Comment faire des muscles de l'air ! : 4 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

J'avais besoin de créer des actionneurs pour un projet d'animatronique sur lequel je travaille. Les muscles à air sont des actionneurs très puissants qui fonctionnent de manière très similaire à un muscle humain et ont un rapport force/poids phénoménal - ils peuvent exercer une force de traction jusqu'à 400 fois leur propre poids. Ils fonctionneront lorsqu'ils sont tordus ou pliés et peuvent fonctionner sous l'eau. Ils sont également faciles et peu coûteux à fabriquer ! Les muscles à air (également connus sous le nom de muscle artificiel McKibben ou d'actionneurs pneumatiques tressés) ont été développés à l'origine par J. L. McKibben dans les années 1950 en tant qu'orthèse pour les patients atteints de polio. Voici comment ils fonctionnent: Le muscle se compose d'un tube en caoutchouc (vessie ou noyau) qui est entouré d'un manchon tubulaire en maille de fibre tressée. Lorsque la vessie est gonflée, le maillage se dilate radialement et se contracte axialement (puisque les fibres du maillage sont inextensibles), raccourcissant la longueur totale du muscle et produisant par la suite une force de traction. Les muscles à air ont des caractéristiques de performance très similaires aux muscles humains - la force exercée diminue à mesure que le muscle se contracte. Cela est dû au changement de l'angle d'entrelacement du maillage tressé lorsque le muscle se contracte - lorsque le maillage se dilate radialement dans un mouvement de ciseaux, il exerce moins de force en raison de l'angle de tissage devenant de plus en plus faible à mesure que le muscle se contracte (voir le diagramme ci-dessous - la figure A montre que le muscle se contractera plus fortement que la figure C pour une augmentation égale de la pression vésicale). Les vidéos montrent également cet effet. Les muscles à air peuvent se contracter jusqu'à 40 % de leur longueur, selon la méthode et les matériaux de leur construction. La loi sur les gaz stipule que si vous augmentez la pression, vous augmentez également le volume d'un cylindre extensible (à condition que la température soit constante). la vessie est finalement contrainte par les propriétés physiques du manchon en maille tressée. Ainsi, afin de créer une force de traction plus importante, vous devez pouvoir augmenter le volume effectif de la vessie. La force de traction du muscle est fonction de la longueur et diamètre du muscle ainsi que sa capacité à se contracter en raison des propriétés du manchon en maille (matériau de construction, nombre de fibres, angle d'entrelacement) et du matériau de la vessie. J'ai construit deux muscles de tailles différentes en utilisant des matériaux similaires pour démontrer ce principe - ils fonctionnaient tous les deux à la même pression d'air (60 psi) mais avaient des diamètres et des longueurs différents. Le petit muscle commence vraiment à lutter lorsqu'on lui met du poids alors que le muscle plus gros n'a aucun problème. Voici quelques vidéos montrant les deux muscles de l'air construits en action.

Maintenant, allons faire des muscles !

Étape 1: Matériaux

Tous les matériaux sont facilement disponibles sur Amazon.com, à l'exception du maillage en nylon tressé de 3/8 "- il est disponible auprès des fournisseurs d'électronique. Amazon vend un kit de manchons tressés avec plusieurs tailles de maillage tressé, mais le matériau exact est non indiqué - AmazonVous aurez besoin d'une source d'air: j'ai utilisé un petit réservoir d'air avec un régulateur de pression mais vous pouvez également utiliser une pompe à air de vélo (vous devrez faire un adaptateur pour le faire fonctionner avec le tuyau poly 1/4" Réservoir d'air - Régulateur AmazonPressure (nécessite un adaptateur 1/8" NPT femelle vers 1/4" NPT mâle)- Tube poly haute pression Amazon1/4"- Amazonmultitool (tournevis, ciseaux, pinces, coupe-fil)- Amazonlighterpour les petits muscle: tuyau en silicone ou en latex 1/4"- Manchon en filet de nylon tressé Amazon3/8" (voir ci-dessus) puits)- Fil de sécurité Amazonsteel- Amazonpour le gros muscle:Tube en silicone ou latex 3/8"- Manchon en maille de nylon tressé Amazon1/2"- Amazon1/ Foret de taille 8" ou similaire- Foret Amazon21/64"- Robinet Amazon1/8" x 27 NPT- Raccord cannelé Amazon1/8" x 1/8" Adaptateur de filetage de tuyau- Amazonsmall colliers de serrage- Amazon3/4" aluminium ou plastique tige pour construire les extrémités musculaires - AmazonSafety note - assurez-vous de porter des lunettes de sécurité lorsque vous testez vos muscles aériens ! Un tuyau à haute pression qui se détache d'un raccord desserré peut causer des blessures graves !

