Hvordan lage luftmuskler !: 4 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Jeg trengte å lage noen aktuatorer for et animatronikkprosjekt jeg jobber med. Luftmuskler er veldig kraftige aktuatorer som fungerer veldig likt en menneskelig muskel og har et fenomenalt styrke / vektforhold- de kan utøve en trekkraft opptil 400 ganger sin egen vekt. De fungerer når de er vridd eller bøyd og kan fungere under vann. De er også enkle og billige å lage! Luftmuskler (også kjent som en McKibben kunstig muskel eller flettet pneumatiske aktuatorer) ble opprinnelig utviklet av J. L. McKibben på 1950 -tallet som et ortotisk apparat for poliopasienter. Slik fungerer de: Muskelen består av et gummirør (blære eller kjerne) som er omgitt av et rørformet flettet fibernetthylse. Når blæren blåses opp, ekspanderer masken radialt og trekker seg aksialt sammen (siden maskefibrene er ikke strekkbare), noe som forkorter muskellengden og gir deretter en trekkraft. Luftmuskler har ytelsesegenskaper som er veldig like menneskelige muskler- kraften som utøves avtar når muskelen trekker seg sammen. Dette skyldes endringen i vevingsvinkelen til det flettede nettet når muskelen trekker seg sammen- ettersom masken ekspanderer radialt i en saks som bevegelse, utøver den mindre kraft på grunn av at vevvinkelen blir stadig grunne etter hvert som muskelen trekker seg sammen (se diagrammet nedenfor - figur A viser at muskelen vil trekke seg sammen i større grad enn figur C gitt en like økning i blæretrykket). Videoene viser også denne effekten. Luftmuskler kan trekke seg opp til 40% av lengden, avhengig av metode og materialer i konstruksjonen. Gasloven sier at hvis du øker trykket, øker du også volumet til en utvidbar sylinder (forutsatt at temperaturen er konstant.) Det ekspanderende volumet til blæren er til syvende og sist begrenset av de fysiske egenskapene til flettet meshhylse, så for å skape en større trekkraft må du være i stand til å øke blærens effektive volum- muskelens trekkraft er en funksjon av lengden og muskelens diameter så vel som dens evne til å trekke seg sammen på grunn av egenskapene til maskehylsen (konstruksjonsmateriale, antall fibre, sammenvevd vinkel) og blæremateriale. Jeg konstruerte to forskjellige muskler med lignende materialer for å demonstrere dette prinsippet- de ble begge operert med samme lufttrykk (60psi), men hadde forskjellige diametre og lengder. Den lille muskelen begynner virkelig å slite når den legges litt på mens den større muskelen ikke har noen problemer i det hele tatt. Her er et par videoer som viser begge de konstruerte luftmuskulaturen i aksjon.

La oss lage noen muskler!

Trinn 1: Materialer

Alle materialene er lett tilgjengelige på Amazon.com, med unntak av 3/8 "flettet nylon mesh- det er tilgjengelig fra elektronikkleverandører. Amazon selger et flettet ermet sett med flere størrelser flettet mesh, men det eksakte materialet er ikke oppgitt-Amazon Du trenger en luftkilde: Jeg brukte en liten lufttank med trykkregulator, men du kan også bruke en luftpumpe for sykkel (du må lage en adapter for å få den til å fungere med 1/4 "poly-slangen. Lufttank- AmazonPressure-regulator (krever en 1/8 "NPT hunn til 1/4" NPT hann-adapter)- Amazon1/4 "høytrykks poly rør- Amazonmultitool (skrutrekker, saks, tang, trådkutter)- Amazonlighter for de små muskel: 1/4 "silikon- eller latexrør- Amazon3/8" flettet nylonhylse (se ovenfor) 1/8 "liten slangestang (messing eller nylon)- Amazonsmall bolt (10-24 tråd med 3/8 i lengde fungerer vel)- Amazonsteel sikkerhetskabel- Amazon for den store muskelen: 3/8 "silikon- eller latexrør- Amazon1/2" flettet nylonhylse- Amazon1/ 8 "eller lignende størrelse borekrone- Amazon21/64" borekrone- Amazon1/8 "x 27 NPT-kran- Amazon1/8" slangepinne x 1/8 "rørtrådadapter- Amazonsmall slangeklemmer- Amazon3/4" aluminium eller plast stang for å konstruere muskelendene- AmazonSikkerhetsmerknad- pass på at du bruker vernebriller når du tester luftmuskulaturen! En høytrykksslange som dukker av en løs beslag kan forårsake alvorlig skade!

Trinn 2: Lag den lille muskelen

Klipp først en liten lengde på 1/4 "silikonrøret. Sett nå den lille bolten inn i den ene enden av slangen og slangestangen i den andre enden. Klipp nå den 3/8" flettede ermet omtrent to centimeter lengre enn silikonet rør og bruk en lighter for å smelte endene på flettet ermet slik at det ikke flosser fra hverandre. Skyv den flettede hylsen over silikonrøret og pakk hver ende av røret med sikkerhetskabelen og stram den. Lag nå noen trådløkker og vikle dem rundt hver ende av flettet ermet. Som et alternativ til å bruke trådsløyfer på endene av muskelen, kan du gjøre ermet lengre og deretter brette det tilbake over enden av muskelen og danne en sløyfe (du må skyve luftbeslaget gjennom)- deretter stramme ledningen rundt det. Koble nå ditt 1/4 "høytrykksrør og pump litt luft inn i muskelen for å sikre at den blåses opp uten å lekke. For å teste luftmuskelen må du strekke den til sin fulle lengde ved å legge en belastning på den- dette vil tillate den maksimale sammentrekningen når den er under trykk. Begynn å tilføre luft (opptil 60 psi) og se musklen trekke seg sammen!

