ماهیچه های مصنوعی نیوماتیکی Pneumatic Artificial Muscle (PAM)s

ماهیچه های نیوماتیکی ابزارهایی هستند که قابلیت انقباض و کشیده شدن توسط کیسه نیوماتیکی از هوای فشرده را دارند. دریک تقلید منطقی از ماهیچه‌های انسان، PAMها معمولاً به صورت گروه‌های دوگانه قرار دارند: یکی آگونیست(موافق) و دیگری آنتاگونیست(مخالف).

 

شماتیک ماهیچه پنوماتیکی انییمیشن ماهیچه پنوماتیکی

PAMها اولین بار در دهه ۱۹۵۰ برای استفاده در اندام‌های مصنوعی توسعه یافتند. شرکت ژاپنی Bridgestone rubber این ایده را در دهه ۱۹۸۰ با نام Rubbertuators تجاری کرد.

قدرت انقباض PAM به مجموع قدرت کل از الیاف جداگانه بافته بستگی دارد. همچنین براساس سختی بافت محدودیت کورس اعمال نیرو وجود دارد. بافت های سست تر(شُل تر) اجازه برآمدگی بیشتر را می‌دهند، که تابیدگی بیشتری نیز در الیاف بافت بوجود می آید.

مشخصات چند نمونه عضله نیوماتیکی

نیروی ماهیچه های پنوماتیکی

مزایای ماهیچه های نیوماتیکی نسبت به سیلندرهای نیوماتیکی:

  •  شروع به حرکت آرام و بدون ضربه و جهیدن 
  •  تطبیق پذیری؛ رفتار این ماهیچه ها بسیار شبیه به طرز کار ماهیچه های بیولوژیکی است.
  •  وزن کم؛ به خاطر غیرفلزی بودن مواد سازنده ی این ماهیچه ها، وزن آن ها به مراتب کمتر از دیگر عملگرهاست.

    دیگر مزایا:
    o وزن بسیار کمی دارند زیرا عضو اصلی آنها، یک غشای نازک است. این موضوع به آن ها اجازه می‌دهد که به صورت مستقیم به ساختار قدرتی که قرار است در آن به کار روند، متصل شوند. از این جهت یک مزیت مهم برای جایگزینی ماهیچه‌های آسیب دیده است. اگر یک ماهیچه معیوب جایگزین شود، مکان آن همیشه به سادگی قابل شناسایی و جایگزینی است.
    o سازگاری بالای آن ها: زمانی که یک نیرو به PAM اعمال می‌شود، بدون افزایش نیروی تحریک، تأثیر آن نیرو را ملاحظه می‌کنیم. این ویژگی مهمی برای زمانی است که PAM به عنوان یک محرک در یک ربات که در تعامل با انسان می‌باشد یا زمانی که عمل ظریفی باید انجام شود، استفاده می‌شود.
    o در PAMها نیرو فقط وابسته به فشار نیست، بلکه وابسته به میزان برآمدگی آن نیز است. این یکی از بزرگترین مزایای آن هاست، مدل ریاضی که قابلیت PAMها را پشتیبانی می‌کنند، یک سیستم غیرخطی است، که آن ها را ساده‌تر از عملگرهای سیلندری پنوماتیکی معمولی برای کنترل دقیق کرده است. رابطه بین نیرو و کشش در PAMها شبیه به رابطه طول-کشش در ماهیچه‌های بیولوژیکی است.
    o تراکم پذیری گازها هم چنین یک مزیت است، زیرا آن ها قابلیت تطابق را بیشتر می کنند. مانند دیگر سیستم‌های نیوماتیکی، عملگرهای PAM معمولاً به شیرهای برقی و تولیدکننده هوای فشرده نیاز دارند.
    o بافت‌های شل طبیعی از پوسته الیاف خارجی همچنین PAMها را انعطاف‌پذیر می کند و تقلید از سیستم های بیولوژیکی را ممکن می سازد. اگر سطح الیاف‌ها خیلی بد آسیب ببینند، توزیع الیاف غیر برابر شده و یک گپ ایجاد می شود که در این حالت کیسه داخلی ممکن است در اثر فاصله و پارگی متورم شود. همانند همه سیستم‌های نیوماتیکی این مهم است که آن ها زمانی که آسیب می‌بینند عمل نمی کنند.
    o سرعت عمل بالا در عین حرکت آرام ، قیمت کمتر، بازده بالا.
    هیچ چیز مانع استفاده از این ایده برای سیستم های هیدرولیکی و استفاده از یک سیال به جای گاز فشرده نیست اما باید توجه داشت که به دلیل تراکم ناپذیر بودن سیال هیدرولیک، رفتار سازگار با ماهیچه های بیولوژیکی کاهش می یابد.

