Č ké ké č í t h i ké P F k ltČeské vysoké učení technické v Praze, Fakulta y ,á Sít á 3105 Kl d K č hl 272 0nám. Sítná 3105, Kladno - Kročehlavy, 272 0, y,

Projekt spolufinancovaný evropským sociálním

Modernizace výukových postupů a zvýšení praModernizace výukových postupů a zvýšení praBiomedicínsBiomedicíns

i t č í čí l CZ 1 07 /2 2 0registrační číslo CZ.1.07./2.2.011 10 201011.10.2010 -

V b é úl h iVybrané úlohy z experimVybrané úlohy z experimVybrané úlohy z experimV biomedicínském inženýrství se setkáváme s vědním oborem nazvaným biomechý ý

především rozdíl v chápání pojmu biomechanika“ různými lidmi Z toho vyplývá žepředevším rozdíl v chápání pojmu „biomechanika různými lidmi. Z toho vyplývá, žeý ář f ké l k k d bl ě í b ě l í d fvývojář pro 3D grafické aplikace, pokud se problematice věnují. Obecně platí definice,ý j p g p p p j pBiomechanika tedy kombinuje znalosti z funkční anatomie fyziologie mechaniky aBiomechanika tedy kombinuje znalosti z funkční anatomie, fyziologie, mechaniky ah á í h i ké l i ži ý h i ů j ji h čá í h i ké i kchování a mechanické vlastnosti živých organismů, jejich částí, a mechanické interakstudium mechanických pohybů jejich příčin a důsledků v biosystému jako celku astudium mechanických pohybů, jejich příčin a důsledků v biosystému jako celku aádě ý l ké li řuváděným v anglosaské literatuře.

Měření kinematiky a dynamiky Analýza pohyMěření kinematiky a dynamiky  Analýza pohyy y yh b k č ti í

ý p yl ti bpohybu končetin pomocí volnosti robpohybu končetin pomocí  volnosti rob

akcelerometru Myoelektrická protéza jeakcelerometru y p jsystém Můžeme tedy říci

Při studiu pohybu nás zajímají kinematické veličinysystém. Můžeme tedy říci,kti ější h ží j d á b tPři studiu pohybu nás zajímají kinematické veličiny

l č íh č íh h b I iál í éktivnějších paží jedná o robot

translačního a rotačního pohybu. Inerciální systémy který dovoluje díky komplexposkytují informaci o kinematických veličinách díky

ý j y paktuátorů vykonávat přesněp y j ý y

umístění senzorů přímo na sledovaný objekt Inerciálníaktuátorů vykonávat přesněvykonávala lidská paže Obecumístění senzorů přímo na sledovaný objekt. Inerciální

té b kl kládá ěří í j d tk b h jí ívykonávala lidská paže. Obeck ý h é ů hsystém se obvykle skládá z měřící jednotky obsahující takovýchto systémů mech

akcelerometry a gyroskopy, a z mikropočítače, který transformaci pohybů a přey gy py p ývyhodnocuje data z měřící jednotky Zrychlení pohybu

transformaci pohybů a přetvořeny z kinematických dvvyhodnocuje data z měřící jednotky. Zrychlení pohybu,

resp sílu vznikající při změnách rychlosti pohybujícího setvořeny z kinematických dvd ji těl tj tůresp. sílu vznikající při změnách rychlosti pohybujícího se

ř d ě č í hl í íl kldvojice těles tj. segmentů

předmětu, a gravitační zrychlení, resp. sílu vzniklou omezení vzájemného pohypůsobením gravitace Země, zaznamenávají akcelerometry.

j p ykinematických dvojic tvoří tzpůsobením gravitace Země, zaznamenávají akcelerometry.

Výpočtové operace v akcelerometrickém senzoru jsoukinematických dvojic tvoří tzt oří mechani m s MechVýpočtové operace v akcelerometrickém senzoru jsou

l ž N t ě h b é áktvoří mechanizmus. Mech

založeny na Newtonově pohybovém zákonu. nepohyblivý člen, kterémuPro účel identifikace polohy/pohybu měřeného objektu v myoelektrické protézy můžep y/p y j

předem definovaném souřadnicovém systému je nezbytnémyoelektrické protézy můžeamputační pahýl s konstrukcípředem definovaném souřadnicovém systému je nezbytné

dodržení poloh /poh b inerciálního s stém e směramputační pahýl s konstrukcíá ůj č í kdodržení polohy/pohybu inerciálního systému ve směru má svůj operační prostor, kam

zrychlení objektu. Což je prakticky nemožné, a proto se při manipulaci. Důležitější prpoužívají pro zjištění rotačního pohybu, tj. náklonu,

