Российская научно-социальная программа для молодежи и школьников «Шаг в будущее» Научно-практическая выставка обучающихся Псковской области «Шаг в науку» Региональный этап Всероссийского конкурса-выставки научно-технологических и социальных предпринимателей «Молодёжь. Наука. Бизнес». (Псков, 26-28 октября 2022 года) ПРИМЕНЕНИЕ ПНЕВМОМЫШЦ В БИОНИКЕ Автор: Красилов Алексей Юрьевич, г.Псков, АНО ДПО «Центр образования и воспитания детей и молодежи», МБОУ «Псковский технический лицей», 10Б класс Научный руководитель: Лубягин Игорь Олегович, педагог дополнительного образования АНО ДПО «Центр образования и воспитания детей и молодежи» Я, Лубягин И.О., подтверждаю, что текст данной работы содержит не более 25 страниц, из них текст статьи и список литературы ‒ не более 14 страниц, приложения ‒ не более 10 страниц _____________________________ подпись, дата ПРИМЕНЕНИЕ ПНЕВМОМЫШЦ В БИОНИКЕ Красилов Алексей Юрьевич Псковская область, г.Псков, АНО ДПО «Центр образования и воспитания детей и молодежи» Аннотация. В наше время одним из приоритетных направлений исследований является разработка научных методов создания интегрированных человекомашинных комплексов, к которым относятся экзоскелеты и протезы. В современных протезах и экзоскелетах, часто прибегают к использованию пневматических приводов, в том числе и к пневматическим мышцам. Целью работы является разработка пневматических мышц и исследование их применения в бионике на базе односоставного экзоскелета. Объект: пневмомышца и односуставный экзоскелет. Предмет: создание пневматических мышц и односуставного экзоскелета. Материалы и методы: компоненты были спроектированы в программах «CorelDRAW» и «Fusion 360»; установка собрана с использованием 2-х соленоидных клапанов SMC, ресивера высокого давления, кислородного редуктора, шланга высокого давления, 3D печатных деталей, плетеной гибкой расширяемой защитной оплетки, резиновой трубки, Arduino Mega. Недостающие детали были изготовлены на ЧПУ станке и распечатаны на 3D принтере. Итоги работы: В ходе исследования проведена работа по изучению пневмомышц, как пневмоприводов в бионике. Разработан собственный экзоскелет локтевого сустава, собраны пневмомышцы, при помощи платы Arduino, организовано управление пневматическим распределителем. Удалось создать устройство, которое главным образом будет служить на благо людей. Выводы: Проведены испытания установки, на основе которых была проведена оптимизация конструкции: пневомышцыи экзоскелета. А именно он стал лучше фиксироваться на теле человека, приобрел жесткость, стал более монолитным на вид. Таким образом, было проведено исследование в сфере робототехники и применены полученные теоретические и экспериментальные знания на практике. Ключевые слова: приводы, пневматика, пневматические искусственные мышцы, бионика, робототехника. Введение Пневматические приводы широко используются в автоматизации производственных цехов. Обычно в качестве пневматических приводов используют цилиндры. В последнее время робототехника также начинает использовать пневматику в качестве основного источника энергии движения. Одной из главных особенностей пневматики является малый вес и присущая ей податливость приводов. Соответствие условиям работы обусловлено сжимаемостью воздуха, также может быть изменен режим работы пневматики путем регулирования рабочего давления. Это важная функция, когда происходит взаимодействие между человеком и машиной или когда необходимо выполнить деликатные операции. Если использовать механический привод, то вероятность сжать объект с большим усилием в разы больше, чем с контролированной пневматической системой. Благодаря соответствию требованиям современной робототехники можно легко гарантировать мягкое прикосновение и безопасное взаимодействие в пневматических системах. Системы основанные на гидравлических и электрических приводах имеют очень жесткое поведение и могут быть приведены в соответствие только с использованием относительно сложных стратегий управления с использованием обратной связи. На сегодняшний день широко используются несколько типов пневматических приводов — цилиндры, сильфоны, пневматические двигатели и пневматические шаговые двигатели. Менее известным типом приводов данной категории являются - пневматические искусственные мышцы. На самом деле это обратные сильфоны, то есть они сжимаются