复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人的气压控制系统

1.本发明是复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人的气压控制系统，也可用于攀爬机器人，工业吸盘等领域。


背景技术：

2.一般气压控制系统通过控制电磁阀的通断来实现气压的改变，这种气压控制方式无法实现气压连续改变，连续性较差，无法适用于复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人需要气压连续变化的场合；并且一般气压控制系统由单个气泵作用，只能实现负压或正压，应用场合较为单一。针对以上情况，有必要研究一种具有气压连续变化并且能够实现正压和负压相互切换的气压控制系统应用于复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人。


技术实现要素：

3.为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有气压连续变化并且能够实现正压和负压相互切换的气压控制系统，应用于复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人的气压控制系统，包括姿态传感器1、控制器2、真空泵3、打气泵4、气压传感器5和气压装置6；
6.姿态传感器1与控制器2相连，智能软体机器人上的姿态传感器1传送的连续变化的角度信息作为气压控制系统的输入信号，利用控制器2将连续变化的角度信息换算为连续变化的气压值；
7.控制器2分别连接真空泵3和打气泵4，通过真空泵3和打气泵4的协调配合实现气压装置6内气压升高或降低；控制器2用于控制真空泵3和打气泵4的流量，利用真空泵3和打气泵4的流量差，实现气压装置6内气压连续改变，并且达到真空泵3和打气泵4工作范围内的任意气压值；
8.气压传感器5分别连接控制器2和气压装置6，气压传感器5传送的气压装置6内连续变化的气压信息作为气压控制系统的反馈信号，与控制器2换算得到的气压值相比较，实现反馈控制，提高气压控制系统的准确性。
9.进一步，气压控制系统的智能软体机器人吸附在管道内壁上，当智能软体机器人吸附在管道内壁上环绕爬行时，满足其吸附在管道内壁上需要的最小负压值为：
[0010][0011]
其中，p是需要的最小负压值，μ1是智能软体机器人底部吸附装置与管道内壁的滑动摩擦系数，g是智能软体机器人所受重力，μ2是智能软体机器人底部吸附装置的安全系数，θ是气压控制系统与水平地面的夹角，η是气压控制系统的转化效率，s是智能软体机器
人底部吸附装置的吸附面积；
[0012]
智能软体机器人在管道内壁行进时，姿态是连续变化的，满足其吸附在管道内壁上的最小负压值也是连续线性变化；通过姿态传感器1获取连续变化的角度信息传送给控制器2，控制器2换算成连续变化的气压值，控制器2通过调节打气泵4的初始流量q2，使真空泵3的初始流量q1大于打气泵4的初始流量，即q1＞q2；此时智能软体机器人底部吸附装置内气压为负压，由于真空泵3的实际流量随负压值的增大而减小切满足q
11
＝k1p+q1，且当q2＝q
11
时，达到动态平衡，智能软体机器人的底部吸附装置内气压保持不变；故只需控制器2调节打气泵4的初始流量q2，使打气泵4的初始流量q2满足
[0013][0014]
即实现满足智能软体机器人吸附在管道内壁上需要的最小负压值连续变化。
[0015]
本发明的有益效果是：气压控制系统具有良好的连续性，适用于复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人在管道中气压连续变化的情况；拥有正压和负压相互切换的能力，增加了适用范围，可应用于攀爬机器人及工业吸盘等装置。
附图说明
[0016]
图1是复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人的气压控制系统效果图，其中1为姿态传感器，2为控制器，3为真空泵，4为打气泵，5为气压传感器，6为气压装置；
[0017]
图2是复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人的气压控制系统的控制策略图；
[0018]
图3是应用气压控制系统的智能软体机器人效果图；
[0019]
图4是应用气压控制系统的智能软体机器人在管道内效果图；
[0020]
图中：1姿态传感器，2控制器，3真空泵，4打气泵，5气压传感器，6气压装置，7智能软体机器人。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
[0022]
