Jak si vyrobit vzduchové svaly !: 4 kroky (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Potřeboval jsem vytvořit nějaké akční členy pro projekt animatroniky, na kterém pracuji. Vzduchové svaly jsou velmi silné ovladače, které fungují velmi podobně jako lidské svaly a mají fenomenální poměr síly k hmotnosti- mohou vyvinout tažnou sílu až 400krát větší než je jejich vlastní hmotnost. Budou fungovat, pokud jsou zkroucené nebo ohnuté, a mohou pracovat pod vodou. Jejich výroba je také snadná a levná! Vzduchové svaly (známé také jako McKibbenův umělý sval nebo pletené pneumatické ovladače) byly původně vyvinuty J. L. McKibbenem v 50. letech minulého století jako ortotické zařízení pro pacienty s dětskou obrnou. Funguje to takto: Sval se skládá z gumové trubice (močového měchýře nebo jádra), která je obklopena trubkovitým pleteným rukávem ze síťoviny. Když je močový měchýř nafouknut, síťka se radiálně roztahuje a axiálně smršťuje (protože síťová vlákna jsou neroztažitelná), zkracuje celkovou délku svalu a následně vytváří tažnou sílu. Vzduchové svaly mají výkonnostní charakteristiky velmi podobné lidským svalům- vyvíjená síla klesá se stahem svalu. To je způsobeno změnou úhlu proplétání pletené pleteniny, jak se sval smršťuje- jak se síťka radiálně rozpíná nůžkovým pohybem, vyvíjí menší sílu, protože úhel vazby se stává stále mělčím, jak se sval smršťuje (viz diagram níže - obrázek A ukazuje, že sval se při stejném zvýšení tlaku v močovém měchýři stáhne do větší míry než na obrázku C). Videa také ukazují tento efekt. Vzduchové svaly se mohou smrštit až o 40% své délky, v závislosti na způsobu a materiálu jejich konstrukce. Plynový zákon stanoví, že pokud zvýšíte tlak, zvýšíte také objem roztažitelného válce (za předpokladu, že teplota je konstantní.) močový měchýř je nakonec omezen fyzikálními vlastnostmi pleteného rukávu ze síťoviny, takže k vytvoření větší tažné síly musíte být schopni zvýšit efektivní objem močového měchýře- tahová síla svalu je funkcí délky a průměr svalu a také jeho schopnost stahovat se díky vlastnostem rukávu ze síťoviny (konstrukční materiál, počet vláken, úhel propletení) a materiálu močového měchýře. K prokázání tohoto principu jsem zkonstruoval dva různé velikosti svalů s použitím podobných materiálů- oba byli provozováni se stejným tlakem vzduchu (60 psi), ale měli různé průměry a délky. Malý sval opravdu začne bojovat, když na něj přibereme nějakou váhu, zatímco větší sval nemá žádné problémy. Zde je několik videí, která ukazují oba zkonstruované vzduchové svaly v akci.

Pojďme si udělat svaly!