p a pu ac ů e tějš ppracovní prostor což je množipoužívají pro zjištění rotačního pohybu, tj. náklonu,

gyroskopy Vzhledem k tomu že každý volný objekt vpracovní prostor, což je množi

t it k ý b d hgyroskopy. Vzhledem k tomu, že každý volný objekt vá š ňů l i k b kl i iál í

nastavit koncový bod mechanprostoru má šest stupňů volnosti, tak se obvykle inerciální atp.). Oba segmenty mohounavigační systém skládá ze tří gyroskopů a tří

p ) g yvykonávat vzájemné pohybya gač systé s ádá e t gy os opů a t

akcelerometrů kde každá dvojice (gyroskop akcelerometr)vykonávat vzájemné pohybyvzájemné vazby Vzájemný pakcelerometrů, kde každá dvojice (gyroskop, akcelerometr)

j h t t i či hl í ě j d évzájemné vazby. Vzájemný p

je schopna zaznamenat rotaci či zrychlení ve směru jedné rizován počtem stupňů volnososy kolmé na ostatní. Z šesti stupňů to jsou tři lineární volnosti označují základní smy p jstupně volnosti a to posun v ose x y a z – ty udávají polohu

volnosti označují základní smkterými se mohou vzájemně sstupně volnosti a to posun v ose x, y a z ty udávají polohu

objektu a tři stupně volnosti rotace a to otočení kolem osykterými se mohou vzájemně sd ji h b áčobjektu a tři stupně volnosti rotace a to otočení kolem osy dvojice pohybovat a otáčet.

x, y a z (α, β, γ) – ty udávají orientaci objektu. Pokud jeznámo těchto šest proměnných, je známá i poloha objektu.známo těchto šest proměnných, je známá i poloha objektu.Jsou li tyto údaje sledovány po jistou dobu je z nich možnéJsou‐li tyto údaje sledovány po jistou dobu, je z nich možnéči d áh hl h b bj k á i á iurčit dráhu a rychlost pohybu objektu v rámci námi

definovaného souřadného systému.y

Obr. 1: Tříosý akcelerometr ýfirmy Vernier.

Obr 2: Před vlastním měřením by měl být akcelerometr tak jako ve všech dalšíchObr. 2: Před vlastním měřením by měl být akcelerometr, tak jako ve všech dalšíchpřípadech kalibrován na hodnotu 0 V Pokud bychom měřili vzájemnou polohu vícepřípadech, kalibrován na hodnotu 0 V. Pokud bychom měřili vzájemnou polohu vícesegmentů těla měřili bychom jejich polohu odpovídajícím počtem akcelerometrů

Obr 1: Myoelektrická robotic

segmentů těla, měřili bychom jejich polohu odpovídajícím počtem akcelerometrů(např. dvou umístěných na dvou segmentech těla) a vzájemnou polohu segmentů Obr. 1: Myoelektrická robotic

kinematických dvoji

(např. dvou umístěných na dvou segmentech těla) a vzájemnou polohu segmentůpak určili rozdílem zjištěných úhlů v zemské souřadné soustavě, což je v našem kinematických dvojipa u č o d e j ště ýc ú ů e s é sou ad é sousta ě, co je ašepřípadě zvolený absolutní souřadný systémp p ý ý y

Obr.3: Využití akcelerometru k měření vzájemné polohy paže a zápěstí. y j p y p p

f l á kř k ř d ě l h ž d á kř kGraf 1: Zelená křivka představuje neměnnou polohu paže. Modrá křivka ř d t j fl i t i k l t í tě éh bl ti á ě tí

Obr. 2: Schéma sil a mompředstavuje flexi a extenzi  akcelerometru umístěného v oblasti zápěstí. d´Alembertova princip

bi di í kéh i ž ý t íbiomedicínského inženýrstvíý01 htt // fb i t01, http://www.fbmi.cvut.cz

INVESTICE DO ROZVOJE A VZDĚLÁVÁNÍ, p

INVESTICE DO ROZVOJE A VZDĚLÁVÁNÍ

Čm fondem a státním rozpočtem ČR s názvem

aktických dovedností a návyků studentů oboruaktických dovedností a návyků studentů oboru ský technikský technik 00/15 0415 č j 15/167/201000/15.0415, č.j. 15/167/201028 2 2013- 28.2.2013

tál í bi h ikmentální biomechanikymentální biomechanikymentální biomechanikyůhanika. Definování vědního oboru biomechanika je však problematické. Důvodem jej p j