如图1所示，复杂管道内壁高速行进的智能软体机器人的气压控制系统，由姿态传感器1、控制器2、真空泵3、打气泵4、负压传感器5和气压装置6组成，姿态传感器1连接控制器2，控制器2分别与真空泵3和打气泵4相连，真空泵3和打气泵4连接气压装置6，负压传感器5与控制器2和气压装置6相连。
[0023]
如图2所示，姿态传感器1传送的连续变化的角度信息作为气压控制系统的输入信号，控制器2将连续变化的角度信息通过合适的算法换算为连续变化的气压值；通过真空泵3和打气泵4的协调配合实现气压装置6内气压升高或降低；控制器2可控制真空泵3和打气泵4的初始流量，初始流量是气泵的最大流量，真空泵3和打气泵4的初始流量分别记为q1和q2,由于真空泵3和打气泵4的自身特性，控制器2无法控制真空泵3在负压条件下，其实际流量随负压值的增大而自动减小,真空泵3的实际流量随负压值的增大而减小满足q
11
＝k1p+q1，其中q
11
为真空泵3的实际流量，k1为真空泵3的比例系数，p为气压装置6内气压值；控制器2也无法控制打气泵4在正压条件下，其实际流量随正压值的增大而自动减小，打气泵4的
实际流量随正压值的增大而减小满足q
22
＝-k2p+q2，q
22
为打气泵4的实际流量，k2为打气泵4的比例系数；在正压和标准大气压条件下，真空泵3的流量始终为初始流量q1，在负压和标准大气压条件下，打气泵4的流量始终为初始流量q2；利用真空泵3和打气泵4的流量差，可实现气压装置内气压改变；在标准大气压下，调节真空泵3的初始流量q1小于打气泵4的初始流量q2，即q1＜q2时，气压装置6内气压升高，根据打气泵4在正压条件下，打气泵4的实际流量随正压值的增大而减小满足q
22
＝-k2p+q2，当调节的真空泵3的初始流量q1等于打气泵4的实际流量q
22
,即q1＝q
22
时，达到动态平衡，此时气压装置6内为正压且气压保持不变；在标准大气压下，调节打气泵4的初始流量q2小于真空泵3的初始流量q1，即q1＞q2时，气压装置6内气压降低，根据真空泵3在负压条件下，真空泵3的实际流量随负压值的增大而减小满足q
11
＝k1p+q1，当调节的打气泵4的初始流量q2等于真空泵3实际流量q
11
,即q
11
＝q2时，达到动态平衡，此时气压装置6内为负压且气压保持不变；气压传感器5将气压装置6内气压信息传送给控制器2，与控制器2换算的气压值做实时比较，提高气压控制系统的精确性；实现了气压装置6内气压连续变化，并且可达到真空泵和打气泵工作范围内的任意气压值。
[0024]
如图3所示，将气压控制系统应用在智能软体机器人上，姿态传感器1将连续变化的角度信息传送给控制器2，控制器2经过合适的算法将连续变化的角度信息换算成连续变化的气压值，控制器2通过调节真空泵3和打气泵4的初始流量q1和q2来调节气压装置6中的气压，气压传感器5反馈气压装置6中的气压信息到控制器2，实现气压装置6内气压连续变化。
[0025]
如图4所示，应用气压控制系统的智能软体机器人吸附在管道内壁上，当智能软体机器人吸附在管道内壁上环绕爬行时，满足其吸附在管道内壁上需要的最小负压值为
[0026][0027]
其中，p是需要的最小负压值，μ1是智能软体机器人底部吸附装置与管道内壁的滑动摩擦系数，g是智能软体机器人所受重力，μ2是智能软体机器人底部吸附装置的安全系数，θ是气压控制系统与水平地面的夹角，η是气压控制系统的转化效率，s是智能软体机器人底部吸附装置的吸附面积；智能软体机器人在管道内行进时，姿态是连续变化的，满足其吸附在管道内壁上的最小负压值也是连续线性变化；通过姿态传感器1获取连续变化的角度信息传送给控制器2，控制器2经过上述算法换算成连续变化的气压值，控制器2通过调节打气泵4的初始流量q2,使真空泵3的初始流量大于打气泵4的初始流量，即q1＞q2，此时智能软体机器人底部吸附装置内气压为负压，由于真空泵3的实际流量随负压值的增大而减小满足q
11
＝k1p+q1，且当q2＝q
11
时，达到动态平衡，智能软体机器人底部吸附装置内气压保持不变；故只需控制器2调节打气泵4的初始流量q2，使打气泵4的初始流量q2满足
[0028][0029]
即可实现满足智能软体机器人吸附在管道内壁上需要的最小负压值连续变化。
[0030]
工作原理如下：
[0031]
标准大气压状态，需要负压时：
[0032]
步骤0：控制器2调节真空泵3和打气泵4的初始流量q1和q2，使真空泵3和打气泵4的初始流量相同，即q1＝q2，此时达到动态平衡，为标准大气压。
[0033]
步骤1：控制器2调节打气泵4的初始流量q2，使真空泵3的初始流量q1大于打气泵4的初始流量q2，即q1＞q2，此时气压装置6内气压降低，低于标准大气压为负压。
[0034]
步骤2：真空泵3的实际流量q
11
会随气压装置内负压值的增大而减小，满足q
11
＝k1p+q1，当真空泵3的实际流量q
11
与打气泵4的初始流量q2相等时，即q
11
＝q2，达到新的动态平衡，此时气压装置内为负压且保持不变。
[0035]
