Hur man gör luftmuskler !: 4 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Jag behövde skapa några ställdon för ett animatronikprojekt jag arbetar med. Luftmuskler är mycket kraftfulla ställdon som fungerar mycket lik en mänsklig muskel och har ett fenomenalt förhållande styrka till vikt- de kan utöva en dragkraft upp till 400 gånger sin egen vikt. De fungerar när de är vridna eller böjda och kan fungera under vatten. De är också enkla och billiga att göra! Luftmuskler (även känd som en McKibben artificiell muskel eller flätade pneumatiska ställdon) utvecklades ursprungligen av J. L. McKibben på 1950 -talet som en ortotisk apparat för poliopatienter. Så här fungerar de: Muskeln består av ett gummirör (urinblåsa eller kärna) som omges av en rörformad flätad fiberhylsa. När blåsan blåses upp expanderar nätet radiellt och dras ihop axiellt (eftersom maskfibrerna är otöjliga), vilket förkortar muskelns totala längd och därefter producerar en dragkraft. Luftmusklerna har prestationsegenskaper som mycket liknar mänskliga muskler- kraften som utövas minskar när muskeln dras ihop. Detta beror på förändringen i flätningsvinkeln hos det flätade nätet när muskeln drar ihop sig- när nätet expanderar radiellt i en sax som rörelse utövar det mindre kraft på grund av att vävvinkeln blir allt mer grund när muskeln drar ihop sig (se diagrammet nedan - figur A visar att muskeln kommer att dra sig samman i högre grad än figur C med samma ökning av trycket i urinblåsan). Videorna visar också denna effekt. Luftmuskler kan dra ihop sig upp till 40% av deras längd, beroende på metod och material för deras konstruktion. Gaslag säger att om du ökar trycket ökar du också volymen på en expanderbar cylinder (förutsatt att temperaturen är konstant.) Den expanderande volymen av blåsan begränsas slutligen av de fysikaliska egenskaperna hos den flätade maskhylsan, så för att skapa en större dragkraft måste du kunna öka blåsans effektiva volym- muskelns dragkraft är en funktion av längden och muskelns diameter samt dess förmåga att dra sig samman på grund av egenskaperna hos maskhylsan (konstruktionsmaterial, antal fibrer, sammanvävningsvinkel) och blåsmaterial. Jag konstruerade två olika stora muskler med liknande material för att demonstrera denna princip- de båda opererades vid samma lufttryck (60psi) men hade olika diametrar och längder. Den lilla muskeln börjar verkligen kämpa när det läggs lite vikt på den medan den större muskeln inte har några som helst problem. Här är ett par videor som visar båda de konstruerade luftmusklerna i aktion.

Nu ska vi göra några muskler!

Steg 1: Material

Allt material är lätt tillgängligt på Amazon.com, med undantag för 3/8 "flätat nylonmesh- det är tillgängligt från elektronikleverantörer. Amazon säljer ett flätat ärmpaket med flera storlekar av flätat nät men det exakta materialet är inte angiven-Amazon Du behöver en luftkälla: Jag använde en liten lufttank med en tryckregulator men du kan också använda en cykelluftpump (du måste göra en adapter för att få den att fungera med 1/4 "polyslang. Lufttank- AmazonPressure-regulator (kommer att kräva en 1/8 "NPT hona till 1/4" NPT hanadapter)- Amazon1/4 "högtrycks poly-slang- Amazonmultitool (skruvmejsel, sax, tång, trådskärare)- Amazonlighter för de små muskel: 1/4 "silikon- eller latexrör- Amazon3/8" flätad nylonhylsa (se ovan) 1/8 "liten slanghake (mässing eller nylon)- Amazonsliten bult (10-24 gänga med 3/8 i längden fungerar väl)- Amazonsteelsäkerhetstråd- Amazon för den stora muskeln: 3/8 "silikon- eller latexrör- Amazon1/2" flätad nylonhylsa- Amazon1/ 8 "eller liknande storlek borr- Amazon21/64" borr bit- Amazon1/8 "x 27 NPT kran- Amazon1/8" slanghake x 1/8 "rörgängadapter- Amazonsmall slangklämmor- Amazon3/4" aluminium eller plast stång för att konstruera muskeländarna- AmazonSäkerhetsanmärkning- se till att du bär skyddsglasögon när du testar dina luftmuskler! En högtrycksslang som lossnar från en löst koppling kan orsaka allvarliga skador!

Steg 2: Gör den lilla muskeln

Skär först en liten längd av 1/4 "silikonröret. Sätt nu in den lilla bulten i ena änden av slangen och slanghaken i den andra änden. Skär nu den 3/8" flätade hylsan cirka två tum längre än silikonet röret och använd en tändare för att smälta ändarna på den flätade ärmen så att den inte sliter isär. Skjut den flätade hylsan över silikonslangen och linda varje ände av röret med säkerhetstråden och dra åt den. Gör nu några trådöglor och linda dem runt varje ände av den flätade ärmen. Som ett alternativ till att använda trådöglor på muskelns ändar kan du göra ärmen längre och sedan vika tillbaka den över muskeländen och bilda en ögla (du måste trycka igenom luftpassningen)- sedan dra åt tråden runt det. Anslut nu din 1/4 "högtrycksslang och pumpa in lite luft i muskeln för att se till att den blåses upp utan att läcka. För att testa luftmuskeln måste du sträcka den till sin fulla längd genom att lägga en belastning på den- detta gör det möjligt Det ger maximal sammandragning när det är trycksatt. Börja tillsätta luft (upp till cirka 60 psi) och se hur musklerna drar ihop sig!

