Nazwa modułu: Biomechanika inżynierska Rok akademicki: 2013/2014 Kod: EIB-1-550-s Punkty ECTS: 5 Wydział: Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej Kierunek: Inżynieria Biomedyczna Specjalność: Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 5 Strona www: Osoba odpowiedzialna: dr hab. inż, prof. AGH Iwaniec Marek (iwaniec@agh.edu.pl) Osoby prowadzące: dr hab. inż. Cieplok Grzegorz (cieplok@agh.edu.pl) dr inż. Felis Józef (felis@agh.edu.pl) dr hab. inż, prof. AGH Iwaniec Marek (iwaniec@agh.edu.pl) Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń) Wiedza M_W001 ma wiedzę dotyczącą modelowania i analizy ruchu oraz oddziaływań w układach biomechanicznych, sprzęcie rehabilitacyjnym i medycznym. M_W002 Ma wiedzę dotyczącą wybranych metod modelowania i analizy układów biomechanicznych i innych o złożonej naturze np. elektromechanicznych, akustomechanicznych itp IB1A_W01, IB1A_W04, IB1A_W06 M_W003 Ma podstawową wiedzą z zakresu technik informacyjnych i pomiarowych w biomechanice, IB1A_W10, IB1A_W04, IB1A_W09, IB1A_W05, IB1A_W06 M_W004 Ma podstawową wiedzę w zakresie inżynierii systemów rehabilitacji ruchowej Umiejętności 1 / 7
M_U001 M_U002 M_U003 M_U004 M_U005 potrafi pozyskiwać informacje z literatury, baz danych i innych źródeł; potrafi integrować uzyskane informacje,dokonywać ich interpretacji i krytycznej oceny, a także wyciągać wnioski oraz formułować i wyczerpująco uzasadniać opinie potrafi wykorzystać poznane metody i modele matematyczne w razie potrzeby odpowiednio je modyfikując do modelowania i weryfikacji systemów biologicznych i technicznych potrafi posługiwać się metodami i narzędziami inżynierii biomedycznej, w tym: projektować mechanizmy, konstrukcje, metody i urządzenia, wykorzystywać wzorce projektowe, wybierać narzędzia wspomagające projektowanie, oraz dobierać metody prototypowania i testowania potrafi przeanalizować sposób działania i poddać krytycznej ocenie metody i rozwiązania techniczne zastosowane w wybranych aparatach i urządzeniach medycznych a także wskazać sposoby ich ulepszenia potrafi porównać rozwiązania istniejących systemów aparatury medycznej i rehabiltacyjnej ze względu na zadane kryteria użytkowe i ekonomiczne oraz wskazać możliwości ich ulepszenia IB1A_U01 IB1A_U06, IB1A_U03, IB1A_U08 IB1A_U08 IB1A_U09 IB1A_U10 Kompetencje społeczne M_K001 potrafi opracowywać modele oraz nowe urządzenia w sposób kreatywny i innowacyjny dostrzegając problemy i zapotrzebowanie społeczne IB1A_K02, IB1A_K01 M_K002 Umie rozwiązywać specjalistyczne problemy z zakresu mechaniki umiejętnie współpracując i w zespole interdyscyplinarnym IB1A_K03, IB1A_K04 Zaliczenie laboratorium Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć Wykład Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenia projektowe Konwersatori um seminaryjne praktyczne Inne terenowe E-learning Wiedza 2 / 7
M_W001 M_W002 M_W003 M_W004 Umiejętności M_U001 M_U002 M_U003 M_U004 ma wiedzę dotyczącą modelowania i analizy ruchu oraz oddziaływań w układach biomechanicznych, sprzęcie rehabilitacyjnym i medycznym. Ma wiedzę dotyczącą wybranych metod modelowania i analizy układów biomechanicznych i innych o złożonej naturze np. elektromechanicznych, akustomechanicznych itp Ma podstawową wiedzą z zakresu technik informacyjnych i pomiarowych w biomechanice, Ma podstawową wiedzę w zakresie inżynierii systemów rehabilitacji ruchowej potrafi pozyskiwać informacje z literatury, baz danych i innych źródeł; potrafi integrować uzyskane informacje,dokonywać ich interpretacji i krytycznej oceny, a także wyciągać wnioski oraz formułować i wyczerpująco uzasadniać opinie potrafi wykorzystać poznane metody i modele matematyczne w razie potrzeby odpowiednio je modyfikując do modelowania i weryfikacji systemów biologicznych i technicznych potrafi posługiwać się metodami i narzędziami inżynierii biomedycznej, w tym: projektować mechanizmy, konstrukcje, metody i urządzenia, wykorzystywać wzorce projektowe, wybierać narzędzia wspomagające projektowanie, oraz dobierać metody prototypowania i testowania potrafi przeanalizować sposób działania i poddać krytycznej ocenie metody i rozwiązania techniczne zastosowane w wybranych aparatach i urządzeniach medycznych a także wskazać sposoby ich ulepszenia + - + - - - - - - - - + - + - - - - - - - - + - + - - - - - - - - 3 / 7
