Попытка классификации искусственных мышц

Собственно статья - тут

Сегодня для приведения в действие частей конструкций экзоскелетов и ортезов используются двигатели, редукторы, цилиндры, насосы, клапаны и компрессоры. Однако, большинство типов приводов, используемых в промышленности, нельзя применять в экзоскелетах в виду того, что они тяжелые, жесткие и громоздкие и не предназначены для ношения на теле. К тому же для экзоскелетов требуются высокие крутящие моменты с более высокими скоростями, чем те, которые могут обеспечить большинство приводов.

Таким образом, только часть используемых в промышленности механизмов может быть применена для разработки экзоскелетов. Среди них: электрические, пневматические, гидравлические и последовательные упругие механизмы.

Для систематизации знаний о по этой теме рассмотрим некоторые варианты классификаций собственно мышц и некоторых принципов их работы.

ПО АКТИВНОСТИ

Искусственные мышцы, применяемые в работе экзоскелетов, делятся на активные и пассивные. Активные преобразуют внешнюю энергию в механическое движение. Пассивные – используют энергию движения.

Активные включают:

• Пневматические мышцы:
  • Пневматические мышцы (PAM) МакКиббена
  • Гофрированные мышцы (PPAM) МакКиббена
  • Изгибные пневматические мышцы
• Жидкостные эластомерные управляющие механизмы (FEA):
  • Гидравлические мышцы МакКиббена
  • pH-чувствительные мышцы МакКиббена
• Электродвигатели:
  • Коллекторные и бесколлекторные двигатели постоянного и переменного тока
  • Ультразвуковые двигатели
  • Сервоприводы
  • Пьезоэлектрические двигатели
• Гидравлические и пневматические цилиндры
• Тросовые приводы
• Механизмы с переменным сопротивлением (VIA):
  • Механизмы с регулированием податливости (MACCEPA)
  • Механизмы, использующие последовательные пружины (SEA)

Пассивные мышцы включают пружины, упругие структуры, твердотельные элементы, эластичные тросы и газлифты.

ПО СПОСОБУ РЕАЛИЗАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ

По способу реализации механизма передачи усилия с привода на подвижную частью экзоскелета можно выделить следующие типы соединений:

• зубчатые передачи (gear drives);
• тросовые передачи (cable drives);
• мальтийский механизм (geneva drive);

• звенья (linkage mechanism);
• прямое соединение (direct drive);
• растяжение “искусственных сухожилий” (tendon drive);
• муфты;
• гидравлическая жидкость (hydraulic fluid/oil);
• воздух (pneumatic fluid);
• винтовые передачи;
• цепные передачи;
• ременные передачи.

Чаще по мнению авторов используются тросы, механические звенья и зубчатые передачи.

ПО ТВЕРДОСТИ

Так же искусственные мышцы можно классифицировать и по жесткости конструкции соответственно на мягкие и жесткие.

Их отличительной особенностью является некоторая схожесть с биологическими тканями. К достоинствам этого типа можно отнести безопасность, простоту структуры, простоту управления, большое количество степеней свободы, что позволяет лучше адаптироваться к анатомии человека. К недостаткам можно отнести их небольшую силу.

МЯГКИЕ ПО МЕХАНИЗМУ ДЕЙСТВИЯ

По механизму действия мягкие мышцы можно разделить:

• изгиб в результате продольного натяжения (например, троса или сплава с памятью формы);
• сжатие из-за поперечно расположенных активных элементов;
• сжатие в результате раздутия пневматической трубки в плетеной оболочке;
• изгиб пневматической или гидравлической сети каналов в эластомере вокруг более жесткого материала (pneunets).

МЯГКИЕ ПО КОНСТРУКЦИИ

К мягким искусственным мышцам относятся:

• упругие (твердотельные упругие жесткие элементы и эластичные тросы);
  • Твердотельные элементы.
  • Эластичные тросы.
• пневматические искусственные мышцы – PAM (pneumatic artificial muscles);
  • Мышцы МакКиббена являются наиболее распространенной моделью PAM. Принцип их работы предложен в 50х годах 20 века. Объемное увеличение внутреннего пространства объекта приводит к продольному сжатию с силой, значительно превышающей эквивалентную гидравлическую или пневматическую систему.
  • Гидравлические мышцы МакКиббена (HAM) - являются новым поколением, в котором воздух заменен на масло или воду. Достоинство данного типа мышц состоит в возможности использования меньших насосов по сравнению с обычными мышцами МакКиббена.
  • pH-чувствительные мышцы МакКиббена. Другая вариация с заменой сжатого воздуха на pH-чувствительный гидрогель. Недостатками являются медленное время срабатывания, малая деформация мышцы и необходимость дополнительных резервуаров и конструкций для создания потока раствора.
  • Изгибные пневматические мышцы. Их конструкция вызывает при раздутии изгиб в ту или иную сторону. Мышцы такого типа также называют анизотропными APAM.

• FEA-мышцы. Жидкостные эластомерные механизмы. Эластомерные слои в них деформируются под давлением жидкости.
  • Пневматические.
  • Гидравлические.
• SMA. Материалы SMA (эффект памяти формы) применяются в искусственных мышцах благодаря их способности восстанавливать свою первоначальную форму при нагреве после предварительной деформации.
• Тросовые приводы. Тросовые приводы применяются совместно с двигателями, пружинами и другими механизмами, обеспечивающими натяжение тросов.

Пневматические мышцы (PAM) МакКиббена

ЖЕСТКИЕ ПО КОНСТРУКЦИИ

Жесткие типы искусственных мышц приводятся в действие жесткими двигателями. К жестким искусственным мышцам могут относиться:

• электродвигатели;
• гидравлические цилиндры;
• пневматические цилиндры;
• пружины;
• VIA.

Также в зависимости от механизма действия жесткие мышцы могут быть:

• пневматические;
• гидравлические;
• SMA;
• SEA;
• тросовые приводы.

Также проводятся активные разработки некоторых типов мягких искусственных мышц, которые в настоящий момент не удовлетворяют требованиям экзоскелетов, в основном по выходной силе и деформации, однако являются перспективными.