при инфляции. Их сила зависит не только от давления, но и от состояния их надувания, что является вторым источником пружинообразного поведения. Они чрезвычайно легкие, поскольку их основным элементом является всего лишь мембрана, и все же они могут передавать такое же количество энергии, как и цилиндры, поскольку работают в тех же диапазонах давления и объемов. По этим причинам они обладают большим потенциалом для использования в мобильных роботах, где у них есть дополнительные преимущества, такие как прямое подключение, простая замена и безопасная эксплуатация. Основная часть Постановка задач Для достижения целей работы передо мной были поставлены задачи: 1. Познакомиться с принципом работы пневматических мышц и выявить их плюсы, и минусы; 2. Смоделировать пневматические мышцы, простой односуставный экзоскелет; 3. Собрать пневмомышцы; 4. Испытать пневмомышцы; 5. Установить их на односуставный экзоскелет; 6. Написать код для управления пневмо регулировочным узлом. 1. Принцип работы пневматических мышц Из курса биологии каждый знает, что мышца - орган тела человека или животного, состоящий из ткани, способной сокращаться под влиянием нервных импульсов и обеспечивающий основные функции движения, дыхания и сопротивления нагрузке. Для использования искусственных мышц в бионике, ученые выращивают их. Такие мышцы существуют для изучения возможностей человеческого тела и адаптации функций человек. Основная задача биоробототехники заключается в снижении нагрузки на человеческое тело путем внедрения пассивных и активных экзоскелетов. Мной поставлена задача изучения и разработки мышц основанных на пневматике. Пневматическая мышца представляет собой герметичный силиконовый шланг, усиленный защитной сеткой из нейлона (Приложение 1). Если внутрь мускула подать давление, он увеличивается в диаметре, сокращаясь в продольном направлении (Приложение 2), развивая при этом достаточное усилие. Это усилие максимально в начале хода, а затем уменьшается практически линейно по мере увеличения хода. Искусственная мышца обладает начальной силой достаточно высокой величины и демонстрирует динамические свойства, сходные с мышцами человека. Следует отметить следующие преимущества у пневматических мышц: ● Большое значение развиваемого усилия при малых сокращениях пневмышцы; ● Значительное значение соотношения усилие/масса; ● Возможность позиционирования постоянной нагрузки путем изменения избыточного давления во внутренней полости пневмышцы; ● Высокая приёмистость, обусловленная малой массой упругой оболочки; ● Приемлемая величина гистерезиса по развиваемому усилию; ● Отсутствие необходимости демпфирования скорости сокращения пневмышцы в конце его полного рабочего хода; ● Возможность работы в качестве пружины растяжения; низкая стоимость. Пневматические мышцы имеют следующие недостатки: ● Одностороннее действие; ● Низкий геометрический к.п.д (отношение величины максимального сокращения пневмомышцы к его исходной длине); ● Ограничения по условиям окружающей среды (температура, влажность, ее химический состав) ; ● Опасность разрушения оболочки пневмомышцы при давлении, превышающем его максимальное значение. 2. Разработка пневматической мышцы Первым шагом работы стал простой прототип для изучения принципа работы пневмомышцы. Прототип состоял из трубки, шарика и сетки (Приложение 3). При подаче давления в шарик - он увеличивался в размере, но из-за утягивающей сетки происходил эффект сжатия, при сбросе давления из системы - прототип возвращался в исходное состояние. При регулярной подаче давления и его сброса можно наблюдать эффект сокращения мышцы. Материалы данного прототипа не практичны, так как воздушный шарик может лопнуть, сетка рвется, поэтому был разработан следующий прототип. Первым этапом разработки нового прототипа, был поиск материала для сетки. Нейлоновая сетка очень дорогая, возможно для промышленных задач она и нужна, но для прототипа мной было принято решения использовать оплетку WPET. Сетка выполнена из гибкого материала - полиэтилентерефталата. Данная оплетка используется для защиты проводов и внутренний диаметр расширяется в два раза, что подходит для проекта. Следующий этап внутренняя трубка, основная задача выдержать давление. Поэтому было принято решение использовать спортивный инвентарь, а именно - трубчатые эспандеры для фитнеса, они выдерживают большую нагрузку, и имеют полую структуру. При подачи давление в эспандер, он надувается, что подходит для разработки. После чего мной были разработаны и распечатаны на 3D принтере фитинговые заглушки и коннекторы для подачи давления. Готовый прототип выполнял все основные задачи пневмомышцы ( Приложение 4). 