展。3)氣壓控制器含有兩種控制模式：手動(dòng)模式和上位機(jī)模式，兩種模式互不干擾，提高氣壓控制器容錯(cuò)性，其中擴(kuò)展性功能在上位機(jī)模式中添加。

氣壓控制器的方案設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示，當(dāng)氣壓控制器運(yùn)行時(shí)，首先利用模式選擇電位器進(jìn)行模式選擇，若為上位機(jī)模式，STM32主控板通過(guò)CAN模塊接收上位機(jī)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，從而實(shí)現(xiàn)各通道氣壓控制。若為手動(dòng)模式，STM32主控板通過(guò)RS232接口電路接收STM32次控板傳輸來(lái)的采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，從而實(shí)現(xiàn)各通道氣壓控制。與此同時(shí)，氣壓控制器利用LCD屏實(shí)時(shí)顯示各通道當(dāng)前氣壓值。

圖1 氣壓控制器設(shè)計(jì)原理圖Fig. 1 Design schematic diagram of air pressure controller

氣壓控制器氣路流通方向如圖1所示。使用正向氣壓通道時(shí)，氣體從正壓氣源流出，流向受控正壓比例閥，輸出指定氣壓到受控對(duì)象；使用負(fù)向氣壓通道時(shí)，氣體從負(fù)壓氣源流出，流向受控負(fù)壓比例閥，并輸出指定負(fù)壓到受控對(duì)象，受控對(duì)象體內(nèi)氣壓被快速抽出；使用混合氣壓通道時(shí)，先進(jìn)行正負(fù)氣路選擇，若為正，則氣體流通方向與正向氣壓通道相同，若為負(fù)，則氣體流通方向與負(fù)向氣壓通道相同。

2 氣壓控制器裝置設(shè)計(jì)

氣壓控制器裝置設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中硬件設(shè)計(jì)分為十二路氣壓通道設(shè)計(jì)、混合氣壓通道設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)分為串行通信協(xié)議設(shè)計(jì)、上位機(jī)設(shè)計(jì)和氣壓數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理算法。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1十二路氣壓通道設(shè)計(jì)

氣壓控制器選用控制電壓為0～10 V的Festo VEAB比例閥作為控制閥；選用STM32單片機(jī)作為控制核心，并利用DAC輸出比例閥控制電壓。氣壓控制器有十二路氣壓通道，僅憑單片機(jī)自帶DAC無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，故選用兩片外置TLV5608 DAC芯片進(jìn)行擴(kuò)展。又因?yàn)樵谏衔粰C(jī)模式下，需用ADC采樣12路氣壓通道比例閥反饋電壓，以顯示實(shí)時(shí)氣壓；在手動(dòng)模式下，需用ADC采樣12路手動(dòng)電位器電壓，以輸出各通道控制電壓，且單塊控制板板載資源不足，故選用兩塊相同STM32控制板進(jìn)行設(shè)計(jì)。氣壓控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。手動(dòng)模式下，次控板通過(guò)ADC采樣十二路通道手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器電壓，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口電路傳輸至主控板，主控板接收并解析數(shù)據(jù)，然后利用DAC輸出控制電壓，進(jìn)而輸出各通道氣壓。上位機(jī)模式下，主控板通過(guò)CAN模塊，接收上位機(jī)傳輸?shù)氖吠ǖ罋鈮涸O(shè)定值數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后利用DAC輸出控制電壓，進(jìn)而輸出各通道指定氣壓，同時(shí)主控板通過(guò)ADC采樣各通道實(shí)時(shí)氣壓并反饋給上位機(jī)。此外，將十二路氣壓閥組封裝模塊化，利用卡槽固定于氣壓箱內(nèi)，后續(xù)氣壓控制器功能擴(kuò)展時(shí)，方便拆卸、安裝，利于提高氣壓控制器的兼容性。

2.1.2混合氣壓通道設(shè)計(jì)