M_U005 potrafi porównać rozwiązania istniejących systemów aparatury medycznej i rehabiltacyjnej ze względu na zadane kryteria użytkowe i ekonomiczne oraz wskazać możliwości ich ulepszenia Kompetencje społeczne M_K001 M_K002 potrafi opracowywać modele oraz nowe urządzenia w sposób kreatywny i innowacyjny dostrzegając problemy i zapotrzebowanie społeczne Umie rozwiązywać specjalistyczne problemy z zakresu mechaniki umiejętnie współpracując i w zespole interdyscyplinarnym - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład 4. Struktura i klasyfikacja różnorodnych układów biomechanicznych Rodzaje więzów, pary kinematyczne, łańcuchy kinematyczne, manipulatory medyczne jako przykład mechanizmów precyzyjnych. Analiza strukturana. Ruchliwość, stopnie swobody 5. Kinematyka ciała sztywnego Tor, prędkość i przyspieszenie punktów bryły w ruchu postępowym, obrotowym, płaskim i dowolnym. Przykłady zastosowania w analizie konstrukcji sprzętu medycznego. 6. Ruch złożony Układ unoszenia.ruch wzgledny ruch unoszenia. Położenie, prędkość i przyspieszenie punktu w ruchu złożonym. Dynamika ruchu wzglednego punktu materialnego. 7. Analiza kinematyczna mechanizmów i układów biomechanicznych Analiza kinematyczna mechanizmów i układów biomechanicznych. Wykreślne i analityczne metody wyznaczania trajektorii ruchu, prędkości i przyspieszeń. 8. Dynamika punktu i układu punktów materialnych. Dynamika swobodnego i nieswobodnego punktu matrialnego. Pęd, kręt, energia kinetyczna układu punktów materialnych. 1. Biomechanika - rys historyczny. Dziedzina i metody badań. Przedstawienie rozwoju historycznego biomechaniki. Przedstawienie rozwoju metod badawczych, podstawowych pojęć modeli, odniesienie do innych działów nauki: mechaniki, fizyki, materiałoznawstwa, anatomii, wytrzymałości materiałów itd. 2. Kinematyka punktu. Metody badania ruchu w biomechanice Wektory i działania na wektorach. Tor, prędkość i przyspieszenie. Eksperymentalne metody badania ruchu w biomechanice. 3. Statyka i kinetostatyka układów mechanicznych. Przykłady zastosowania w analizie konstrukcji sprzętu medycznego. 4 / 7
Warunki równowagi płaskich i przestrzennych modeli układów biomechanicznych. Metoda kinetostatyki. 9. Współrzędne uogólnione. Zasada prac wirtualnych Więzy i wspólrzędne uogólnione układu punktów materialnych. Przemieszczenia wirtualne. Zasada prac wirtualnych. 10. Równania Lagrangea II rodzaju Energia kinetyczna i potencjalna. Siły i potencjał dyssypacji. Budowa równań ruchu złożonych układów mechanicznych i elektromechanicznych. 11. Modele reologiczne. Modele i badania własności tkanek: kości mięśni, ścięgien Modele reologczne: Kevina-Voigta, Maxwella i standardowy. Zjawisko relaksacji. Podporowa i ruchowa funkcja szkieletu. Biomechaniczne właściwości kości, mięśni, powięzi i ścięgien. 12 Elementarna teoria zderzenia. Zastosowania modeli zderzenia w biomechanice Siły zderzeniowe. Zderzenie dwoch punktów materialnych zderzenie dwóch brył. Działanie impulsu siły. Testy zderzeniowe. Mody fałdowania. 14 Modelowanie geometryczne (powierzchniowe i bryłowe) rzeczywistych układów biomechanicznych z wykorzystaniem wyników obrazowania medycznego i MES Modelowanie geometryczne (powierzchniowe i bryłowe) rzeczywistych układów biomechanicznych z wykorzystaniem wyników obrazowania medycznego przy użyciu różnych metod: triangulacji, tesalacji, B-Spline. Dyskretyzacja. MES 15 Analiza statyczna i dynamiczna złożonych układów. Modelowanie strefy kontaktu podukładów biomechanicznych. Modelowanie układów o zmiennej strukturz Przykłady tworzenia zaawansowanych modeli układów biomechanicznych. Ćwiczenia laboratoryjne Praca kontrolna Obserwacje zjawisk mechanicznych i biomechanicznych wokół nas Seria prostych eksperymentów: Badanie siły tarcia, wyznaczanie stożka tarcia. Obserwacja efektu Magnusa w wodzie i powietrzu, Wahadło i wahadło