Como fazer músculos de ar !: 4 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Eu precisava criar alguns atuadores para um projeto animatrônico no qual estou trabalhando. Os músculos aéreos são atuadores muito poderosos que funcionam de forma muito semelhante a um músculo humano e têm uma relação força / peso fenomenal - eles podem exercer uma força de tração até 400 vezes o seu próprio peso. Eles funcionam quando torcidos ou dobrados e podem funcionar debaixo de água. Eles também são fáceis e baratos de fazer! Os músculos do ar (também conhecidos como músculo artificial McKibben ou atuadores pneumáticos trançados) foram originalmente desenvolvidos por J. L. McKibben na década de 1950 como um aparelho ortótico para pacientes com pólio. Veja como eles funcionam: O músculo consiste em um tubo de borracha (bexiga ou núcleo) que é circundado por uma manga de malha de fibra trançada tubular. Quando a bexiga é inflada, a tela se expande radialmente e se contrai axialmente (uma vez que as fibras da tela são inextensíveis), encurtando o comprimento total do músculo e, subsequentemente, produzindo uma força de tração. Os músculos aéreos têm características de desempenho muito semelhantes aos músculos humanos - a força exercida diminui à medida que o músculo se contrai. Isso se deve à mudança no ângulo de entrelaçamento da malha trançada conforme o músculo se contrai - conforme a malha se expande radialmente em um movimento semelhante a uma tesoura, ela exerce menos força devido ao ângulo de entrelaçamento se tornando cada vez mais raso conforme o músculo se contrai (ver o diagrama abaixo - a figura A mostra que o músculo se contrairá mais do que a figura C, dado um aumento igual na pressão da bexiga). Os vídeos também mostram esse efeito. Os músculos do ar podem se contrair até 40% de seu comprimento, dependendo do método e dos materiais de sua construção. A lei de gás afirma que se você aumentar a pressão também aumenta o volume de um cilindro expansível (desde que a temperatura seja constante). O volume de expansão de a bexiga é limitada pelas propriedades físicas da manga de malha trançada, portanto, para criar uma força de tração maior, você precisa ser capaz de aumentar o volume efetivo da bexiga - a força de tração do músculo é uma função do comprimento e diâmetro do músculo, bem como sua capacidade de contrair devido às propriedades da manga da malha (material de construção, número de fibras, ângulo de entrelaçamento) e material da bexiga. Construí dois músculos de tamanhos diferentes usando materiais semelhantes para demonstrar esse princípio - ambos foram operados com a mesma pressão de ar (60 psi), mas tinham diâmetros e comprimentos diferentes. O músculo pequeno realmente começa a lutar quando algum peso é colocado sobre ele, enquanto o músculo maior não tem nenhum problema. Aqui estão alguns vídeos mostrando os dois músculos construídos do ar em ação.

Agora vamos fazer alguns músculos!

Etapa 1: Materiais

Todos os materiais estão disponíveis na Amazon.com, com exceção da malha de náilon trançada de 3/8 "- ela está disponível em fornecedores de eletrônicos. A Amazon vende um kit de manga trançada com vários tamanhos de malha trançada, mas o material exato é não declarado-AmazonVocê precisará de uma fonte de ar: usei um pequeno tanque de ar com um regulador de pressão, mas você também pode usar uma bomba de ar de bicicleta (você terá que fazer um adaptador para fazê-lo funcionar com a mangueira de poli de 1/4 ". Tanque de ar - regulador AmazonPressure (exigirá um adaptador 1/8 "NPT fêmea para 1/4" NPT macho) - Amazon 1/4 "poli tubing de alta pressão- Amazonmultitool (chave de fenda, tesoura, alicate, alicate de corte) - Amazonlighterpara os pequenos músculo: tubo de silicone ou látex de 1/4 "- manga de malha de náilon trançada Amazon3 / 8" (veja acima) espiga de mangueira pequena de 1/8 "(latão ou náilon) - parafuso pequeno Amazons (rosca 10-24 por 3/8 de comprimento funciona bem) - Amazonsteel safety wire- Amazonpara o músculo grande: 3/8 "de silicone ou tubo de látex- Amazon 1/2" malha de nylon trançado- Amazon1 / Broca de 8 "ou de tamanho semelhante - Broca Amazon21 / 64" - Torneira Amazon1 / 8 "x 27 NPT - espiga de mangueira Amazon1 / 8" x 1/8 "adaptador de rosca de tubo - Braçadeiras de mangueira pequenas Amazons- Amazon3 / 4" de alumínio ou plástico haste para construir as extremidades dos músculos - nota de segurança Amazon - certifique-se de usar óculos de segurança ao testar os músculos do ar! Uma mangueira de alta pressão que se solta de um encaixe solto pode causar ferimentos graves!

Etapa 2: fazendo o pequeno músculo

Primeiro corte um pequeno comprimento do tubo de silicone de 1/4 ". Agora insira o pequeno parafuso em uma extremidade do tubo e a espiga da mangueira na outra extremidade. Agora corte a manga trançada de 3/8" cerca de cinco centímetros mais longa do que o silicone tubo e use um isqueiro para derreter as pontas da manga trançada para que não se desfie. Deslize a manga trançada sobre o tubo de silicone e envolva cada extremidade do tubo com o fio de segurança e aperte-o. Agora faça alguns laços de arame e enrole-os em cada extremidade da manga trançada. Como alternativa ao uso de alças de arame nas extremidades do músculo, você pode alongar a manga e dobrá-la de volta sobre a extremidade do músculo, formando uma alça (é necessário empurrar o encaixe de ar) - em seguida, aperte o fio em torno dele. Agora conecte seu tubo de 1/4 "de alta pressão e bombeie um pouco de ar para o músculo para garantir que ele infle sem vazar. Para testar o músculo do ar, você deve esticá-lo em toda a extensão, colocando uma carga nele - isso permitirá a contração máxima quando está pressurizado. Comece adicionando ar (até cerca de 60 psi) e observe o músculo se contrair!