pojem biomechanika“ bude chápat jinak lékař jinak paleontolog a jinak softwarovýpojem „biomechanika bude chápat jinak lékař, jinak paleontolog a jinak softwarovýž d k k ř h ké h á í ž ý h ů“, že jde o „nauku o struktuře a mechanickém chování živých organizmů“.j ý gdalších vědních oborů pomocí kterých mapuje mechanickou strukturou mechanickédalších vědních oborů, pomocí kterých mapuje mechanickou strukturou mechanickék i i i k lí Zj d d š ě d ůž ří i ž j á l í bi h ikkce mezi nimi a okolím. Zjednodušeně tedy můžeme říci, že je náplní biomechanikyv jeho jednotlivých částech přičemž tato konkretizující definice odpovídá definicímv jeho jednotlivých částech, přičemž tato konkretizující definice odpovídá definicím

ybu a stupňů Měření sil pod chodidly naybu a stupňů  Měření sil pod chodidly na y pb ti ké ž

p yd é dbotické paže odrazové descebotické paže odrazové desce

Ve sportovní biomechanice a ergonomii se můžemee mechatronický robotický p gsetkat s měřením dynamiky pohybu siloměrnou deskou Při

ý ýže se v případě nejperspe‐ setkat s měřením dynamiky pohybu siloměrnou deskou. Při

ěř í jišť j ůběh lik ti lk é íl dže se v případě nejperspe‐ti k ži i lát měření zjišťujeme průběh velikosti celkové síly podtickou paži resp. manipulátor,

chodidly například během chůze po rovině, výskoku, chůziní řídící jednotce a soustavě y p p ýpo schodech atd Základní analýzou naměřených hodnot

jě takové pohyby které by po schodech, atd. Základní analýzou naměřených hodnot

velikosti celkové sily pod chodidly lze například určitě takové pohyby, které bycně jsou základem konstrukcí velikosti celkové sily pod chodidly lze například určit

l íl hl ý k k ř d d d ýškcně jsou základem konstrukcíh k é l ží k impulsy síly, rychlost výskoku při odrazu a odtud výškuhanismy, které slouží k

skoku. Z grafu závislosti velikosti síly na čase lze určitenosu sil. Mechanismy jsou skoku. Z grafu závislosti velikosti síly na čase lze určitzávislost změny rychlosti pohybu na čase Sestrojením

enosu sil. Mechanismy jsouvojic Kinematická dvojice je závislost změny rychlosti pohybu na čase. Sestrojením

á i l ti íl ě ě l h těžiště l čit kvojic. Kinematická dvojice je

j ý h b V b j závislosti síly na změně polohy těžiště lze určit vykonanouspojených vazbou. Vazba jepráci a výkon.ybu dvou těles. Soustava p ýy

v kinematický řetězec kterýv. kinematický řetězec, kterýhani m se pe ň jí nahanizmy se upevňují nase říká rám. Rámem u

být pahýlové lůžko spojujícíbýt pahýlové lůžko spojujícíprotézy Každý mechanizmusprotézy. Každý mechanizmus

h j ěj k čá ím zasahuje nějakou svou částío řízení mechanizmu je jehoo e ec a u je je ona všech bodů kam je možnéna všech bodů, kam je možnéi ( ř t k dl ňnizmu (např. prsty ruky, dlaň,v rámci kinematické dvojicejy které jsou dány typemy, které jsou dány typempohyb segmentů je charaktepohyb segmentů je charakte‐sti. V mechanice se za stupněěry posunu a směry otáčení,ěry posunu a směry otáčení,segmenty v rámci kinematické Obr. 1: Změna polohy těžiště a  Obr. 2: Reálná situace měření sil na segmenty v rámci kinematické

silové účinky při výskoku. odrazové desce.

ěř í íl ůž ží běž é b ě ší áhK měření síly můžeme použít běžné robustnější váhynebo tzv. odrazových desek sloužících k určení sil podnebo tzv. odrazových desek sloužících k určení sil podchodidly a připojených k PC z důvodu záznamu a analýzychodidly a připojených k PC z důvodu záznamu a analýzyd t Vý t j b kl á ůběh lik ti íldat. Výstupem je obvykle záznam průběhu velikosti síly načase, a z toho odvozené a vypočtené výše uvedené, yp ýcharakteristikycharakteristiky.

Obr. 3: Siloměrná odrazová deska firmy Vernier s jedním vážním čidlem uprostřed desky.

cká paže a schéma hlavníchcká paže a schéma hlavních ic horní končetiny.ic horní končetiny.

Graf 1: Typický průběh silových účinkůměřených siloměrnou odrazovouGraf 1: Typický průběh silových účinků měřených siloměrnou odrazovou deskou při skokudeskou při skoku

mentů působících podle pu na i‐tý segment.