Просмотр содержимого документа
«Урок на тему:« Применение биомеханики в робототехнике»»
Урок по биологии на тему: « Применение биомеханики в робототехнике»
Класс: 10
Учитель химии и биологии: КГУ «Средняя школа № 26» города Актобе, Актюбинская область: Жалгасбаева В.А.
Цель урока: изучить применение биомеханики в робототехнике, биомеханику инженерную экзоскелетоны, работотехнику)
Слайд 1. Биомеханика — это наука, которая изучает движение в живых системах. В этом смысле интерес биомеханики более-менее покрывает все области биологии, потому что существование всех живых организмов так или иначе связано с движением. Иногда это очевидно, как в случае полета птиц, бега, ходьбы или в случае плавания рыб, а в других случаях это неочевидно. Экзоскеле́т (от греч. έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей[1]. Была проведена работа по созданию машин, которые предназначались для ношения человеком и использовались для усиления его физических возможностей. Такие машины известны под названием экзоскелетон. В процессе разработки этих устройств прежде всего изучались возможные основные движения тела человека. Оказалось, что человек может выполнять одновременно приблизительно 20 или 30 различных управляемых действий.
Слайд 2 Интерес к биомеханике возник с тех пор, как возникла наука. И, наверное, первым выдающимся биомехаником был Леонардо да Винчи, который оставил огромное количество материалов, посвященных как раз движению разных организмов. Биомеханика — одна из самых старых ветвей биологии. Её истоками были работы Аристотеля, Галена, Леонардо да Винчи[6].
В своих естественнонаучных трудах «Части движения и перемещение животных», Аристотель заложил основу того, что в дальнейшем, спустя 2300 лет назовут наукой биомеханикой. В своих научных трактатах он свойственной ему мышлением описывает животный мир и закономерности движения животных и человека. Он писал о частях тела, необходимых для перемещения в пространстве (локомоции), о произвольных и непроизвольных движениях, о мотивации движений животных и человека, о сопротивлении окружающей среды, о цикличности ходьбы и бега, о способности живых существ приводить себя в движение…
[7]. На развитие механики в средние века оказали существенное влияние исследования Леонардо да Винчи (1452—1519 г.) по теории механизмов, трению и другим вопросам. Изучая функции органов, он рассматривал организм как образец «природной механики». Впервые описал ряд костей и нервов, особое внимание уделял проблемам сравнительной анатомии, стремясь ввести экспериментальный метод и в биологию. Этот великий художник, математик, механик и инженер впервые высказал важнейшую для будущей биомеханики мысль:
«Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по её законам».
Его успех как великого художника также немало зависит от биомеханической направленности его картин, — в них детально прорисована техника движения. Его наблюдения, очевидные в наши дни, в средние века были революционными. Например,
«Мускулы начинаются и оканчиваются всегда в соприкасающихся костях, и никогда они не начинаются и не оканчиваются на одной и той же кости, так как они ничего не могли бы двигать, разве только самих себя»
[8]. Леонардо, безусловно, является основоположником функциональной анатомии, составной части биомеханики. Он не только описал топографию мышц, но и значение каждой мышцы для движения тела.
Основателем науки биомеханики по праву считается Джованни Борелли, итальянский натуралист.. Он показал, что движение конечностей и частей тела у человека и животных при поднятии тяжестей, ходьбе, беге, плавании можно объяснить принципами механики, впервые истолковал движение сердца как мышечное сокращение, изучая механику движения грудной клетки, установил пассивность расширения лёгких.
Наиболее известный труд ученого «Движение животных.Его учение основано на твердых биомеханических принципах, в своей работе он описал принципы мускульного сокращения и впервые представил математические схемы движения. Он впервые использует биомеханическую модель для объяснения движения в биомеханической системе.
Слайд 5.В настоящее время развиваетсяБиомеханика :инженерная (экзоскалетоны, робототехника и т.д.). Биомеханика медицинская (протезирование и т.д.), Биомеханика эргометрическая (оптимизация и т.д.) С чем ассоциируется у вас понятие о робототехнике? Согласитесь, воображение рисует нечто, человекоподобное, с механическими руками и ногами, либо, паукообразное, а ещё, обязательно представляется знаменитая собака-робот. Одним словом, представление о роботах у многих достаточно узкое и однобокое.На самом деле, в современном мире, роботы – довольно востребованы. Их используют в абсолютно различных сферах жизни, о которых многие могут даже не догадываться.Самым удивительным образом роботы спасают человеческие судьбы, а иногда, и жизни. Возможно, вы не догадываетесь, но современные протезы конечностей напрямую связаны с робототехникой. Неподвижные искусственные руки остались в далёком прошлом, нынешние протезы умеют двигать пальчиками. Их управление напрямую связано с электрическими импульсами, передаваемыми телом.Впрочем, искусственные конечности – не единственная заслуга роботов в медицине. Самые прогрессивные экземпляры умеют проводить высокотехнологичные операции!Наверное, ни у кого не возникнет сомнений в том, что космос словно предназначен для обитания роботов. И действительно, если посмотреть на историю освоения космоса, можно увидеть, что большая часть космических исследований легла именно на плечи роботов. Луноход, Марсоход и робот-аватар – наиболее известные из космороботов. На самом деле, их разновидностей достаточно много, все они предназначены для работы в условиях космоса и выполняют действия, которые для человека оказались бы непосильными или крайне опасными.
