Hoe luchtspieren te maken!: 4 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Ik moest een aantal actuatoren maken voor een animatronics-project waar ik aan werk. Luchtspieren zijn zeer krachtige actuatoren die erg op een menselijke spier werken en een fenomenale kracht-gewichtsverhouding hebben - ze kunnen een trekkracht uitoefenen tot 400 keer hun eigen gewicht. Ze werken wanneer ze worden gedraaid of gebogen en kunnen onder water werken. Ze zijn ook gemakkelijk en goedkoop te maken! Luchtspieren (ook bekend als een McKibben-kunstspier of gevlochten pneumatische aandrijvingen) werden oorspronkelijk in de jaren vijftig door J. L. McKibben ontwikkeld als orthesen voor poliopatiënten. Dit is hoe ze werken: de spier bestaat uit een rubberen buis (blaas of kern) die is omgeven door een buisvormige huls van gevlochten vezelgaas. Wanneer de blaas wordt opgeblazen, zet het gaas radiaal uit en trekt het axiaal samen (omdat de gaasvezels niet uitrekbaar zijn), waardoor de totale lengte van de spier wordt verkort en vervolgens een trekkracht wordt opgewekt. Luchtspieren hebben prestatiekenmerken die sterk lijken op menselijke spieren - de uitgeoefende kracht neemt af naarmate de spier samentrekt. Dit komt door de verandering in de verwevingshoek van het gevlochten gaas als de spier samentrekt - aangezien het gaas radiaal uitzet in een schaarachtige beweging, oefent het minder kracht uit omdat de weefhoek steeds ondieper wordt naarmate de spier samentrekt (zie het onderstaande diagram - figuur A laat zien dat de spier sterker zal samentrekken dan figuur C bij een gelijke toename van de blaasdruk). Ook de video's laten dit effect zien. Luchtspieren kunnen tot 40% van hun lengte samentrekken, afhankelijk van de methode en het materiaal van hun constructie. De gaswet stelt dat als je de druk verhoogt, je ook het volume van een uitzetbare cilinder vergroot (mits de temperatuur constant is). de blaas wordt uiteindelijk beperkt door de fysieke eigenschappen van de gevlochten gaashuls, dus om een grotere trekkracht te creëren, moet u het effectieve volume van de blaas kunnen vergroten - de trekkracht van de spier is een functie van de lengte en diameter van de spier en zijn vermogen om samen te trekken vanwege de eigenschappen van de mesh-mouw (constructiemateriaal, aantal vezels, verwevingshoek) en blaasmateriaal. Om dit principe te demonstreren, heb ik twee spieren van verschillende grootte geconstrueerd met behulp van vergelijkbare materialen - ze werkten allebei met dezelfde luchtdruk (60 psi) maar hadden verschillende diameters en lengtes. De kleine spier begint echt te worstelen als er wat gewicht op wordt gezet, terwijl de grotere spier helemaal geen problemen heeft. Hier zijn een paar video's die beide geconstrueerde luchtspieren in actie laten zien.

Laten we nu wat spieren gaan maken!

