Umělé svaly, část 2. Pneumatické svaly

Pneumatické svaly jsou nejstarším druhem umělých svalů. První umělý sval byl vyvinut ruským vědcem S. Garasievem už v roce 1930. Jednalo se o pryžovou trubku, která byla na několika místech obklopena prstenci. Prstence byly po obvodu vzájemně spojeny neroztažnými vlákny [1].

Princip funkce umělého svalu je jednoduchý. K vyvolání pohybu je umělý sval aktivován mechanicky expanzí tlakového plynu do vaku pneumatického válce. Přitom dochází k nárůstu objemu vaku. A to má za následek zvýšení vnějšího poloměru vaku při současném zkrácení jeho délky. Právě při zkrácení délky koná umělý sval práci.

Pneumatický sval sestává ze dvou koncovek, které jsou zpravidla vyrobeny z oceli nebo hliníkové slitiny. Koncovky mají tři funkce: spojení umělého svalu s mechanismem, který má být poháněn umělým svalem, dále spojení s pneumatickým vedením a konečně upevnění pneumatického vaku. Spojení umělého svalu buď pevnou nebo rotační vazbou obstarává vnitřní nebo vnější šroubení v ose svalu.

Vak umělého svalu sestává buď z pryže a opleteného rukávu, nebo z kompozitu tvořeného pryží a neroztažnými vlákny. Pryž má za úkol zajistit nepropustnost pracovního plynu, opletení zajišťuje požadovaný průběh deformace umělého svalu a přenášení akční síly.

Morinův pneumatický sval je jedním z prvních typů pneumatického svalu. Byl patentován roku 1953. Je složen z vaku, který je tvořen pryžovou trubicí vyztuženou vlákny z bavlny, oceli nebo hedvábí v axiálním či dvojitě spirálovém tvaru. Na obou koncích umělého svalu je vak uzavřen kováním.

Jeden z nejpoužívanějších pneumatických svalů, McKibbenův, sestává z vaku tvořeného pryžovou trubicí a polyamidovým opletením [1]. Polyamidová vlákna opletení jsou vzájemně překřížená, takže tvoří pantografické mechanismy. Díky takovému překřížení vláken dochází k délkové kontrakci při zvětšování poloměru pneumatického svalu [2].

Dalším je Yarlotův pneumatický sval, který byl patentován roku 1972 a má obdobnou konstrukci jako McKibbenův pneumatický sval. Liší se ale v provedení vaku. Vak v tomto případě sestává z elastické membrány, která při maximálním objemu pneumatického svalu zaujímá protáhlý sférický tvar. Opletení je tvořeno hlavními vlákny, orientovanými axiálně, a radiálními vlákny, která omezují velikost expanze [2].

Wasedův pneumatický sval. Tato konstrukce umělého svalu, který vznikl na Wasedově univerzitě v Tokiu v průběhu 70. let, se téměř neliší od konstrukce Yarlotova pneumatického svalu. Rozdíl je pouze v tom, že vak je radiálními obručemi rozdělen na více segmentů pro snížení maximálního poloměru umělého svalu [2].

V případě Baldwinova a Nazarczukova umělého svalu se jedná o velmi podobné pneumatické svaly. Jejich vaky jsou složeny z elastické membrány, do níž jsou vložena skelná vlákna v axiálním směru. Díky velmi malé hodnotě tření má konstrukce svalu nízkou hysterezi. Tento typ svalu navrhl K. Nazarczuk na Varšavské polytechnice v roce 1964.

Paynterův hyperboloidní sval se svou konstrukcí liší od všech ostatních typů umělých svalů. V nezatíženém stavu má vak tvar hyperboloidu. Ve stavu při maximálním objemu se Paynterův pneumatický sval blíží tvaru koule. Opletení vaku je tvořeno koaxiálními neroztažnými vlákny. Nevýhodou Paynterova hyperboloidního svalu je velký průměr koncovek [4].

