آشنایی با مزایا و معایب عضلات مصنوعی پنوماتیک رباتیک

بازوی مصنوعی پنوماتیک یا PAM نوعی عملگر گازی دارد که از طراحی بیونیک برای تقلید از عضلات انسان سود می‌برد. بازوی مصنوعی McKibben مشهورترین عضله مصنوعی پنوماتیک است. این عضلات مصنوعی نرم هستند و ‍یک ‍‍استوانه توخالی پلاستیکی دارند. ویژگی‌هایی مانند نسبت بالای نیرو به وزن و سبکی این ادوات را به گزینه مناسبی برای ساخت دستگاه‌های توانبخشی تبدیل کرده است. در ادامه این مقاله از مجله فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی به مرور ویژگی‌های عضلات مصنوعی پنوماتیک می‌پردازیم.

عضلات پنوماتیک مصنوعی

با پمپ کردن هوای فشرده داخل و بیرون این فضای پلاستیکی می‌توان انقباض و انبساط عضلات را شبیه سازی کرد. این حرکات همزمان با محدود کردن غلاف برای ایجاد نیروی محوری در این استوانه انجام می‌شود. به این شکل ربات می‌تواند حرکت کند. این انبساط و انقباض و نیروی محوری مهم‌ترین جز در عضلات پنوماتیک است.

عضلات مصنوعی پنوماتیک در صنعت و توانبخشی مورد توجه قرار گرفته‌اند. این امر به علت نسبت بالای نیرو به جرم و تطبیق‌پذیری ذاتی آن است.

به علت ساختار خاص عضلات پنوماتیک، این ادوات تنها قادر به ایجاد انقباض و انبساط در یک جهت خاص هستند. یک عضله نمی‌تواند چند درجه آزادی داشته باشد زیرا ربات‌های واقعی به طور معمول باید امور مختلف و گاها پیچیده‌ای انجام دهند. بنابراین دانشمندان مرتبا عضلات مصنوعی متفاوت را برای حل چالش‌های مختلف به کار می‌گیرند.

عضلات پنوماتیک بیشتر در حوزه بیورباتیک به کارگرفته می‌شوند. به دلیل اینکه این عضلات مصنوعی مشابه ساختار اسکلتی-عضلانی بدن هستند، پژوهشگران سعی می‌کنند با عضلات مصنوعی ساختار استخوان‌ها، تاندون و پوست را بازسازی کنند.

فواید عضلات پنوماتیک

عضلات مصنوعی پنوماتیک نقاط مثبتی دارند:

سبکی و اندازه کوچک

عضلات مصنوعی پنوماتیک بسیار سبک هستند زیرا قسمت‌های فلزی از جنس آلیاژ آلومینیوم هستند و قسمت‌های دیگر نیز پلاستیکی هستند. به عنوان نمونه عضله مصنوعی Festo دارای پنج میلیمتر قطر است و هر متر آن تنها ۲۷ گرم است.

نسبت وزن به توان بالا

عضلات مصنوعی پنوماتیک نسبت توان به وزن بالایی دارند. قطر داخلی ۲۰ میلیمتر این ادوات برای ایجاد نیروی ۱۵۰۰ نیوتون کافیست. این میزان نیرو برای برآوردن نیازهای انسان در محیط کارکافیست.

نصب آسان و حرکت نرم

عضلات پنوماتیک مصنوعی نیاز به جعبه دنده و سایر اجزای موتوری ندارند. این ادوات را می‌توان در یک چهارچوب رباتیک جای داد. کافیست شلنگ‌های هوا و نقاط کور شده ربات را به یکدیگر جفت کرد. افزون براین عضلات پنوماتیک حرکت روانی دارند زیرا اجزایی مانند پیستون در درون استوانه آن جای ندارد. همچنین امکان افزایش بازده تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی مکانیک به میزان زیاد برای عضلات مصنوعی پنوماتیک فراهم است.

پاکیزه و ایمن

حرکت عضلات مصنوعی محیط زیست را آلوده نمی‌کند. بنابراین منبع پاکیزه انرژی محصوب می‌شوند. انعطاف‌پذیری بالای عضلات پنوماتیک به ربات‌ها کمک می‌کند کنترل آن در محیط‌های مختلف و شرایط مختلف برهم‌کنش انسان و ربات( مانند حین جراحی یا توانبخشی راه رفتن) ساده باشد.

چالش های مربوط به عضلات پنوماتیک

به دلیل ساختار خاص فیزیکی عضلات پنوماتیک، محدودیت‌های خاصی در مورد آنان وجود دارد. در عضلات پنوماتیک مصنوعی که با هوای داخلی فشرده کار می‌کنند رابطه پیچیده‌ای بین هوای فشرده و طول انقباض وجود دارد. پارامترهای این سامانه تنها درمحدوده کوچکی فشار هوای سیستم قابل استفاده و قابل تمیز است. بنابراین نوشتن یک مدل دقیق برای کل ناحیه فشار هوا دشوار است.

عضلات مصنوعی پنوماتیک معمولا پسماند و اثرات باقی‌مانده برجای می‌گذارند. این پسماند روی نیروی خروجی تاثیر دارد. این اثرات به دلیل اصطکاک لوله‌های پلاستیکی در هم تنیده شده و تغییر شکل غیرالاستیک لوله‌های پلاستیکی در حین انقباض یا انبساط متناوب ایجاد می‌شود.

از مزایای عضلات پنوماتیک مصنوعی قدرت ایجاد نیروی خروجی با وزن کم و انطباق ذاتی سامانه است. بنابراین ایمنی مورد نیاز، سادگی و سبکی مورد انتظار را برآورده می‌کنند. این ویژگی‌ها در کنار این حقیقت که سامانه‌های پنوماتیک ویژگی‌هایی مشابه عضلات انسان دارند، این ادوات را به انتخابی مناسب برای ساخت دستگاه‌های توانبخشی تبدیل کرده است. به ویژه دستگاه‌های توانبخشی بیماران مبتلا به اختلالات عضلانی و عصبی پیشرونده.


مثال هایی از پیگیری تمرینات توانبخشی با هوش مصنوعی
Shoulder V2 اسکلت بیرونی شانه Ottobock


منبع: roboticbiz

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»

پاسخی بگذارید

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