混合氣壓通道是十二路氣壓通道中的一路，此通道氣壓閥由正壓比例閥、負(fù)壓比例閥和電磁閥共同組成，統(tǒng)稱(chēng)為混合閥。其設(shè)計(jì)原理如圖3所示，混合閥將電磁閥倒用，正壓比例閥連接電磁閥常閉口，負(fù)壓比例閥連接電磁閥常開(kāi)口，氣壓受控對(duì)象連接電磁閥進(jìn)氣口，通過(guò)控制電磁閥的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)混合閥正負(fù)氣壓切換。

圖3 混合閥設(shè)計(jì)原理圖Fig.3 Design schematic diagram of mixed valve

手動(dòng)模式下，混合氣壓通道手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器電壓區(qū)間分為正壓區(qū)間和負(fù)壓區(qū)間，ADC采樣時(shí)，若電壓處于正壓區(qū)間，主控板置高I/O模塊并驅(qū)動(dòng)PLC放大板，電磁閥常閉口打開(kāi)，混合氣壓通道輸出正向氣壓；若處于負(fù)壓區(qū)間，主控板重置I/O模塊，不驅(qū)動(dòng)PLC放大板，電磁閥常開(kāi)口打開(kāi)，混合氣壓通道輸出負(fù)向氣壓?；旌蠚鈮和ǖ罋鈮捍笮∮葾DC采樣電壓在各電壓區(qū)間所占比值大小決定。上位機(jī)模式下，利用通道設(shè)定氣壓值正負(fù)進(jìn)行氣壓選擇，為正則輸出正向氣壓，為負(fù)則輸出負(fù)向氣壓，混合閥控制方式同手動(dòng)模式。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1串行通信協(xié)議設(shè)計(jì)

氣壓控制器有兩處需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：1)手動(dòng)模式下，次控板將十二路手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器電壓通過(guò)RS232串口電路傳輸至主控板；2)上位機(jī)模式下，上位機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)CAN控制板，將各通道氣壓設(shè)定值傳輸至主控板，同時(shí)主控板將各通道實(shí)時(shí)氣壓值反饋給上位機(jī)?？紤]到程序編寫(xiě)的便捷性，采取一套通信協(xié)議同時(shí)滿(mǎn)足上述兩種情況，具體協(xié)議如表1所示。

表1 串行通信協(xié)議Tab.1 Serial communication protocol

由于氣壓控制器模式多，通道數(shù)量多，且有正/負(fù)氣壓，所以通信協(xié)議中應(yīng)考慮控制模式、氣壓模式、通道、氣壓值等參數(shù)，出于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸安全性考慮，通信協(xié)議采用固定長(zhǎng)度指令格式，該指令在包含上述參數(shù)同時(shí)，又包含幀頭、幀尾及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等限制位。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，程序先檢查幀頭、幀尾是否正確，再判斷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后將剩余幾位數(shù)據(jù)提取出來(lái)進(jìn)行相關(guān)電路控制。

2.2.2上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用Labview軟件編寫(xiě)，其界面設(shè)計(jì)如圖4所示，包含主界面和三頁(yè)副界面。圖4(a)為上位機(jī)主界面，主界面主要對(duì)上位機(jī)通信進(jìn)行配置，如串口通道的選擇、波特率的設(shè)置、上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸功能的開(kāi)斷，上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的顯示以及氣壓控制模式的選擇等等；副界面主要對(duì)各種氣壓控制模式做更詳細(xì)的通道設(shè)計(jì)，圖4(b)為基本氣壓控制模式，此模式是本文設(shè)計(jì)的十二路氣壓通道對(duì)應(yīng)氣壓控制模式，在此副界面內(nèi)，操作人員可依據(jù)規(guī)定氣壓范圍輸入各通道設(shè)定氣壓值，并可以根據(jù)需要同時(shí)選取全部通道或者某幾路通道進(jìn)行使用，氣壓控制器運(yùn)行后該界面會(huì)自動(dòng)接收并顯示下位機(jī)傳來(lái)的使用通道實(shí)際氣壓值，即反饋值。