Stap 1: Materialen

Alle materialen zijn direct beschikbaar op Amazon.com, met uitzondering van het 3/8 "gevlochten nylon gaas - het is verkrijgbaar bij elektronicaleveranciers. Amazon verkoopt wel een gevlochten hoesset met verschillende maten gevlochten gaas, maar het exacte materiaal is niet vermeld-AmazonJe hebt een luchtbron nodig: ik heb een kleine luchttank met een drukregelaar gebruikt, maar je kunt ook een fietsluchtpomp gebruiken (je moet een adapter maken om hem te laten werken met de 1/4 "polyslang Luchttank- AmazonDrukregelaar (vereist een 1/8" NPT vrouwelijke naar 1/4" NPT mannelijke adapter)- Amazon 1/4" hogedruk poly-slangen- Amazonmultitool (schroevendraaier, schaar, tang, draadknipper)- Amazonaansteker voor de kleine spier: 1/4 "siliconen- of latexslang - Amazon3/8" gevlochten nylon gaashuls (zie hierboven) 1/8" kleine slangpilaar (messing of nylon) - Amazone kleine bout (10-24 draad bij 3/8 in lengte werkt goed)- Amazonsteel-veiligheidsdraad- Amazonvoor de grote spier: 3/8 "siliconen- of latexslangen- Amazon1/2" gevlochten nylon mesh-mouw- Amazon1/ 8 "of vergelijkbare maat boor- Amazon21/64" boor- Amazon 1/8 "x 27 NPT-kraan- Amazon 1/8" slangpilaar x 1/8" pijpdraadadapter- Amazonkleine slangklemmen- Amazon3/4" aluminium of plastic staaf om de spieruiteinden te construeren - Amazon Safety note - zorg ervoor dat u een veiligheidsbril draagt bij het testen van uw luchtspieren! Een hogedrukslang die uit een losse fitting springt, kan ernstig letsel veroorzaken!

Stap 2: De kleine spier maken

Snijd eerst een klein stukje van de 1/4" siliconen slang. Steek nu de kleine bout in het ene uiteinde van de slang en de slangpilaar in het andere uiteinde. Knip nu de 3/8" gevlochten huls ongeveer vijf centimeter langer dan de siliconen buis en gebruik een aansteker om de uiteinden van de gevlochten mouw te smelten, zodat deze niet uit elkaar rafelt. Schuif de gevlochten huls over de siliconenslang en wikkel elk uiteinde van de slang met de veiligheidsdraad en draai deze vast. Maak nu enkele draadlussen en wikkel ze rond elk uiteinde van de gevlochten mouw. Als alternatief voor het gebruik van draadlussen aan de uiteinden van de spier, kunt u de huls langer maken en hem dan terugvouwen over het uiteinde van de spier, waardoor een lus ontstaat (u moet de luchtfitting erdoor duwen) - draai vervolgens de draad vast eromheen. Sluit nu uw 1/4" hogedrukslang aan en pomp een beetje lucht in de spier om ervoor te zorgen dat deze opblaast zonder te lekken. Om de luchtspier te testen, moet u deze tot zijn volledige lengte uitrekken door er een belasting op het maximale contractie wanneer het onder druk staat. Begin met het toevoegen van lucht (tot ongeveer 60psi) en kijk hoe de spier samentrekt!

Stap 3: De grote luchtspier maken

Om de grote spier te maken, heb ik enkele uiteinden met weerhaken gedraaid van een 3/4 "aluminiumstaaf - plastic zal ook werken. Het ene uiteinde is solide. Het andere uiteinde heeft een 1/8" luchtgat erin geboord en dan wordt er een /8" slangpilaardraadadapter. Dit wordt gedaan door een 21/64" gat loodrecht op het 1/8" luchtgat te boren. Gebruik vervolgens een 1/8" pijpdraadtap om het 21/64" gat voor de Snij een 8" lengte van 3/8" rubberen slang voor de luchtblaas en schuif het ene uiteinde over een van de machinaal bewerkte fittingen. Knip vervolgens een 1/2" gevlochten huls van 10" lang (vergeet niet om de uiteinden te smelten met een aansteker) en schuif deze over de rubberen buis. Schuif vervolgens het andere uiteinde van de rubberen buis over de resterende machinaal bewerkte luchtfitting. Klem nu elk uiteinde van de slang stevig vast met behulp van slangklemmen. De grotere spier werkt net als de kleinere versie - alleen voeg lucht toe en kijk hoe het samentrekt. Als je het eenmaal belast, zul je meteen merken dat deze grotere spier veel sterker is!

