Témata
Reklama

Umělé svaly, část 2. Pneumatické svaly

V předchozím díle našeho seriálu jsme definovali oblast umělých svalů, dnes se věnujeme svalům pneumatickým. Některé konstrukce již patří do minulosti, některé jsou stále komerčně dostupné na trhu.

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.

Reklama
Reklama

Materiály na stavbu

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.

Příklady pneumatických svalů

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].

Opletení McKibbenova svalu

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].

Yarlotův pneumatický sval

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].

Paynterův hyperboloidní sval

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.

Sval ROMAC

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].

Kukoljův sval

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].

Fluidní sval Festo DMSP

Fluidní sval Festo MAS




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.

Sleeve Muscle Actuator

Aktuální stav a oblast použití

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.

Reklama
Související články
Aplikace moderních postupů a technologií v obrábění

Společnost Hofmeister pravidelně svým zákazníkům představuje novinky a inovace nejen vlastní, ale také svých obchodních partnerů. Účast na listopadových zákaznických dnech svědčí o velkém zájmu.

25. mezinárodní konference Hydraulika a pneumatika

Novotného lávka v centru Prahy bude ve dnech 8.–9. června 2022 hostit již 25. mezinárodní konferenci Hydraulika a pneumatika, jejímž cílem je výměna odborných zkušeností a nových poznatků ve výzkumu a vývoji hydraulických a pneumatických prvků a systémů.

Více propojujme vysoké školy s praxí

Profesor Jaroslav Kopáček patří zcela bez pochyb mezi nestory oboru hydrauliky a pneumatiky v naší zemi ve druhé polovině 20. století, a proto mu byla na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2019 v Brně udělena po zásluze Zlatá medaile za celoživotní tvůrčí technickou práci a inovační činy. Při příležitosti ocenění práce pana profesora jsme připravili malý medailonek tohoto skromného a entuziastického člověka. Pan profesor nám při této příležitosti sdělil i několik svých zajímavých postřehů.

Související články
Upínače jsou stejně důležité jako stroj nebo nástroj

Výrobní zařízení pro třískové obrábění s nástupem CNC řízení a víceosých technologií významně změnily požadavky na složitost obrobků, řezné nástroje a v konečném důsledku také na automatizaci a robotizaci. Čemu se však často nevěnuje tolik pozornosti, jsou upínací technologie i přesto, že mohou mít zásadní vliv na výslednou kvalitu obráběného dílu, ale i na náklady.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Názorové fórum odborníků

Na tomto místě budeme pravidelně přinášet názory odborníků k tématům, která se objeví v aktuálním vydání MM Průmyslového spektra. V tomto vydání jsme zástupcům firem položili následující otázku:

Hydraulika a pneumatika u nás

Česká asociace pro hydrauliku a pneumatiku (dále CAHP) byla založena v roce 1977 jako sdružení výrobců a dodavatelů fluidní techniky na domácí trh. V témže roce byla asociace také přijata do mezinárodní organizace CETOP, která sdružuje evropské národní organizace.

Lipsko letos jenom digitálně

Tradiční dvojice veletrhů pro oblast strojírenství a subdodavatelského průmyslu Intec a Z v Lipsku se letos uskuteční v termínu 2.–3. března 2021 výhradně digitálně pod názvem „Intec/Z connect“. Společnost Leipziger Messe, pořadatel veletrhu, se takto rozhodla, neboť současný vývoj koronavirové pandemie a s tím spojená omezení neumožňují takto velkou akci smysluplně realizovat klasickou ani hybridní formou

Hydraulika a pneumatika. Quo vadis?

Vážení čtenáři, opět po roce se vám dostává do rukou letní vydání magazínu MM Průmyslové spektrum věnované hydraulice a pneumatice. Ve své úvaze se pokusím najít odpověď na úvodní otázku, tedy kam tyto tradiční obory směřují.

Experimentální zařízení pro měření dynamického chování radiálního vodního čerpadla

Součástí nabídkového řízení velkých vodních čerpadel je i přejímací test zmenšeného modelu čerpadla, na němž jsou zákazníkovi předvedeny jeho hydraulické charakteristiky a současně jsou testovány reakční síly v čerpadle. Tyto údaje jsou velmi důležité pro finální dimenzování stavby vodního díla.

Náklady na vlastnictví zařízení pro montážní procesy

Ve všech průmyslových odvětvích je princip celkových nákladů na vlastnictví (TCO – Total Cost of Ownership) klíčovým faktorem při rozhodování o nákupu nového stroje nebo zařízení. Úvaha založená výlučně na základě pořizovacích nákladů už dávno přestala být dostatečná, pokud se plánuje vyrábět konkurenceschopně v dlouhodobém horizontu. K získání úplného přehledu nákladů zahrnují TCO všechny přímé a nepřímé náklady vzniklé před, během a po zakoupení výrobního zařízení nebo produktu. Kromě skutečných nákladů na pořízení jsou to také položky jako náklady na údržbu a spotřebu energie.

Industry 4.0 potřebuje produkty s chytrým řízením pohybu

Termín Industry 4.0 odkazuje na současný trend digitalizace a s ní související automatizaci výroby. Typicky je popisována jako počítačově řízená výroba nebo, jinými slovy, sloučení tradiční automatizace s informačními technologiemi.

Digitalizací k efektivitě

Pokud bychom hledali nejvíce skloňované téma současné doby ve vztahu k průmyslu, jednoznačně se shodneme, že je to oblast kyberneticko-fyzických systémů zosobněných v německé iniciativě Industrie 4.0. Její autoři s tímto konceptem na hannoverský průmyslový veletrh přišli a od té doby uplynulo pět let, které se na této strategii podepsaly – probíhající revoluce se vztyčenou zástavou s vyobrazením digitalizace průmyslové výroby a s pokročilou automatizací a robotizací.

Hromadná výroba? To nestačí!

Všichni jsme svědky nesporně se zrychlujícího vývoje vědy, techniky, ale i světového obchodu. Globalizace trhu vede k poptávce po rychle pracujících výrobních linkách a strojích vykazujících výjimečné výkony. Současně se stále častěji objevuje požadavek uspokojit poptávku na malé série výrobků, které se od těch masových odlišují.

Aplikace systémů řízení vzduch/voda ve výrobních závodech

Automobilový průmysl patří mezi hlavní hnací motory naší ekonomiky. A nejen naší - celosvětově se ročně vyrobí přes 80 miliónů osobních a malých nákladních vozidel. Všechny tyto dopravní prostředky se vyrábějí na moderních automatizovaných linkách, kde část procesu zajišťují roboty a část lidská pracovní síla. Tato součinnost se využívá i při výrobě karosérii vozidel.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit