Wie man Luftmuskeln macht! - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Ich musste einige Aktoren für ein Animatronik-Projekt erstellen, an dem ich arbeite. Luftmuskeln sind sehr leistungsstarke Aktoren, die einem menschlichen Muskel sehr ähnlich sind und ein phänomenales Kraft-Gewichts-Verhältnis aufweisen – sie können eine Zugkraft bis zum 400-fachen ihres Eigengewichts ausüben. Sie funktionieren, wenn sie verdreht oder gebogen werden und können unter Wasser arbeiten. Sie sind auch einfach und billig herzustellen!Luftmuskeln (auch bekannt als künstlicher McKibben-Muskel oder geflochtene pneumatische Aktuatoren) wurden ursprünglich von J. L. McKibben in den 1950er Jahren als Orthesen für Poliopatienten entwickelt. So funktionieren sie: Der Muskel besteht aus einem Gummischlauch (Blase oder Kern), der von einer schlauchförmigen, geflochtenen Fasernetzhülle umgeben ist. Beim Aufblasen der Blase dehnt sich das Netz radial aus und zieht sich axial zusammen (da die Netzfasern nicht dehnbar sind), verkürzt die Gesamtlänge des Muskels und erzeugt anschließend eine Zugkraft. Luftmuskeln haben Leistungsmerkmale, die denen des menschlichen Muskels sehr ähnlich sind – die ausgeübte Kraft nimmt ab, wenn sich der Muskel zusammenzieht. Dies ist auf die Änderung des Verflechtungswinkels des geflochtenen Netzes zurückzuführen, wenn sich der Muskel zusammenzieht. Da sich das Netz radial in einer scherenähnlichen Bewegung ausdehnt, übt es weniger Kraft aus, da der Webwinkel bei Kontraktion des Muskels immer flacher wird (siehe Diagramm unten - Abbildung A zeigt, dass sich der Muskel bei gleichem Anstieg des Blasendrucks stärker kontrahiert als Abbildung C). Die Videos zeigen auch diesen Effekt. Luftmuskeln können bis zu 40% ihrer Länge zusammenziehen, abhängig von der Methode und den Materialien ihrer Konstruktion. Das Gasgesetz besagt, dass mit einer Druckerhöhung auch das Volumen eines dehnbaren Zylinders erhöht wird (vorausgesetzt, die Temperatur ist konstant). Das sich ausdehnende Volumen von die Blase wird letztendlich durch die physikalischen Eigenschaften der geflochtenen Netzhülle eingeschränkt. Um eine größere Zugkraft zu erzeugen, müssen Sie in der Lage sein, das effektive Volumen der Blase zu erhöhen – die Zugkraft des Muskels ist eine Funktion der Länge und Durchmesser des Muskels sowie dessen Kontraktionsfähigkeit aufgrund der Eigenschaften des Netzmantels (Baumaterial, Faseranzahl, Verflechtungswinkel) und des Blasenmaterials. Ich habe zwei unterschiedlich große Muskeln mit ähnlichen Materialien konstruiert, um dieses Prinzip zu demonstrieren – sie wurden beide mit dem gleichen Luftdruck (60 psi) betrieben, hatten aber unterschiedliche Durchmesser und Längen. Der kleine Muskel beginnt wirklich zu kämpfen, wenn er etwas belastet wird, während der größere Muskel überhaupt keine Probleme hat. Hier sind ein paar Videos, die die beiden aufgebauten Luftmuskeln in Aktion zeigen.

Jetzt lass uns ein paar Muskeln machen!

Schritt 1: Materialien

Alle Materialien sind auf Amazon.com leicht erhältlich, mit Ausnahme des 3/8" geflochtenen Nylongewebes - es ist bei Elektroniklieferanten erhältlich. Amazon verkauft ein geflochtenes Sleeving-Kit mit mehreren Größen von geflochtenem Mesh, aber das genaue Material ist nicht angegeben-AmazonSie benötigen eine Luftquelle: Ich habe einen kleinen Lufttank mit einem Druckregler verwendet, aber Sie können auch eine Fahrradluftpumpe verwenden (Sie müssen einen Adapter herstellen, damit es mit dem 1/4 "Polyschlauch funktioniert) Lufttank- AmazonDruckregler (erfordert einen Adapter von 1/8" NPT Buchse auf 1/4" NPT männlich)- Amazon1/4" Hochdruck-Polyschlauch- Amazonmultitool (Schraubendreher, Schere, Zange, Drahtschneider)- Amazonlighterfor the small Muskel: 1/4" Silikon- oder Latexschlauch- Amazon3/8" geflochtene Nylon-Mesh-Hülse (siehe oben) 1/8" kleiner Schlauchanschluss (Messing oder Nylon)- Amazonkleiner Bolzen (10-24 Gewinde mal 3/8 in Länge funktioniert gut)- Amazonstahl-Sicherheitsdraht- Amazonfür den großen Muskel: 3/8 "Silikon- oder Latexschlauch- Amazon 1/2" geflochtene Nylon-Mesh-Hülse- Amazon1/ 8" oder ähnlicher Bohrer- Amazon21/64" Bohrer- Amazon1/8" x 27 NPT Hahn- Amazon1/8" Schlauchanschluss x 1/8" Rohrgewindeadapter- Amazonkleine Schlauchschellen- Amazon3/4" Aluminium oder Kunststoff Stab zum Aufbau der Muskelenden - AmazonSicherheitshinweis - Tragen Sie beim Testen Ihrer Luftmuskeln unbedingt eine Schutzbrille! Ein Hochdruckschlauch, der von einem losen Anschluss abspringt, kann schwere Verletzungen verursachen!

Schritt 2: Den kleinen Muskel herstellen

Schneiden Sie zuerst eine kleine Länge des 1/4 "Silikonschlauchs ab. Führen Sie nun den kleinen Bolzen in ein Ende des Schlauchs und den Schlauchtülle in das andere Ende ein. Schneiden Sie nun die 3/8" geflochtene Hülse etwa 5 cm länger als das Silikon Rohr und verwenden Sie ein Feuerzeug, um die Enden der geflochtenen Hülse zu schmelzen, damit sie nicht ausfranst. Schieben Sie die geflochtene Hülle über den Silikonschlauch und umwickeln Sie jedes Ende des Schlauchs mit dem Sicherheitsdraht und ziehen Sie ihn fest. Machen Sie nun einige Drahtschlaufen und wickeln Sie diese um jedes Ende des geflochtenen Ärmels. Als Alternative zur Verwendung von Drahtschlaufen an den Muskelenden können Sie den Ärmel länger machen und dann über das Muskelende zu einer Schlaufe falten (Sie müssen den Luftanschluss durchschieben) - dann den Draht festziehen um es herum. Schließen Sie nun Ihren 1/4" Hochdruckschlauch an und pumpen Sie ein wenig Luft in den Muskel, um sicherzustellen, dass er sich ohne Undichtigkeit aufbläst. Um den Luftmuskel zu testen, müssen Sie ihn auf seine volle Länge dehnen, indem Sie ihn belasten - dies ermöglicht es maximale Kontraktion, wenn es unter Druck steht Beginnen Sie mit dem Hinzufügen von Luft (bis zu etwa 60 psi) und beobachten Sie, wie sich der Muskel zusammenzieht!

Schritt 3: Den großen Luftmuskel herstellen

Um den großen Muskel zu machen, habe ich einige Widerhaken aus einem 3/4 "Aluminiumstab gedreht - Plastik funktioniert auch. Ein Ende ist solide. Das andere Ende hat ein 1/8" Luftloch darin gebohrt und dann für ein 1 /8 "Schlauchanschluss-Rohrgewindeadapter. Dies erfolgt durch Bohren eines 21/64" Lochs senkrecht zum 1/8" Luftloch. Verwenden Sie dann einen 1/8" Rohrgewindehahn, um das 21/64" Loch für die Schlauchanschlussstück. Schneiden Sie nun eine 8 "Länge von 3/8" Gummischlauch für die Luftblase und schieben Sie ein Ende über eine der bearbeiteten Anschlüsse. Dann schneiden Sie eine 1/2" geflochtene Hülse 10" lang (denken Sie daran, die Enden zu schmelzen) mit einem Feuerzeug) und schieben Sie es über den Gummischlauch. Dann schieben Sie das gegenüberliegende Ende des Gummischlauchs über den verbleibenden bearbeiteten Luftanschluss. Klemmen Sie nun jedes Ende des Schlauchs mit Schlauchschellen sicher fest. Der größere Muskel funktioniert genau wie die kleinere Version - nur Fügen Sie Luft hinzu und beobachten Sie, wie er sich zusammenzieht. Wenn Sie ihn unter Belastung setzen, werden Sie sofort feststellen, dass dieser größere Muskel viel stärker ist!

