Пневматические искусственные мышцы: принципы работы и применение.
Pneumatic artificial muscles
Пневматические искусственные мышцы (ПАМ): принцип работы, история создания (McKibben, Rubbertuators), применение в протезах и робототехнике. Прочность ПАМ.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Пневматические искусственные мышцы (ПАМ) – это устройства, сокращающиеся или растягивающиеся под воздействием сжатого воздуха, наполняющего пневматическую камеру. По аналогии с человеческими мышцами, ПАМ обычно используются попарно: один агонист и один антагонист. ПАМ были впервые разработаны (под названием McKibben Artificial Muscles) в 1950-х годах для применения в искусственных конечностях. Компания Bridgestone (Япония), производитель резиновых изделий, коммерциализировала эту идею в 1980-х годах под названием Rubbertuators. Сила сокращения ПАМ ограничена общей прочностью отдельных волокон в тканой оболочке. Величина хода ограничена плотностью плетения; слишком рыхлое плетение допускает большее выпячивание, что дополнительно скручивает отдельные волокна плетения. Одним из примеров сложной конфигурации пневматических мышц является Shadow Dexterous Hand, разработанная компанией Shadow Robot Company, которая также продает различные типы мышц для интеграции в другие проекты и системы.
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.
Преимущества
ПАМ очень легкие, поскольку их основной элемент – тонкая мембрана. Это позволяет напрямую соединять их со структурой, которую они приводят в действие, что является преимуществом при замене дефектной мышцы. Если требуется заменить поврежденную мышцу, ее местоположение всегда будет известно, и замена станет проще. Это важная характеристика, так как мембрана соединена с жесткими точками крепления, что создает концентрацию напряжений и, следовательно, повышает вероятность разрыва мембраны. Другим преимуществом ПАМ является их естественная податливость: при приложении силы к ПАМ он деформируется, не увеличивая усилие при работе. Это важная особенность, когда ПАМ используется в качестве привода в роботе, взаимодействующем с человеком, или при выполнении деликатных операций. В ПАМ сила зависит не только от давления, но и от степени их надувания. Это одно из ключевых преимуществ: математическая модель, лежащая в основе работы ПАМ, является нелинейной системой, что делает их гораздо более простыми в точном управлении по сравнению с традиционными пневматическими цилиндрическими приводами. Зависимость между силой и удлинением в ПАМ аналогична зависимости длины и напряжения в биологических мышечных системах. Сжимаемость газа также является преимуществом, поскольку обеспечивает дополнительную податливость. Как и другие пневматические системы, приводы ПАМ обычно требуют электрических клапанов и компрессора. Рыхлая структура внешней волокнистой оболочки также обеспечивает гибкость ПАМ и позволяет им имитировать биологические системы. Если поверхностные волокна сильно повреждены и неравномерно распределены, образуя зазор, внутренняя камера может расшириться через этот зазор и лопнуть. Как и в случае с любыми пневматическими системами, важно не использовать их при наличии повреждений.
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.
Гидравлическая работа
Хотя технология в основном работает на пневматическом (газовом) приводе, ничто не препятствует ее работе и на гидравлическом (жидкостном) приводе. Использование несжимаемой жидкости повышает жесткость системы и снижает податливость. В 2017 году такое устройство было представлено компаниями Bridgestone и Токийский технологический институт, заявленное соотношение прочности к весу которого в пять-десять раз выше, чем у традиционных электродвигателей и гидравлических цилиндров.
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.