Sztuczny Muskuł Pneumatyczny v1 PDF

Preview

Summary

Notatki...

Description

Laboratorium Biomechaniki Badanie sztucznych muskułów pneumatycznych

1

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z podstawowymi charakterystykami mechanicznymi muskułów pneumatycznych.

2

Wstęp teoretyczny

Aktywność mięśniowa mięśni szkieletowych(skurcz i bierne rozciąganie) jest zależne zarówno od elementów kurczliwych jak i od właściwości mechanicznych pozostałych struktur elastycznych[1], takich jak błony mięśniowe, powięzi i ścięgna. Zatem, zasadne jest rozpatrywanie charakterystyk nie tyle samego muskułu, a raczej biomechanicznego zespołu elementów składających się na daną jednostkę motoryczną. Zespół taki, nazywany jest zespołem mięśniowo-ściegnowym- MTU(muscle-tendon unit). W warunkach fizjologicznych, podczas biernego rozciągania mięśnia, wpływ ścięgien może być pominięty, z racji że sa one około 50 razy sztywniejsze niż sama tkanka mięśniowa. Dopiero przekroczenie pewnego zakresu, ok 1,4 długości spoczynkowej, wywołuje gwałtowny wzrost siły rozciągającej, na skutek napięcia biernych elementów elastycznych. Dalsze rozciąganie mięśnia skutkuje jego nieodwracalnym uszkodzeniem. Siła generowana przez poszczególne włókno mięśniowe w czasie aktywnego skurczu jest zależna od jego rozciągnięcia. Zjawisko to dobrze tłumaczy teoria ślizgowa Huxleya skurczu mięśniowego, uzależniając siłę generowaną przez mięsień od ilości „głów” włókna aktyny aktywnie biorących udział w procesie skurczu. W ogólnym ujęciu, zespół mięśniowościęgnowy generuje maksymalną siłę jedynie w pewnym zakresie zbliżonym do jego długości spoczynkowej. Zarówno nadmierne rozciągnięcie jak i skrócenie długości mięśnia wywołuje spadek jego aktywnej siły. Przy czym, należy zaznaczyć ze gwałtowny wzrost siły mięśnia podczas jego rozciągania do długości krytycznej wywołany jest przez bierny opór struktur elastycznych. W organizmie człowieka, mięśnie mogą pracować w układzie agonistycznym i antagonistycznym. W układzie agonistycznym, mięsnie współdziałają ze sobą(np.

poszczególne głowy mięsnie czworogłowego), a siła przykładana przez nie na punkt jest sumowana. W układzie antagonistycznym, mięsnie działają przeciwstawnie(np. biceps i triceps). Mięśnie, w układzie ruchowym, pełnią dwie podstawowe funkcje: napędową i tłumiąca. Kurcząc się, mięśnie wytwarzają siłę niezbędna do ruchu bądź też zrównoważenia obciążenia. Druga z funkcji polega na płynnej regulacji wypadkowej siły napędowej układu poprzez hamowanie ruchu głównej grupy mięśniowej. Zjawisko to jest charakterystyczne dla mięśni pracujących w układzie antagonistycznym i nosi nazwę sterowania współbieżnego. Mimo utraty energii wydatkowanej na przeciwstawna pracę mięśni, sterowanie współbieżne dominuje w układzie ruchowym człowieka, z racji że umożliwia szeroki zakres jak i możliwość kontroli ruchu. Zjawisko to jest szczególnie dobrze widoczne podczas nauki nowego ruchu.

2.1 Sztuczny muskuł pneumatyczny McKibben Muskuł pneumatyczny jest konstrukcją opartą o odkształcalną membranę z materiału elastycznego oplecionej oplotem wykonanym z nierozciągliwych włókien. Głowna cechą oplotu jest wynikająca z jego budowy możliwość przekształcania odkształceń działających w kierunku promieniowym na odkształcenia w kierunku osiowym. W sztucznych muskułach pneumatycznych McKibben, jest to zrealizowane poprzez helikalną, krzyżującą się strukturę oplotu która pozwala na rozkładanie sił na zasadzie pantografu (rys.1]).

Rys. 4.9 Podwójna krzyżująca się helisa oplotu tworzy pracującą strukturę pantografu, która pozwala na zamianę siły promieniowej na osiową.

Wprowadzone do środka sprężone powietrze napiera na ścianki elastycznego przewodu, który z kolei przekazuje tę siłę na oplot co skutkuje pęcznieniem muskułu przy jednoczesnym skróceniu jego długości. Stopień skrócenia mięśnia jak i siła przezeń generowana może być regulowana poprzez zmiany ciśnienia zasilania muskułu. Należy jednak zaznaczyć że

muskuły posiadają nieliniowa charakterystykę skrócenia do siły, co stanowi pewne utrudnienie podczas projektowania systemów na nich opartych. Pneumatyczne mięśnie typu McKibben zostały opracowane w latach 50 na potrzeby badań nad ortezami dla pacjentów cierpiących na polio. Muskuły te charakteryzują się skurczem na poziomie 20-25% (Rys. 2). Z racji budowy opartej o elastyczny przewód posiadają duża sprężystość, a sposób połączenia z oplotem skutkuje posiadaniem przez muskuł właściwości tłumiących. Sumarycznie, aktuatory te posiadają właściwości pozwalające w dobrym stopniu na imitowanie własności mięśni biologicznych.

Rys. 2 Muskuł typu McKibben w stanie spoczynku(góra) napełniony gazem(dół).

Niewątpliwą wadą muskułów typu McKibben jest niska odporność zmęczeniowa. Przy pracy mięśnia na pełnym zakresie, czyli około 25% skurczu, mięsnie te wytrzymują nieco ponad 4000 cykli.