3. Разработка односуставного экзоскелета Основной самодельного экзоскелета является алюминиевая трубка 12мм. Крепления и шарниры изготовлены из деталей, напечатанных на 3D принтере. Для изготовления односуставного экзоскелета потребуется две алюминиевые трубки, шарнирные элементы, включая опорные ложа на руку ( Приложение 5). Пневмомышцы крепятся на напечатанное крепление и фиксируются в необходимом положении с помощью винта. На другом конце этой алюминиевой трубки закрепляется шаровая опора для дальнейшей модернизации и доработки до полноценного экзокостюма. 4. Тестирование пневмомышц Пневмомышца массой всего в 50 г может развивать усилия более 1кН при давлении питания в 5 атм и изменении внешнего радиуса от 15 до 30 мм. Экзоскелет закрепленный на штативе, всего с одной установленной на него пневмомышцой, с легкостью справился с поднятием гири массой 4500 г. Если внешняя сила, действующая на выходное звено, меняется, то пневмомышца ведет себя как пружина. При этом она прогибается в направлении действия внешней силы. Это свойство является положительным во многих применениях, где требуется адаптивность к нагрузке. Практическое применение разработки Исходя из экспериментальных результатов можно сделать вывод, что пневмомышцы имеют огромный потенциал в бионике, отлично подходят для использования в сложных роботизированных системах. Данный проект может быть использован для первоначального изучения бионики как науки, основ кинематики, программирования и электроники, также для реабилитации после травм, когда нужно разрабатывать функционал сустава. Благодаря такому виду пневмопривода, можно значительно облегчить и удешевить создание экзоскелетов и протезов. Вывод В ходе исследования была проведена работа по изучению пневмомышц, как пневмоприводов в бионике. Разработан собственный экзоскелет локтевого сустава (Приложение 6), собраны пневмомышцы, при помощи платы Arduino, организовано управление пневматическим распределителем. Удалось создать устройство, которое главным образом будет служить на благо людей. Проведены испытания установки, на основе которых была осуществленна оптимизация конструкции как пневомышцы, так и экзоскелета, а именно он стал лучше фиксироваться на теле человека, приобрел жесткость, стал более монолитным на вид. Таким образом, было проведено исследование в сфере робототехники и применены полученные теоретические и экспериментальные знания на практике. Список литературы: 1. Колесникова Е.Г., Савинская Е.А., Умнов В.И. Гибкие приводы в робототехнике Молодежный вестник Иркутского гос. техн. ун-та (ИрГТУ). 2012. № 1. С. 2-9. Режим доступа: http://mvestnik.istu.irk.ru/ru/journals/2012/01/articles/01 (дата обращения 15.11.2017). 2. Лошицкий П.А., Шеховцова Е.Е. Перспективы применения силовых оболочковых элементов в манипуляционных системах // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. № 4(5). С. 68-72. 3. Sarosi J., Fabulya Z. New function approximation for the force generated by fluidic muscle // Annals of the Faculty Engineering Hunedoara - Intern. J. of Engineering. 2012. Vol. 10. No. 2. Pp. 105-110. 4. Беляев А.Ю., Щукин Т.Н. ТРИЗ – анализ направлений проектирования искусственных мускулов: обзор. М., 2012. 32 с. Режим доступа: http://2045.ru/pdf/kopp_ Beliaev_Schukin.pdf (дата обращения 15.11.2017). 5. Медведев В. С. Системы управления манипуляционных роботов / В.С. Медведев, А.Г. Лесков, А.С. Ющенко ; Под ред. Е.П. Попова. - Москва : Наука, 1978. 6. Хессе С. Пневмомускул за работой. 150 примеров применения пневматического мускула: пер. с англ. Киев: Фесто, 2004. 140 с. [Hesse S. 99 examples of pneumatic applications. Esslingen: Festo AG & Co., 2001. 120 p.]. Приложение 1 1 - эластичная трубка: 2 - оплетка; 3, 4- крышки; 5 - канал питания . Рис.1. Схема пневмомышцы Приложение 2 Рис.2. Пневмомышца в работе Приложение 3 Рис.3. Прототип пневмомышцы Приложение 4 Рис.4. Разработаная пневмомышца Приложение 5 Рис.5. Односуставный экзоскилет Приложение 6 Рис. 6. Экзоскелет локтевого сустава с установленными пневмомышцами.