Как да си направим въздушни мускули!: 4 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Имах нужда да създам някои изпълнители за проект за аниматроника, върху който работя. Въздушните мускули са много мощни задвижващи механизми, които работят много подобно на човешкия мускул и имат феноменално съотношение сила към тегло- те могат да упражняват сила на теглене до 400 пъти собственото си тегло. Те ще работят, когато са усукани или огънати и могат да работят под вода. Те също така са лесни и евтини за изработка! Въздушните мускули (известни също като изкуствен мускул на McKibben или сплетени пневматични задвижващи механизми) първоначално са разработени от J. L. McKibben през 50 -те години като ортопедичен апарат за пациенти с полиомиелит. Ето как работят: Мускулът се състои от гумена тръба (пикочен мехур или сърцевина), която е заобиколена от тръбна плетена втулка от мрежеста мрежа. Когато се надуе пикочния мехур, окото се разширява радиално и се свива аксиално (тъй като мрежестите влакна са неразтегливи), съкращавайки общата дължина на мускула и впоследствие произвеждайки сила на дърпане. Въздушните мускули имат характеристики, много подобни на човешките- прилаганата сила намалява, когато мускулът се свива. Това се дължи на промяната в ъгъла на преплитане на плетената мрежа, докато мускулът се свива- тъй като мрежата се разширява радиално в ножица като движение, тя упражнява по-малка сила, тъй като ъгълът на тъкане става все по-плитък, когато мускулите се свиват (вижте диаграмата по-долу - фигура А показва, че мускулът ще се свие в по -голяма степен от фигура С при еднакво увеличение на налягането в пикочния мехур). Видеоклиповете показват и този ефект. Въздушните мускули могат да се свиват до 40% от дължината си, в зависимост от метода и материалите на конструкцията им. Газовият закон гласи, че ако увеличите налягането, увеличавате и обема на разширяващ се цилиндър (при постоянна температура.) Разширяващият се обем на пикочният мехур в крайна сметка е ограничен от физическите свойства на плетената мрежеста втулка, така че за да създадете по-голяма дърпаща сила, трябва да можете да увеличите ефективния обем на пикочния мехур- дърпащата сила на мускула е функция от дължината и диаметър на мускула, както и способността му да се свива поради свойствата на мрежестата втулка (строителен материал, брой влакна, ъгъл на преплитане) и материала на пикочния мехур. Изградих два мускула с различни размери, използвайки сходни материали, за да демонстрирам този принцип- и двете работеха при едно и също въздушно налягане (60 psi), но имаха различни диаметри и дължини. Малкият мускул наистина започва да се бори, когато се постави малко тегло, докато по -големият мускул изобщо няма проблеми. Ето няколко видеоклипа, показващи и двата изградени въздушни мускула в действие.

Сега нека да направим мускули!

Стъпка 1: Материали

Всички материали са лесно достъпни на Amazon.com, с изключение на 3/8 "плетена найлонова мрежа- тя се предлага от доставчици на електроника. Amazon продава комплект от плетени ръкави с няколко размера на плетена мрежа, но точния материал е не е посочено-Amazon Ще ви трябва източник на въздух: Използвах малък резервоар за въздух с регулатор на налягането, но можете да използвате и въздушна помпа за велосипеди (ще трябва да направите адаптер, за да работи с 1/4 "поли маркуч. Резервоар за въздух- регулатор на налягането на Amazon (ще изисква 1/8 "NPT женски към 1/4" NPT мъжки адаптер)- Amazon1/4 "поли тръби с високо налягане- Amazonmultitool (отвертка, ножици, клещи, ножове за тел)- Amazonlighter за малките мускул: 1/4 "силиконови или латексови тръби- Amazon3/8" плетена найлонова втулка от мрежа (виж по-горе) 1/8 "малък шлаух от месинг (месинг или найлон)- Amazonsmall болт (10-24 резба с 3/8 дължина работи кладенец)- предпазна тел от Amazonsteel- Amazon за големия мускул: 3/8 "силиконови или латексови тръби- Amazon1/2" плетена найлонова мрежа- Amazon1/ Свредло 8 "или подобен размер- свредло Amazon21/64"- арматура Amazon1/8 "x 27 NPT кран- Amazon1/8" шланг за маркуч x 1/8 "адаптер за тръбна резба- амазонски малки скоби за маркуч- Amazon3/4" алуминий или пластмаса пръчка за изграждане на мускулните краища- забележка на AmazonSafety- уверете се, че носите предпазни очила, когато тествате въздушните си мускули! Маркучът за високо налягане, който излиза от хлабав монтаж, може да причини сериозни наранявания!

Стъпка 2: Създаване на малки мускули

Първо изрежете малка дължина на 1/4 "силиконовата тръба. Сега поставете малкия болт в единия край на тръбата, а шийката на маркуча в другия край. Сега отрежете 3/8" плетената втулка с около 2 инча по -дълга от силикона тръба и използвайте запалка, за да разтопите краищата на плитката втулка, за да не се разкъсва. Плъзнете вплетената втулка върху силиконовата тръба и увийте всеки край на тръбата със защитната тел и я затегнете. Сега направете няколко телени бримки и ги увийте около всеки край на плитката втулка. Като алтернатива на използването на телени контури по краищата на мускула, можете да направите ръкава по-дълъг и след това да го сгънете обратно над края на мускула, образувайки контур (трябва да прокарате въздушния фитинг през него)- след това затегнете жицата около него. Сега свържете вашата 1/4 "тръба с високо налягане и изпомпвайте малко въздух в мускула, за да сте сигурни, че той се надува, без да изтича. За да тествате въздушния мускул, трябва да го разтегнете до пълната му дължина, като го натоварите- това ще позволи максималното свиване, когато е под налягане. Започнете да добавяте въздух (до около 60 psi) и гледайте как мускулите се свиват!

