Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Raport de cercetare științifică nr.1

766 views

Published on

Raport de cercetare științifică nr.1
Performanțe actuale în modelarea biomecanică a organismului uman sub acțiunea vibrațiilor

amintesc propunerea titlului proiectului de cercetare (anume): Analiza comportării dinamice a aparatului locomotor uman sub acțiunea vibrațiilor mecanice. (sa revin).
+++\\\ Cuprinsul raportului ( prezentarea are 55 de slideuri) ,, Capitolul 1 (3 slide-uri), Bazele teoriei modelării, 1.1. Principiile modelării, 1.2. Elemente de teoria similitudinii1.3. Conceptul de model și modelare Capitolul 2. (4 slide-uri) Probleme ale modelării în biomecanică. 2.1. Principii de bază 2.2. Comportarea biomecanică a omului în mediul înconjurătorrivind modelarea mecano-matematică a fenomenelor biologice 2.3 Probleme specifice ale modelării în biomecanică, Capitolul 3 (3 slide-uri), Modele utilizate în studiul biomecanicii organismului uman supus acțiunii vibrațiilor. Modelarea sistemului picior-gambă, Capitolul 4 (20 slide-uri) Modele biomecanice asociate organismului uman, Capitolul 5 (9 slide-uri), Noțiuni generale privind pachetul de programe Matlab –Simulink, Modele rezolvate folosind software MATLAB, Capitolul 6 (11 slideuri), Modelarea sistemului anatomic gleznă – picior folosind metoda dinamicii inverse, Modelarea sistemului anatomic genunchi – gambă folosind metoda dinamicii inverse. (lucrarea se încheie cu Bibliografie).

Published in: Education
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Raport de cercetare științifică nr.1

