Ako si vyrobiť vzduchové svaly!: 4 kroky (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Potreboval som vytvoriť nejaké aktuátory pre projekt animatroniky, na ktorom pracujem. Vzduchové svaly sú veľmi účinné ovládače, ktoré fungujú veľmi podobne ako ľudské svaly a majú fenomenálny pomer sily k hmotnosti- môžu vyvinúť ťažnú silu až 400-násobok svojej vlastnej hmotnosti. Budú fungovať, ak sú skrútené alebo ohnuté, a môžu pracovať pod vodou. Ich výroba je tiež jednoduchá a lacná! Vzduchové svaly (tiež známe ako umelý sval McKibben alebo spletené pneumatické ovládače) boli pôvodne vyvinuté J. L. McKibbenom v päťdesiatych rokoch minulého storočia ako ortotické zariadenie pre pacientov s detskou obrnou. Funguje to takto: Sval sa skladá z gumovej trubice (močového mechúra alebo jadra), ktorá je obklopená rúrkovým pleteným rukávom zo sieťoviny. Keď je močový mechúr nafúknutý, sieťka sa radiálne roztiahne a osovo stiahne (pretože sieťové vlákna sú nerozťažiteľné), čím sa skráti celková dĺžka svalu a následne sa vyvinie ťažná sila. Vzduchové svaly majú výkonnostné charakteristiky veľmi podobné ľudským svalom- vyvíjaná sila klesá, keď sa sval sťahuje. Je to spôsobené zmenou uhla prepletania pletenej sieťoviny pri sťahovaní svalu- keď sa sieťka radiálne roztiahne v nožnicovom pohybe, vyvíja menšiu silu v dôsledku toho, že sa uhol väzby stáva čoraz plytším, pretože sval sa sťahuje (pozri diagram nižšie - obrázok A ukazuje, že sval sa stiahne vo väčšej miere ako obrázok C pri rovnakom zvýšení tlaku v močovom mechúre). Videá tiež ukazujú tento účinok. Vzduchové svaly sa môžu zmrštiť až o 40% svojej dĺžky, v závislosti od spôsobu a materiálu ich konštrukcie. Zákon o plyne uvádza, že ak zvýšite tlak, zväčší sa aj objem expandovateľného valca (za predpokladu, že je teplota konštantná.) močový mechúr je v konečnom dôsledku obmedzovaný fyzikálnymi vlastnosťami pleteného rukávu zo sieťoviny, takže na vytvorenie väčšej ťažnej sily musíte byť schopní zvýšiť účinný objem močového mechúra- ťažná sila svalu je funkciou dĺžky a priemer svalu, ako aj jeho schopnosť zmršťovania v dôsledku vlastností sieťovaného rukávu (stavebný materiál, počet vlákien, uhol prepletenia) a materiálu močového mechúra. Na demonštráciu tohto princípu som skonštruoval dva rôzne veľké svaly s použitím podobných materiálov- obidva boli prevádzkované pri rovnakom tlaku vzduchu (60 psi), ale mali rôzny priemer a dĺžku. Malý sval skutočne začne zápasiť, keď naň priložíte nejakú váhu, zatiaľ čo väčší sval nemá žiadne problémy. Tu je pár videí, ktoré ukazujú obidva skonštruované vzduchové svaly v akcii.

Teraz poďme urobiť nejaké svaly!

