氣動肌肉原理

這些機器人用肌肉是用硅橡膠薄片層疊粘結(jié)制成的，作為原料的硅膠粘土可以被澆注成任何厚度的薄片，更多關(guān)于硅膠粘土的信息請參見：

http://www./id/How-To-Make-Your-Own-Sugru-Substitute/

一個肌肉單元包括兩塊硅橡膠薄片，它們的邊緣粘合在一起，中間夾著一層塑料膜，這樣就產(chǎn)生了容納空氣的氣隙。這樣的簡單氣囊可以膠結(jié)到一起組成多個單元的肌肉塊，它可以沿軸線擴張/收縮，也可以在加壓時朝側(cè)面彎曲。

這里的圖片展示了一塊六單元氣動肌肉的三維結(jié)構(gòu)。理想中一塊這樣的肌肉塊可以用3D打印機一次性全部打印出來，但是很遺憾我沒有找到能用合理的價格打印硅膠材料的3D打印服務(wù)。所以我只能局限于紙面上的結(jié)構(gòu)圖，然后用手工一塊塊拼裝肌肉。我希望能用3D打印機來制作接下來用于澆注硅橡膠的模具。

制作3維模型時我用了123D軟件。

材料

• 圖片里是澆注好準備用于組裝一塊6單元肌肉的硅膠部件。

澆注肌肉單元

1.切割塑料片：

需要將兩塊6英寸(15.24厘米)見方，1/16英寸(0.16厘米)厚的塑料片用3個小螺栓固定在一起，并在上面用線鋸切割出一個2英寸(5.08厘米)直徑的圓。

2.制作模具：

將其中一塊塑料片固定在一塊木板上。木板上事先噴了一層漆，以防它和硅膠粘土粘連到一起。

3.配制硅膠粘土

在塑料杯里配制少量硅膠粘土，我用了1/2勺的玉米淀粉和一勺純硅膠填料。如果需要的話，你還可以用一些畫家用的油畫顏料來給粘土上色。

4.刮平硅膠粘土

在塑料模具上的圓形空隙中填充硅膠粘土，然后刮平，這樣就得到了一片1/16英寸(0.16厘米)厚的硅膠片。

5.用聚乙烯薄膜制作氣隙。

在塑料袋上切下一塊圓形的塑料薄片，然后平攤在平滑表面上裁剪。這塊塑料膜應(yīng)該裁剪成一個直徑1.75英寸(4.44厘米)的圓，放到硅膠粘土上后離邊緣的距離大約1/8英寸(0.32厘米)。

6.第二層硅膠粘土

將第二塊模板放進裝置，然后填入第二層硅膠粘土材料并刮平。在有塑料膜的區(qū)域硅橡膠粘土不會粘合，所以邊緣一圈密封后就形成了氣囊中的氣隙。稍后在成型的氣囊上鉆一個穿過塑料膜的進氣孔，這個肌肉單元就徹底完成了。

裝配肌肉單元

圖片展示了如何將六個分立的肌肉單元組裝到一起。

第一張圖展示了如何用一薄層硅膠粘土將這些部件粘合到一起。硅膠粘土在粘合同種材料時表現(xiàn)優(yōu)越，效果就像是熔鑄在一起一樣。

接下來的圖片是肌肉的組裝過程。

鉆一個穿過所有硅膠片的孔，孔末端用硅膠粘土密封。在孔的另一端粘結(jié)上硅膠制的進氣管。

小型氣動肌肉

圖片里是小一些的三單元，1英寸(2.54厘米)直徑的氣動肌肉。

這里是粘結(jié)組裝之前的零部件。

控制肌肉的空氣閥

這是我用來測試氣動肌肉時的供氣裝置。

一個12V供電的氣泵加上一個可信賴的可調(diào)安全閥能夠提供大約7磅每平方英寸(4921千克每平方米)的工作氣壓。

12V供電的的電磁氣閥通過一塊Picaxe單片機控制，通過PWM控制調(diào)節(jié)通過氣閥的空氣流量。

如果我有時間的話，會在下一個項目中介紹單片機控制系統(tǒng)的細節(jié)。

未來的發(fā)展可能

這里展示了6單元肘外側(cè)肌在機器人的手臂或手指上的應(yīng)用。

兩張圖分別是肌肉舒張/收縮時的樣子。

1.真空驅(qū)動肌肉

目前為止，我制作的氣動肌肉都是依賴高壓氣體驅(qū)動的。這么制作的原因是這是氣壓驅(qū)動里最為簡單的一種。真空驅(qū)動的肌肉需要更大的體積以及真空腔，但是這會使氣動肌肉和生物肌肉的工作模式更為接近，也意味著可以在仿生運動結(jié)構(gòu)中作為“肌腱”使用。

2.3D打印

作為終極目標(biāo)，一次性打印出機器人的骨骼，肌肉和外表肯定是可能的。運用這個方法將可以制造出更加經(jīng)濟高效的機器人。

3.微型機器人

我的主要興趣在于制作只有一英寸左右大小的機器人，那些低壓驅(qū)動的氣動肌肉是這個創(chuàng)意的一部分。也許用印刷或者噴涂的方式能做出極端微小的氣壓肌肉單元。

4.小型氣泵

對于超小型機器人來說，更小，更安全的氣泵是必需的。許多機器人研究者在研究基于化學(xué)反應(yīng)的小型氣體發(fā)生器，用來提供機器人運動所需的壓縮氣體。