Steg 3: Gör den stora luftmuskeln

För att göra den stora muskeln vände jag några taggade ändar från en 3/4 "aluminiumstång. Plast kommer också att fungera. Ena änden är fast. Den andra änden har ett 1/8" lufthål borrat i den och sedan knackas för en 1 /8 "slanghylsa rörgängadapter. Detta görs genom att borra ett 21/64" hål vinkelrätt mot 1/8 "lufthålet. Använd sedan en 1/8" rörgängskran för att knacka på 21/64 "hålet för Skär nu en 8 "lång 3/8" gummislang för luftblåsan och skjut ena änden över en av de bearbetade beslagen. Skär sedan några 1/2 "flätade hylsor 10" långa (kom ihåg att smälta ändarna med en tändare) och skjut den över gummiröret. Skjut sedan gummirörets motsatta ände över den återstående bearbetade luftbeslaget. Kläm nu fast varje ände av slangen med hjälp av slangklämmor. Den större muskeln fungerar precis som mindre version- bara tillsätt luft och se hur den dras ihop. När du lägger den under belastning inser du omedelbart att denna större muskel är mycket starkare!

Steg 4: Testning och ytterligare information

Nu när du har gjort några luftmuskler är det dags att använda dem. Sträck ut musklerna så att de når sin maximala förlängning genom att lägga till vikt. En bra testrigg skulle vara att använda en hängande våg- tyvärr hade jag inte tillgång till en så jag var tvungen att använda några vikter. Börja sakta lägga till luft i steg om 20psi tills du når 60psi. Det första du märker är att muskeln drar ihop sig gradvis mindre med varje stegvis ökning av lufttrycket tills det drar ihop sig helt. Därefter kommer du att upptäcka att när belastningen ökas minskar muskelns förmåga att dra ihop sig i ökande takt tills den inte längre kan lyfta den ökade belastningen. Detta liknar mycket hur en mänsklig muskel presterar. Det märks direkt att en förändring i muskelns storlek har en enorm effekt på muskelns prestanda. Vid 22lbs. @60psi, den mindre muskeln kan fortfarande lyfta, men det är inte i närheten av att uppnå full sammandragning medan den större muskeln mycket lätt kan få full kontraktion. Dynamiken i luftmuskler är ganska svår att matematiskt modellera, särskilt med tanke på antalet variabler i deras konstruktion. För ytterligare läsning rekommenderar jag att titta här: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Flera tillämpningar av luftmuskler inkluderar robotik (särskilt biorobotik), animatronik, ortotik/rehabilitering och proteser. De kan styras av mikrokontroller eller switchar med hjälp av trevägs magnetventiler eller radiostyrning med hjälp av ventiler som drivs av servon. En trevägsventil fungerar genom att först fylla blåsan, hålla lufttrycket i blåsan och sedan ventilera urinblåsan för att tömma den. Saken att komma ihåg är att luftmusklerna måste vara under spänning för att fungera korrekt. Som ett exempel används två muskler ofta tillsammans för att balansera varandra för att flytta en robotarm. Den ena muskeln skulle fungera som bicep och den andra som tricepsmuskeln. Sammantaget kan luftmuskler konstrueras i alla möjliga längder och diametrar för att passa en mängd olika applikationer där hög styrka och lätt vikt är avgörande. Deras prestanda och livslängd varierar beroende på flera parametrar angående deras konstruktion: 1) Muskelns längd2) Diameter av muskler3) Typ av slangar som används vid urinblåsprovning Jag har läst säger att latexblåsor tenderar att ha en längre livslängd än silikonblåsor, vissa silikoner har dock större expansionshastigheter (upp till 1000%) och kan hålla högre tryck än latex (mycket av detta beror på den exakta slangspecifikationen.) 4) Typ av flätat nät som används- vissa flätade maskor är mindre slipande än andra, förbättra blåsans livslängd. Vissa företag har använt en spandexhylsa mellan blåsan och nätet för att minska nötning. Ett tätare vävt nät möjliggör en jämnare tryckfördelning på blåsan, vilket minskar belastningen på blåsan. 5) Förspänning av blåsan (blåsan är kortare än det flätade nätet)- detta orsakar en minskning av kontaktytan (och därmed nötning) mellan blåsan och flätad maskhylsa när muskeln är i vila och gör att det flätade nätet kan reform mellan sammandragningscykler, vilket förbättrar dess trötthet. Förspänning av urinblåsan förbättrar också muskelns första sammandragning på grund av den initiala lägre blåsvolymen. Sammantaget, med tanke på deras kraft/vikt -förhållande, lätthet/låga byggkostnad och förmåga att efterlikna dynamiken hos mänskliga muskler, erbjuder luftmusklerna ett attraktivt alternativ till traditionella rörelsemedel för mekaniska enheter. Ha kul att bygga dem!: D