  1. 1. MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI FACULTATEA DE UTILAJ TEHNOLOGIC Performanțe actuale în modelarea biomecanică a organismului uman sub acțiunea vibrațiilor Coordonator ştiinţific: Prof.univ.dr.ing. Cristian PAVEL Doctorand: Ing. Marius VLAD Bucureşti -2014- Raport de cercetare științifică nr.1
  2. 2. Cuprins Capitolul 1 Bazele teoriei modelării Capitolul 2 Probleme ale modelării în biomecanică Capitolul 3 Modele utilizate în studiul biomecanicii organismului uman supus acțiunii vibrațiilor. Modelarea sistemului picior-gambă Capitolul 4 Modele biomecanice asociate organismului uman Capitolul 5 Noțiuni generale privind pachetul de programe Matlab –Simulink 5. 2 Modele rezolvate folosind software MATLAB Capitolul 6 Modelarea solicitărilor statice şi dinamice ale sistemelor anatomice gleznă-picior şi genunchi – gambă 6.3 Direcţii viitoare de cercetare Bibliografie
  3. 3. Capitolul 1 Bazele teoriei modelării În natură nu există fenomene izolate. Conceput în sensul cel mai general, modelul poate fi funcţional, de calcul sau experimental. Modelul funcţional este un model structural, teoretic sau experimental, care pune în evidenţă diversele componente ale fenomenului şi ilustrează calitativ legăturile reciproce ale acestora astfel încât să rezulte funcţiile globale fundamentale ale ansamblului. 1.1. Principiile modelării
  4. 4. Modelul de calcul este un model teoretic, care, pornind de la un set coerent de ipoteze, stabileşte o schemă de calcul, un număr de teoreme şi relaţii de calcul ce descriu cantitativ şi calitativ fenomenul. Trecerea modelului de calcul pe un calculator numeric sau analogic desigur că poate urmări considerabil eficienţa acestuia. Setul de programe care se utilizează pe calculator în legătură cu modelul investigat face parte integrantă din modelul respectiv . Modelul experimental este un obiect fizic, un dispozitiv sau o instalaţie care reproduce în anumite condiţii fenomenul ce interesează.
  5. 5. 1.2. Elemente de teoria similitudinii Teoria similitudinii. se află la graniţa dintre latura teoretică a unui fenomen şi rezultatele experimentale determinate în legătură cu acesta. Ea este o disciplină ştiinţifică de sinteză, reprezentând prima treaptă în procesul de abstractizare a gândirii omeneşti, care păstrează similitudinea fizică dintre prototip şi model. 1.3. Conceptul de model și modelare Modelul se consideră a fi un sistem abstract sau material cu ajutorul căruia pot fi studiate indirect proprietăţile unui alt sistem mai complex (sistemul sursă), cu care modelul prezintă o analogie Iimitată şi orientată. În sens mai larg, prin modelare se înţelege metoda de studiu bazată pe utilizarea modelelor, metodă la care se apelează practic în ansamblul cercetărilor din domeniile tehnice, mai ales în cele interdisciplinare
  6. 6. Capitolul 2 Probleme ale modelării în biomecanică 2.1. Principii de bază privind modelarea mecano-matematică a fenomenelor biologice Organismul este alcătuit din structuri cât mai simple posibile care să îndeplinească funcţia dată. Prezentarea organismului biologic ca un tot unitar este legată de noţiunea de “sistem” şi de “teoria sistemelor”. Astfel, în anul 1943 Raşevski a propus ca, în calitate de principiu general să fie acceptat principiul referitor la simplitatea maximă: construcţia concretă este cea mai simpla din toate construcţiile posibile care îndeplinesc funcţia dată sau grupuri de funcţii. Acest principiu a fost îmbunătăţit în 1960 şi formulat ca principiu al construcţiei optime, apoi pentru ca construcţia să corespundă condiţiilor variabile ale mediului înconjurător, el a fost schimbat în principiul construcţiei adecvate a organismului.
  7. 7. 2.2. Comportarea biomecanică a omului în mediul înconjurător Acţiunilor artificiale le aparţin: sarcina mecanică, viteza, acceleraţia, vibraţia, şocul, explozia, modificarea forţei de greutate, presiunea barometrică şi mediul gazos artificial la zborurile cosmice, sau la navigaţia sub apă, electricitatea, căldura, puritatea aerului, mirosul, culoarea, zgomotul, etc. Factorii artificiali sunt rezultatul dezvoltării industriei, transportului, progresului tehnic, explorării cosmosului şi oceanului mondial.
  8. 8. 2.3 Probleme specifice ale modelării în biomecanică Scopul principal al studiilor biomecanice este: • determinarea comportării biodinamice a organismului uman în mediul înconjurător; • determinarea structurii şi funcţiei organismului viu la influenţa şi acţiunea diferiţițor factori naturali şi artificiali; • determinarea însuşirilor generale ale ţesuturilor idealizate, organelor şi sistemelor organismelor şi proceselor din ele • elaborarea modelelor mecano-matematice ale acestora; • interpretarea şi previziunea tolerantei biologice; • aplicarea rezultatelor cercetărilor în biotehnica. Particularităţi ale modelării, specifice problemelor de biomecanică ale sistemului osteo - articular uman. Pentru multe din aspectele semnalate se sugerează şi soluţii, pentru altele însă acest lucru nu este posibil.