Étape 2: faire le petit muscle

Coupez d'abord une petite longueur de tube en silicone de 1/4". Insérez maintenant le petit boulon dans une extrémité du tube et le raccord cannelé dans l'autre extrémité. Coupez maintenant le manchon tressé de 3/8" environ deux pouces plus long que le silicone tube et utilisez un briquet pour faire fondre les extrémités du manchon tressé afin qu'il ne s'effiloche pas. Faites glisser le manchon tressé sur le tube en silicone et enveloppez chaque extrémité du tube avec le fil de sécurité et serrez-le. Faites maintenant des boucles de fil et enroulez-les autour de chaque extrémité du manchon tressé. Au lieu d'utiliser des boucles métalliques sur les extrémités du muscle, vous pouvez allonger le manchon, puis le replier sur l'extrémité du muscle, formant une boucle (vous devez pousser le raccord d'air à travers) - puis serrer le fil autour de. Connectez maintenant votre tube haute pression 1/4" et pompez un peu d'air dans le muscle pour vous assurer qu'il se gonfle sans fuite. Pour tester le muscle à air, vous devez l'étirer sur toute sa longueur en mettant une charge dessus - cela permettra sa contraction maximale lorsqu'il est sous pression. Commencez à ajouter de l'air (jusqu'à environ 60 psi) et regardez le muscle se contracter !

Étape 3: Faire le grand muscle aérien

Pour faire le gros muscle, j'ai tourné des extrémités barbelées à partir d'une tige d'aluminium de 3/4 "- le plastique fonctionnera également. Une extrémité est solide. L'autre extrémité a un trou d'air de 1/8" percé et est ensuite taraudée pour un 1 Adaptateur de filetage de tuyau cannelé de /8". Cela se fait en perçant un trou de 21/64" perpendiculaire au trou d'air de 1/8". Ensuite, utilisez un taraud de tuyau de 1/8" pour percer le trou de 21/64" pour Raccord cannelé de tuyau. Maintenant, coupez une longueur de 8" de tube en caoutchouc de 3/8" pour la vessie à air et glissez une extrémité sur l'un des raccords usinés. Ensuite, coupez un manchon tressé de 1/2" de 10" de long (n'oubliez pas de faire fondre les extrémités avec un briquet) et faites-le glisser sur le tube en caoutchouc. Ensuite, faites glisser l'extrémité opposée du tube en caoutchouc sur le raccord d'air usiné restant. Maintenant, fixez solidement chaque extrémité du tube à l'aide de colliers de serrage. Le muscle le plus gros fonctionne comme la version plus petite - juste ajoutez de l'air et regardez-le se contracter. Une fois que vous le mettez sous charge, vous vous rendrez immédiatement compte que ce muscle plus gros est beaucoup plus fort !