Krok 1: Materiály

Všetky materiály sú ľahko dostupné na Amazon.com, s výnimkou 3/8 "nylonovej pletenej siete- je k dispozícii od dodávateľov elektroniky. Amazon predáva súpravu pletených rukávov s niekoľkými veľkosťami pletenej sieťoviny, ale presný materiál je nie je uvedené-Amazon Budete potrebovať zdroj vzduchu: Použil som malú vzduchovú nádrž s regulátorom tlaku, ale môžete použiť aj vzduchovú pumpu na bicykel (na 1/4 "poly hadicu budete potrebovať adaptér.. Vzduchová nádrž- Regulátor tlaku Amazonky (bude potrebovať adaptér 1/8 "NPT samica na 1/4" NPT samec)- Vysokotlakové hadičky Amazon 1/4 "- Amazonmultitool (skrutkovač, nožnice, kliešte, nožnice na drôt)- Amazonlighter pre malé sval: 1/4 "silikónové alebo latexové hadičky- Amazon3/8" opletená nylonová sieťovina (pozri vyššie) 1/8 "malý hadicový hrot (mosadz alebo nylon)- Amazonsmall skrutka (závit 10-24 s dĺžkou 3/8) funguje dobre)- Bezpečnostný drôt Amazonsteel- Amazon pre veľký sval: 3/8 "silikónové alebo latexové hadičky- Amazon1/2" pletený nylonový rukáv- Amazon1/ 8 "alebo podobný vrták- Amazon 21/64" vrták- Amazon 1/8 "x 27 NPT závitník- Amazon 1/8" hadicový hrot x 1/8 "potrubný závitový adaptér- Amazonsmall hadicové spony- Amazon 3/4" hliníkový alebo plastový tyč na stavbu svalových koncov- Amazon Bezpečnostná poznámka- pri testovaní vzduchových svalov používajte ochranné okuliare! Vysokotlaková hadica, ktorá vypadne z uvoľnenej armatúry, by mohla spôsobiť vážne zranenie!

Krok 2: Vytvorenie malého svalu

Najprv si odstrihnite silikónovú hadičku s priemerom 1/4 ". Teraz zasuňte malú skrutku na jeden koniec trubice a protihrot hadice na druhý koniec. Teraz odstrihnite 3/8" pletené puzdro asi o dva palce dlhšie ako silikón. hadičku a pomocou zapaľovača roztavte konce spleteného rukávu, aby sa neroztrhalo. Nasaďte pletené puzdro na silikónovú hadičku a oba konce tuby zabaľte bezpečnostným drôtom a utiahnite. Teraz urobte niekoľko drôtených slučiek a omotajte ich okolo každého konca pleteného rukávu. Ako alternatívu k použitiu drôtených slučiek na koncoch svalu môžete rukáv predĺžiť a potom ho zložiť späť cez koniec svalu, čím vytvoríte slučku (musíte pretlačiť vzduchovú armatúru)- potom drôt utiahnite okolo toho. Teraz pripojte svoje vysokotlakové hadičky 1/4 "a pumpujte do svalu trochu vzduchu, aby ste sa uistili, že sa nafúkne bez úniku. Na otestovanie vzduchového svalu ho musíte natiahnuť na celú dĺžku a zaťažiť- to umožní Maximálne sa stiahne, keď je pod tlakom. Začnite pridávať vzduch (až do 60 psi) a sledujte sťahovanie svalov!

Krok 3: Vytvorenie veľkého vzduchového svalu

Aby som vytvoril veľký sval, otočil som niekoľko ostnatých koncov z nejakej 3/4 "hliníkovej tyče- plast bude tiež fungovať. Jeden koniec je pevný. Na druhom konci je vyvŕtaný 1/8" vzduchový otvor a potom sa odpichne 1 /8 "adaptér závitu na hadicovú hadicu. To sa robí vyvŕtaním otvoru 21/64" kolmého na vzduchový otvor 1/8 ". Potom pomocou závitového kohútika 1/8" poklepte na otvor 21/64 "pre hadicová armatúra. Teraz odrežte gumovú hadičku s dĺžkou 8 palcov 3/8 "pre vzduchový mechúr a jeden koniec nasuňte na jeden z opracovaných tvaroviek. Potom odstrihnite asi 1/2" pletené puzdro dlhé 10 "(nezabudnite roztaviť konce pomocou zapaľovača) a nasuňte ho na gumovú trubicu. Potom nasuňte opačný koniec gumovej trubice na zostávajúcu obrobenú vzduchovú armatúru. Teraz bezpečne zaistite každý koniec trubice pomocou hadicových svoriek. Väčší sval funguje rovnako ako menšia verzia- len Pridajte vzduch a sledujte, ako sa sťahuje. Keď ho zaťažíte, okamžite si uvedomíte, že tento väčší sval je oveľa silnejší!