步骤3：控制器2重新调节打气泵4的初始流量q2，使步骤3中打气泵4的初始流量q2小于步骤1中打气泵4的初始流量q2，根据真空泵3的实际流量q
11
会随气压装置内负压值的增大而减小，满足q
11
＝k1p+q1，当真空泵3的实际流量q
11
与打气泵的初始流量q2相等时，即q
11
＝q2，达到新的动态平衡，此时气压装置内为负压且保持不变，并且负压值高于步骤2中的负压值。
[0036]
步骤4：控制器2重新调节打气泵4的初始流量q2，使步骤4中打气泵4的初始流量q2大于步骤1中打气泵4的初始流量q2，但仍小于真空泵3的初始流量q1，即仍然满足q1＞q2，根据真空泵3的实际流量q
11
会随气压装置内负压值的增大而减小，满足q
11
＝k1p+q1，当真空泵3的实际流量q
11
与打气泵的初始流量q2相等时，即q
11
＝q2，达到新的动态平衡，此时气压装置内为负压且保持不变，并且负压值低于步骤2中的负压值。
[0037]
重复步骤1-4，气压控制系统可连续到达真空泵3工作范围内任意负压值，且保持恒定。
[0038]
标准大气压状态，需要正压时：
[0039]
步骤0：控制器2调节真空泵3和打气泵4的初始流量q1和q2，使真空泵3和打气泵4的初始流量相同，即q1＝q2，此时达到动态平衡，为标准大气压。
[0040]
步骤1：控制器2调节真空泵3的初始流量q1，使真空泵3的初始流量q1小于打气泵4的初始流量q2，即q1＜q2，此时气压装置6内气压升高，高于标准大气压为正压。
[0041]
步骤2：打气泵4的实际流量q
22
会随气压装置内正压值的增大而减小，满足q
22
＝-k2p+q2，当真空泵3的初始流量q1与打气泵4的实际流量q
22
相等时，即q1＝q
22
，达到新的动态平衡，此时气压装置内为正压且保持不变。
[0042]
步骤3：控制器2重新调节真空泵3的初始流量q1，使步骤3中真空泵3的初始流量q1小于步骤1中真空泵3的初始流量q1，根据打气泵4的实际流量q
22
会随气压装置内正压值的增大而减小，满足q
22
＝-k2p+q2，当真空泵3的初始流量q1与打气泵4的实际流量q
22
相等时，即q1＝q
22
，达到新的动态平衡，此时气压装置内为正压且保持不变，并且正压值高于步骤2中的正压值。
[0043]
步骤4：控制器2重新调节真空泵3的初始流量q1，使步骤4中真空泵3的初始流量q1大于步骤1中真空泵3的初始流量q1，但仍小于打气泵4的初始流量q2，即仍然满足q1＜q2，根据打气泵4的实际流量q
22
会随气压装置内正压值的增大而减小，满足q
22
＝-k2p+q2，当真空泵3的初始流量q1与打气泵的实际流量q
22
相等时，即q1＝q
22
，达到新的动态平衡，此时气压装置内为正压且保持不变，并且正压值低于步骤2中的正压值。
[0044]
重复步骤1-4，气压控制系统可连续到达打气泵4工作范围内任意正压值，且保持
恒定。
[0045]
负压状态，需要正压时：
[0046]
步骤0：控制器2调节打气泵4的初始流量q2，使真空泵3的初始流量q1大于打气泵4的初始流量q2，即q1＞q2，此时气压装置6内气压低于标准大气压为负压。
[0047]
步骤1：控制器2调节增大打气泵4的初始流量q2，使真空泵3的初始流量q1与大打气泵4的初始流量q2相同，即q1＝q2，根据真空泵3的实际流量q
11
会随气压装置内负压值的增大而减小，满足q
11
＝k1p+q1，当真空泵3的实际流量q
11
、真空泵3的初始流量q1及打气泵4的初始流量q2均相等时，即q
11
＝q1＝q2，达到动态平衡，此时气压装置6内为标准大气压。
[0048]
步骤2：控制器2调节真空泵3的初始流量q1，使真空泵3的初始流量q1小于打气泵4的初始流量q2，即q1＜q2，此时气压装置6内气压升高，高于标准大气压为正压。
[0049]
重复步骤1-2，气压控制系统可由负压连续到达真空泵3和打气泵4工作范围内任意气压值。
[0050]
正压状态，需要负压时：
[0051]
步骤0：控制器2调节真空泵3的初始流量q1，使真空泵3的初始流量q1小于打气泵4的初始流量q2，即q1＜q2，此时气压装置6内气压高于标准大气压为正压。
[0052]
步骤1：控制器2调节增大真空泵3的初始流量q1，使真空泵3的初始流量q1与大打气泵4的初始流量q2相同，即q1＝q2，根据打气泵4的实际流量q
11
会随气压装置内负压值的增大而减小，满足q
22
＝-k2p+q2，当打气泵4的实际流量q
22
、真空泵3的初始流量q1及打气泵4的初始流量q2均相等时，即q
22
＝q1＝q2，达到动态平衡，此时气压装置6内为标准大气压。
[0053]
步骤2：控制器2调节打气泵4的初始流量q2，使真空泵3的初始流量q1大于打气泵4的初始流量q2，即q1＞q2，此时气压装置6内气压降低，低于标准大气压为负压。
[0054]
重复步骤1-2，气压控制系统可由正压连续到达真空泵3和打气泵4工作范围内任意气压值。