(a) 上位機(jī)主界面

(b) 基本氣壓控制模式

對(duì)于氣壓控制箱的擴(kuò)展功能，由于手動(dòng)模式已經(jīng)固定，故將擴(kuò)展功能氣壓控制模式放于上位機(jī)模式中設(shè)計(jì)，操作人員根據(jù)使用需求更換氣壓閥組，并于副界面中進(jìn)行通道設(shè)計(jì)，如圖4(a)中的單通道模式和多通道模式，擴(kuò)展功能界面在此處不做過(guò)多介紹。

2.2.3氣壓數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理算法

選用的TLV5608是一款10位8通道外置DAC芯片，其經(jīng)放大電路放大后可輸出0～10 V電壓，取值范圍為0～1023；選用的手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器型號(hào)為WDD35D-4，可360°無(wú)限旋轉(zhuǎn)，其有效分壓旋轉(zhuǎn)角度為345°?？紤]到電位器分壓從10 V跳變到0 V對(duì)應(yīng)的無(wú)效角度較小，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留0.8 V緩沖電壓，即有效采樣電壓為0～9.2 V，降壓分壓后ADC對(duì)應(yīng)的電壓范圍為0～3 V，對(duì)應(yīng)取值范圍為0～3 723，下面對(duì)手動(dòng)模式和上位機(jī)模式分別進(jìn)行詳細(xì)氣壓值計(jì)算。

設(shè)氣壓比例閥氣壓量程差絕對(duì)值為vp，手動(dòng)模式下，設(shè)各通道手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器電壓為x1，ADC值為

(1)

正向/負(fù)向氣壓通道中，DAC值為

(2)

在混合氣壓通道中，采樣電壓分為三段區(qū)間，0～3.68 V為正壓采樣區(qū)間，3.68～5.52 V為緩沖模式采樣區(qū)間，5.52～9.2 V為負(fù)壓采樣區(qū)間。正壓時(shí)，因?yàn)椴蓸与妷簠^(qū)間為0～3.68 V，經(jīng)過(guò)降壓分壓電路后，ADC對(duì)應(yīng)電壓區(qū)間為0～1.2 V，取值范圍約為0～1 489，DAC值為

(3)

負(fù)壓時(shí)，采樣電壓區(qū)間為5.52～9.2 V，經(jīng)過(guò)降壓分壓電路后，ADC對(duì)應(yīng)電壓區(qū)間為1.8～3 V，取值范圍約為2 234～3 723，DAC值為

(4)

各氣壓通道實(shí)時(shí)氣壓值為

(5)

其中，a1為手動(dòng)模式下各通道ADC采樣實(shí)時(shí)值，d1為手動(dòng)模式下各通道DAC實(shí)時(shí)值，p1為手動(dòng)模式下各通道實(shí)時(shí)氣壓值。

上位機(jī)模式下，因上位機(jī)中可直接輸入各通道氣壓值，故只需在程序中解算出DAC的值，便可在主控板中輸出氣壓比例閥控制電壓，進(jìn)而輸出設(shè)定氣壓，設(shè)設(shè)定氣壓值為p2，則DAC值為

(6)

其中，d2為上位機(jī)模式下各通道DAC值。

上位機(jī)模式下，氣壓反饋值通過(guò)ADC采樣比例閥反饋電壓獲得，氣壓比例閥反饋電壓范圍為0～10 V，設(shè)反饋電壓值為x2，ADC值計(jì)算公式與式(1)相似，則各通道反饋氣壓值為

(7)

其中，a3為反饋電壓對(duì)應(yīng)ADC采樣值，p3為各通道反饋實(shí)時(shí)氣壓值。

3 氣壓控制器樣機(jī)制作及實(shí)驗(yàn)研究

3.1 氣壓控制器及軟體模塊制作

為驗(yàn)證所提新型多通道、可擴(kuò)展氣壓控制器的合理性和實(shí)用性，本節(jié)依據(jù)前文描述搭建了氣壓控制器樣機(jī)。氣壓控制器樣機(jī)如圖5所示，主要包括進(jìn)氣口、控制板、電源、氣壓閥組和電磁閥組等幾個(gè)模塊。

