Делаем пневмомышцу для робота своими руками. 

Пневмомышца это простое пневматическое устройство, созданное в 1950 году Джери Маккибеном. Как и биологические мышцы, пневмомышцы сокращаются при подаче сигнала. Для робототехники они интересны тем, что они являются приемлимой ккопией биомышц. Благодаря этому исследователи могут использовать человеческий скелет с присоединенными вместо крупных биомышц пневмомускулами для изучения биомеханики и низкоуровневых нервных свойств биомышц.

Эта особенность используется во многих "Био-робототехнических" проектных институтах множеством исследвателей. В публикациях пневмомышцы можно искать по словам "пневмомышцы Маккибена", "McKibben Air Muscles", "Пневматическая искуственная мышца Маккибена", "Rubbertuator" а так же просто "пневмомышца", "пневмомускул", "air muscle".

Применение

Пневмомышцы применяются в робототехнике, биоробототехнике, биомеханике, искуственных конечностях и промышленности. Исследователям и тем, кто использует их в своем хобби понравится простота использования пневмомышц (по сравнению с пневмоцилиндрами) и простота изготовления. Пневмомышцы легкие, мягкие, податливые, имеют высокое отношение поднимаемого веса к собственному (400:1), могут скручиваться вдоль своей оси и использоваться без точной установки а так же обеспечивать силу сжатия для суставов. Пневмомышцы можно использовать под водой. 

Как работает пневмомышца

Пневмомышца состоит из 2-х главных деталей: мягкая эластичная внутренняя резиновая трубка и плетеный ячеистый рукав из полиэстера, см рисунок 1. Резиновая трубка называется внутренним пузырем и находится внутри рукава из сетки

.

Рисунок 1 - конструкция пневмомышцы
 

Все что осталось для создания  для создания мышцы - установить фитинг для воздуха на одном из концов, заглушку на другом и сухожилия на каждом конце для прикрепления мышцы к устройству. Хомуты на рисунке 1 используются от газовых шлангов и выдерживают большое давление.

Когда во внутреннем пузыре создается повышенное давление, он надувается и растягивает ячеистый рукав изнутри, увеличивая диаметр рукава. Ячеистый рукав обладает свойством уменьшать длину пропорционально увеличению диаметра. Именно благодаря этому свойству создается стягивающая сила.

Для корректной работы важно что бы мышца в неактивном положении была растянута или находилась под нагрузкой. В противном случае она просто расширится. Таким образом мышца находится в нормально растянутом состоянии для того что бы произвести работу при сокращении, см рисунок 2. Обычно пневмомускул сокращается примерно на 25% своей длины. 

Иллюстрация одной сокращенной мышцы на рисунке 2 преувеличена. Когда пневмомышца сокращается, ее диаметр увеличивается пропорционально сокращению длины. Пневмомышца как правило не образует большой бугор в центре при сокращении, на рисунке они изображен для наглядности.

Давление воздуха

Пневмомышцы требуют источника сжатго газа (обычно воздуха). Пневмомускулы которые мы будем делать работают при давлении примерно 3,5 кг/кв. см. Давление может создаваться любым удобным способом, например  насосом от велосипеда с манометром или недорогим автомобильным насосом с питанием 12 вольт. Так же возможно использование балона со сжатым воздухом, который наполняется на автостанции. В этом случае необходим редуктор для того что бы не разорвать мышцу высоким давлением.

Сборка пневмомускула 

Пневмомышцы можно купить в интернет-магазине. Для экспериментов можно сделать пневмомышцу своими руками именно того размера, который требуется.

Внутренняя трубка сделана из мягкой силиконовой трубки с внешним диаметром примерно четверть дюйма (6 мм) и внутренним примерно 1/8 дюйма (3 мм). Проще всего ее найти в магазинах для домашних животных. В магазине нужно купить несколько прозрачных ПВХ трубок (того же диаметра что и силиконовые, но менее гибкие),  несколько клапанов и содинителей.

В магазинах электронных компонентов продаются ячеистые рукава из полиэстера. Они используются как оплетка для объединения проводов в жгуты. Нужно купить пару метров рукава с диаметром 1 см. 

Завершают список покупок несколько шурупов М10 или других подходящих  длиной 10-24 и несколько хомутов либо немного оцинкованной проволоки, все это можно купить в строительном магазине.

Отрежем кусок силиконовой трубки длиной 10 см. Вкрутим в нее шуруп с одного конца и соединитель труб для аквариума с другой стороны. Подробнее показано на рисунке 3.

Отрежем кусок рукава длиной 18 см. Для того что бы предотвратить его расплетение нагреем на огне место среза - полиэстер на кончиках немного расплавится и зафиксирует сетку.  Идея заключается в том что бы сплавить вместе одиночные нити, но  при этом легко перестараться и расплавить слишком большой участок. В этом случае отрезаем новый кусок и повторяем до получения результатат как на рисунке 4.

   Рисунок 4 - Обработка краев

Вставим резиновую трубку внутрь сетчатого рукава. Совместим с одной стороны конец рукава и нижнюю часть головки винта вкрученного в резиновую трубку. Обернем этот конец три или четыре раза проволокой так, что бы захватить рукав, трубку и вкрученный винт. Скрутим между собой оставшиеся концы и затянем потуже плоскогубцами и откусим кусачками выступающую часть. Результат должен быть похож на то, что изображено на рисунке 5.

