Sådan laver du luftmuskler !: 4 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Jeg havde brug for at oprette nogle aktuatorer til et animatronikprojekt, jeg arbejder på. Luftmuskler er meget kraftfulde aktuatorer, der virker meget lig en menneskelig muskel og har et fænomenalt forhold mellem styrke og vægt- de kan udøve en trækkraft op til 400 gange deres egen vægt. De fungerer, når de er snoet eller bøjet og kan arbejde under vand. De er også lette og billige at lave! Luftmuskler (også kendt som en McKibben kunstig muskel eller flettet pneumatiske aktuatorer) blev oprindeligt udviklet af J. L. McKibben i 1950'erne som et ortotisk apparat til poliopatienter. Sådan fungerer de: Musklen består af et gummirør (blære eller kerne), der er omgivet af et rørformet flettet fibernetmuffe. Når blæren er oppustet, udvider masken sig radialt og trækker sig aksialt sammen (da maskefibrene er uudvidelige), hvilket forkorter musklens samlede længde og efterfølgende producerer en trækkraft. Luftmuskler har præstationsegenskaber, der meget ligner menneskelige muskler- kraften, der udøves, falder, når musklen trækker sig sammen. Dette skyldes ændringen i flettningsvinklen på det flettede net, når musklen trækker sig sammen- da masken ekspanderer radialt i en saks som bevægelse udøver den mindre kraft på grund af, at vævningsvinklen bliver stadig mere overfladisk, når musklen trækker sig sammen (se diagrammet herunder - figur A viser, at musklen vil sammentrække i højere grad end figur C givet en tilsvarende stigning i blæretryk). Videoen viser også denne effekt. Luftmuskler kan trække sig op til 40% af deres længde, afhængigt af metoden og materialerne i deres konstruktion. Gaslov siger, at hvis du øger trykket, øger du også volumen på en ekspanderbar cylinder (forudsat at temperaturen er konstant.) Den ekspanderende volumen af blæren er i sidste ende begrænset af de fysiske egenskaber ved det flettede netmuffe, så for at skabe en større trækkraft skal du være i stand til at øge blærens effektive volumen- muskelens trækkraft er en funktion af længden og muskelens diameter samt dets evne til at trække sig sammen på grund af egenskaberne af maskehylsteret (konstruktionsmateriale, antal fibre, sammenvævningsvinkel) og blæremateriale. Jeg konstruerede to muskler i forskellige størrelser ved hjælp af lignende materialer for at demonstrere dette princip- de blev begge betjent ved samme lufttryk (60psi), men havde forskellige diametre og længder. Den lille muskel begynder virkelig at kæmpe, når der lægges en vis vægt på den, mens den større muskel slet ikke har problemer. Her er et par videoer, der viser begge de konstruerede luftmuskler i aktion.

Lad os nu lave nogle muskler!

Trin 1: Materialer

Alle materialer er let tilgængelige på Amazon.com, med undtagelse af 3/8 "flettet nylonnet- det fås hos elektronikleverandører. Amazon sælger et flettet ærmet kit med flere størrelser flettet mesh, men det nøjagtige materiale er ikke angivet-Amazon Du skal bruge en luftkilde: Jeg brugte en lille lufttank med en trykregulator, men du kan også bruge en cykelluftpumpe (du skal lave en adapter for at få den til at fungere med 1/4 "poly-slangen. Lufttank- AmazonPressure regulator (kræver en 1/8 "NPT hun til 1/4" NPT han adapter)- Amazon1/4 "højtryks poly rør- Amazonmultitool (skruetrækker, saks, tang, trådskærere)- Amazonlighter til de små muskel: 1/4 "silikone- eller latexrør- Amazon3/8" flettet nylonmaske (se ovenfor) 1/8 "lille slangestang (messing eller nylon)- Amazons lille bolt (10-24 gevind med 3/8 i længden fungerer godt)- Amazonsteel sikkerhedstråd- Amazon til den store muskel: 3/8 "silikone eller latexrør- Amazon1/2" flettet nylon mesh ærme- Amazon1/ 8 "eller lignende størrelse bor- Amazon21/64" bor- Amazon1/8 "x 27 NPT hane- Amazon1/8" slangepind x 1/8 "rørgevind adapter- Amazonsmall slangeklemmer- Amazon3/4" aluminium eller plast stang til konstruktion af muskelender- AmazonSikkerhedsbemærkning- sørg for at bære sikkerhedsbriller, når du tester dine luftmuskler! En højtryksslange, der springer ud af en løs beslag, kan forårsage alvorlig personskade!

Trin 2: Lav den lille muskel

Skær først en lille længde af 1/4 "silikoneslangen. Sæt nu den lille bolt ind i den ene ende af slangen og slangestangen i den anden ende. Skær nu 3/8" flettet ærme cirka to centimeter længere end silikonen rør og brug en lighter til at smelte enderne af det flettede ærme, så det ikke flosser fra hinanden. Skub det flettede ærme hen over silikoneslangen, og vikl hver ende af røret med sikkerhedskablet, og stram det. Lav nu nogle trådsløjfer og vikl dem omkring hver ende af det flettede ærme. Som et alternativ til at bruge trådsløjfer i enderne af musklen kan du gøre ærmet længere og derefter folde det tilbage over enden af musklen og danne en løkke (du skal skubbe luftbeslaget igennem)- derefter stramme wiren omkring det. Tilslut nu dit 1/4 "højtryksrør og pump lidt luft ind i musklen for at sikre, at den blæser op uden at lække. For at teste luftmusklen skal du strække den til sin fulde længde ved at lægge en belastning på den- dette vil tillade det maksimale sammentrækning, når det er under tryk. Begynd at tilføje luft (op til ca. 60psi) og se musklen trække sig sammen!

