Jak zrobić mięśnie powietrzne!: 4 kroki (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Musiałem stworzyć kilka siłowników do projektu animatroniki, nad którym pracuję. Mięśnie powietrzne są bardzo silnymi aktywatorami, które działają bardzo podobnie do ludzkich mięśni i mają fenomenalny stosunek siły do masy - mogą wywierać siłę ciągnącą do 400 razy większą od własnej wagi. Sprawdzą się po skręceniu lub zgięciu i mogą pracować pod wodą. Są również łatwe i tanie w wykonaniu! Mięśnie powietrzne (znane również jako sztuczne mięśnie McKibbena lub plecione siłowniki pneumatyczne) zostały pierwotnie opracowane przez J. L. McKibbena w latach 50-tych jako aparat ortotyczny dla pacjentów z polio. Oto jak działają: Mięsień składa się z gumowej rurki (pęcherza lub rdzenia), która jest otoczona rurowym, plecionym siateczkowym rękawem. Kiedy pęcherz jest napompowany, siatka rozszerza się promieniowo i kurczy się osiowo (ponieważ włókna siatki są nierozciągliwe), skracając całkowitą długość mięśnia, a następnie wytwarzając siłę ciągnącą. Mięśnie powietrzne mają charakterystykę działania bardzo zbliżoną do mięśni ludzkich – wywierana siła zmniejsza się w miarę kurczenia się mięśnia. Dzieje się tak ze względu na zmianę kąta splotu plecionej siatki, gdy mięsień się kurczy - gdy siatka rozszerza się promieniście w ruchu nożycowym wywiera mniejszą siłę ze względu na coraz płytszy kąt splotu w miarę kurczenia się mięśnia (patrz diagram poniżej - rysunek A pokazuje, że mięsień skurczy się w większym stopniu niż rysunek C przy równym wzroście ciśnienia w pęcherzu. Filmy również pokazują ten efekt. Mięśnie powietrzne mogą kurczyć się do 40% swojej długości, w zależności od metody i materiałów, z których są zbudowane. Prawo gazowe mówi, że zwiększając ciśnienie zwiększa się również objętość rozszerzalnego cylindra (pod warunkiem, że temperatura jest stała). pęcherz jest ostatecznie ograniczony właściwościami fizycznymi rękawa z plecionej siatki, więc aby wytworzyć większą siłę ciągnącą, trzeba być w stanie zwiększyć efektywną objętość pęcherza – siła ciągnąca mięśnia jest funkcją długości i średnica mięśnia, a także jego zdolność do skurczu, dzięki właściwościom rękawa siatkowego (materiał konstrukcyjny, liczba włókien, kąt splotu) i materiałowi pęcherza. Aby zademonstrować tę zasadę, skonstruowałem dwa różnej wielkości mięśnie, używając podobnych materiałów – oba działały przy tym samym ciśnieniu powietrza (60 psi), ale miały różne średnice i długości. Mały mięsień naprawdę zaczyna się męczyć, gdy zostanie na niego trochę obciążony, podczas gdy większy mięsień nie ma żadnych problemów. Oto kilka filmów pokazujących działanie obu zbudowanych mięśni powietrznych.

Teraz zróbmy trochę mięśni!

