Как сделать воздушные мышцы!: 4 шага (с иллюстрациями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Мне нужно было создать несколько приводов для проекта аниматроники, над которым я работаю. Воздушные мышцы - это очень мощные исполнительные механизмы, которые работают очень похоже на человеческие мышцы и обладают феноменальным соотношением силы к весу - они могут оказывать тянущее усилие, в 400 раз превышающее их собственный вес. Они будут работать в скрученном или согнутом состоянии и могут работать под водой. Их также легко и дешево сделать! Воздушные мышцы (также известные как искусственные мышцы Мак-Киббена или плетеные пневматические приводы) были первоначально разработаны Дж. Л. Маккиббеном в 1950-х годах как ортопедические приспособления для пациентов с полиомиелитом. Вот как они работают: мышца состоит из резиновой трубки (мочевого пузыря или сердцевины), которая окружена трубчатой плетеной сеткой из волокон. Когда мочевой пузырь надувается, сетка расширяется в радиальном направлении и сжимается в осевом направлении (поскольку волокна сетки нерастяжимы), укорачивая общую длину мышцы и, следовательно, создавая тянущее усилие. Функциональные характеристики воздушных мышц очень схожи с характеристиками мышц человека - прилагаемая сила уменьшается по мере сокращения мышцы. Это происходит из-за изменения угла переплетения плетеной сетки по мере сокращения мышцы - поскольку сетка расширяется в радиальном направлении при движении ножницами, она оказывает меньшее усилие из-за того, что угол переплетения становится все более мелким по мере сокращения мышцы (см. Диаграмму ниже - рисунок A показывает, что мышца будет сокращаться в большей степени, чем рисунок C, при таком же увеличении давления в мочевом пузыре). Видео также демонстрируют этот эффект. Воздушные мышцы могут сокращаться до 40% своей длины, в зависимости от метода и материалов, из которых они изготовлены. Закон о газе гласит, что если вы увеличиваете давление, вы также увеличиваете объем расширяемого цилиндра (при постоянной температуре). мочевой пузырь в конечном итоге ограничен физическими свойствами рукава из плетеной сетки, поэтому для создания большей тянущей силы вам необходимо иметь возможность увеличивать эффективный объем мочевого пузыря - тянущая сила мышцы является функцией длины и диаметр мышцы, а также ее способность сокращаться из-за свойств сетчатого рукава (строительный материал, количество волокон, угол переплетения) и материала мочевого пузыря. Я построил две мышцы разного размера из одинаковых материалов, чтобы продемонстрировать этот принцип - обе они работали при одинаковом давлении воздуха (60 фунтов на квадратный дюйм), но имели разные диаметр и длину. Маленькая мышца действительно начинает бороться, когда на нее кладется какой-то вес, тогда как более крупная мышца не имеет никаких проблем. Вот несколько видеороликов, на которых показаны обе построенные воздушные мышцы в действии.

А теперь поработаем мускулами!