Krok 4: Testovanie a ďalšie informácie

Teraz, keď ste si vytvorili niekoľko vzduchových svalov, je načase ich použiť. Natiahnite svaly, aby dosiahli maximálnu dĺžku pridaním hmotnosti. Dobrým testovacím zariadením by bolo použitie závesnej váhy- bohužiaľ som k nej nemal prístup, takže som musel použiť niekoľko závaží. Teraz pomaly začnite pridávať vzduch v krokoch po 20 psi, až kým nedosiahnete 60 psi. Prvá vec, ktorú si všimnete, je, že sval sa sťahuje progresívne menšie množstvo s každým prírastkovým zvýšením tlaku vzduchu, až kým sa úplne nestiahne. Ďalej zistíte, že so zvyšujúcim sa zaťažením schopnosť svalu kontrahovať klesá so zvyšujúcim sa tempom, kým už nemôže zdvihnúť zvýšené zaťaženie. Je to veľmi podobné tomu, ako funguje ľudský sval. Okamžite je zrejmé, že zmena veľkosti svalu má obrovský vplyv na výkon svalu. Pri 22 librách @60psi, menší sval sa stále môže zdvihnúť, ale nie je ani zďaleka k dosiahnutiu úplnej kontrakcie, zatiaľ čo väčší sval môže veľmi ľahko dosiahnuť úplné stiahnutie. Dynamiku vzduchových svalov je dosť ťažké matematicky modelovať, najmä vzhľadom na počet premenných v ich stavbe.. Na ďalšie čítanie odporúčam pozrieť sa sem: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htmNiekoľko aplikácií vzduchových svalov zahŕňa robotiku (najmä biorobotiku), animatroniku, protetiku/rehabilitáciu a protetiku. Môžu byť ovládané mikrokontrolérmi alebo spínačmi pomocou trojcestných solenoidových vzduchových ventilov alebo rádiovým ovládaním pomocou ventilov ovládaných servom. Trojcestný ventil funguje tak, že najskôr naplní močový mechúr, udrží v ňom tlak vzduchu a potom ho odvzdušní, aby ho vyprázdnil. Majte na pamäti, že vzduchové svaly musia byť pod napätím, aby správne fungovali. Napríklad dva svaly sa často používajú spoločne na vzájomné vyváženie pohybu robotického ramena. Jeden sval by fungoval ako biceps a druhý ako trojhlavý sval. Celkovo môžu byť vzduchové svaly skonštruované zo všetkých druhov dĺžok a priemerov, aby vyhovovali širokému spektru aplikácií, kde je rozhodujúca vysoká pevnosť a nízka hmotnosť. Ich výkon a životnosť sa líši v závislosti od niekoľkých parametrov týkajúcich sa ich konštrukcie: 1) dĺžka svalu 2) priemer svalu 3) typ hadičky používanej na testovanie močového mechúra- čítal som, že latexové mechúre majú zvyčajne dlhšiu životnosť ako silikónové mechúre, niektoré silikóny však majú väčšiu expanziu (až 1 000%) a môžu držať vyššie tlaky ako latex (veľa z toho bude závisieť od presnej špecifikácie hadičiek.) 4) Použitý typ pletenej sieťoviny- niektoré pletené siete sú menej abrazívne ako ostatné, zlepšenie životnosti močového mechúra. Niektoré spoločnosti použili na zníženie oderu spandexový rukáv medzi močovým mechúrom a sieťovinou. Pevnejšie tkaná sieťovina umožňuje rovnomernejšie rozloženie tlaku na močový mechúr, čím sa znižuje namáhanie močového mechúra. 5) Predpätie močového mechúra (močový mechúr je kratší ako pletená sieťka)- to spôsobuje zmenšenie kontaktnej plochy (a teda aj oderu) medzi močovým mechúrom a rukávom zo spletenej sieťoviny, keď je sval v pokoji a umožňuje úpletovému pleteniu úplne reforma medzi cyklami kontrakcie, zlepšenie jeho únavovej životnosti. Predpätie močového mechúra tiež zlepšuje počiatočnú kontrakciu svalu v dôsledku počiatočného nižšieho objemu močového mechúra. 6) Konštrukcia plášťov koncov svalov- zaoblené hrany znižujú koncentrácie napätia v močovom mechúre. Celkovo vzaté, vzhľadom na svoj pomer výkonu k hmotnosti, jednoduchosť/nízke náklady na stavbu a schopnosť napodobňovať dynamiku ľudských svalov, vzduchové svaly ponúkajú pre mechanické zariadenia atraktívnu alternatívu k tradičným prostriedkom pohybu. Bavte sa s ich stavaním!: D