¡Cómo hacer músculos del aire !: 4 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Necesitaba crear algunos actuadores para un proyecto de animatrónica en el que estoy trabajando. Los músculos del aire son actuadores muy poderosos que funcionan de manera muy similar a un músculo humano y tienen una relación fuerza / peso fenomenal; pueden ejercer una fuerza de tracción de hasta 400 veces su propio peso. Funcionarán cuando estén torcidos o doblados y pueden funcionar bajo el agua. ¡También son fáciles y baratos de fabricar! Los músculos del aire (también conocidos como músculos artificiales de McKibben o actuadores neumáticos trenzados) fueron desarrollados originalmente por J. L. McKibben en la década de 1950 como un aparato ortopédico para pacientes con polio. Así es como funcionan: el músculo consiste en un tubo de goma (vejiga o núcleo) que está rodeado por una manga de malla de fibra trenzada tubular. Cuando se infla la vejiga, la malla se expande radialmente y se contrae axialmente (ya que las fibras de la malla son inextensibles), acortando la longitud total del músculo y posteriormente produciendo una fuerza de tracción. Los músculos del aire tienen características de rendimiento muy similares a los músculos humanos: la fuerza ejercida disminuye a medida que el músculo se contrae. Esto se debe al cambio en el ángulo de entretejido de la malla trenzada a medida que el músculo se contrae; a medida que la malla se expande radialmente en un movimiento de tijera, ejerce menos fuerza debido a que el ángulo de tejido se vuelve cada vez más superficial a medida que el músculo se contrae (consulte el diagrama a continuación). - la figura A muestra que el músculo se contraerá en mayor grado que la figura C dado un aumento igual de la presión de la vejiga). Los videos también muestran este efecto. Los músculos del aire pueden contraerse hasta un 40% de su longitud, dependiendo del método y los materiales de su construcción. La ley del gas establece que si aumenta la presión, también aumenta el volumen de un cilindro expandible (siempre que la temperatura sea constante). La vejiga se ve limitada en última instancia por las propiedades físicas de la manga de malla trenzada, por lo que para crear una mayor fuerza de tracción es necesario poder aumentar el volumen efectivo de la vejiga; la fuerza de tracción del músculo es una función de la longitud y diámetro del músculo, así como su capacidad de contraerse debido a las propiedades del manguito de malla (material de construcción, número de fibras, ángulo de entretejido) y material de la vejiga. Construí dos músculos de diferentes tamaños utilizando materiales similares para demostrar este principio: ambos se operaban a la misma presión de aire (60 psi) pero tenían diferentes diámetros y longitudes. El músculo pequeño realmente comienza a luchar cuando se pone algo de peso sobre él, mientras que el músculo más grande no tiene ningún problema. Aquí hay un par de videos que muestran ambos músculos del aire construidos en acción.

¡Ahora vamos a hacer algunos músculos!

Paso 1: Materiales

Todos los materiales están disponibles en Amazon.com, con la excepción de la malla de nailon trenzado de 3/8 ", que está disponible a través de proveedores de productos electrónicos. Amazon vende un kit de mangas trenzadas con varios tamaños de malla trenzada, pero el material exacto es no declarado-Amazon Necesitará una fuente de aire: utilicé un tanque de aire pequeño con un regulador de presión, pero también puede usar una bomba de aire para bicicleta (tendrá que hacer un adaptador para que funcione con la manguera de polietileno de 1/4 ". Tanque de aire- Regulador de presión de Amazon (requerirá un adaptador hembra de 1/8 "NPT a macho de 1/4" NPT) - Tubo de polietileno de alta presión de Amazon de 1/4 "- Herramienta múltiple de Amazon (destornillador, tijeras, alicates, cortadores de alambre) - Encendedor de Amazon para los pequeños músculo: tubería de silicona o látex de 1/4 "- Amazon Manga de malla de nailon trenzado de 3/8" (ver arriba) lengüeta de manguera pequeña de 1/8 "(latón o nailon) - Perno Amazonsmall (rosca de 10-24 por 3/8 de longitud funciona bien) - Alambre de seguridad Amazonsteel - Amazon para el músculo grande: tubos de silicona o látex de 3/8 "- Amazon Manga de malla de nailon trenzado de 1/2" - Amazon1 / Broca de 8 "o de tamaño similar - Amazon Broca de 21/64" - Amazon Taladro de 1/8 "x 27 NPT - Amazon Conector de manguera de 1/8" x adaptador de rosca de tubería de 1/8 "- Abrazaderas de manguera pequeñas Amazons - Amazon3 / 4" Aluminio o plástico varilla para construir los extremos de los músculos - Nota de seguridad de Amazon - ¡asegúrese de usar gafas de seguridad cuando pruebe sus músculos aéreos! ¡Una manguera de alta presión que salga de un accesorio suelto podría causar lesiones graves!

Paso 2: hacer el músculo pequeño

Primero corte un trozo pequeño del tubo de silicona de 1/4 ". Ahora inserte el perno pequeño en un extremo del tubo y la lengüeta de la manguera en el otro extremo. Ahora corte la manga trenzada de 3/8" aproximadamente dos pulgadas más larga que la silicona tubo y use un encendedor para derretir los extremos de la manga trenzada para que no se deshilache. Deslice la manga trenzada sobre el tubo de silicona y envuelva cada extremo del tubo con el cable de seguridad y apriételo. Ahora haga algunos bucles de alambre y envuélvalos alrededor de cada extremo de la manga trenzada. Como alternativa al uso de bucles de alambre en los extremos del músculo, puede alargar la manga y luego doblarla hacia atrás sobre el extremo del músculo, formando un bucle (debe empujar el conector de aire a través) y luego apretar el cable. alrededor. Ahora conecte su tubo de alta presión de 1/4 "y bombee un poco de aire en el músculo para asegurarse de que se infle sin fugas. Para probar el músculo aéreo, debe estirarlo en toda su longitud colocando una carga sobre él; esto permitirá Su máxima contracción cuando está presurizado. ¡Empiece a añadir aire (hasta aproximadamente 60 psi) y observe cómo se contrae el músculo!