Krok 1: Materiály

Všechny materiály jsou snadno dostupné na Amazon.com, s výjimkou 3/8 "pletené nylonové síťoviny- je k dispozici od dodavatelů elektroniky. Amazon prodává sadu pletených rukávů s několika velikostmi pletené síťoviny, ale přesný materiál je není uvedeno-Amazon Budete potřebovat zdroj vzduchu: Použil jsem malou vzduchovou nádrž s regulátorem tlaku, ale můžete také použít vzduchové čerpadlo na kolo (budete muset vytvořit adaptér, aby fungoval s poly hadicí 1/4 ". Vzduchová nádrž- Regulátor tlaku Amazon (bude vyžadovat adaptér 1/8 "NPT samice na 1/4" NPT samec)- Vysokotlaké poly potrubí Amazon1/4 "- Amazonmultitool (šroubovák, nůžky, kleště, řezačky drátu)- Amazonlight pro malé sval: 1/4 "silikonové nebo latexové hadičky- Amazon3/8" pletené nylonové pouzdro ze síťoviny (viz výše) 1/8 "malý hadicový hrot (mosaz nebo nylon)- šroub Amazonsmall (závit 10-24 o délce 3/8 délky funguje dobře)- bezpečnostní drát Amazonsteel- Amazon pro velký sval: 3/8 "silikonové nebo latexové hadičky- Amazon1/2" pletené nylonové síťované pouzdro- Amazon1/ 8 "nebo podobné velikosti vrtáku- Amazon21/64" vrták- Amazon1/8 "x 27 NPT závitník- Amazon1/8" hadicový hrot x 1/8 "trubkový závitový adaptér- Amazonsmall hadicové spony- Amazon3/4" hliník nebo plast tyč pro stavbu svalových konců- AmazonSafety note- ujistěte se, že při testování vzduchových svalů nosíte ochranné brýle! Vysokotlaká hadice, která se uvolní z uvolněné armatury, by mohla způsobit vážné zranění!

Krok 2: Vytvoření malého svalu

Nejprve ustřihněte malou délku 1/4 "silikonové hadičky. Nyní vložte malý šroub na jeden konec hadičky a hadicovou koncovku na druhý konec. Nyní ustřihněte 3/8" pletené pouzdro asi o dva palce delší než silikonové hadičku a pomocí zapalovače roztavte konce splétané objímky, aby se neroztrhla. Nasuňte splétané pouzdro přes silikonovou hadičku a oba konce tuby obalte bezpečnostním drátem a utáhněte. Nyní vytvořte několik drátěných smyček a omotejte je kolem každého konce pleteného rukávu. Alternativně k použití drátěných smyček na koncích svalu můžete prodloužit rukáv a poté jej složit zpět přes konec svalu a vytvořit smyčku (musíte protáhnout vzduchovou armaturu)- poté utáhněte drát kolem toho. Nyní připojte 1/4 "vysokotlakou hadičku a pumpujte do svalu trochu vzduchu, abyste se ujistili, že se nafoukne bez úniku. Chcete-li vzduchový sval otestovat, musíte jej natáhnout na celou délku a zatížit- to umožní je maximální kontrakce, když je pod tlakem. Začněte přidávat vzduch (až asi 60 psi) a sledujte, jak se svaly stahují!

Krok 3: Vytvoření velkého vzduchového svalu

Abych vytvořil ten velký sval, otočil jsem některé ostnaté konce z nějakého 3/4 "hliníkového táhla- plast bude také fungovat. Jeden konec je pevný. Na druhém konci je vyvrtán vzduchový otvor 1/8" a poté je poklepán na 1 /8 "adaptér závitu trubkové hadice. Provádí se vyvrtáním otvoru 21/64" kolmého na vzduchový otvor 1/8 ". Poté pomocí závitového závitníku 1/8" poklepejte na otvor 21/64 "pro hadicová koncovka. Nyní ustřihněte 8 “délku 3/8“gumové hadičky pro vzduchový měchýř a jeden konec nasuňte na jednu z obrobených tvarovek. Poté odstřihněte asi 1/2 “pletené pouzdro dlouhé 10“(nezapomeňte roztavit konce zapalovačem) a nasuňte jej na gumovou trubičku. Poté nasuňte opačný konec gumové trubice na zbývající opracovanou vzduchovou armaturu. Nyní bezpečně sevřete každý konec hadičky pomocí hadicových spon. Větší sval funguje stejně jako menší verze- jen přidejte vzduch a sledujte, jak se smršťuje. Jakmile jej zatížíte, okamžitě si uvědomíte, že tento větší sval je mnohem silnější!