Слайд 7.Экзоскеле́т (от греч. έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей[1]. Была проведена работа по созданию машин, которые предназначались для ношения человеком и использовались для усиления его физических возможностей. Такие машины известны под названием экзоскелетон. В процессе разработки этих устройств прежде всего изучались возможные основные движения тела человека. Оказалось, что человек может выполнять одновременно приблизительно 20 или 30 различных управляемых действий.
Экзоскелетоны -специально сконструированные объекты, напоминающие человеческую конечность в физиологическом плане, служат для реабилитации больных после потери подвижности конечностей используют для обеспечения движений у пациентов с расстройствами опорно-двигательного аппарата. Составные части экзоскелетона: опорные стойки, башмаки и траверса с шарниром на ее центральной части, в котором вращается вал. Экзоскелетон вмонтирован в одетый на человека комбинезон, с помощью которого траверса закреплена на тазобедренной части. С помощью такого устройства пациенты могут ходить по горизонтальной, или с небольшим наклоном, опорной поверхности, подниматься и спускаться по ступеням, садиться и вставать.
Слайд 6. Воздушные мышцы (ВМ) — устройства, сжимающиеся или растягивающиеся под действием воздушного давления. Представляют собой герметичную оболочку в кожухе плетеном из нерастяжимых нитей. Так же как и человеческие мышцы. Достоинства :М обладают небольшим весом. Обладают простой конструкцией. Недостатки:Для работы ВМ необходимы система клапанов и компрессор.Система из пневмомышц чувствительна к давлению внешней среды. Оно меняет её характеристики, либо вообще делает работу системы невозможной.
Воздушная мышца представляет собой простое устройство, предложенное в 1950-х годах Дж. Л. МакКиббеном. Подобно биологическому прототипу воздушная мышца сокращается при активировании. Интересен тот факт, что воздушная мышца представляет собой достаточно точную копию биологической мышцы-прототипа, что позволяет исследователям, прикрепляя подобные мышцы к точкам скелета, соответствующим положению «живой» мускулатуры, моделировать биомеханические и иннервационные процессы низкого уровня, характерные для биологической мышцы.
Слайд 7. Воздушные мышцы находят применение в робототехнике, биомеханике, создании искусственных протезов конечностей и промышленности. Основной причиной, по которой экспериментаторы и любители охотно используют воздушные мышцы, является простота их конструкции и легкость использования в сравнении с обычными пневматическими цилиндрами. Воздушные мышцы имеют малый вес, «гибкую» конструкцию и высокое отношение развиваемой ими силы по отношению к собственному весу (400:1); они выдерживают продольное скручивание, не требуют параллельности закрепления концов и могут быть изогнуты внешним ограничителем без нарушения работы.
Принцип работы воздушной мышцы
Слайд 8.Воздушная мышца состоит из двух частей: внутренней растягивающейся мягкой резиновой трубки и внешней сетчатой ячеистой оплетки (рукава), изготовленного из капрона Резиновая трубка называется «внутренним пузырем» и заключена внутрь рукава оплетки. Воздушный патрубок на одном конце резиновой трубки и две петли на каждом из концов воздушной мышцы, позволяют прикрепить мышцу к остальной части конструкции.
При подаче давления во внутренний пузырь он расширяется и давит изнутри на стенки рукава оплетки, что вызывает увеличение его диаметра. Физические характеристики рукава таковы, что его продольное сокращение пропорционально увеличению его диаметра, что обусловливает появление силы сокращения в воздушной мышце.
Необходимо отметить, что для правильной работы мышцы в состоянии «покоя» она должна быть растянута или нагружена. В противном случае эффект сжатия не будет выражен
Слайд 9 Нитиноловая проволока
Нитинол представляет собой сплав, относящийся к классу материалов, обладающих «памятью» формы. Нитинол обычно выпускается в виде проволоки. При нагревании материал способен сокращаться до 10 % от первоначальной длины. Подобное сокращение способно производить линейное движение. Кроме свойства сокращения, этот сплав обладает свойством «памяти».
