Come Fare Muscoli d'Aria!: 4 Passaggi (Illustrato)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Avevo bisogno di creare degli attuatori per un progetto di animatronica a cui sto lavorando. I muscoli dell'aria sono attuatori molto potenti che funzionano in modo molto simile a un muscolo umano e hanno un rapporto forza-peso fenomenale: possono esercitare una forza di trazione fino a 400 volte il proprio peso. Funzioneranno quando sono attorcigliati o piegati e possono funzionare sott'acqua. Sono anche facili ed economici da realizzare! I muscoli dell'aria (noti anche come muscoli artificiali McKibben o attuatori pneumatici intrecciati) sono stati originariamente sviluppati da J. L. McKibben negli anni '50 come apparecchio ortopedico per i pazienti con poliomielite. Ecco come funzionano: il muscolo è costituito da un tubo di gomma (vescica o nucleo) circondato da una guaina tubolare in rete di fibre intrecciate. Quando la vescica viene gonfiata, la rete si espande radialmente e si contrae assialmente (poiché le fibre della rete sono inestensibili), accorciando la lunghezza complessiva del muscolo e producendo successivamente una forza di trazione. I muscoli dell'aria hanno caratteristiche prestazionali molto simili ai muscoli umani: la forza esercitata diminuisce man mano che il muscolo si contrae. Ciò è dovuto al cambiamento nell'angolo di intreccio della rete intrecciata quando il muscolo si contrae, poiché la rete si espande radialmente con un movimento a forbice esercita meno forza a causa dell'angolo di trama che diventa sempre più superficiale man mano che il muscolo si contrae (vedere il diagramma sotto - la figura A mostra che il muscolo si contrarrà in misura maggiore rispetto alla figura C a parità di aumento della pressione vescicale). Anche i video mostrano questo effetto. I muscoli dell'aria possono contrarsi fino al 40% della loro lunghezza, a seconda del metodo e dei materiali della loro costruzione. La legge sui gas afferma che se si aumenta la pressione si aumenta anche il volume di un cilindro espandibile (a condizione che la temperatura sia costante). Il volume in espansione di la camera d'aria è in definitiva vincolata dalle proprietà fisiche della manica a rete intrecciata, quindi per creare una maggiore forza di trazione è necessario essere in grado di aumentare il volume effettivo della camera d'aria- la forza di trazione del muscolo è una funzione della lunghezza e diametro del muscolo così come la sua capacità di contrarsi grazie alle proprietà del manicotto in rete (materiale di costruzione, numero di fibre, angolo di intreccio) e del materiale della vescica. Ho costruito due muscoli di dimensioni diverse utilizzando materiali simili per dimostrare questo principio: entrambi sono stati azionati alla stessa pressione dell'aria (60 psi) ma avevano diametri e lunghezze diversi. Il muscolo piccolo inizia davvero a lottare quando viene messo del peso su di esso, mentre il muscolo più grande non ha alcun problema. Ecco un paio di video che mostrano entrambi i muscoli dell'aria costruiti in azione.

Ora andiamo a fare un po' di muscoli!