Krok 1: Materiały

Wszystkie materiały są łatwo dostępne na Amazon.com, z wyjątkiem plecionej siatki nylonowej 3/8" - jest ona dostępna u dostawców elektroniki. Amazon sprzedaje zestaw plecionych rękawów z kilkoma rozmiarami plecionej siatki, ale dokładny materiał jest nie podano-Amazon Będziesz potrzebować źródła powietrza: użyłem małego zbiornika powietrza z regulatorem ciśnienia, ale możesz również użyć pompki rowerowej (będziesz musiał zrobić przejściówkę, aby działała z wężem polietylenowym 1/4" Zbiornik powietrza - Regulator ciśnienia Amazon (będzie wymagał adaptera 1/8" NPT żeńskiego na męski 1/4" NPT) - Wysokociśnieniowy przewód Amazon1/4 " - Amazonmultitool (śrubokręt, nożyczki, szczypce, przecinaki do drutu) - Amazonlighter dla małych mięśnie: 1/4" silikonowe lub lateksowe rurki- Amazon3/8" pleciony nylonowy rękaw siatkowy (patrz wyżej) 1/8" mały króciec do węża (mosiądz lub nylon)- Amazonsmall bolt (10-24 gwint na 3/8 długości działa dobrze) - Drut bezpieczeństwa Amazonsteel - Amazon dla dużego mięśnia: 3/8 "rura silikonowa lub lateksowa - Amazonka 1/2" pleciony nylonowy rękaw - Amazon1 / Wiertło 8" lub podobne - Wiertło Amazon21/64" - Kran Amazon 1/8" x 27 NPT - Końcówka do węża Amazon 1/8" x przejściówka do rur 1/8" - Opaski Amazonsmall do węża - Amazonka 3/4" aluminium lub plastik pręt do budowy końcówek mięśni - uwaga dotycząca bezpieczeństwa Amazon - upewnij się, że nosisz okulary ochronne podczas testowania mięśni powietrznych! Wąż wysokociśnieniowy, który wyskoczy z luźnej złączki, może spowodować poważne obrażenia!

Krok 2: Tworzenie małego mięśnia

Najpierw odetnij niewielką długość rurki silikonowej 1/4". Teraz włóż małą śrubę do jednego końca rurki, a końcówkę węża do drugiego końca. Teraz odetnij pleciony rękaw 3/8" o około dwa cale dłuższy niż silikon tubę i za pomocą zapalniczki stopić końce plecionego rękawa, aby się nie strzępił. Nasuń pleciony rękaw na rurkę silikonową i owinąć każdy koniec rurki drutem zabezpieczającym i dokręcić. Teraz zrób kilka pętli z drutu i owiń je wokół każdego końca plecionego rękawa. Alternatywnie do stosowania drucianych pętelek na końcach mięśnia można wydłużyć rękaw, a następnie zagiąć go z powrotem na końcu mięśnia, tworząc pętlę (trzeba przepchnąć złączkę powietrza) – następnie zacisnąć drucik dookoła tego. Teraz podłącz swój wąż wysokociśnieniowy 1/4" i wpompuj trochę powietrza do mięśnia, aby upewnić się, że napełnia się bez przeciekania. to maksymalny skurcz, gdy jest pod ciśnieniem. Zacznij dodawać powietrze (do około 60psi) i obserwuj, jak mięśnie się kurczą!

Krok 3: Tworzenie dużego mięśnia powietrza

Aby zrobić duży mięsień, obróciłem niektóre zadziorowe końce z jakiegoś aluminiowego pręta 3/4" - plastik też będzie działał. Jeden koniec jest solidny. Drugi koniec ma wywiercony otwór wentylacyjny 1/8", a następnie jest gwintowany na 1 Adapter gwintu rury króćca do węża /8". Odbywa się to poprzez wywiercenie otworu 21/64" prostopadle do otworu powietrza 1/8". Następnie użyj gwintownika do rur 1/8", aby nagwintować otwór 21/64" dla króciec do węża. Teraz odetnij 8-calową gumową rurkę 3/8 cala do pęcherza powietrza i nasuń jeden koniec na jeden z obrobionych złączy. Następnie odetnij pleciony rękaw 1/2 cala o długości 10 cali (pamiętaj, aby stopić końce za pomocą zapalniczki) i nasuń go na gumową rurkę. Następnie nasuń przeciwległy koniec gumowej rurki na pozostałą złączkę powietrza obrobionego maszynowo. Teraz bezpiecznie zaciśnij każdy koniec wężyka za pomocą zacisków do węży. Większy mięsień działa tak samo jak mniejszy - po prostu dodaj powietrze i obserwuj, jak się kurczy. Gdy już go obciążysz, natychmiast zdasz sobie sprawę, że ten większy mięsień jest znacznie silniejszy!