Шаг 1: материалы

Все материалы легко доступны на Amazon.com, за исключением плетеной нейлоновой сетки 3/8 дюйма - ее можно приобрести у поставщиков электроники. Amazon продает комплект для оплетки с плетеной сеткой нескольких размеров, но точный материал соответствует не указано-Amazon Вам понадобится источник воздуха: я использовал небольшой воздушный баллон с регулятором давления, но вы также можете использовать велосипедный воздушный насос (вам нужно будет сделать переходник, чтобы он работал с полиэтиленовым шлангом 1/4 дюйма. Воздушный бак - регулятор давления Amazon (потребуется переходник с внутренней резьбой 1/8 дюйма NPT на наружную резьбу 1/4 дюйма) - трубка высокого давления Amazon 1/4 дюйма - многофункциональный инструмент Amazon (отвертка, ножницы, плоскогубцы, кусачки) - Amazonlighter для небольших Мускул: силиконовая или латексная трубка 1/4 дюйма - плетеная нейлоновая сетка Amazon 3/8 дюйма (см. выше) Маленькая заусеница шланга 1/8 дюйма (латунь или нейлон) - небольшой болт Amazons (резьба 10-24 на 3/8 дюйма работает хорошо) - страховочная проволока из стали амазонки - амазонка для больших мышц: силиконовая или латексная трубка 3/8 дюйма - амазонка - плетеный нейлоновый сетчатый рукав 1/2 дюйма - амазонка1 / Сверло 8 дюймов или аналогичного размера - Сверло Amazon 21/64 дюйма - Метчик Amazon 1/8 дюйма x 27 NPT - Зубчатый наконечник Amazon 1/8 дюйма x переходник с трубной резьбой 1/8 дюйма - Хомуты Amazonmall для шланга - Алюминий или пластик Amazon 3/4 дюйма стержень для создания кончиков мышц - AmazonSafety note - убедитесь, что вы носите защитные очки при проверке своих воздушных мышц! Шланг высокого давления, выскочивший из незакрепленного фитинга, может стать причиной серьезной травмы!

Шаг 2: создание маленькой мышцы

Сначала отрежьте небольшую длину силиконовой трубки 1/4 дюйма. Теперь вставьте маленький болт в один конец трубки, а заусеницу шланга - в другой конец. Теперь отрежьте плетеную втулку 3/8 дюйма примерно на два дюйма длиннее, чем силикон. трубки и воспользуйтесь зажигалкой, чтобы расплавить концы плетеного рукава, чтобы он не растрепался. Наденьте плетеный рукав на силиконовую трубку, оберните каждый конец трубки страховочной проволокой и затяните ее. Теперь сделайте несколько проволочных петель и оберните ими каждый конец плетеного рукава. В качестве альтернативы использованию проволочных петель на концах мышцы вы можете сделать рукав длиннее, а затем загнуть его обратно на конец мышцы, образуя петлю (вам нужно протолкнуть воздушный фитинг), а затем затяните проволоку. вокруг него. Теперь подключите трубку высокого давления 1/4 дюйма и накачайте немного воздуха в мышцу, чтобы убедиться, что она надувается без утечек. Чтобы проверить воздушную мышцу, вы должны растянуть ее на всю длину, приложив к ней нагрузку - это позволит это максимальное сокращение, когда он находится под давлением. Начните добавлять воздух (примерно до 60 фунтов на квадратный дюйм) и наблюдайте за сокращением мышц!

Шаг 3: создание большой воздушной мышцы

Чтобы сделать большую мускулатуру, я выточил несколько зазубренных концов из алюминиевого стержня диаметром 3/4 дюйма. Также подойдет пластик. Один конец твердый. На другом конце просверлено отверстие диаметром 1/8 дюйма, а затем на нем нарезается 1 Резьбовой переходник с зазубринами для шланга / 8 ". Для этого просверливают отверстие 21/64", перпендикулярное воздушному отверстию 1/8 ". Затем используйте метчик с трубной резьбой 1/8", чтобы нарезать отверстие 21/64 "для заусеничный штуцер шланга. Теперь отрежьте резиновую трубку длиной 8 дюймов и 3/8 дюйма для воздушной камеры и наденьте один конец на один из обработанных фитингов. Затем отрежьте плетеную втулку 1/2 дюйма длиной 10 дюймов (не забудьте расплавить концы. зажигалкой) и наденьте ее на резиновую трубку. Затем наденьте противоположный конец резиновой трубки на оставшийся обработанный воздушный штуцер. Теперь надежно зажмите каждый конец трубки с помощью хомутов. Большая мышца работает так же, как и меньшая версия - только добавляйте воздух и наблюдайте, как он сокращается. Как только вы погрузите его под нагрузку, вы сразу поймете, что эта большая мышца намного сильнее!