Для того что бы сделать другой конец, вытянем сетку, замотаем проволокой аналогично предыдущему случаю и обрежем все выступающие нити. Теперь можно  попробовать накачать ее воздухом, но без нагрузки не стоит нагнетать более 2 атмосфер. Утечку воздуха можно проверить мыльным раствором - просачивающийся воздух будет надувать пузыри.

.

Отрежем два куска проволоки по 35 см. Из них мы сделаем кольца заменяющие сухожилия. Сложим проволоку пополам. Сделаем кольцо примерно 3 см  из центральной части и сплетем вместе свободные хвосты. Должно получиться похоже на то что изображено на рисунке 7. Теперь прикрепим сухожилие к мышце так, как изображено на рисунке 8. Сделаем то же самое и для другого конца мышцы. Растянем всю конструкцию для тог что бы убедиться что все держится крепко

Рисунок 8 - крепление сухожилий

Проверка пневматической мышцы 

Первая проверка - простое статическое испытание. При проверке мышц нужно одеть защитные очки - при взрыве мышцы оплетка разлетается в разные стороны и удар от сжатого воздуха довольно болезненый. Присоединим с помощью сухожилия один конец мышцы к неподвижной опоре, к другому концу подвесим груз массой 2-3 кг. Этот груз натянет мышцу (она немного растянется насколько позволит сетка рукава. Создадим давление в мышце 3,5 атмосферы. Пневмомышца сократится и легко поднимет груз. Пока она находится под давлением прислушаемся что бы обнаружить утечки воздуха. Для их устранения затягиваем омуты.

Первое механическое устройство

Самое простое устройство на котором можно наглядно увидеть в действии и оценить сокращение мышцы  изображено на рисунке 9. Один конец мышцы закрепляется неподвижно на бруске 2,5 х 5 см длиной примерно 40 см. Другой конец соединяется с резиновым жгутом который закреплен к другому концу бруска. Резиновый жгут натягивается до тех пор пока мышцы не натянется полностью. Не будем излишне натягивать жгут так как это создаст дополнительное сопротивление сокращению мышцы и не принесет положительного результата. Когда мы будем накачивать воздух в мышцу она будет сокращаться и мы сможем измерить величину сокращения мышцы. После стравливания воздуха из мышцы она должна растянуться до начального положения

Второе механическое устройство 

Рычаг это простое механическое устройство. Схема рычага представлена на рисунке 10. На рисунке 11 дано изображение собранного макета. Сокращение мышцы заставляет рычаг подниматься. Для обратного движения используем резиновые жгуты. На рисунке 12 изображена схема при которой вместо резинового жгута используется вторая мышца. 

Рисунок 10 - схема испытательного рычага.

Рисунок 11 - фото собранного макета.

Рисунок 12 - две мышцы позволяющие вращать сустав в обе стороны.

Управление пневмомышцей. 

Обычно для управления пневмомышцами используется пневматическая схема с 3-мя выводами изображенная на рисунке 13.

Для активации (сокращения) мышцы открываем вентиль №2. Сокращенная мышца может быть расслаблена если выпустить из нее воздух. Для этого сначала закроем вентиль 2 прекратив подачу газа под давлением и откроем вентиль 1 и сравняем давление в мышце с атмосферным. 

Электронная система управления

Можно приобрести трех ходовой клапан изображенный на рисунке 14. Клапан позволяет управлять мышцей в ручном режиме. Трех ходовой клапан может быть имитирован или собран из двух одноходовых клапанов. Маленькие клапаны для аквариумов куплены в магазине для животных и работают довольно хорошо. Они обычно не расчитаны на работу при 3-4 атмосферах поэтому лучше использовать защитные очки только потому что они при таком давлении могут отсоединиться и на приличной скорости прилететь в глаз.

Ручные клапаны подходят для проверки мышцы, но для создания робота или промышленного устройства нам необходимо обеспечить электронное управление. К счастью это не так сложно как кажется на первый взгляд. В продаже имеются разные модели управляемых соленоидом клапанов. Сейчас рассмотрим пневмоклапаны Isonic производства Mead Fluid Dynamics. Это трехканальные клапаны которые управляются сигналами с напряжением 5в. Изображены на рисунке 14.

Эти 3-канальные клапаны обеспечивают автоматическую вентиляцию мышцы при расслаблении через отверстия в задней части. Схема работы изображена на рисунке 13 с учетом того что вентиль 1 в этих устройствах нормально открыт и вентилирует мышцу через заднюю стенку. Клапан 2 нормально закрыт и соединен со входом маркированным "In" на рисунке 14. Штуцер для подключения пневмомышцы маркирован "Out" на рисунке 14. При активировании клапана вентиль 2 открывается пропуская через себя воздух а клапан 1 закрывается. При отключении каждый клапан меняет свое состояние изолируя источник давления от пневмомышцы.

На передней части устройства располагается 2 штуцера для быстрого подключения и отключения трубок. Отдельные клапаны соединены внутри с помощь гребенки хорошо пропускающей воздух. Для быстрого подключения просто наденем трубку на штуцер где она и зафиксируется. Для отключения просто потянем трубку пальцами и отсоединим ее.

Несколько клапанов могут объединяться в массив на общем основании, этот массив может сделать управление мышцами намного более простым.

На рисунке15 изображена схема ручного управления для этих клапанов.

  Рисунок 15 - схема ручного управления электромагнитным клапаном. 
 

Продолжение следует...