  9. 9. Astfel un exemplu, în cazul general, fie curbele caracteristice ale materialului prototipului şi modelului ca în figura ,adică neliniare Probleme specifice ale modelării în biomecanică   1m 2m 1p 2p prototip model
  10. 10. Capitolul 3 Modele utilizate în studiul biomecanicii organismului uman supus acțiunii vibrațiilor. Modelarea sistemului picior-gambă. 3.1. Modele biomecanice ale aparatului locomotor 3.1.1. Modele analitice ale aparatului locomotor Modelarea analitică comportă, în general, parcurgerea următoarelor etape:  modelarea fizică;  modelarea matematică. 3.1.2. Modele structurale
  11. 11. 3.1.3. Modele cinematice Modelele cinematice în biomecanică se împart, funcţie de datele de intrare şi necunoscutele care trebuie determinate, în două mari categorii: modele cinematice directe şi modele cinematice inverse. 3.1.5. Modele dinamice Modelele dinamice se împart în două mari categorii:  directe;  inverse.
  12. 12. 3.1.6. Modele experimentale ale aparatului locomotor Există şi posibilitatea modelării unor răspunsuri dinamice pe baza testărilor clinice. Cauza răspunsului unui sistem dinamic o constituie, în general, sarcinile dinamice sau deplasările impuse sistemului, variabile în timp, denumite şi excitanţi sau perturbatori. Mişcările diverselor puncte ale sistemului real şi eforturile dinamice din structura acestuia reprezintă efectele, de natură biomecanică ale acestor perturbaţii, fiind denumite, în mod obişnuit, răspunsuri dinamice
  13. 13. Capitolul 4 Modele biomecanice asociate organismului uman Modelul lui Dieckmann (1957)
  14. 14. Modele biomecanice ale sistemului mână-braț Kuhn (1953) și Dieckmann (1958)
  15. 15. Coermann (1962) ecuația diferențială de mișcare de forma 𝑧𝑖𝑛 = 5 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 o masă totală de 56,8 kg
  16. 16. Modele care descriu complet sau parțial mâna sunt și cele realizate de cercetătorul japonez Takahiro Miwa (1964) și de D. Reynolds și W. Soedel (1972), precum și de Suggs și Mishoe (1974) (figura - a, b, c).
  17. 17. Suggs ș.a. (1969)
  18. 18. Patil, Palanichamy și Ghista (1977)
  19. 19. Muksian și Nash (1976)(1976) coeficienții de amortizare dintre regiunea pelviană și cap (c1), respectiv corp (c2), liniari în plaja 1 – 6 Hz și neliniari între 6 și 30 Hz
  20. 20. Nilsson și Olsson (1978)
  21. 21. Harta sistemului mecanic echivalent al organismului uman (după Rasmussen) (1982)
  22. 22. Magheți (1984)
  23. 23. ISO 7962:1987 parametrii modelului, cu următoarele valori:
  24. 24. Cherian (1990)
  25. 25. Cherian ș.a. (1996)
  26. 26. Van der Helm (1994)
  27. 27. Murel ș.a (1996) (1998)
  28. 28. Broman ș.a. (1996)
  29. 29. Liu ș.a. (1998)
  30. 30. 3.2.2. Determinarea forțelor de racțiune din articulația gleznei în condiții dinamice Pentru determinarea forțelor de reacțiune și a momentului din articulația gleznei vom folosi metoda dinamică inversă în care marimile cinematice (forțele de reacțiune ale solului și dimensiunile antropometrice) sunt considerate date de intrare pentru rezolvarea sistemului biomecanic. Această metodă de calcul presupune urmatoarele condiții:  corpul uman este împărțit în lanțuri cinematice;  la rândul lor aceste lanţuri se împart pe segmente;  segmentele sunt considerate corpuri rigide;  forţele de frecare cu aerul şi din articulaţie sunt nule.
  31. 31. Goel ș.a. (2001)
  32. 32. Pavel, Baușic, Legendi (2000)
  33. 33. Modelul dinamic al mâinii umane alcătuite din 5 sisteme independente Radu Panaitescu-Liess (2013)
  34. 34. Radu Panaitescu-Liess (2013) un model al sistemului mână-antebraț
  35. 35. Capitolul 5 Noțiuni generale privind pachetul de programe Matlab – Simulink Introducere în Matlab Matlab (MATrix LABoratory) este un pachet de programe de înaltă performanță dedicat calcului numeric și reprezentărilor grafice în domeniul științei și ingineriei. 5. 1 Prezentare generală
  36. 36. 5. 2 Modele rezolvate folosind software MATLAB Modelarea sistemelor biomecanice se poate realiza și prin folosirea de software Matlab. Datorită complexităţii fenomenelor biomecanice, precum şi datorită dificultăţilor matematice care apar la scrierea şi rezolvarea ecuaţiilor de mişcare ale aparatului locomotor, pentru studiul dinamicii corpului uman se folosesc, adesea, pachetul de software MATLAB.
  37. 37. 5.2.1.Model Miwa (1969) m1= 2,793 kg m2= 0,206 kg k1= 72,98 .103N/m k2= 106,488.103 N/m                206,00 0793,2 m0 0m M 2 1kg   m/N10. 488,106488,106 488,106468.179 kk kkk K 3 22 221                 