2.2 Matematyczny model muskułu McKibben Muskuły typu McKibben posiadają nieliniowe charakterystyki pracy. Na właściwość ta składa się wiele czynników. Powierzchnia na którą oddziałuje sprężone powietrze rośnie liniowo wraz ze wzrostem średnicy muskułu, natomiast zmieniający się kąt oplotu niekorzystnie wpływa na rozkład siły wywołujący siłę ciągnąca w kierunku osiowym(Rys. 3). Geometryczny

Model muskułu

oparty

o

tzw.

"wirtualny

argument" został

zaproponowany przez zespół Chou-Hannaford w roku 1996. W uproszczonym modelu, muskuł zostaje zaproksymowany do cylindra, grubość ścianek zostaje przyjęta jako 0. Podstawowymi zmiennymi są L i D, opisujące kolejno długość i średnicę cylindra. Przyjmując, że materiał z którego wykonany jest oplot jest nierozciągliwy, za stała przyjmuje się długość włókna tworzącego oplot, opisywana literą b, oraz liczbę zwojów pojedynczego włókna opisywanych jako n. Ostatnią zmienna jest kąt Ѳ, opisujący kąt między oplotem a

osią długą cylindra. Kąt ten zmienia się w zależności od zmian długości aktuatora. Zależność ta pokazana jest na Rys.4.10.

Rys. 3 Zależność długości pojedynczego włókna oplotu od średnicy, długości i ilości zwojów[32]

F=

(

)

P ' b2 3 L 2 −1 4 π n2 b2

(4.1)

Muskuły pneumatyczne, poza opisanymi charakterystykami wytwarzanej siły, wykazują również właściwości analogiczne do sprężyny o zmiennej sztywności. Zmienna sztywność jest korzystna w przypadku robota dedykowanego do współpracy z człowiekiem, który z natury jest układem nieliniowym. Modelowanie sztywności rozpoczyna się od uwzględnienia sztywności jako pochodnej siły po długości. k=

dF dL

(4.2)

Różniczkowanie wzoru [22] po L daje: k=

(

)

2 dP' 3 P' L b2 3 L + −1 2 2 dL 2 π n 2 4πn b

(4.3)

Człon dP'/dL jest najtrudniejszym do sformułowania elementem tego wzoru. W przypadku gdy zawory są zamknięte, ciśnienie zmienia się proporcjonalnie wraz z objętością, zgodnie z prawami opisującymi zachowania gazu. Jednakże, w przypadku gdy zawory są otwarte, zależność ta staje się znacznie trudniejsza do zamodelowania. Z racji niewielkich zmian ciśnienia wywołanych zmianą długości, zależność ta może być pominięta. Co za tym idzie:

dP' ≈0 dL

(4.4)

Ostatecznie, sztywność aktuatora aproksymowana jest zależnością: k=

3P' L 2 2πn

(4.5)

bądź, rozwiązując[22] dla P' i podstawiając wynik z[26]: k=

6F

(

3 L−

b2 L

)

(4.6)

Ostatecznie, do zdefiniowania stanu aktuatora potrzebna jest znajomość wartości dwóch zmiennych z czterech (długości, siły, ciśnienia lub sztywności).

3

Przebieg ćwiczenia

1. W pierwszej części ćwiczenia należy zapoznać się z podstawowymi cechami muskułu pneumatycznego. 2. Pryz użyciu pionowego stanowiska wyznaczyć stosunek zadawanego ciśnienia do długości przy użyciu stanowiska z pionowym muskułem. W jaki sposób zmienia się siła w układzie? Pomiar należy przeprowadzić dla ciśnienia w zakresie 0 – 300 [kPa], z krokiem 10 [kPa]. 3. Poprosić prowadzącego o zmianę konfiguracji stanowiska na układ poziomy. 4. Przy użyciu stanowiska wyposażonego w tensometr, należy wyznaczyć stosunek siły muskułu do długości dla ciśnienia 300 i 200 [kPa]. Pomiar należy rozpocząć dla muskułu niezasilanego (L = max), następnie należy unieruchomić ramie wykonawcze, zasilić muskuł zadanym ciśnieniem i dokonać pomiaru dla L=max. Następnie, poprzez obrót ramienia co 10 jednostek enkodera należy dokonywać kolejnych pomiarów wartości siły dla skracającego się muskułu. Skrócenie muskułu należy obliczyć poprzez odpowiednie przeskalowanie otrzymanej wartości pozycji enkodera. Rozdzielczość enkodera: 1200 im/obrót,

Promień koła pasowego: 38 mm 5. Należy zastanowić się w jaki sposób uzyskiwana jest stała pozycja podczas sterowania współbieżnego dla mięśni pracujących w układzie antagonistycznym. Zapisać warunek równowagi sił. 6. Przetestować działanie sterowania współbieżnego na układzie. 7. Zaproponować równanie pozwalające na implementację sterowania współbieżnego przy użyciu sztucznych muskułów pneumatycznych. Skonsultować z prowadzącym. 8. (Opcjonalnie) Poprosić prowadzącego o implementację równania i przetestować na stanowisku

4

Pytania Kontrolne

1. Sterowanie współbieżne 2. Zależność długości do uzyskanej siły dla mięśnia biologicznego 3. Zasada działania sztucznego muskułu pneumatycznego 4. Sztuczny muskuł pneumatyczny McKibben

5

Sprawozdanie

W sprawozdaniu należy opisać wszystkie czynności wykonane w pkt 3 oraz zamieścić wykreślone charakterystyki. Dodatkowo, naeży zamieścic krótki opis kilku znalezionych konstrukcji wykorzystujących do napędu sztuczne muskuły pneumatyczne.

6

Literatura

1. Błaszczyk. J, Biomechanika Kliniczna, Wydawnictwo Lekarski PZWL, Warszawa 2002...