Typ svalu ROMAC, jehož název pochází ze zkratky Robotic Muscle Actuator, byl patentován roku 1990. Konstrukcí vaku se nepodobá žádnému jinému typu pneumatických svalů. Vak pneumatického svalu ROMAC sestává z neelastických segmentů, které tvoří množství výčnělků s trojúhelníkovým půdorysem. Ve švech je vak zpevněn vlákny. Tření ve stěnách vaku je minimální, proto se vyznačuje minimální hysterezí a hodnotou generované síly blízkou teoretické hodnotě.

Kukoljův pneumatický sval, který byl patentován roku 1988, má téměř stejnou konstrukci jako McKibbenův umělý sval. Jediný rozdíl je v opletení – místo překřížení vláken jsou v místech styku pevné spoje. Toto vylepšení má pozitivní vliv na snížení smykového tření a tím pádem i hystereze [3].

Fluidní sval Festo má podobnou konstrukci jako McKibbenův pneumatický sval. Jde o komerčně dostupný umělý sval, který je dodáván ve dvou typech – DMSP a MAS. Fluidní sval typu DMSP je v provedení s nalisovanými koncovkami. Vyznačuje se nerozebíratelnou konstrukcí. Nalisované koncovky umožňují připojení pneumatického vedení radiálně i axiálně. Konce vaku umělého svalu provedení MAS jsou uloženy na kuželových plochách a upevněny šroubovými objímkami na koncovky. Připojení pneumatického vedení je pouze axiální [5].

Sleeve Muscle Actuator je podobný sval jako v případě fluidního svalu Festo. Oproti němu je však opatřen trubkou, která prochází vnitřním prostorem pod vakem svalu. Tato trubka zmenšuje neužitečný objem a zvyšuje tím objemovou účinnost. Sleeve Muscle Actuator byl vyvinut na alabamské univerzitě v roce 2013.

Pneumatické svaly jsou vyvíjeny už několik desetiletí a téměř třicet let jsou komerčně využitelné. Jejich obecné použití je v medicíně, kde slouží k pohonu protéz. Lze je využít rovněž v robotice pro ovládání robotických chapadel, jako pohon jednoúčelových strojů, v manipulační technice, u dopravních systémů (například napínání dopravníkových pásů). Dále je jedním z možných použití například ovládání hmatové rukavice [6]. Díky rychlému nástupu elektrických servomotorů lze však očekávat ústup pneumatických umělých svalů, a to především z důvodu potřebného zdroje tlakového vzduchu.

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně

Petr Kočiš, Radek Knoflíček

knoflicek@fme.vutbr.cz

Něco navíc:

Společnost Festo se v rámci projektu Bionic Learning Network inspiruje přírodou a poznatky převádí do praxe. Inspirativní video:

Seznam použité literatury:

[1] Kárník, Ladislav, and Jozef Novák-Marcinčin. Biorobotická zařízení. Opava: Márfy, 1999.
[2] Kopečný, Lukáš, “McKibbenův pneumatický sval - modelování a pouţití v hmatovém rozhraní” (PhD disertační práce., VUT v Brně, 2009).
[3] Kukolj, Mirko. 1988. Axially contractable actuator. Kanada. 4,733,603. 16.4.1984, 29.3.1988.
[4] Kutějová, Lenka, “Syntetický sval ” (bakalářská práce., UTB ve Zlíně, 2008).
[5] “Fluidní svaly,” poslední změna 5.1.2016, //www.google.com/intl/en/privacypolicy.html.
[6] “Hmatová rukavice s pneumatickými svaly,“ poslední změna 5.1.2016, //automa.cz/index.php?id_document=32122
[7] Driver, T. and X. Shen. 2013. "Sleeve Muscle Actuator: Concept and Prototype Demonstration." Journal of Bionic Engineering 10 (2): 222-230. doi:10.1016/S1672-6529(13)60218-8.