圖5 氣壓控制器樣機(jī)Fig.5 Prototype of air pressure controller

此外，本節(jié)從氣壓響應(yīng)速度、氣壓控制精確性和氣壓穩(wěn)定性三個(gè)方面對(duì)氣壓控制器性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。同時(shí)，還制作了兩個(gè)三腔致動(dòng)器和一個(gè)變剛度模塊用于實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)，其制作流程如圖6和圖7所示。

氣壓控制器樣機(jī)主要包括進(jìn)氣口、控制板、電源、氣壓閥組和電磁閥等幾個(gè)模塊，在下文中，從氣壓響應(yīng)性能、氣壓控制精確度和氣壓穩(wěn)定性三個(gè)方面對(duì)氣壓控制器性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。此外，還制作了兩個(gè)三腔致動(dòng)器和一個(gè)變剛度皮膚，同時(shí)使用氣壓控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用于測(cè)試氣壓控制器的多通道驅(qū)動(dòng)和正/負(fù)氣壓驅(qū)動(dòng)性能，三腔致動(dòng)器和變剛度制作流程如圖6和圖7所示。

圖6 三腔致動(dòng)器制作流程圖Fig.6 Diagram of three cavity actuator production process

圖7 變剛度皮膚制作流程圖Fig.7 Diagram of variable stiffness skin production process

3.2 氣壓控制器性能測(cè)試

3.2.1氣壓響應(yīng)性能測(cè)試

氣壓響應(yīng)性能實(shí)驗(yàn)通過(guò)選取一路正壓通道、一路負(fù)壓通道和一路正負(fù)壓通道進(jìn)行測(cè)試。從圖8(a)正壓通道實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著正向設(shè)定氣壓不斷增大，氣壓控制器響應(yīng)速度逐漸變慢，響應(yīng)時(shí)間集中在200～900 ms之間；從圖8(b)負(fù)壓通道實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與正壓通道相比，負(fù)壓通道整體響應(yīng)更快，多集中于400～600 ms之間；從圖8(c)正負(fù)壓通道實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在正負(fù)壓通道中，正向氣壓在小于100 kPa時(shí)響應(yīng)速度比圖8(a)中要快，大約集中在250～550 ms之間，正負(fù)壓之間的切換速度非常迅速。由以上分析可知，隨著氣壓逐漸增大，氣壓控制器響應(yīng)時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間小于1 s，考慮到各種元器件存在自身響應(yīng)時(shí)間，氣壓控制器響應(yīng)速度很快。

(b) 負(fù)壓通道穩(wěn)定性測(cè)試

(a) 正壓通道穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)間

(a) 正壓通道響應(yīng)測(cè)試

(b) 負(fù)壓通道響應(yīng)測(cè)試

(c) 正負(fù)壓通道響應(yīng)測(cè)試

3.2.2氣壓精確度測(cè)試

由圖8可知，氣壓控制器在完成設(shè)定值響應(yīng)以后，氣壓穩(wěn)定在設(shè)定值附近，對(duì)此任意選取氣壓穩(wěn)定后500組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行氣壓精確度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，氣壓穩(wěn)定后實(shí)時(shí)氣壓與設(shè)定值氣壓之間誤差很小，氣壓精確度高達(dá)99%，氣壓控制器對(duì)氣壓可進(jìn)行精確控制。

表2 氣壓控制精度Tab.2 Accuracy of air pressure controllerkPa

3.2.3氣壓穩(wěn)定性測(cè)試

選取正向氣壓通道和負(fù)向氣壓通道700組數(shù)據(jù)進(jìn)行氣壓穩(wěn)定性測(cè)試，混合氣壓通道實(shí)驗(yàn)結(jié)果是正向氣壓和負(fù)向氣壓通道特殊情況，故不做單獨(dú)說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，正/負(fù)氣壓在到達(dá)設(shè)定值以后，一直穩(wěn)定在設(shè)定值附近，不會(huì)出現(xiàn)大的氣壓變化波動(dòng)，因此氣壓控制器可以實(shí)現(xiàn)氣壓長(zhǎng)久穩(wěn)定控制。

圖9 氣壓穩(wěn)定性測(cè)試圖Fig.9 Test of air pressure stability

3.3 軟體模塊驅(qū)動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1三腔致動(dòng)器彎曲測(cè)試

按圖6制作的三腔致動(dòng)器最大可承受200 kPa氣壓，在使用氣壓控制器控制氣壓的情況下，利用正壓通道對(duì)其中任一腔體充氣，三腔致動(dòng)器隨著氣壓不斷增加，彎曲越加明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，由于三腔致動(dòng)器長(zhǎng)度較短，在可承受氣壓范圍內(nèi)，最大可彎曲到94°。

圖10 三腔致動(dòng)器彎曲測(cè)試圖Fig.10 Bending test of three cavity actuator

3.3.2三腔致動(dòng)器伸長(zhǎng)測(cè)試

在使用氣壓控制器控制氣壓的情況下，利用正壓通道對(duì)三腔致動(dòng)器3個(gè)腔體同時(shí)充入相同氣壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，隨著氣壓不斷增加，腔體越來(lái)越長(zhǎng)，氣壓值與伸長(zhǎng)量大致成線性關(guān)系，在可承受氣壓范圍內(nèi)，最多可伸長(zhǎng)6.4 cm。

圖11 三腔致動(dòng)器伸長(zhǎng)測(cè)試圖Fig.11 Elongation test of three cavity actuator

3.3.3變剛度皮膚剛度變化測(cè)試

在使用氣壓控制器控制氣壓的情況下，利用負(fù)壓通道對(duì)變剛度皮膚進(jìn)行抽氣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，隨著負(fù)向氣壓逐漸增大，變剛度皮膚越來(lái)越硬，所能承受的砝碼重量越來(lái)越大。

圖12 剛度變化測(cè)試圖Fig.12 Test of stiffness change

3.4 氣壓控制器性能對(duì)比

各氣壓控制器/控制系統(tǒng)性能對(duì)比如表3所示。相比已有氣壓控制器/控制系統(tǒng)[1-6]，本文氣壓控制器的優(yōu)勢(shì)在于擁有十二路氣壓通道，以及可同時(shí)使用正向和負(fù)向氣壓。十二路氣壓通道包含十路正向氣壓通道、一路負(fù)向氣壓通道和一路混合氣壓通道。由于十二路氣壓通道互不干擾，使得本文氣壓控制器可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)受控對(duì)象；正壓/負(fù)氣壓通道的存在使得本文氣壓控制器可同時(shí)驅(qū)動(dòng)不同類(lèi)型的受控對(duì)象；混合氣壓通道的存在使得單通道既能充氣又能抽氣。因此本文氣壓控制器可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，特別是用于驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人時(shí)，幾乎可以滿(mǎn)足大部分實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)需求。

表3 氣壓控制器/系統(tǒng)性能對(duì)比Tab.3 Performance comparison of air pressure control system

4 結(jié)論

針對(duì)目前氣壓控制器驅(qū)動(dòng)復(fù)雜軟體機(jī)器人氣壓腔道數(shù)量不足，正/負(fù)氣壓無(wú)法同時(shí)使用和擴(kuò)展性差等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型多通道可擴(kuò)展的氣壓控制器，給出了多路氣壓通道和混合氣壓通道設(shè)計(jì)方法，并制作了氣壓控制器模型樣機(jī)和軟體模塊進(jìn)行氣壓控制器性能及多通道驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與已有氣壓控制器相比，本文設(shè)計(jì)的氣壓控制器在滿(mǎn)足性能要求的情況下，可以實(shí)現(xiàn)多通道氣壓同時(shí)驅(qū)動(dòng)，以及正/負(fù)氣壓的同時(shí)使用，滿(mǎn)足各類(lèi)復(fù)雜軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)需求。