Étape 4: Tests et informations supplémentaires

Maintenant que vous avez fait des muscles de l'air, il est temps de les utiliser. Étirez les muscles pour qu'ils atteignent leur extension maximale en ajoutant du poids. Un bon banc d'essai serait d'utiliser une balance suspendue - malheureusement, je n'y avais pas accès, j'ai donc dû utiliser des poids. Maintenant, commencez lentement à ajouter de l'air par incréments de 20 psi jusqu'à ce que vous atteigniez 60 psi. La première chose que vous remarquez est que le muscle se contracte progressivement à chaque augmentation de la pression d'air jusqu'à ce qu'il se contracte complètement. Ensuite, vous constaterez qu'à mesure que la charge augmente, la capacité du muscle à se contracter diminue à un rythme croissant jusqu'à ce qu'il ne puisse plus soulever la charge accrue. Ceci est très similaire à la performance d'un muscle humain. Il est immédiatement perceptible qu'un changement de la taille du muscle a un effet énorme sur la performance du muscle. À 22 livres. @ 60 psi, le muscle le plus petit peut encore se soulever, mais il est loin d'obtenir une contraction complète tandis que le muscle plus gros peut très facilement obtenir une contraction complète. La dynamique des muscles aériens est assez difficile à modéliser mathématiquement, surtout compte tenu du nombre de variables dans leur construction. Pour en savoir plus, je vous recommande de jeter un coup d'œil ici: https://biorobots.cwru.edu/projects/bats/bats.htm Plusieurs applications des muscles de l'air incluent la robotique (en particulier la biorobotique), l'animatronique, les orthèses/rééducation et les prothèses. Ils peuvent être contrôlés par des microcontrôleurs ou des commutateurs à l'aide d'électrovannes à trois voies ou par radiocommande à l'aide de vannes actionnées par des servos. Une valve à trois voies fonctionne en remplissant d'abord la vessie, en maintenant la pression d'air dans la vessie, puis en aérant la vessie pour la dégonfler. La chose à retenir est que les muscles de l'air doivent être sous tension pour fonctionner correctement. À titre d'exemple, deux muscles sont souvent utilisés conjointement pour s'équilibrer afin de déplacer un bras robotique. Un muscle agirait comme le biceps et l'autre comme le muscle triceps. Dans l'ensemble, les muscles aériens peuvent être construits dans toutes sortes de longueurs et de diamètres pour s'adapter à une grande variété d'applications où une résistance élevée et un poids léger sont essentiels. Leurs performances et leur longévité varient en fonction de plusieurs paramètres concernant leur construction: 1) Longueur du muscle2) Diamètre du muscle3) Type de tube utilisé pour les tests de vessie J'ai lu que les vessies en latex ont tendance à avoir une durée de vie plus longue que les vessies en silicone, Cependant, certains silicones ont des taux d'expansion plus élevés (jusqu'à 1000%) et peuvent supporter des pressions plus élevées que le latex (une grande partie dépendra des spécifications exactes du tube.)4) Type de maille tressée utilisée - certaines mailles tressées sont moins abrasives que d'autres, amélioration de la durée de vie de la vessie. Certaines entreprises ont utilisé un manchon en spandex entre la vessie et la maille pour réduire l'abrasion. Un maillage tissé plus serré permet une répartition plus uniforme de la pression sur la vessie, réduisant ainsi le stress sur la vessie. 5) Pré-contrainte de la vessie (la vessie est plus courte que la maille tressée) - cela entraîne une réduction de la zone de contact (et donc de l'abrasion) entre la vessie et le manchon en maille tressée lorsque le muscle est au repos et permet à la maille tressée de se déployer complètement reformer entre les cycles de contraction, améliorant sa durée de vie en fatigue. La précontrainte de la vessie améliore également la contraction initiale du muscle en raison du volume initial plus faible de la vessie. Dans l'ensemble, compte tenu de leur rapport poids/puissance, de leur facilité/faible coût de construction et de leur capacité à imiter la dynamique des muscles humains, les muscles aériens offrent une alternative attrayante aux moyens de mouvement traditionnels pour les appareils mécaniques. Amusez-vous à les construire !:RÉ