Paso 3: hacer el gran músculo del aire

Para hacer el músculo grande, giré algunos extremos con púas de una varilla de aluminio de 3/4 "; el plástico también funcionará. Un extremo es sólido. El otro extremo tiene un orificio de aire de 1/8" perforado y luego se golpea para un 1 Adaptador de rosca de tubería con lengüeta de manguera de / 8 ". Esto se hace perforando un orificio de 21/64" perpendicular al orificio de aire de 1/8 ". Luego, use un grifo de rosca de tubería de 1/8" para golpear el orificio de 21/64 "para conector de espiga de manguera. Ahora corte un tubo de goma de 8 "de longitud de 3/8" para la vejiga de aire y deslice un extremo sobre uno de los accesorios mecanizados. Luego corte una manga trenzada de 1/2 "de 10" de largo (recuerde derretir los extremos con un encendedor) y deslícelo sobre el tubo de goma. Luego, deslice el extremo opuesto del tubo de goma sobre el accesorio de aire mecanizado restante. Ahora sujete firmemente cada extremo del tubo con abrazaderas de manguera. El músculo más grande funciona como la versión más pequeña, solo agregue aire y observe cómo se contrae. Una vez que lo ponga bajo carga, inmediatamente se dará cuenta de que este músculo más grande es mucho más fuerte.

Paso 4: Prueba e información adicional

Ahora que ha creado algunos músculos del aire, es hora de ponerlos en práctica. Estire los músculos para que alcancen su máxima extensión agregando peso. Un buen equipo de prueba sería usar una báscula colgante; desafortunadamente no tuve acceso a una, así que tuve que usar algunas pesas. Ahora comience a agregar aire lentamente en incrementos de 20 psi hasta llegar a 60 psi. Lo primero que notará es que el músculo se contrae una cantidad progresivamente más pequeña con cada aumento incremental de la presión del aire hasta que se contrae por completo. A continuación, encontrará que a medida que aumenta la carga, la capacidad del músculo para contraerse disminuye a un ritmo creciente hasta que ya no puede levantar la carga aumentada. Esto es muy similar al rendimiento de un músculo humano. Se nota inmediatamente que un cambio en el tamaño del músculo tiene un efecto enorme en el rendimiento del músculo. A 22 libras. @ 60psi, el músculo más pequeño todavía puede levantarse, pero no está ni cerca de obtener la contracción completa, mientras que el músculo más grande puede obtener la contracción completa muy fácilmente. La dinámica de los músculos del aire es bastante difícil de modelar matemáticamente, especialmente dado el número de variables en su construcción.. Para leer más, recomiendo echar un vistazo aquí: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Varias aplicaciones de los músculos del aire incluyen robótica (especialmente biorobótica), animatrónica, ortesis / rehabilitación y prótesis. Pueden ser controlados por microcontroladores o interruptores usando válvulas de aire de solenoide de tres vías o por radio control usando válvulas operadas por servos. Una válvula de tres vías funciona llenando primero la vejiga, manteniendo la presión del aire en la vejiga y luego ventilando la vejiga para desinflarla. Lo que hay que recordar es que los músculos del aire deben estar bajo tensión para funcionar correctamente. Como ejemplo, a menudo se utilizan dos músculos en conjunto para equilibrarse entre sí para mover un brazo robótico. Un músculo actuaría como bíceps y el otro como músculo tríceps. En general, los músculos del aire se pueden construir en todo tipo de longitudes y diámetros para adaptarse a una amplia variedad de aplicaciones donde la alta resistencia y el peso ligero son fundamentales. Su rendimiento y longevidad varían de acuerdo con varios parámetros relacionados con su construcción: 1) Longitud del músculo 2) Diámetro del músculo 3) Tipo de tubo utilizado para las pruebas de la vejiga He leído que indica que las vejigas de látex tienden a tener una vida útil más larga que las vejigas de silicona. sin embargo, algunas siliconas tienen mayores tasas de expansión (hasta 1000%) y pueden soportar presiones más altas que el látex (gran parte de esto dependerá de la especificación exacta de la tubería). 4) Tipo de malla trenzada utilizada: algunas mallas trenzadas son menos abrasivas que otras. mejorar la vida útil de la vejiga. Algunas empresas han utilizado una funda de elastano entre la vejiga y la malla para reducir la abrasión. Una malla tejida más ajustada permite una distribución más uniforme de la presión en la vejiga, lo que reduce la tensión en la vejiga. 5) Pretensado de la vejiga (la vejiga es más corta que la malla trenzada): esto provoca una reducción del área de contacto (y, por lo tanto, la abrasión) entre la vejiga y la manga de la malla trenzada cuando el músculo está en reposo y permite que la malla trenzada se mueva completamente. reforma entre ciclos de contracción, mejorando su vida a fatiga. El preesfuerzo de la vejiga también mejora la contracción inicial del músculo debido al menor volumen inicial de la vejiga. 6) La construcción de las carcasas de los extremos musculares: los bordes redondeados reducen las concentraciones de tensión en la vejiga. En general, dada su relación peso / potencia, facilidad / bajo costo de construcción y capacidad para imitar la dinámica de los músculos humanos, los músculos del aire ofrecen una alternativa atractiva a los medios tradicionales de movimiento para dispositivos mecánicos.:D