Trin 3: Lav den store luftmuskel

For at lave den store muskel drejede jeg nogle pigtænder fra nogle 3/4 "aluminiumsstang- plastik vil også fungere. Den ene ende er solid. Den anden ende har et 1/8" lufthul boret i den og derefter tappes for en 1 /8 "slangestang røradapter. Dette gøres ved at bore et 21/64" hul vinkelret på 1/8 "lufthullet. Brug derefter en 1/8" rørgevindskran til at trykke på 21/64 "hullet til Nu skal du skære en 8 "længde på 3/8" gummislange til luftblæren og skub den ene ende hen over en af de bearbejdede beslag. Skær derefter nogle 1/2 "flettede ærmer 10" lange (husk at smelte enderne med en lighter) og skub den over gummirøret. Skub derefter den modsatte ende af gummirøret hen over den resterende bearbejdede luftbeslag. Klem nu hver ende af slangen forsvarligt fast med slangeklemmer. Den større muskel fungerer ligesom mindre version- bare tilføj luft og se den trække sig sammen. Når du har lagt den under belastning, vil du straks indse, at denne større muskel er meget stærkere!

Trin 4: Testning og yderligere oplysninger

Nu hvor du har lavet nogle luftmuskler, er det tid til at bruge dem. Stræk musklerne ud, så de når deres maksimale forlængelse ved at tilføje vægt. En god testrig ville være at bruge en hængende vægt- desværre havde jeg ikke adgang til en, så jeg måtte bruge nogle vægte. Begynd nu langsomt at tilføje luft i trin på 20psi, indtil du når 60psi. Den første ting, du bemærker, er, at musklen trækker en gradvist mindre mængde sammen med hver trinvis stigning i lufttrykket, indtil den trækker sig helt sammen. Dernæst vil du opdage, at når belastningen øges, falder musklens evne til at trække sig sammen i stigende grad, indtil den ikke længere kan løfte den øgede belastning. Dette ligner meget, hvordan en menneskelig muskel klarer sig. Det er umiddelbart mærkbart, at en ændring i musklens størrelse har en enorm effekt på musklens ydeevne. Ved 22 lbs. @60psi, den mindre muskel kan stadig løfte, men det er ikke i nærheden af at opnå fuld sammentrækning, mens den større muskel meget let kan opnå fuld sammentrækning. Luftmuskulaturen er temmelig vanskelig at matematisk modellere, især i betragtning af antallet af variabler i deres konstruktion. For yderligere læsning anbefaler jeg at kigge her: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Flere anvendelser af luftmuskler omfatter robotik (især biorobotik), animatronik, ortotik/rehabilitering og proteser. De kan styres af mikrokontrollere eller switche ved hjælp af trevejs magnetventiler eller radiostyring ved hjælp af ventiler, der betjenes af servoer. En trevejsventil fungerer ved først at fylde blæren, holde lufttrykket i blæren og derefter udlufte blæren for at tømme den. Det, man skal huske, er, at luftmusklerne skal være under spænding for at fungere korrekt. Som et eksempel bruges to muskler ofte sammen for at balancere hinanden for at flytte en robotarm. Den ene muskel ville fungere som bicep og den anden som tricep -muskel. Overordnet set kan luftmuskler konstrueres i alle slags længder og diametre, så de passer til en lang række anvendelser, hvor høj styrke og let vægt er afgørende. Deres ydeevne og levetid varierer i henhold til flere parametre vedrørende deres konstruktion: 1) Musklens længde 2) Muskelens diameter 3) Rørtype, der bruges til blæretest, jeg har læst, siger, at latexblærer har en tendens til at have en længere levetid end silikoneblærer, nogle silikoner har dog større ekspansionshastigheder (op til 1000%) og kan holde højere tryk end latex (meget af dette vil afhænge af den nøjagtige slangespecifikation.) 4) Type flettet net, der bruges- nogle flettede masker er mindre slibende end andre, forbedring af blærens levetid. Nogle virksomheder har brugt et spandex -ærme mellem blæren og mesh for at reducere slid. Et strammere vævet net giver mulighed for mere jævn trykfordeling på blæren, hvilket reducerer belastningen på blæren. 5) Forspænding af blæren (blæren er kortere end det flettede net)- dette medfører en reduktion af kontaktarealet (og dermed slid) mellem blæren og flettet mesh-ærme, når musklen er i ro, og gør det muligt for det flettede net at reform mellem sammentrækningscyklusser og forbedrer dets træthedstid. Forspænding af blæren forbedrer også den første sammentrækning af musklen på grund af den indledende lavere blærevolumen. 6) Konstruktion af muskelendehus- radierede kanter reducerer spændingskoncentrationer på blæren. Alt i alt i betragtning af deres forhold mellem kraft og vægt, lethed/lave omkostninger ved konstruktion og evne til at efterligne dynamikken i menneskelige muskler, tilbyder luftmuskler et attraktivt alternativ til traditionelle bevægelsesmidler for mekaniske enheder. Hav det sjovt at bygge dem!: D