Passaggio 1: materiali

Tutti i materiali sono prontamente disponibili su Amazon.com, ad eccezione della rete di nylon intrecciata da 3/8 ", disponibile presso i fornitori di elettronica. Amazon vende un kit di guaine intrecciate con diverse dimensioni di rete intrecciata, ma il materiale esatto è non indicato-Amazon Avrai bisogno di una fonte d'aria: ho usato un piccolo serbatoio d'aria con un regolatore di pressione ma puoi anche usare una pompa ad aria per bicicletta (dovrai fare un adattatore per farlo funzionare con il tubo in polietilene da 1/4 " Serbatoio dell'aria- Regolatore di pressione Amazon (richiede un adattatore da 1/8" NPT femmina a 1/4" NPT maschio)- Tubo in polietilene ad alta pressione Amazon1/4"- Multitool Amazon (cacciavite, forbici, pinze, tronchesi)- Accendino Amazon per i piccoli Muscolo: tubo in silicone o lattice da 1/4" - Manicotto in rete di nylon intrecciato da 3/8" (vedi sopra) Portagomma piccolo da 1/8" (ottone o nylon) - Bullone piccolo (10-24 filetti per 3/8 di lunghezza) bene)- Cavo di sicurezza Amazonsteel- Amazonper il muscolo grande: tubo in silicone o lattice da 3/8"- Manicotto in rete di nylon intrecciato da 1/2" Amazon1/ Punta da trapano da 8" o di dimensioni simili- Punta da trapano Amazon21/64"- Rubinetto da 1/8" x 27 NPT- Adattatore per filettatura tubo Amazon1/8" x 1/8"- Fascette stringitubo piccole Amazon3/4" in alluminio o plastica asta per costruire le estremità dei muscoli- Nota sulla sicurezza di Amazon: assicurati di indossare occhiali di sicurezza quando provi i tuoi muscoli dell'aria! Un tubo ad alta pressione che si stacca da un raccordo allentato potrebbe causare gravi lesioni!

Passaggio 2: creare il muscolo piccolo

Tagliare prima una piccola lunghezza del tubo in silicone da 1/4". Ora inserire il piccolo bullone in un'estremità del tubo e il portagomma nell'altra estremità. Ora tagliare il manicotto intrecciato da 3/8" circa due pollici più lungo del silicone tubo e usa un accendino per sciogliere le estremità della manica intrecciata in modo che non si sfilacci. Far scorrere il manicotto intrecciato sul tubo in silicone e avvolgere ciascuna estremità del tubo con il cavo di sicurezza e serrarlo. Ora fai degli anelli di filo e avvolgili attorno a ciascuna estremità della manica intrecciata. In alternativa all'utilizzo di cappi di filo sulle estremità del muscolo, puoi allungare la manica e poi piegarla all'indietro sull'estremità del muscolo, formando un cappio (devi spingere il raccordo dell'aria attraverso) - quindi stringere il filo intorno ad esso. Ora collega il tubo ad alta pressione da 1/4" e pompa un po' d'aria nel muscolo per assicurarti che si gonfi senza perdite. ha la massima contrazione quando è pressurizzato Inizia ad aggiungere aria (fino a circa 60 psi) e osserva il muscolo contrarsi!

Passaggio 3: creare il grande muscolo d'aria

Per creare il muscolo grande ho trasformato alcune estremità spinate da un'asta di alluminio da 3/4 "funzione anche in plastica. Un'estremità è solida. L'altra estremità ha un foro per l'aria da 1/8" e poi viene maschiata per un 1 Adattatore per filettatura del tubo portagomma da /8". Questo viene fatto praticando un foro da 21/64" perpendicolare al foro dell'aria da 1/8". Quindi utilizzare un rubinetto per filettatura del tubo da 1/8" per toccare il foro da 21/64" per il raccordo portagomma. Ora tagliare un tubo di gomma da 3/8" lungo 8" per la camera d'aria e far scorrere un'estremità su uno dei raccordi lavorati. Quindi tagliare un manicotto intrecciato da 1/2" lungo 10" (ricordarsi di fondere le estremità con un accendino) e farlo scorrere sul tubo di gomma. Quindi far scorrere l'estremità opposta del tubo di gomma sul raccordo dell'aria rimanente lavorato. Ora serrare saldamente ciascuna estremità del tubo utilizzando fascette stringitubo. Il muscolo più grande funziona proprio come la versione più piccola, solo aggiungi aria e guardalo contrarsi, una volta che lo metti sotto carico ti renderai subito conto che questo muscolo più grande è molto più forte!

