Пневматикалық жасанды бұлшықеттер: Құрылымы, артықшылықтары және қолданылуы
Pneumatic artificial muscles
Пневматикалық жасанды бұлшықеттер (PAM) – ауа қысымымен жұмыс істейтін, адам бұлшықеттерін еліктейтін құрылғылар. Даму тарихы, қолданылуы туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Пневматикалық жасанды бұлшықеттер (ПЖБ) – пневматикалық қапты қысыммен толтырылатын ауа арқылы жұмыс істейтін жирылатын немесе созылатын құрылғылар. Адам бұлшықтарын шамамен бейнелейтін ПЖБ әдетте жұптарда қолданылады: бір агонист және бір антагонист. ПЖБ алғаш рет 1950 жылдары жасанды аяқ-қолдарда пайдалану үшін (МакКиббен жасанды бұлшықеттері деген атпен) жасалған. «Бриджстоун» каучук компаниясы (Жапония) бұл идеяны 1980 жылдары «Руббертуаторлар» деген атпен коммерцияландырды. ПЖБ-ның қысқару күші тоқыма қабықтағы жеке талшықтардың жалпы беріктігімен шектеледі. Жұмыс істеу қашықтығы тоқудың тығыздығымен шектеледі; тым бос тоқу үлкенге дейін бүгілуге мүмкіндік береді, бұл тоқудағы жеке талшықтарды одан әрі бұрады. Ауа бұлшықеттерінің күрделі конфигурациясының бір мысалы – «Shadow Robot Company» компаниясы жасаған «Shadow Dexterous Hand», ол басқа жобаларға/жүйелерге енгізу үшін бұлшықеттердің кең ауқымын да сатады.
Pneumatic artificial muscles (PAMs) are contractile or extensional devices operated by pressurized air filling a pneumatic bladder. In an approximation of human muscles, PAMs are usually grouped in pairs: one agonist and one antagonist. PAMs were first developed (under the name of McKibben Artificial Muscles) in the 1950s for use in artificial limbs. The Bridgestone rubber company (Japan) commercialized the idea in the 1980s under the name of Rubbertuators. The retraction strength of the PAM is limited by the sum total strength of individual fibers in the woven shell. The exertion distance is limited by the tightness of the weave; a very loose weave allows greater bulging, which further twists individual fibers in the weave. One example of a complex configuration of air muscles is the Shadow Dexterous Hand developed by the Shadow Robot Company, which also sells a range of muscles for integration into other projects/systems.
Артықшылықтар
PAM-дер өте жеңіл, себебі олардың негізгі құралы – жұқа мембрана. Бұл оларға тікелей қуат беретін конструкциямен байланысуға мүмкіндік береді, бұл ақаулы бұлшық етті алмастыруды қарастырғанда үлкен артықшылық. Егер бұзылған бұлшық етті алмастыру қажет болса, оның орналасқан жері әрқашан белгілі болады және оны алмастыру оңайырақ болады. Бұл маңызды ерекшелік, себебі мембрана берік тіреу нүктелеріне қосылған, бұл кернеудің шоғырлануына және, демек, мембрананың жарылуына әкелуі мүмкін. PAM-дердің тағы бір артықшылығы – олардың икемділігі: PAM-ге күш түсірілгенде, ол іске қосылу күшін арттырмай "икемделеді". Бұл, PAM адаммен өзара әрекеттесетін роботта немесе нәзік операцияларды орындау қажет болғанда маңызды мүмкіндік. PAM-дерде күш тек қысымқа ғана емес, сонымен қатар олардың толтырылу күйіне де байланысты. Бұл басты артықшылықтардың бірі; PAM-нің жұмыс істеуін қамтамасыз ететін математикалық модель – бұл сызықты емес жүйе, ол оларды дәстүрлі пневматикалық цилиндрлі механизмдерге қарағанда дәл басқаруды жеңілдетеді. PAM-дердегі күш пен созылу арасындағы қатынас биологиялық бұлшықет жүйелеріндегі ұзындық пен кернеу арасындағы қатынасқа ұқсас. Газдың қысылуы да артықшылық болып табылады, себебі ол икемділікті арттырады. Басқа пневматикалық жүйелердегідей, PAM механизмдеріне әдетте электр клапандары мен қысылған ауа генераторы қажет. Сыртқы талшықты қабықтың бос тоқылуы PAM-дерге икемді болуға және биологиялық жүйелерді имитациялауға мүмкіндік береді. Егер беткі талшықтар нашар зақымданса және біркелкі таралмаса, саңылау пайда болса, ішкі қапшық саңылау арқылы кеңейіп, жарылуы мүмкін. Барлық пневматикалық жүйелер сияқты, олар зақымдалған кезде пайдалануға болмайды.
PAMs are very lightweight because their main element is a thin membrane. This allows them to be directly connected to the structure they power, which is an advantage when considering the replacement of a defective muscle. If a defective muscle has to be substituted, its location will always be known and its substitution becomes easier. This is an important characteristic, since the membrane is connected to rigid endpoints, which introduces tension concentrations and therefore possible membrane ruptures. Another advantage of PAMs is their inherent compliant behavior: when a force is exerted on the PAM, it "gives in", without increasing the force in the actuation. This is an important feature when the PAM is used as an actuator in a robot that interacts with a human, or when delicate operations have to be carried out. In PAMs the force is not only dependent on pressure but also on their state of inflation. This is one of the major advantages; the mathematical model that supports the PAMs functionality is a non linear system, which makes them much easier than conventional pneumatic cylinder actuators to control precisely. The relationship between force and extension in PAMs mirrors what is seen in the length tension relationship in biological muscle systems. The compressibility of the gas is also an advantage since it adds compliance. As with other pneumatic systems PAM actuators usually need electric valves and a compressed air generator. The loose weave nature of the outer fiber shell also enables PAMs to be flexible and to mimic biological systems. If the surface fibers are very badly damaged and become unevenly distributed leaving a gap, the internal bladder may inflate through the gap and rupture. As with all pneumatic systems it is important that they are not operated when damaged.
Гидравликалық жұмыс
Технология негізінен пневматикалық (газ) принципте жұмыс істесе де, оның гидравликалық (сұйық) принципте жұмыс істеуіне ешқандай кедергі жоқ. Сығылмайтын сұйықтықты пайдалану жүйенің қатаңдығын арттырады және серпімділік қасиеттерін азайтады. 2017 жылы Bridgestone және Токио технология институты мұндай құрылғыны ұсынды, оның күш-салмақ арақатынасы дәстүрлі электр моторлары мен гидравликалық цилиндрлерге қарағанда бес-он есе жоғары деп мәлімдеді.
Although the technology is primarily pneumatically (gas) operated, there is nothing that prevents the technology from also being hydraulically (liquid) operated. Using an incompressible fluid increases system rigidity and reduces compliant behavior. In 2017, such a device was presented by Bridgestone and the Tokyo Institute of Technology, with a claimed strength to weight ratio five to ten times higher than for conventional electric motors and hydraulic cylinders.