Эффект памяти является уникальным свойством этого сплава. При нагревании до температуры критического перехода сплав автоматически приобретает первоначально заданную форму. Процесс задания первоначальной формы, которую «помнит» материал, называется процедурой термального отжига. Сплав принудительно заключается в требуемую форму и подвергается процессу отжига при температуре выше критической. Такой процесс приводит к изменению кристаллической решетки сплава. После этого при любом повышении уровня температуры выше критической материал «вспомнит» приданную ему первоначально форму. Изделие из такого материала можно подвергать изгибу или скручиванию, но оно обязательно примет исходную форму при критическом нагревании.
Эти уникальные свойства определяются структурой кристаллической решетки сплава. Возвратная сила может достигать 1500 грамм на кв. см. Вряд ли кто-то будет использовать материал столь большого поперечного сечения. Даже достаточно тонкая проволока способна производить очень большую силу. К примеру, проволока диаметром 6 мм создает возвратную силу в 350 грамм.
Объем нитиноловой проволоки при сокращении до уровня 10 % остается постоянным. По мере сокращения ее диаметр пропорционально возрастает, обеспечивая постоянство объема.
Наиболее простым способом нагревания нитиноловой проволоки является пропускание через нее электрического постоянного тока (см. рис. 4.2) Однако длительное пропускание постоянного тока может привести к разрушению проволоки в силу ее неравномерного омического нагрева. Повреждений проволоки при нагревании и поддержании в нагретом состоянии можно избежать, использую широтно-импульсный источник постоянного тока.
Некоторые конструкторы роботов используют нитиноловую проволоку в приводе безмоторного шестиногого движущегося робота. Робот действительно способен передвигаться, но делает это крайне медленно, поскольку для цикла нагревания и охлаждения нитиноловой проволоки требуется значительное время. Конструкция такого шестиногого «ползающего» робота очень легка (он весит несколько унций), однако он имеет достаточную мощность, чтобы нести «на себе» собственный источник питания.
Для шестиногих «ползающих» роботов использование нитинола в качестве привода вряд ли оправдано, однако он находит много других интересных применений в конструкциях роботов. Для того чтобы подробнее ознакомиться с замечательными свойствами этого материала, посмотрим, как используется способность нитинола к сокращению в некоторых коммерческих игрушках. На рис. 4.3 изображена механическая бабочка, крылья которой приводятся в движение нитиноловой проволокой. В качестве интересной иллюстрации принципов робототехники, такая бабочка может быть присоединена к источнику питания на основе солнечной батареи.
Слайд 7. Клиническая биомеханика — научное направление, в котором с позиций механики и общей теории управления с помощью специализированных методов исследования изучается двигательная активность человека в норме и патологии[1]. В нашем понимании, клиническая биомеханика должна включаться в сам процесс диагностики, выбора метода лечения и оценки полученных результатов, являясь обязательным методом обследования в повседневной клинической практике ортопедических отделений, воплощая в жизнь крылатое высказывание М.И. Ситенко: «Биомеханика - философия ортопедического мышления»
Слайд 8..З аконы Фрайетта — законы биомеханики позвоночника, которые используются медицине для диагностики и лечения Первые два закона относятся только к грудному и поясничному отделу позвоночника, и разработаны доктором остеопатии Гарисоном Гербертом Фрайеттом еще в далеком 1918 году, третий закон был разработан доктором остеопатии С. Р. Нельсоном в 1948 году.Но так уже исторически сложилось называть эти законы по фамилии Фрайетта. Первый закон Фрайетта.Законы Фрайетта для биомеханики позвоночника Когда грудной и поясничный отделы позвоночника, находятся в нейтральном положении, связанные движения бокового наклона и ротации для группы позвонков таковы, что боковой наклон и ротация происходят в противоположных направлениях Второй закон Фрайетта.Когда грудной и поясничный отделы позвоночника достаточно наклонены вперед или назад, связанные движения сайдбендинга и ротации в отдельно взятом позвоночном сегменте происходят в одном направлении. Третий закон Фрайетта.Инициирование движения позвоночного сегмента в любой плоскости движения изменит движение этого сегмента в других плоскостях движения.
Слайд 9.Эргономика – это прикладная наука, изучающая адаптацию рабочего места к особенностям работника, при которой качество его работы возрастет. . Медицинская эргономика – это наука, помогающая эффективно совершать работу с минимальной затратой энергии: не нанося вреда своему здоровью. Приемы эргономики применимы в большинстве сфер медицинской деятельности.
Древние медики утверждали, что здоровье человека в значительной мере определяется благополучием его позвоночника. Это опора человека в прямом и переносном смысле слова. По данным зарубежной статистики, боль в спине является «эпидемией в здравоохранении», особенно среди медицинских сестер. Причинами болей в спине являются: Плохая поза – сутулость, «круглая» спина, приподнятые плечи, искривленный позвоночник, стояние или сидение согнувшись – все это накапливает напряжение в спине. Неправильная эргономическая оценка рабочей ситуации (подъем неадекватно тяжелого груза).
Травматическое повреждение, вызванное внезапным сильным напряжением в спине. Неправильное положение ног и спины при перемещении пациента.