Krok 4: Testowanie i dodatkowe informacje

Teraz, gdy masz już trochę mięśni powietrznych, nadszedł czas, aby je wykorzystać. Rozciągnij mięśnie, aby osiągnęły maksymalne rozciągnięcie poprzez dodanie ciężaru. Dobrym stanowiskiem testowym będzie użycie wagi wiszącej - niestety nie miałem do niej dostępu, więc musiałem użyć kilku ciężarków. Teraz powoli zacznij dodawać powietrze w krokach co 20 psi, aż osiągniesz 60 psi. Pierwszą rzeczą, jaką zauważysz, jest to, że mięsień kurczy się stopniowo coraz mniej z każdym wzrostem ciśnienia powietrza, aż do pełnego skurczu. Następnie odkryjesz, że wraz ze wzrostem obciążenia zdolność mięśnia do kurczenia się zmniejsza się w rosnącym tempie, aż do momentu, gdy nie będzie już w stanie podnieść zwiększonego obciążenia. Jest to bardzo podobne do tego, jak działa ludzki mięsień. Od razu można zauważyć, że zmiana wielkości mięśnia ma ogromny wpływ na wydajność mięśnia. Przy 22 funtach. @60psi, mniejszy mięsień nadal może się unosić, ale nie zbliża się do osiągnięcia pełnego skurczu, podczas gdy większy mięsień może bardzo łatwo uzyskać pełny skurcz. Dynamikę mięśni powietrznych dość trudno matematycznie modelować, zwłaszcza biorąc pod uwagę liczbę zmiennych w ich budowie. Do dalszej lektury polecam zajrzeć tutaj: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htmKilka zastosowań mięśni powietrznych to robotyka (zwłaszcza biorobotyka), animatronika, ortotyka/rehabilitacja i protetyka. Mogą być sterowane za pomocą mikrokontrolerów lub przełączników za pomocą trójdrożnych zaworów elektromagnetycznych lub drogą radiową za pomocą zaworów sterowanych serwomechanizmami. Zawór trójdrożny działa najpierw napełniając pęcherz, utrzymując ciśnienie powietrza w pęcherzu, a następnie odpowietrzając pęcherz, aby go opróżnić. Należy pamiętać, że mięśnie powietrza muszą być napięte, aby działały prawidłowo. Na przykład dwa mięśnie są często używane w połączeniu, aby zrównoważyć się nawzajem, aby poruszać ramieniem robota. Jeden mięsień będzie działał jako biceps, a drugi jako mięsień tricepsa. Ogólnie rzecz biorąc, mięśnie powietrzne mogą być konstruowane w różnych długościach i średnicach, aby pasowały do szerokiej gamy zastosowań, w których ważna jest wysoka siła i niewielka waga. Ich wydajność i trwałość różni się w zależności od kilku parametrów dotyczących ich budowy: 1) Długość mięśnia2) Średnica mięśnia3) Rodzaj rurki używanej do badania pęcherza Czytałem, że pęcherze lateksowe mają zwykle dłuższą żywotność niż pęcherze silikonowe, jednak niektóre silikony mają większe współczynniki rozszerzalności (do 1000%) i mogą wytrzymywać wyższe ciśnienie niż lateks (wiele z tego będzie zależeć od dokładnej specyfikacji rurek).4) Rodzaj stosowanej siatki plecionej - niektóre plecione siatki są mniej ścierne niż inne, poprawa żywotności pęcherza. Niektóre firmy stosują rękaw ze spandexu między pęcherzem a siatką, aby zmniejszyć ścieranie. Mocniej tkana siatka pozwala na bardziej równomierne rozłożenie nacisku na pęcherz, zmniejszając naprężenie pęcherza. 5) Wstępne naprężenie pęcherza (pęcherz jest krótszy niż pleciona siatka) – powoduje to zmniejszenie powierzchni kontaktu (a tym samym ścierania) między pęcherzem a plecionym rękawem z siatki, gdy mięsień jest w spoczynku i pozwala na pełne reforma między cyklami skurczu, poprawiająca jego żywotność zmęczeniową. Wstępne naprężenie pęcherza poprawia również początkowy skurcz mięśnia ze względu na początkową mniejszą objętość pęcherza.6) Konstrukcja obudów końcówek mięśni – zaokrąglone krawędzie zmniejszają koncentrację naprężeń w pęcherzu. Podsumowując, biorąc pod uwagę stosunek mocy do masy, łatwość/niski koszt budowy oraz zdolność naśladowania dynamiki ludzkich mięśni, mięśnie powietrzne stanowią atrakcyjną alternatywę dla tradycyjnych środków ruchu dla urządzeń mechanicznych. Baw się przy ich budowaniu!:D