Schritt 4: Testen und zusätzliche Informationen

Nachdem Sie nun einige Luftmuskeln gebildet haben, ist es an der Zeit, sie einzusetzen. Dehnen Sie die Muskeln, damit sie durch zusätzliches Gewicht ihre maximale Dehnung erreichen. Ein guter Teststand wäre eine Hängewaage - leider hatte ich keinen Zugang dazu, also musste ich einige Gewichte verwenden. Beginnen Sie nun langsam, in Schritten von 20 psi Luft hinzuzufügen, bis Sie 60 psi erreicht haben. Das erste, was Sie bemerken, ist, dass sich der Muskel mit jeder inkrementellen Erhöhung des Luftdrucks zunehmend zusammenzieht, bis er sich vollständig zusammenzieht. Als nächstes werden Sie feststellen, dass mit zunehmender Belastung die Kontraktionsfähigkeit des Muskels mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt, bis er die erhöhte Belastung nicht mehr heben kann. Dies ist der Leistung eines menschlichen Muskels sehr ähnlich. Es fällt sofort auf, dass eine Veränderung der Muskelgröße einen großen Einfluss auf die Leistung des Muskels hat. Bei 22 Pfund. Bei 60 psi kann der kleinere Muskel noch heben, aber er erreicht bei weitem nicht die volle Kontraktion, während der größere Muskel sehr leicht die volle Kontraktion erreichen kann. Die Dynamik von Luftmuskeln ist mathematisch ziemlich schwierig zu modellieren, insbesondere angesichts der Anzahl der Variablen in ihrer Konstruktion. Zur weiteren Lektüre empfehle ich einen Blick hier: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htmMehrere Anwendungen der Luftmuskulatur umfassen Robotik (insbesondere Biorobotik), Animatronik, Orthesen/Rehabilitation und Prothetik. Sie können durch Mikrocontroller oder Schalter mit 3-Wege-Magnetventilen oder über Funk mit Servoventilen gesteuert werden. Ein Dreiwegeventil funktioniert, indem es zuerst die Blase füllt, den Luftdruck in der Blase hält und dann die Blase entlüftet, um sie zu entleeren. Denken Sie daran, dass die Luftmuskeln unter Spannung stehen müssen, um richtig zu funktionieren. Als Beispiel werden oft zwei Muskeln in Verbindung verwendet, um sich gegenseitig auszubalancieren, um einen Roboterarm zu bewegen. Ein Muskel fungiert als Bizeps und der andere als Trizepsmuskel. Insgesamt können Luftmuskeln in allen möglichen Längen und Durchmessern konstruiert werden, um einer Vielzahl von Anwendungen gerecht zu werden, bei denen hohe Festigkeit und geringes Gewicht entscheidend sind. Ihre Leistungsfähigkeit und Lebensdauer variiert je nach Konstruktionsparameter: 1) Muskellänge 2) Muskeldurchmesser 3) Schlauchtyp für Blasentests Ich habe gelesen, dass Latexblasen eine längere Lebensdauer haben als Silikonblasen, einige Silikone haben jedoch eine höhere Expansionsrate (bis zu 1000%) und können höhere Drücke aushalten als Latex (viel davon hängt von der genauen Schlauchspezifikation ab.)4) Art des verwendeten Geflechtgewebes - einige Geflechtgewebe sind weniger abrasiv als andere, Verbesserung der Blasenlebensdauer. Einige Unternehmen haben einen Spandex-Ärmel zwischen der Blase und dem Netz verwendet, um den Abrieb zu reduzieren. Ein dichter gewebtes Netz ermöglicht eine gleichmäßigere Druckverteilung auf die Blase und reduziert so die Belastung der Blase. 5) Vorspannung der Blase (die Blase ist kürzer als das geflochtene Netz) – dies bewirkt eine Verringerung der Kontaktfläche (und damit des Abriebs) zwischen der Blase und der geflochtenen Netzhülle, wenn der Muskel in Ruhe ist, und lässt das geflochtene Netz vollständig durch Reform zwischen den Kontraktionszyklen, wodurch die Ermüdungslebensdauer verbessert wird. Das Vorspannen der Blase verbessert auch die anfängliche Kontraktion des Muskels aufgrund des anfänglich geringeren Blasenvolumens.6) Die Konstruktion von Muskelendgehäusen – abgerundete Kanten reduzieren die Spannungskonzentrationen auf der Blase. Alles in allem bieten Luftmuskeln aufgrund ihres Leistungsgewichts, ihrer einfachen/niedrigen Konstruktionskosten und ihrer Fähigkeit, die Dynamik der menschlichen Muskeln nachzuahmen, eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Bewegungsmitteln für mechanische Geräte. Viel Spaß beim Bauen!:D