Krok 4: Testování a další informace

Nyní, když jste vytvořili nějaké vzduchové svaly, je čas je použít. Natáhněte svaly, aby dosáhly svého maximálního prodloužení přidáním váhy. Dobrým testovacím zařízením by bylo použití závěsné váhy- bohužel jsem k ní neměl přístup, takže jsem musel použít nějaké závaží. Nyní pomalu začněte přidávat vzduch v přírůstcích po 20 psi, dokud nedosáhnete 60 psi. První věc, které si všimnete, je, že sval se při každém přírůstkovém zvýšení tlaku vzduchu smršťuje progresivně menší množství, dokud se úplně nestáhne. Dále zjistíte, že jak se zvyšuje zátěž, schopnost svalu stahovat se klesá s rostoucí rychlostí, dokud již nemůže zvedat zvýšenou zátěž. To je velmi podobné tomu, jak funguje lidský sval. Okamžitě je zřejmé, že změna velikosti svalu má obrovský vliv na výkon svalu. Na 22 liber. @60psi, menší sval se stále může zvedat, ale není ani zdaleka k dosažení úplné kontrakce, zatímco větší sval může velmi snadno dosáhnout úplné kontrakce. Dynamiku vzduchových svalů je poměrně obtížné matematicky modelovat, zvláště s ohledem na počet proměnných v jejich konstrukci. Pro další čtení doporučuji podívat se sem: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Mezi několik aplikací vzduchových svalů patří robotika (zejména biorobotika), animatronika, ortotika/rehabilitace a protetika. Mohou být ovládány mikrokontroléry nebo spínači pomocí třícestných elektromagnetických vzduchových ventilů nebo rádiovým ovládáním pomocí ventilů ovládaných servy. Třícestný ventil funguje tak, že nejprve naplní močový měchýř, udrží tlak vzduchu v měchýři a poté odvzdušní močový měchýř, aby jej vyprázdnil. Pamatujte na to, že vzduchové svaly musí být pod tlakem, aby správně fungovaly. Jako příklad se často používají dva svaly ve vzájemné rovnováze k pohybu robotické paže. Jeden sval by fungoval jako biceps a druhý jako tricepsový sval. Celkově lze vzduchové svaly zkonstruovat ze všech druhů délek a průměrů, aby vyhovovaly široké škále aplikací, kde je rozhodující vysoká pevnost a nízká hmotnost. Jejich výkon a životnost se liší podle několika parametrů týkajících se jejich konstrukce: 1) délka svalu 2) průměr svalu 3) typ hadičky používané k testování močového měchýře- četl jsem, že latexové měchýře mívají delší životnost než silikonové měchýře, některé silikony však mají vyšší rychlost expanze (až 1000%) a mohou pojmout vyšší tlaky než latex (hodně z toho bude záviset na přesné specifikaci hadiček.) 4) Použitý typ pletené síťoviny- některé pletené sítě jsou méně abrazivní než jiné, zlepšení životnosti močového měchýře. Některé společnosti používaly spandexové pouzdro mezi močovým měchýřem a síťovinou, aby omezily oděr. Pevnější tkaná síťovina umožňuje rovnoměrnější rozložení tlaku na močový měchýř a snižuje napětí na měchýři. 5) Předpětí močového měchýře (močový měchýř je kratší než pletená síťovina)- to způsobí zmenšení kontaktní plochy (a tím i oděru) mezi močovým měchýřem a rukávem pletené síťoviny, když je sval v klidu, a umožňuje úpletové pletivo úplně reforma mezi kontrakčními cykly, zlepšující jeho únavovou životnost. Předpětí močového měchýře také zlepšuje počáteční kontrakci svalu v důsledku počátečního nižšího objemu močového měchýře. 6) Konstrukce pouzder koncových svalů- zaoblené hrany snižují koncentrace napětí v močovém měchýři. Celkově vzato, vzhledem k jejich poměru výkonu k hmotnosti, snadné/nízké ceně stavby a schopnosti napodobovat dynamiku lidských svalů, nabízejí vzduchové svaly atraktivní alternativu k tradičním pohybovým prostředkům pro mechanická zařízení. Bavte se s jejich stavbou!: D