Etapa 3: fazendo o grande músculo do ar

Para fazer o músculo grande, virei algumas pontas farpadas de uma haste de alumínio de 3/4 "- plástico também funcionará. Uma extremidade é sólida. A outra extremidade tem um orifício de ar de 1/8" perfurado nela e então é perfurado para um 1 / 8 "adaptador de rosca de tubo com espiga de mangueira. Isso é feito perfurando um orifício de 21/64" perpendicular ao orifício de ar de 1/8 ". Em seguida, use uma torneira de rosca de tubo de 1/8" para bater no orifício de 21/64 "para o encaixe de espiga de mangueira. Agora corte um tubo de borracha de 8 "de comprimento de 3/8" para a bexiga de ar e deslize uma extremidade sobre um dos encaixes usinados. Em seguida, corte uma manga trançada de 1/2 "de 10" de comprimento (lembre-se de derreter as pontas com um isqueiro) e deslize-o sobre o tubo de borracha. Em seguida, deslize a extremidade oposta do tubo de borracha sobre o encaixe de ar usinado restante. Agora prenda firmemente cada extremidade do tubo usando braçadeiras de mangueira. O músculo maior funciona como uma versão menor - apenas adicione ar e observe-o se contrair. Depois de colocá-lo sob carga, você perceberá imediatamente que esse músculo maior está muito mais forte!

Etapa 4: teste e informações adicionais

Agora que você construiu alguns músculos do ar, é hora de colocá-los em uso. Alongue os músculos para que alcancem sua extensão máxima com o acréscimo de peso. Um bom equipamento de teste seria usar uma balança suspensa - infelizmente, não tive acesso a uma, então tive que usar alguns pesos. Agora, lentamente, comece a adicionar ar em incrementos de 20 psi até chegar a 60 psi. A primeira coisa que você nota é que o músculo contrai uma quantidade progressivamente menor com cada aumento incremental na pressão do ar até que se contraia totalmente. Em seguida, você descobrirá que, à medida que a carga aumenta, a capacidade do músculo de se contrair diminui em uma taxa crescente até que ele não consiga mais levantar a carga aumentada. Isso é muito semelhante ao desempenho de um músculo humano. É imediatamente perceptível que uma mudança no tamanho do músculo tem um grande efeito sobre o desempenho do músculo. Com 22 libras. @ 60 psi, o músculo menor ainda pode se levantar, mas não está nem perto de obter a contração total, enquanto o músculo maior pode muito facilmente obter a contração total. A dinâmica dos músculos do ar é bastante difícil de modelar matematicamente, especialmente devido ao número de variáveis em sua construção. Para ler mais, recomendo dar uma olhada aqui: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Várias aplicações dos músculos do ar incluem robótica (especialmente biorobótica), animatrônica, órteses / reabilitação e próteses. Eles podem ser controlados por microcontroladores ou interruptores usando válvulas solenóides de ar de três vias ou por rádio controle usando válvulas operadas por servos. Uma válvula de três vias funciona primeiro enchendo a bexiga, mantendo a pressão do ar na bexiga e, em seguida, ventilando a bexiga para esvaziá-la. A coisa a lembrar é que os músculos do ar devem estar sob tensão para funcionar corretamente. Como exemplo, dois músculos são freqüentemente usados em conjunto para equilibrar um ao outro para mover um braço robótico. Um músculo atuaria como o bíceps e o outro como o músculo tríceps. Em geral, os músculos do ar podem ser construídos em todos os tipos de comprimentos e diâmetros para se adequar a uma ampla variedade de aplicações onde alta força e peso leve são essenciais. Seu desempenho e longevidade variam de acordo com vários parâmetros relativos à sua construção: 1) Comprimento do músculo2) Diâmetro do músculo3) Tipo de tubo usado para teste de bexiga Eu li afirma que bexigas de látex tendem a ter uma vida útil mais longa do que bexigas de silicone, no entanto, alguns silicones têm taxas de expansão maiores (até 1000%) e podem manter pressões mais altas do que o látex (muito disso dependerá da especificação exata do tubo). 4) Tipo de malha trançada usada - algumas malhas trançadas são menos abrasivas do que outras, melhorando a vida útil da bexiga. Algumas empresas têm usado uma luva de spandex entre a bexiga e a tela para reduzir a abrasão. Uma malha tecida mais apertada permite uma distribuição de pressão mais uniforme na bexiga, reduzindo o estresse na bexiga. 5) Pré-tensionamento da bexiga (a bexiga é mais curta do que a malha trançada) - isso causa uma redução da área de contato (e, portanto, abrasão) entre a bexiga e a manga da malha trançada quando o músculo está em repouso e permite que a malha trançada seja totalmente reforma entre os ciclos de contração, melhorando sua vida útil à fadiga. O pré-esforço da bexiga também melhora a contração inicial do músculo devido ao menor volume inicial da bexiga.6) Construção de proteções das extremidades dos músculos - bordas arredondadas reduzem as concentrações de estresse na bexiga. Em suma, dada a sua relação potência / peso, facilidade / baixo custo de construção e capacidade de imitar a dinâmica dos músculos humanos, os músculos do ar oferecem uma alternativa atraente aos meios tradicionais de movimento para dispositivos mecânicos. Divirta-se construindo-os!: D