Un músculo de aire es un dispositivo neumático simple desarrollado en los años 1950 por J.L. McKibben. Como los músculos biológicos, los músculos de aire se contraen cuando son activados. Los robotistas encuentran interesante que los músculos de aire proporcionen una copia del trabajo de los músculos biológicos. Tanto que los investigadores pueden usar un esqueleto humano con músculos de aire conectados al esqueleto en las ubicaciones de los músculos biológicos para estudiar biomecanica y las propiedades neurales de los músculos biológicos.
Esta peculiaridad es utilizada por numerosos investigadores de muchos institutos en proyectos de "Biorobótica". En los artículos publicados sobre músculos de aire también son denominados como; Músculos de Aire McKibben, Músculos Neumáticos Artificiales McKibben, Rubbertuator.
APLICACIONES.
Los músculos de aire tienen uso en la ROBOTICA, BIOROBOTICA, BIOMECANICA, como reemplazo artificial de miembros y en la industria. La principal razón por la que los investigadores y los aficionados prefieran los músculos de aire es la facilidad de empleo (comparado con los cilindros neumáticos estándar) y la fácil construcción. Los músculos de aire son suaves, de peso ligero y fáciles de adaptar, tienen una alta relación de potencia versus peso (400:1), pueden ser torcidos axialmente y usados sobre montajes nolineales, y proporcionar la fuerza contráctil alrededor de curvas. Los músculos de aire también pueden ser usados debajo del agua.
COMO TRABAJAN.
Hay dos componentes primarios en los músculos de aire que son: un tubo interior de goma suave y estirable, y una manga de red trenzada de poliéster, ver la Figura 1. El tubo de goma es conocido como vejiga interna y esta colocado dentro de la manga de red trenzada.
FIGURA 1
Todo lo qué falta para completar el músculo de aire es una tapa hermética para aire en un extremo y dos lazos o ganchos en cada extremo del músculo de aire que permitan enganchar el músculo de aire a los dispositivos. Las abrazaderas en la Figura 1 son hechas de alambre galvanizado número 24 que ha sido trenzado, y asegurado alrededor de los extremos del músculo de aire.
Cuando la vejiga interna es presurizada se amplía y empuja contra el interior de la manga de red trenzada, forzándola a ampliarse. La característica física de la manga de red es que esta se contrae en proporción al grado en que su diámetro es forzado a aumentar. Esto produce la fuerza contráctil del músculo de aire. Para funcionar correctamente, es importante que el músculo de aire este en una posición estirada cuando sea inactivo o en posición de descanso, sino la contracción será poca cuando sea activado ver la Figura 2.
Normalmente el músculo de aire puede contraerse a aproximadamente el 25 por ciento de su longitud. La ilustración del músculo de aire contraído que se puede ver en la figura 2 es exagerada. Cuando el músculo de aire se contrae, el espesor de su diámetro es igual a lo largo de toda su longitud y las contracciones como se ha descrito. Los músculos de aire típicamente no presentan un gran aumento en el centro cuando es contraído, sin embargo para los fines didácticos se muestra así.
FIGURA 2
PRESION DE AIRE.
Los músculos de aire requieren una fuente de gas comprimido (por lo general aire). El músculo de aire del proyecto funciona con aproximadamente 50 psi. La presión de aire puede ser generada por cualquier medio disponible para el experimentador incluyendo una pequeña bomba de bicicleta con un medidor de presión. Una bomba de aire de 12 voltios para neumáticos de auto. Otras fuentes son un pequeño tanque de aire que puede ser llenado en una gasolinera local que tenga una bomba de aire para inflar neumáticos de automóvil. Si se usa un tanque de aire se deberá asegurarse de contar con un regulador ajustable de presión, esto evitara presurizar demasiado el músculo de aire.
FABRICACION DEL MUSCULO.
Los músculos de aire están disponibles en una gran variedad de tamaños en Shadow Robótics del Reino Unido. Pero para propósitos experimentales es bastante fácil hacer su propio músculo de aire en cualquier tamaño que se requiera.
El tubo interno es hecho de tubería de silicona suave, ver un índice de proveedores locales para comprar el de tamaño adecuado. En una tienda que vende accesorios de acuarios. se puede adquirir los tubos de PVC. (El mismo tamaño que la tubería de silicona, pero menos flexible y resistente) unas válvulas de aire de acuario y acopladores. Muchos distribuidores electrónicos venden la manga de poliéster de red trenzada. La manga trenzada es usada como conducto y protector flexible para el cableado eléctrico. Comprar una pequeña cantidad (6 pies) de 3/8 " de diámetro. el resto de materiales son tornillos largos de 3/8 " y una pequeña cantidad de alambre galvanizado numero 24 disponible en ferreterías locales.
Cortar un pedazo de 4 pulgadas de tubería de silicio. Insertar el tornillo en un extremo del tubo. Insertar un acoplador de aire de acuario en el otro extremo del tubo, ver la Figura 3.
FIGURA 3
Cortar un pedazo de 7 pulgadas de manga de red trenzada. Para evitar que los hilos del trenzado de los extremos de la manga se desaten, se debe chamuscarlos con un fósforo o una vela, ver la Figura 4. Evitar derretir demasiado los hilos de la manga.
Insertar el tubo de goma dentro de la manga trenzada. Alinear un extremo de la manga con el lado inferior de la cabeza del tornillo en el tubo de goma. Envolver tres o cuatro veces un pedazo de alambre numero 24 alrededor del extremo, asegurando la manga, tubería y parte roscada del tornillo. Entonces enrroscar los extremos del cable. Usar alicates para hacer esto tan apretado como sea posible. Cortar cualquier sobrante de alambre. Ver la Figura 5.