Trinn 3: Lag den store luftmuskelen

For å lage den store muskelen snudde jeg noen hull med enden 3/4 "aluminiumsstang. Plasten vil også fungere. Den ene enden er solid. Den andre enden har et 1/8" lufthull boret i den og deretter tappet for en 1 /8 "rørtrådadapter for slangehager. Dette gjøres ved å bore et 21/64" hull vinkelrett på 1/8 "lufthullet. Deretter bruker du en 1/8" rørtrådskran for å tappe 21/64 "hullet for Kutt nå en 8 "lengde på 3/8" gummislange for luftblæren og skyv den ene enden over en av de bearbeidede beslagene. Kutt deretter noen 1/2 "flettet hylse 10" lang (husk å smelte endene med en lighter) og skyv den over gummirøret. Skyv deretter den motsatte enden av gummirøret over den gjenværende maskinelle luftbeslaget. Klem nå hver ende av slangen godt fast med slangeklemmer. Den større muskelen fungerer akkurat som en mindre versjon- bare tilsett luft og se den trekke seg sammen. Når du legger den under belastning, innser du umiddelbart at denne større muskelen er mye sterkere!

Trinn 4: Testing og tilleggsinformasjon

Nå som du har laget noen luftmuskler er det på tide å bruke dem. Strekk ut musklene slik at de når maksimal forlengelse ved å legge til vekt. En god testrigg ville være å bruke en hengende skala- dessverre hadde jeg ikke tilgang til en så jeg måtte bruke noen vekter. Begynn nå sakte å tilføre luft i trinn på 20 psi til du når 60 psi. Det første du legger merke til er at muskelen trekker seg gradvis mindre med hver trinnvise økning i lufttrykket til den trekker seg helt sammen. Deretter vil du finne at når belastningen økes, reduseres muskelens evne til å trekke seg sammen med en økende hastighet til den ikke lenger kan løfte den økte belastningen. Dette ligner veldig på hvordan en menneskelig muskel presterer. Det er umiddelbart merkbart at en endring i muskelens størrelse har en enorm effekt på muskelens ytelse. På 22lbs. @60psi, den mindre muskelen kan fortsatt løfte, men den er ikke i nærheten av å oppnå full sammentrekning, mens den større muskelen lett kan oppnå full sammentrekning. Dynamikken i luftmuskler er ganske vanskelig å matematisk modellere, spesielt gitt antall variabler i konstruksjonen. For ytterligere lesing anbefaler jeg å ta en titt her: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Flere anvendelser av luftmuskler inkluderer robotikk (spesielt biorobotikk), animatronikk, ortotikk/rehabilitering og proteser. De kan styres av mikrokontrollere eller brytere ved hjelp av treveis magnetventiler eller radiostyring ved hjelp av ventiler som drives av servoer. En treveisventil fungerer ved først å fylle blæren, holde lufttrykket i blæren og deretter lufte blæren for å tømme den. Tingen å huske er at luftmuskulaturen må være under spenning for å fungere skikkelig. Som et eksempel brukes to muskler ofte sammen for å balansere hverandre for å bevege en robotarm. Den ene muskelen vil fungere som bicep og den andre som tricep -muskelen. Samlet sett kan luftmuskler konstrueres i alle slags lengder og diametre for å passe til en lang rekke applikasjoner der høy styrke og lett vekt er kritisk. Deres ytelse og levetid varierer i henhold til flere parametere angående konstruksjonen: 1) Muskelens lengde2) Diameter av muskler3) Rørtype som brukes til blæretesting Jeg har lest sier at latexblærer har en tendens til å ha en lengre levetid enn silikonblærer, Noen silikoner har imidlertid større ekspansjonshastigheter (opptil 1000%) og kan holde høyere trykk enn latex (mye av dette vil avhenge av den spesifikke slangespesifikasjonen.) 4) Type flettet maske som brukes- noen flettede masker er mindre slipende enn andre, forbedre blærens levetid. Noen selskaper har brukt en spandexhylse mellom blæren og mesh for å redusere slitasje. Et tettere vevd nett gir en jevnere trykkfordeling på blæren, noe som reduserer belastningen på blæren. 5) Forspenning av blæren (blæren er kortere enn det flettede masken)- dette forårsaker en reduksjon av kontaktområdet (og dermed slitasje) mellom blæren og flettet maskehylse når muskelen er i ro og gjør at flettet maske kan reform mellom sammentrekningssykluser, og forbedrer utmattelsestiden. Forspenning av blæren forbedrer også den første sammentrekningen av muskelen på grunn av det første nedre blærevolumet. 6) Konstruksjon av muskelendehus- radierte kanter reduserer spenningskonsentrasjonene på blæren. Alt i alt gitt luftmuskulaturen et attraktivt alternativ til tradisjonelle bevegelsesmidler for mekaniske enheter.: D