podwójne. Powstawanie siły Coriolisa. Badanie ruchu obrotowego. Siła bezwładności, siła oporu aerodynamicznego, siła nośna. Statyka i kinetostatyka układów mechanicznych i biomechanicznych Przykłady zastosowań równań statyki i kinetostatyki w analizie konstrukcji sprzętu medycznego. Struktura różnorodnych układów biomechanicznych. Rodzaje więzów, pary kinematyczne, łańcuchy kinematyczne, manipulatory medyczne jako przykład mechanizmów przestrzennych. obliczenia ruchliwości mechanizmów. Ruch w układach biomechanicznych. Analiza kinematyczna mechanizmów i układów biomechanicznych. Analityczne metody wyznaczania trajektorii ruchu, prędkości i przyspieszeń. Analiza kinematyczna mechanizmów płaskich. Grafoanalityczna metoda wyznaczania prędkości i przyspieszeń. Plany prędkości i przyspieszeń Grafoanalityczna metoda wyznaczania reakcji dynamicznych w parach kinematycznych mechanizmów płaskich 5 / 7
Ruch złożony Badanie ruchu kończyny dolnej. Badanie ruchu egzoszkieletu kończyny dolnej. Pomiary wielkości kinematycznych za pomocą czujników przyspieszenia oraz systemem wizyjnym. Budowa modeli dynamicznych układów laboratoryjnych Budowa modeli dynamicznych układów laboratoryjnych. Obliczenia mas, momentów bezwładności, współczynników sprężystości elementów maszyn laboratoryjnych. Analiza ruchu podukładów. Budowa modeli dynamicznych układów laboratoryjnych. Obliczenia energii kinetycznej i potencjalnej układu. Zasada prac wirtualnych Zasada d Alemberta. Przesunięcia przygotowane. Zasada prac wirtualnych. Przykłady analizy układów laboratoryjnych Równania Lagrangea II rodzaju Budowa równań ruchu laboratoryjnych układów mechanicznych i elektromechanicznych. Implementacja równań w środowisku Matlab. Analiza i dyskusja rozwiązań równań ruchu i warunków ruchu. Badanie właściwości mechanicznych tkanek i mięsni Badanie charakterystyki siły mieśni i ich technicznych odpowiedników. Badanie zmęczenia mięsni. Wyznaczanie charakterystyki generowanej siły technicznych zamienników mieśni. Wyznaczanie charakterystyki współczynnika sprężystości różnych materiałów metodą dwuakcelerometryczną. Badanie egzoszkieletu kończyny górnej. Badanie i modelowanie zderzenia Analiza oddziaływań dynamicznych w trakcie skoku. Zastosowanie bezdotykowych metod pomiarowych wielkości kinematycznych do badania zjawiska zderzenia. Modele bryłowe ciała człowieka. Modele bryłowe ciała człowieka. Wyznaczanie położenia środka ciężkości ciała człowieka. Pomiary goniometryczne. Wyznaczanie położenia środka masy brył. Obliczenia momentów bezwładności. Sposób obliczania oceny końcowej Średnia ważona z oceny kolokwium dotyczącego materiału wykładu, przygotowania teoretycznego do wykonywanych ćwiczeń laboratoryjnych, ocen sprawozdań zaliczanych w trakcie zajęć laboratoryjnych i oceny z egzaminu. Wymagania wstępne i dodatkowe Wyniesiona z poprzednich semestrów studiów wiedza z fizyki, anatomii, matematyki jak np.: podstawowe działania algebry macierzy, metody rozwiązywania zagadnienia własnego, podstawowe równania różniczkowe i metody ich rozwiązywania. Zalecana literatura i pomoce naukowe 1. Będziński R.: Biomechanika Inżynierska. Zagadnienia wybrane. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1997 2. Felis J. Jaworowski H. Teoria Mechanizmów i maszyn. Przykłady i zadania. AGH. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 2004 3. Nizioł J.: Metodyka rozwiązywania zadań z mechaniki. WNT, 2006 4. Zagrobelny Z., Woźniewski M.: Biomechanika Kliniczna. Część Ogólna. Wydawnictwo AWF, Wrocław, 2007 6 / 7
5. Leyko J., Mechanika ogólna, t.2, PWN, Warszawa 6. Zawadzki, J.Siuta W.: Mechanika ogólna t1 i t2., PWN, Warszawa Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu Nie podano dodatkowych publikacji Informacje dodatkowe brak Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Udział w wykładach Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Przygotowanie do zajęć Przygotowanie sprawozdania, pracy pisemnej, prezentacji, itp. Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 28 godz 28 godz 6 godz 35 godz 30 godz 20 godz 147 godz 5 ECTS 7 / 7