Стъпка 3: Създаване на голям въздушен мускул

За да направя големия мускул, обърнах някои бодливи краища от 3/4 "алуминиева пръчка- пластмасата също ще работи. Единият край е твърд. В другия край има пробит отвор за въздух 1/8" и след това се почуква за 1 /8 "адаптер за резба на тръба с маркуч. Това се прави чрез пробиване на отвор 21/64" перпендикулярно на отвора за въздух 1/8 ". След това използвайте кран с резба на 1/8" тръба, за да почукате отвора 21/64 "за фитинг на маркуч. Сега изрежете гумена тръба с дължина 8 "от 3/8" за въздушния мехур и плъзнете единия край над една от обработените фитинги. След това изрежете около 1/2 "плетена втулка с дължина 10" (не забравяйте да разтопите краищата с запалка) и го плъзнете върху гумената тръба. След това плъзнете противоположния край на гумената тръба над останалата обработена въздушна арматура. Сега здраво затегнете всеки край на тръбата с помощта на скоби за маркуч. По-големият мускул работи точно като по-малката версия- просто добавете въздух и гледайте как се свива. След като го поставите под товар, веднага ще разберете, че този по -голям мускул е много по -силен!

Стъпка 4: Тестване и допълнителна информация

Сега, след като сте направили няколко въздушни мускули, е време да ги използвате. Разтегнете мускулите, така че да достигнат максималното си разширение чрез добавяне на тегло. Една добра тестова платформа би била да се използва висяща везна- за съжаление нямах достъп до такава, така че трябваше да използвам някои тежести. Сега бавно започнете да добавяте въздух на стъпки от 20 psi, докато достигнете 60 psi. Първото нещо, което забелязвате, е, че мускулът свива прогезивно по -малко количество с всяко постепенно увеличаване на въздушното налягане, докато се свие напълно. След това ще откриете, че с увеличаването на натоварването способността на мускула да се свива намалява с нарастваща скорост, докато вече не може да вдигне увеличения товар. Това е много подобно на работата на човешкия мускул. Веднага се забелязва, че промяната в размера на мускула има огромен ефект върху работата на мускула. При 22 паунда. @60psi, по -малкият мускул все още може да се повдигне, но не е почти постигане на пълно свиване, докато по -големият мускул може много лесно да получи пълно свиване. Динамиката на въздушните мускули е доста трудно да се моделира математически, особено предвид броя на променливите в тяхната конструкция. За по -нататъшно четене препоръчвам да разгледате тук: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Няколко приложения на въздушните мускули включват роботика (особено биороботика), аниматроника, ортопедия/рехабилитация и протезиране. Те могат да се управляват от микроконтролери или превключватели с помощта на трипътни електромагнитни въздушни клапани или чрез радиоуправление с помощта на клапани, управлявани от серво. Трипътен клапан работи, като първо напълни пикочния мехур, задържа въздушното налягане в пикочния мехур и след това обезвъздуши пикочния мехур, за да го изпусне. Нещото, което трябва да запомните е, че въздушните мускули трябва да са под напрежение, за да работят правилно. Като пример два мускула често се използват заедно, за да се балансират помежду си, за да се движи роботизирана ръка. Един мускул би действал като бицепс, а другият като мускул на трицепс. Като цяло въздушните мускули могат да бъдат конструирани във всякакви дължини и диаметри, за да отговарят на голямо разнообразие от приложения, където високата якост и лекото тегло са от решаващо значение. Тяхната ефективност и дълготрайност варират в зависимост от няколко параметъра по отношение на тяхната конструкция: 1) Дължина на мускула 2) Диаметър на мускула 3) Тип тръби, използвани за тестване на пикочния мехур Прочетох, че латексовите мехури имат по-дълъг експлоатационен живот от силиконовите мехури, някои силикони обаче имат по-големи размери на разширяване (до 1000%) и могат да поддържат по-високо налягане от латекса (голяма част от това ще зависи от точната спецификация на тръбите.) 4) Вид използвана плетена мрежа- някои плетени мрежи са по-малко абразивни от други, подобряване на живота на пикочния мехур Някои компании са използвали ръкав от спандекс между пикочния мехур и мрежата, за да намалят износването. По -плътната тъкана мрежа позволява по -равномерно разпределение на налягането върху пикочния мехур, намалявайки напрежението върху пикочния мехур. 5) Предварително натоварване на пикочния мехур (пикочният мехур е по-къс от плетената мрежа)- това води до намаляване на контактната площ (а оттам и ожулване) между пикочния мехур и плетената втулка от мрежа, когато мускулът е в покой и позволява на плетената мрежа да изцяло реформа между циклите на свиване, подобрявайки живота на умората. Предварителното натоварване на пикочния мехур подобрява и първоначалното свиване на мускула поради първоначалния по-нисък обем на пикочния мехур. Като цяло, като се има предвид тяхното съотношение мощност и тегло, лекота/ниска цена на конструкцията и способност да имитират динамиката на човешките мускули, въздушните мускули предлагат атрактивна алтернатива на традиционните средства за движение за механични устройства. Забавлявайте се при изграждането им!:Д