FIGURA 5
Para terminar el otro extremo, empujar hacia abajo la manga hasta que este alineada con el tubo de goma en el acoplador de aire. Enrollar un pedazo de alambre alrededor de este extremo, apretar el alambre con tenazas y cortar cualquier exceso. Ver la Figura 6. En este punto se puede presurizar el músculo de aire para verificar que los dos seguros no se escapen. Ya que el músculo de aire todavía no esta cargado sólo se usara una presión de 20 psi. Si hay fugas de aire, apretar el alambre.
Cortar dos pedazos de 14 pulgadas de alambre galvanizado. Estos se usaran para hacer los lazos mecánicos. Doblar el alambre en la mitad. Formar un lazo de 1 pulgada a partir del medio del alambre y torcer el cable en el extremo del lazo, ver la figura 7. Después enrollar el lazo al extremo del músculo de aire como es mostrado en la figura 8. Hacer lo mismo al otro lado. Verificar que los lazos estén seguros y no se suelten.
FIGURA 8
PRUEBAS.
La primera prueba para realizar es una prueba estática. Se deberá tener protección de ojos cuando se presurice el músculo de aire. Asegurar con el lazo un extremo del músculo de aire a un objeto inmóvil. Al otro extremo del músculo de aire colocar un peso de 5-6 libras usando el otro lazo. Este peso estirara el músculo de aire. Presurizar el músculo de aire con aproximadamente 50-psi. El músculo de aire debería contraerse y levantar fácilmente el peso. Mientras este presurizado, escuchar para cualquier escape de aire. Reparar cualquier fuga de aire apretando el alambre del seguro.
PRIMER BRAZO MECANICO.
Para ilustrar la función y las medidas de la contracción obtenida con el primer músculo de aire, ver la figura 9. El músculo de aire esta montado a un pedazo de madera de 1 " x 2 " y aproximadamente 16 " de largo. Un extremo del lazo metálico del músculo de aire esta enganchado a un tornillo asegurado en la madera. Una goma gruesa esta enganchada al lazo metálico del otro extremo del músculo de aire. La banda de goma sera jalada hasta que el músculo de aire este totalmente extendido. No se deberá extender o jalar la banda de goma mas de esto. Asegurar un tornillo en la madera en este punto y enganchar la banda de goma aquí. Cuando se presurice el músculo de aire se puede medir su contracción. Al liberar la presión de aire del músculo este deberá extenderse hasta su posición relajada.
SEGUNDO BRAZO MECANICO.
Una palanca es un dispositivo mecánico simple. El dibujo lo muestra en la figura 10 y en la fotografía de la figura 11 se muestra una foto del mismo. La activación del músculo de aire hace que la palanca se eleve. En la palanca usamos una cantidad de bandas de goma como carga del músculo de aire.
La figura 12 ilustra como pueden ser configurados dos músculos de aire para proporcionar una fuerza contraria.
CONTROL DEL MUSCULO.
Normalmente se usan válvulas de aire de 3 vías para controlar el músculo de aire ver la figura 13.
Para activar el músculo de aire, la válvula etiquetada 2 es abierta. Esto hace que el músculo de aire se contraiga. Una vez activado el músculo, la válvula*2 puede ser cerrada sin afectar el estado del músculo de aire. El músculo de aire se quedara en un estado contraído. Para relajar el músculo de aire, la presión de aire deberá ser liberada abriendo la válvula etiquetada *1.
FIGURA 13
SISTEMA ELECTRONICO DE CONTROL.
Puede comprarse una válvula de aire de stopcock de tres vías, ver la figura 14. La válvula de aire de stopcock permite el control manual del músculo de aire. Una válvula de tres vías puede ser simulada o construida usando dos válvulas de aire de una sola dirección. Las válvulas plásticas de acuario compradas en una tienda de animales harán el trabajo bastante bien. Sin embargo estas normalmente no son para el trabajo en 50 psi y esto es una buena razón para llevar la protección de ojos, por si acaso ellas revienten debido a la presión de aire.
FIGURA 14
Es recomendable el uso de válvulas manuales para las pruebas de los músculos de aire, para construir un robot o un dispositivo industrial debemos proporcionar un actuador para el control electrónico. Por suerte esto no es difícil. Hay un gran número disponible de válvulas de aire de solenoide. En la figura 14 se muestran las válvulas de aire de 3 vías que son activadas usando 5 voltios. Las válvulas de ISONIC de 3 vías automáticamente ventilan el músculo de aire cuando es desactivado. Para ver el trabajo de esta válvula particular ir a la figura 13, en la válvula de Isonic, la válvula etiquetada *1 está normalmente abierta, esto es la ventilación, por la parte posterior de la válvula. La válvula *2 normalmente está cerrada, etiquetada "IN" en la figura 14. La entrada de aire al músculo de aire esta etiquetada "OUT" en la figura 14. Cuando la válvula electrónica es activada, la válvula * 2 se abre permitiendo la entada de aire al músculo de aire y la válvula *1 se cierra. Cuando se desactiva cada válvula cambia de estado; la válvula *1 se abre, sacando la presión del músculos de aire y la válvula *2 se cierra parando el suministro de aire al músculo de aire. El frente de la válvula de aire de ISONIC tiene dos conexiones rápidas conecta / desconecta para la tubería de aire. Esta válvula de aire conecta las tuberías semirigidas de 4mm, que es un buen tamaño para ingresar aire al músculo de aire. Para usar las conexiones rápidas simplemente empujar la tubería de aire en el agujero y se enganchara. Para desconectar, sostener el borde del cuerpo de la válvula con los dedos y jalar la tubería. Pueden montarse varias válvulas ISONIC en un colector común, lo que hará más fácil el control de varios músculos de aire.
La figura 15 muestra un esquema de un control manual simple para un circuito de control de 5 voltios para la válvula Isonic.
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