  38. 38. Modele Miwa (1969) MATLAB >> %model cu doua grade % introducerea datelor %matricea de inertie %calculul matricei dinamice %determinarea pulsatiilor proprii ca o problema de vectori si valori proprii %pulsatiile proprii %fecventele proprii Afisarea rezultatelor Pulsatiile proprii sunt: p1=155.733[rad/s] p2=746.2812[rad/s] Frecventele proprii sunt: f1=24.7857[rad/s] f2=118.7743[rad/s]
  39. 39. 5.2.2.Model Suggs și Mishoe (1974)) m1 =1,58 kg m2 =1 kg m3=0,419kg k1=41,22.103 N/m k2=16,33.103 N/m k3= =121,918.103 N/m kg   kg 419,000 010 0058,1 m00 0m0 00m M 3 2 1                         m/N10. 918,121918,1210 918,121248,13833,16 033,1655,57 kk0 kkkk 0kkk K 3 33 3322 221                            
  40. 40. Suggs si Mishoe (1974) MATLAB >> %model cu trei grade grade % introducerea datelor %matricea de inertie %matricea de rigiditate %calculul matricei dinamice %determinarea pulsatiilor proprii ca o problema de vectori si valori proprii %pulsatiile proprii %fecventele proprii Afisarea rezultatelor Pulsatiile proprii sunt: p1=85.787[rad/s] p2=200.7436[rad/s] p3=646.5202[rad/s] frecventele proprii sunt: f1=13.6534[rad/s] f2=31.9493[rad/s] f3=102.8969[rad/s]
  41. 41. 5.2.3.Model cu patru grade de libertate – ISO 7962:1987
  42. 42. Model cu patru grade de libertate – ISO 7962:1987   kg 86,13000 085,4400 0005,80 00024,8 m000 0m00 00m0 000m M 4 3 2 1                                              4444 4444332222 22221111 1111 kk00 kkkkk0 0kkkk 00kk K * 11 * 11 11 kk k.k k   * 22 * 22 22 kk k.k k   * 33 * 33 33 kk k.k k   * 44 * 44 44 kk k.k k  
  43. 43. Model cu patru grade de libertate – ISO 7962:1987 >> %model cu trei grade grade % introducerea datelor %matricea de inertie %matricea de rigiditate %calculul matricei dinamice %determinarea pulsatiilor proprii ca o problema de vectori si valori proprii %pulsatiile proprii %fecventele proprii Afisarea rezultatelor Pulsatiile proprii sunt: p1=29.1035[rad/s], p2=49.2872[rad/s] p3=6192.752[rad/s], p4=17992.0208[rad/s] frecventele proprii sunt: f1=4.632[rad/s], f2=7.8443[rad/s] f3=985.6071[rad/s], f4=2863.519[rad/s]
  44. 44. Capitolul 6 Modelarea solicitărilor statice şi dinamice ale sistemelor anatomice gleznă-picior şi genunchi – gambă Metoda dinamicii inverse presupune ca, datele cinematice ale sistemului biomecanic să fie definite în detaliu, iar obiectivul constă în determinarea parametrilor dinamici ce cauzează mişcările sistemului. Metoda foloseşte modele ale corpurilor rigide pentru a reprezenta comportamentul mecanic al pendulelor aflate în conexiune, sau mai concret, al membrelor corpului uman unde, parametrii antropometrici , parametrii dinamici şi parametrii cinematici ai segmentelor corpului uman sunt folosiţi ca date de intrare pentru sistemul de ecuaţii al echilibrului dinamic, pentru determinarea forţelor de reacţiune internă şi a momentelor ce cauzează mişcările sistemului 6.1 Modelarea sistemului anatomic gleznă – picior folosind metoda dinamicii inverse
  45. 45. Schema de principiu a metodei alese pentru modelarea biomecanică în vederea determinării parametrilor caracteristici modelării statice şi dinamice a sistemului anatomic gleznă – picior.
  46. 46. Metoda reducerii forţelor aplicată modelului sistemului anatomic gleznă – picior
  47. 47. Metoda reducerii forţelor aplicată modelului sistemului anatomic gleznă – picior
  48. 48. ecuaţiile de echilibru dinamic          . ; ; 34312 damdamIdGdRdRM amGRR amRR ypxppppysxsg yppysyg xpxsxg 
  49. 49. 6.2. Modelarea sistemului anatomic genunchi – gambă folosind metoda dinamicii inverse
  50. 50. ecuaţiile de echilibru dinamic           .IdRdRdamdamdGMM ;amGRR ;amRR gg6xg5yg7 ' yg8 ' xg7gg ' g ' yggyg ' yg ' xgxg ' xg  prima fază de suport,
  51. 51. 6.3. Direcţii viitoare de cercetare  Conceperea și realizarea unui sistem de analiză numerică și instrumentală pentru evaluarea influenței vibrațiilor asupra sistemului osteo-articular (gleznă-picior) folosind instrumenrația MATLAB.  Identificarea și fundamentarea analitică a unor modele biomecanice cu legături reologice menite să asigure analiza mișcărilor pentru sistemul locomotor uman.  Conceperea unor modele biomecanice versatile prin amplasarea corespunzătoare pe diverse trasee de acțiune a unor elemente, astfel încât răspunsul final al modelului să poată atingă precizia și gradul de fidelitate parametrică. Folosind modele de actualitate de exemplu figura
  52. 52. (a) Model 1, (b) Model 2. (G.H.M.J. Subashia, Y. Matsumoto 2008)
  53. 53. Model cu trei grade de libertate (Wangdo Kim ș.a. 2012)
  54. 54. Vă multumesc pentru atenția acordată . Octombrie 2014

×