Stap 4: Testen en aanvullende informatie

Nu je wat luchtspieren hebt gemaakt, is het tijd om ze te gebruiken. Rek de spieren uit zodat ze hun maximale extensie bereiken door gewicht toe te voegen. Een goede testopstelling zou zijn om een hangende weegschaal te gebruiken - helaas had ik er geen toegang tot, dus ik moest wat gewichten gebruiken. Begin nu langzaam lucht toe te voegen in stappen van 20 psi totdat u 60 psi bereikt. Het eerste dat opvalt, is dat de spier een steeds kleinere hoeveelheid samentrekt bij elke stapsgewijze toename van de luchtdruk totdat deze volledig samentrekt. Vervolgens zult u zien dat naarmate de belasting toeneemt, het vermogen van de spier om samen te trekken in toenemende mate afneemt totdat deze de verhoogde belasting niet langer kan optillen. Dit lijkt erg op hoe een menselijke spier presteert. Het valt direct op dat een verandering in de grootte van de spier een enorm effect heeft op de prestaties van de spier. Op 22 pond. @60psi, de kleinere spier kan nog steeds tillen, maar het is lang niet in de buurt van volledige samentrekking, terwijl de grotere spier heel gemakkelijk volledige samentrekking kan krijgen. De dynamiek van luchtspieren is vrij moeilijk wiskundig te modelleren, vooral gezien het aantal variabelen in hun constructie. Voor meer informatie raad ik aan om hier te kijken: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Verschillende toepassingen van luchtspieren zijn robotica (vooral biorobotica), animatronics, orthesen/revalidatie en protheses. Ze kunnen worden bestuurd door microcontrollers of schakelaars met behulp van drieweg-magneetluchtkleppen of door radiobesturing met behulp van kleppen die worden bediend door servo's. Een driewegklep werkt door eerst de blaas te vullen, de luchtdruk in de blaas vast te houden en vervolgens de blaas te ontluchten om deze te laten leeglopen. Het ding om te onthouden is dat de luchtspieren onder spanning moeten staan om goed te kunnen werken. Als voorbeeld worden twee spieren vaak in combinatie gebruikt om elkaar in evenwicht te brengen om een robotarm te bewegen. De ene spier zou fungeren als de biceps en de andere als de triceps-spier. Over het algemeen kunnen luchtspieren in allerlei lengtes en diameters worden geconstrueerd voor een breed scala aan toepassingen waarbij hoge sterkte en een laag gewicht van cruciaal belang zijn. Hun prestaties en levensduur variëren afhankelijk van verschillende parameters met betrekking tot hun constructie:1) Lengte van de spier2) Diameter van de spier3) Type slang dat wordt gebruikt voor blaastesten Ik heb gelezen dat latex blazen over het algemeen een langere levensduur hebben dan siliconen blazen, sommige siliconen hebben echter een grotere uitzettingssnelheid (tot 100%) en kunnen hogere drukken aan dan latex (veel hiervan hangt af van de exacte slangspecificatie.) 4) Type gevlochten gaas dat wordt gebruikt - sommige gevlochten gaas zijn minder schurend dan andere, het verbeteren van de levensduur van de blaas. Sommige bedrijven hebben een spandex-mouw tussen de blaas en het gaas gebruikt om slijtage te verminderen. Een strakker geweven gaas zorgt voor een meer gelijkmatige drukverdeling op de blaas, waardoor de druk op de blaas wordt verminderd. 5) Voorspanning van de blaas (de blaas is korter dan het gevlochten gaas) - dit veroorzaakt een vermindering van het contactoppervlak (en dus slijtage) tussen de blaas en de gevlochten gaashuls wanneer de spier in rust is en laat het gevlochten gaas volledig toe hervorming tussen contractiecycli, verbetering van de vermoeidheidslevensduur. Het vooraf belasten van de blaas verbetert ook de initiële samentrekking van de spier als gevolg van het aanvankelijke lagere blaasvolume.6) Constructie van behuizingen aan het uiteinde van de spieren - afgeronde randen verminderen de spanningsconcentraties op de blaas. Al met al bieden luchtspieren, gezien hun vermogen-gewichtsverhouding, hun gemak/lage constructiekosten en het vermogen om de dynamiek van menselijke spieren na te bootsen, een aantrekkelijk alternatief voor traditionele bewegingsmiddelen voor mechanische apparaten. Veel plezier bij het bouwen ervan!:NS