Біонічні модулі руху

Описані вище модулі руху(за винятком ММС) за своїми массогабаритным параметрами на порядок поступаються м'язам тварин і людини. Цей факт визначає інтерес до проблеми створення технічних аналогів таких м'язів.

Першими розробками біонічних модулів руху(біонічних приводів), що дістали назву «Штучний м'яз», були пневматичні приводи, в яких циліндр з поршнем замінювався еластичною трубкою(гума, полімери) в обплетенні навхрест(нейлон).

При поданні в трубку повітря під тиском вона, роздуваючись, скорочується до 1/3 довжини, імітуючи роботу м'яза. Такі приводи мають в 3-4 рази меншу масу, ніж пневматичні циліндри тієї ж потужності, і тому вони знайшли застосування, зокрема, при протезуванні кінцівок.

Джерелом стислого газу при цьому служать зазвичай одноразові балончики. На Рис. 2.7 показано облаштування реверсивного приводу такого типу, застосованого в промисловому роботові «Софтарм» фірми «Бриджестоун»(Японія).

Пристрій складається з двох пневматичних приводів односторонньої дії. При підвищенні тиску в одному з них і одночасному пониженні на ту ж величину в іншому перший привід скорочується, подовжуючи другий. В результаті через трос відбувається поворот блоку, який пов'язаний з ланкою маніпулятора. Кут повороту блоку практично прямо пропорційний різниці тисків в приводах. Вантажопідйомність шарнірного маніпулятора з 5 мірами рухливості робота «Софтарм» - 3 кг при масі 5,5 кг Погрішність позиціонування - 1,5 мм.

Рис. 2.7. Реверсивний гнучкий пневматичний привід фірми «Бриджестоун»

На Рис. 2.8 показаний варіант пневматичного(сорбційною) штучного м'яза, в якому газ під тиском виходить безпосередньо в самій трубці в результаті нагріву електричним струмом.

Рис. 2.8. Сорбційний штучний м'яз

При проходженні електричного струму по термоелементу 3 спеціальний наповнювач 4 нагрівається і виділяє газ. В результаті усередині трубки підвищується тиск і вона, роздуваючись, скорочується в довжину. Після відключення струму наповнювач охолоджується, знову поглинаючи газ, що виділився, і м'яз приходить в початковий стан.

Довжина м'яза - 150-300 мм, діаметр 3-5 мм. Величина скорочення - 10-15 %. зусилля, що Розвивається, - 1-3 Н, при масі м'яза - одиниці грамів. Головний недолік цього м'яза - дуже низька швидкодія: час стискування більше 30 з, а зворотного розслаблення ще в 2-3 рази більше. Інший варіант подібного пневматичного м'яза з тепловою дією - заповнення трубки легкокипящей рідиною з дією на неї зовнішнім джерелом тепла.

Різновидом пневматичних штучних м'язів є аналогічні пристрої із заміною обплетення подовжніми тяговими нитками.

Такі конструкції мають кращі тягові характеристики і розвивають великі зусилля. Ще більші тягові зусилля можна отримати при заміні газу рідиною під тиском, т. е. при переході до гідравлічних штучних м'язів. Крім того, такі гідравлічні штучні м'язи мають більш високу точність позиціонування і кращу динаміку, як усі гідравлічні приводи в порівнянні з пневматичними.

Разом з описаними пневматичними і гідравлічними приводами типу штучного м'яза існують близькі їм еластичні приводи, в яких робота здійснюється за рахунок вигинистих деформацій еластичних порожнин. Приклад такого приводу типу «хобот» приведений на Рис. 2.9.

Рис. 2.9. Кінематична схема пневматичного пристрою з керованою деформацією

Воно складається з трьох жорстко скріплених еластичних трубок. Верхній кінець трубок закритий, а знизу підведено стисле повітря. При однаковому тиску в усіх трубках пристрій знаходиться у вертикальному положенні.

При різних значеннях тиску в трубках воно згинається у бік трубок з меншим тиском. Послідовне з'єднання таких секцій зі своєю системою подання повітря дозволяє отримувати складніші просторові конфігурації з перегинами.

Проте, оскільки в цьому випадку використовується деформація не стискування, як у м'яза, а вигину, ці приводи формально не відносяться до штучних м'язів.

В середньому описані пневматичні і гідравлічні штучні м'язи в порівнянні з аналогічними традиційними приводами(циліндрами) в 3 рази легше, в 2 рази менше по габаритах і розвивають в десятки разів більше зусилля на одиницю ваги.

Окрім реалізованих в конкретних конструкціях типів пневматичних і гідравлічних штучних м'язів у світі ведуться інтенсивні дослідження і розробки штучних м'язів, заснованих на інших фізичних принципах. Найбільш близькі до розглянутих облаштувань розробки електромагнітних і електростатичних штучних м'язів.

Електромагнітний штучний м'яз складається з багатовиткової обмотки, стислої в джгут, в якому провідники з електричним струмом протилежного напряму притиснуті один до одного. При пропусканні по них струму вони внаслідок електромагнітної силової взаємодії розходяться в поперечному напрямі. В результаті довжина джгута скорочується подібно до описаного раніше скорочення пневматичних і гідравлічних м'язів.

Один з перших варіантів електростатичного штучного м'яза є циліндром, по осі якого розташований центральний електрод, а по тих, що утворюють циліндра - сполучені один з одним гнучкі периферійні електроди. При поданні на центральний і периферійний електроди електричного потенціалу виникає електрична сила, яка відштовхує периферійні електроди від центрального. В результаті периферійні електроди згинаються, викликаючи скорочення м'яза. Інший варіант електростатичного м'яза виконаний у вигляді стовпчика, зібраного з тонких металевих дисків(плівок), розділених пружними ізолюючими прокладеннями. Усі непарні і усі парні диски сполучені один з одним. При поданні на них електричної напруги різної полярності диски зближуються, стискаючи ізолюючі прокладення, і м'яз скорочується. Замість ізолюючих прокладень може бути використаний газ.

Останнім часом значні успіхи досягнуті в розробці електростатичних штучних м'язів з полімерів, що деформуються в електричному полі. Так, силіконові і акрилові пластини завтовшки в десятки мікрон під дією напруги в декілька кіловольт розширюються перпендикулярно полю більш ніж удвічі, створюючи зусилля в десятки ньютонов. Лінійний привід типу штучний м'яз, виконаний з такої плівки, покритої з двох сторін еластичними електродами, є циліндричною пружиною, покритою цією плівкою. При додатку до плівки електричної напруги циліндр подовжується.

Аналогічні приводи створюються і на основі іонних полімерів і полімерно-металевих композитних матеріалів. У електричному полі молекули цих матеріалів іонізуються і випробовують механічних сили, які викликають деформацію матеріалу в напрямі, перпендикулярному градієнту електричного поля. На цьому принципі був заснований, зокрема, п'ятипальцьовий схват для маніпуляторів.

Розробляються також штучні м'язи на базі різних штучних волокон, що деформуються під дією хімічних реагентів.

Для усіх них характерною є низька швидкодія(секунди) і величини ходу(деформації) порядку 10-15 %. Загальною гідністю усіх запропонованих приводів типу штучний м'яз являються у декілька разів кращі массогабаритные параметри в порівнянні з традиційними приводами.