Passaggio 4: test e informazioni aggiuntive

Ora che hai creato dei muscoli d'aria è il momento di metterli in pratica. Allunga i muscoli in modo che raggiungano la loro massima estensione aggiungendo peso. Un buon banco di prova sarebbe usare una bilancia sospesa, sfortunatamente non avevo accesso a una, quindi ho dovuto usare alcuni pesi. Ora inizia lentamente ad aggiungere aria con incrementi di 20 psi fino a raggiungere 60 psi. La prima cosa che noti è che il muscolo si contrae una quantità progressivamente più piccola con ogni aumento incrementale della pressione dell'aria fino a quando non si contrae completamente. Successivamente scoprirai che man mano che il carico aumenta, la capacità del muscolo di contrarsi diminuisce a un ritmo crescente fino a quando non è più in grado di sollevare il carico aumentato. Questo è molto simile a come si comporta un muscolo umano. È immediatamente evidente che un cambiamento nella dimensione del muscolo ha un enorme effetto sulle prestazioni del muscolo. A 22 libbre. @ 60psi, il muscolo più piccolo può ancora sollevarsi, ma non è neanche lontanamente vicino a ottenere una contrazione completa mentre il muscolo più grande può ottenere molto facilmente una contrazione completa. Le dinamiche dei muscoli dell'aria sono abbastanza difficili da modellare matematicamente, soprattutto in considerazione del numero di variabili nella loro costruzione. Per ulteriori letture consiglio di dare un'occhiata qui: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Diverse applicazioni dei muscoli dell'aria includono la robotica (in particolare la biorobotica), l'animatronica, l'ortesi/riabilitazione e le protesi. Possono essere comandati da microcontrollori o interruttori tramite elettrovalvole pneumatiche a tre vie o tramite radiocomando tramite valvole azionate da servocomandi. Una valvola a tre vie funziona riempiendo prima la vescica, mantenendo la pressione dell'aria nella vescica e poi sfiatandola per sgonfiarla. La cosa da ricordare è che i muscoli dell'aria devono essere sotto tensione per funzionare correttamente. Ad esempio, due muscoli sono spesso usati insieme per bilanciarsi l'un l'altro per muovere un braccio robotico. Un muscolo fungerebbe da bicipite e l'altro da muscolo tricipite. Nel complesso, i muscoli dell'aria possono essere costruiti in tutti i tipi di lunghezze e diametri per adattarsi a un'ampia varietà di applicazioni in cui l'elevata resistenza e la leggerezza sono fondamentali. Le loro prestazioni e longevità variano in base a diversi parametri relativi alla loro costruzione:1) Lunghezza del muscolo2) Diametro del muscolo3) Tipo di tubo utilizzato per il test della vescica Ho letto che le vesciche in lattice tendono ad avere una durata maggiore rispetto alle vesciche in silicone, tuttavia alcuni siliconi hanno tassi di espansione maggiori (fino al 1000%) e possono contenere pressioni più elevate rispetto al lattice (molto di questo dipenderà dalle specifiche esatte del tubo). 4) Tipo di rete intrecciata utilizzata: alcune reti intrecciate sono meno abrasive di altre, migliorare la durata della vita della vescica. Alcune aziende hanno utilizzato un manicotto in spandex tra la camera d'aria e la rete per ridurre l'abrasione. Una rete a trama più stretta consente una distribuzione più uniforme della pressione sulla camera d'aria, riducendo lo stress sulla camera d'aria. 5) Pretensionamento della camera d'aria (la camera d'aria è più corta della rete intrecciata)- questo provoca una riduzione dell'area di contatto (e quindi abrasione) tra la camera d'aria e il manicotto della maglia intrecciata quando il muscolo è a riposo e consente alla maglia intrecciata di riforma tra cicli di contrazione, migliorando la sua vita a fatica. Il pre-sollecitamento della vescica migliora anche la contrazione iniziale del muscolo a causa del volume iniziale della vescica inferiore.6) La costruzione di alloggiamenti terminali dei muscoli - i bordi arrotondati riducono le concentrazioni di stress sulla vescica. Tutto sommato, dato il loro rapporto peso/potenza, la facilità/basso costo di costruzione e la capacità di imitare la dinamica dei muscoli umani, i muscoli dell'aria offrono un'interessante alternativa ai tradizionali mezzi di movimento per dispositivi meccanici. Divertiti a costruirli!:D