Шаг 4: Тестирование и дополнительная информация

Теперь, когда вы создали несколько воздушных мышц, пришло время применить их. Растяните мышцы, чтобы они достигли максимального разгибания, добавив веса. На хорошем испытательном стенде можно было бы использовать подвесные весы - к сожалению, у меня не было доступа к ним, поэтому мне пришлось использовать некоторые веса. Теперь медленно начинайте добавлять воздух с шагом 20 фунтов на квадратный дюйм, пока не достигнете 60 фунтов на квадратный дюйм. Первое, что вы заметите, это то, что мышца сокращается на все меньшее количество с каждым постепенным увеличением давления воздуха, пока не полностью сократится. Затем вы обнаружите, что по мере увеличения нагрузки способность мышцы сокращаться с возрастающей скоростью снижается до тех пор, пока она не перестанет поднимать увеличившуюся нагрузку. Это очень похоже на то, как работает мышца человека. Сразу заметно, что изменение размера мышцы оказывает огромное влияние на работу мышцы. В 22 фунтах. @ 60psi меньшая мышца все еще может подниматься, но это далеко не полное сокращение, в то время как большая мышца может очень легко получить полное сокращение. Динамику воздушных мышц довольно сложно математически смоделировать, особенно с учетом количества переменных в их конструкции. Для дальнейшего чтения я рекомендую заглянуть сюда: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm. Некоторые области применения воздушных мышц включают робототехнику (особенно биороботику), аниматронику, ортопедию / реабилитацию и протезирование. Они могут управляться микроконтроллерами или переключателями с помощью трехходовых электромагнитных воздушных клапанов или с помощью радиоуправления с помощью клапанов, управляемых сервоприводами. Трехходовой клапан работает, сначала наполняя мочевой пузырь, удерживая давление воздуха в нем, а затем выпуская из него воздух, чтобы сдуть его. Следует помнить, что для правильной работы воздушные мышцы должны находиться под напряжением. Например, две мышцы часто используются вместе, чтобы уравновесить друг друга при перемещении руки робота. Одна мышца будет действовать как бицепс, а другая - как мышца трицепса. В целом, воздушные мышцы могут быть построены любой длины и диаметра, чтобы соответствовать широкому спектру применений, где важны высокая сила и легкий вес. Их характеристики и долговечность варьируются в зависимости от нескольких параметров, касающихся их конструкции: 1) Длина мышцы 2) Диаметр мышцы 3) Тип трубки, используемой для тестирования мочевого пузыря. Я читал, что латексные пузыри имеют более длительный срок службы, чем силиконовые. однако некоторые силиконы имеют большую степень расширения (до 1000%) и могут выдерживать более высокое давление, чем латекс (большая часть этого будет зависеть от точной спецификации трубки). 4) Тип используемой плетеной сетки - некоторые плетеные сетки менее абразивны, чем другие, увеличение продолжительности жизни мочевого пузыря. Некоторые компании использовали рукав из спандекса между мочевым пузырем и сеткой, чтобы уменьшить истирание. Более плотная тканая сетка позволяет более равномерно распределять давление на мочевой пузырь, уменьшая нагрузку на мочевой пузырь. 5) Предварительное напряжение мочевого пузыря (мочевой пузырь короче плетеной сетки) - это вызывает уменьшение площади контакта (и, следовательно, истирания) между мочевым пузырем и плетеной сетчатой муфтой, когда мышца находится в состоянии покоя, и позволяет плетеной сетке полностью раскрыться. реформа между циклами сжатия, улучшая его усталостную долговечность. Предварительная нагрузка на мочевой пузырь также улучшает начальное сокращение мышцы из-за начального более низкого объема мочевого пузыря. 6) Конструкция концевых кожухов мышц - закругленные края уменьшают концентрацию напряжения на мочевом пузыре. В целом, учитывая их соотношение мощности и веса, простоту / дешевизну конструкции и способность имитировать динамику человеческих мышц, воздушные мышцы предлагают привлекательную альтернативу традиционным средствам движения для механических устройств. Создавайте их с удовольствием!: D