    معایب ماهیچه های نیوماتیکی:

  • نیروی تولیدی تنها از نوع کششی است. لذا برای داشتن هر دو نوع کششی و فشاری می بایست از آن ها به صورت جفت کنارهم استفاده کرد.
  •  بازده آن ها به نسبت موتورهای الکتریکی کمتر است.
  •  ازدیاد طول نهایی آن ها تنها 20إلی30 درصد طول اولیه ی آن هاست.
  •  داشتن هیسترزیس و پیچیدگی مدل نهایی.
  •  فشار کاری معمول این عملگر حدود 9 بار است. در این شرایط به لاستیک هایی خاص برای جلوگیری از ترکیدگی تیوپ احتیاج است که سبب افزایش قیمت نهایی می گردد.
  •  در این بین 60% انرژی صرف تغییر شکل لاستیک می گردد.

 

کاربردهای ماهیچه های نیوماتیکی:

ربات انسان نما : استفاده ی اصلی PAMها در همین زمینه است و این موضوع به سبب نزدیکی زیاد این عملگرها به طرزکار ماهیچه های طبیعی است. این ماهیچه ها در کنار استفاده از سنسورهای بسیارقوی و با اجرای شبکه ی عصبی قادر به انجام اعمالی چون سرهم کردن قطعات گوناگون و پیچیده اند.

کاربرد ماهیچه پنوماتیک

ربات Drone مربوط به ارتش آمریکا و ربات RIC90 ژاپن


 اندام های مصنوعی : در حالیکه اندام های مصنوعی سنتی از موتورهای الکتریکی برای حرکت استفاده می کنند، این ماهیچه ها از هوای فشرده برای ایفای نقش خود استفاده می کنند. این هوا از مخزن قابل شارژ تعبیه شده در جیب شخص تأمین می شود و قرار است این مخزن در خود اندام جاسازی شود. استفاده از این تکنولوژی سبب کاهش هزینه های اندام های مصنوعی تا ی چهارم نمونه های دیگر شده است.

کاربرد ماهیچه پنوماتیک

AIR MUSCLE CONTROLLED,MIND CONTROLLED PROSTHETIC ARM


دست سایه : یک مثال از پیکربندی پیچیده از ماهیچه‌های مصنوعی، «دست سایه » می باشد. دست سایه یک دست ربات انسان نماست که توسط شرکت Shadow Robot در لندن ساخته شده و به لحاظ شکل و اندازه بسیار شبیه به دست انسان است. این دست هم اکنون به صورت تجاری موجود و توسط ناسا، دانشگاه کارنگی ملون و دانشگاه بیلفلد در حال استفاده است. این دست در مجموع با 24مفصل، درجه آزادی 20 را دارد و حرکات آن توسط هشتاد دریچه کنترل می شود. (دست انسان 24 ماهیچه دارد) همچنین از مجموعه سنسورهای بسیار ضریف و حساسی در سر انگشتان آن برای حس نیرو استفاده شده است.
کاربرد ماهیچه های پنوماتیکی
دست سایه
 
در یک جمع بندی در رابطه با این ماهیچه های نیوماتیکی می توان گفت: هرچند این عملگرها برای رنج وسیعی از کاربردها مناسب نیستند و کارآیی ندارند اما برای کاربردهایی که بیان شد توانمندی های زیادی را ایجاد نموده اند. با توسعه ی بیشتر در مباحث سنسورها و شبکه ی عصبی، این احتمال می رود که بتوان مجموعه ی این ماهیچه ها را برای معلولینی که کل یک دست یا پا را از دست داده اند جایگزین کرد و به کارآیی اندام های طبیعی رسید. نقطه ی سیاه در این رابطه یافتن یک مدل کامل تئوری برای تشخیص ویژگی ها من جمله خستگی است. تحقیقات همچنین متوجه استفاده از سایر گازها همچون گاز نیتروژن برای افزایش بازده و میرایی بهتر است.
 

دیدگاه خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *