Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Design of biomechatronical systems
Tok studiów:
2013/2014
Kod:
EIB-2-205-HC-s
Wydział:
Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej
Poziom studiów:
Studia II stopnia
Specjalność:
Emerging Health Care Technologies
Kierunek:
Inżynieria Biomedyczna
Semestr:
2
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Angielski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Osoba odpowiedzialna:
dr hab. inż, prof. AGH Iwaniec Marek (iwaniec@agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
dr hab. inż, prof. AGH Sidor Jan (jsidor@agh.edu.pl)
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)
Krótka charakterystyka modułu

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 podstawową wiedzę z zakresu modelowania układów biologicznych i technicznych oraz inżynierskich metod obliczeniowych IB2A_W11, IB2A_W01 Aktywność na zajęciach
M_W002 Ma wiedzę dotyczącą projektowania podstawowych zespołow urządzeń medycznych i rehabilitacyjnych i ich bezpiecznego użytkowania IB2A_W01, IB2A_W10 Aktywność na zajęciach
Umiejętności
M_U001 Ma umiejętności twórczego powiązania wiedzy medycznej z metodami projektowania i prototypowania w celu budowy innowacyjnego sprzętu medycznego IB2A_U08, IB2A_U06, IB2A_U07 Aktywność na zajęciach
Kompetencje społeczne
M_K001 Ma umiejętność poszukiwania nowych rozwiązań pomagających rozwiązywać problemy pacjenta i personeku medycznego IB2A_K04, IB2A_K01 Aktywność na zajęciach
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Inne
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
E-learning
Wiedza
M_W001 Ma podstawową wiedzę z zakresu modelowania układów biologicznych i technicznych oraz inżynierskich metod obliczeniowych + + + - + - - - - - -
M_W002 Ma wiedzę dotyczącą projektowania podstawowych zespołow urządzeń medycznych i rehabilitacyjnych i ich bezpiecznego użytkowania + + + - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Ma umiejętności twórczego powiązania wiedzy medycznej z metodami projektowania i prototypowania w celu budowy innowacyjnego sprzętu medycznego - + - - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Ma umiejętność poszukiwania nowych rozwiązań pomagających rozwiązywać problemy pacjenta i personeku medycznego - - + - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:
  1. Models of continuous systems

    Equation of motion of simply supported beam. Boundary and initial conditions. Eigenvalue problem. Natural frequencies and mode shapes. Application of continuous systems models.

    Równanie ruchu belki swobodnie podpartej. Warunki brzegowe i początkowe. Zagadnienie własne. Postacie i częstotliwości drgań własnych. Zastosowanie modeli układów ciągłych.

  2. Examples of modeling medical and rehabilitation equipement and biomechanical systems using finite element method

    13. Przykłady modelowania konstrukcji sprzętu medycznego i rehabilitacyjnego oraz układów biomechanicznych metodą elementów skończonych

  3. Selected manufacturing technologies of biomechanical systems

    14. Wybrane technologie wytwarzania konstrukcji biomechanicznych

    szczególna uwaga zostanie poświęcona technikom szybkiego prototypowania np. indywidualnych implantów medycznych.

    Special attention will be paid to rapid prototyping techniques i.e. individual implants.

  4. 4. Bezpieczeństwo konstrukcji. Mechanizmy zniszczenia

    Zagadnienie bezpieczeństwa konstrukcji. Kryteria zniszczenia. Hipotezy wytrzymałościowe materiałów izotropowych. Mechanika pękania. Metody hamowania propagacji szczeliny. Zmęczenie materiałów.

    Construction safety issue. Failure criteria. Yield criteria of isotropic materials. Fracture mechanics. Inhibition methods of crack propagation. Materials fatigue.

  5. 1. Cel, metody analizy oraz projektowania konstrukcji biomechanicznych i biomechatronicznych

    Wprowadzenie oraz określenie głównych obszary wiedzy z zakresu modelowania i projektowania konstrukcji oraz jej wytwarzania

    Introduction and definition of major fields in modeling, designing and manufacturing.

  6. 2. Główne problemy inżynierskie w procesie projektowania

    Ogólne zasady projektowania. Kryteria oceny obiektu. Ograniczenia w procesie projektowania. Struktura wybranych maszyn oraz urządzeń inżynierii medycznej.

    General principles of designing. Assessment of object criteria. Limitations in designing process. Strucutre of chosen machines and bioengineering devices.

  7. 3. Stan naprężenia i stan odkształcenia.

    Siły zewnętrzne i wewnętrzne. Naprężenia. Materiał rzeczywisty i jego idealizacja. Ciała izotropowe i anizotropowe. Płaski stan naprężenia. Koło Mora. Kierunki główne i naprężenia główne. Maksymalne naprężenia styczne.
    Zmiana objętości i kształtu.

    Internal and external forces. Stresses. True material descpription and its idealization. Isotropic and anisotropic materials. Plane stress. Mohr’s circle. Principal direction and principal stresses. Maximum shear stresses. Shape and volume change.

  8. Efficiency of machines. Balancing of machines and mechanism.

    Sprawność mechanizmów. Wyrównoważanie maszyn i mechanizmów

  9. Designing and selection of the drive unit

    9. Projektowanie i dobór zespołu napędowego

  10. Exapmles of devices and processes in pharmaceutical and food industry

    10. Przykłady konstrukcji urządzeń oraz procesów w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym

  11. Kinematic analysis of spur gear. Division of transmission. Calculation of planetary gear and spur gear.

    Analiza kinematyczna przekładni kołowych Podział przekładni. Obliczenia przełożenia przekładni zwykłych i planetarnych.

  12. Designing of milling process and mill structure in pharmaceutical industry.

    11. Projektowanie procesu mielenie oraz konstrukcji młynów do mielenia materiałów w przemyśle farmaceutycznym. .

    Algorytm doboru parametrów procesu mielenia oraz projektowania konstrukcji młynów do mielenia wybranych materiałów

    Algorithm of parameters selection in milling process. Design algorithm of mills used to milling selected materials.

  13. 5. Vibration

    Drgania układu o jednym stopniu swobody. Warunki powstawania i propagacji. Metody ograniczania drgań

    Vibration of sigle degree of freedom systems. Condtion of formation and propagation of vibration. Systems and methods for limiting vibration.

  14. Designing of vibroinsulation systems

    Algorytm projektowania wibroizolacji czynnej i biernej/przemieszczeniowej. Materiały i konstrukcje. Wpływ drgań na maszyny i człowieka.

    Algorithm of designing active and passive vibroinsulation. Materials and design solution. Influence of vibration on machines and human body.

Konwersatorium:
-
Ćwiczenia audytoryjne:
  1. Static calculation using FEM

    1. Obliczenia statyczne metodą MES

    Obliczenia statyczne układów kratowych. Wyliczanie sił w węzłach. Dobór odpowiednich kształtowników.
    Kryteria wytrzymałościowe dla układów cienkościennych. Obliczenia prostych układów cienkościennych.

    Static calculation of truss structures. Calculation of forces and reactions. Selection suitable profiles. Strength criteria for thin-walled systems. Calculation of simple thin-walled structures.

  2. Implementation of meterial properties in FEM models

    2. implementacja własności materiałów w modelach MES

    Opis modeli ciała izotropowego, ortotropowego i anizotropowego. Hipotezy wytrzymałościowe jako narzędzie badania wytężenia konstrukcji.

    Description of izotropic, ortotropic and anisotropic model. Yield criteria as a tool to study state of construction.

  3. Buckling analysis

    Critical force definition. Slenderness of the column. Definition of effective length of the column. Euler, Tetmajer-Jasinski and Johnson-Ostenfeld curves.

    Pojęcie siły krytycznej. Smukłość pręta. Pojęcie długości wyboczeniowej. Wyboczenie w zakresie sprężystym materiału. Krzywe Eulera, Tetmajera-Jasińskiego Johnsona-Ostenfelda.

  4. Bone stabilizator model.

    4. Model konstrukcji stabilizatora kości

    Przykład wykonanie modelu MES płytkowegop stabilizatora kości

    Example of FEM model of fracture stabilization with external fixation.

  5. Development of designing assumption for ball mill

    Opracowanie założeń konstrukcyjnych młyna kulowego do mielenia wybranych biomateriałów

    Projektowanie parametrów procesu technologicznego.
    Opracowanie koncepcji konstrukcji młyna kulowego do mielenia zadanych materiałów.

    Designing parameters of technological process. Development of design concept of ball mill to milling selected biomaterials.

  6. Conversion of CAD models to solid models created in FEM environment

    Konwersja modeli CAD do modeli bryłowych tworzonych w środowisku MES

    Import plików CAD do środowiska MES. Usuwanie błędów. Tworzenie modelu bryłowego. Podział na elementy skończone.

    CAD files import to FEM environment. Cleaning geometry. Creating solid model. Meshing.

  7. Study on forces carried by stabilizer

    Badanie sił przenoszonych przez konstrukcję stabilizatora

    Analiza stanu wytężenia w układzie stabilizator-kość.

    Analysis of strain-stress state in bone-stabilizer system.

  8. Selection of drive unit

    Mass and torque reduction on machine shaft. Force and efficiency analysis. Selection of the motor.

    Redukcja mas i momentów na wał maszyny. Analiza sił i sprawności.Dobór silnika.

Ćwiczenia laboratoryjne:
  1. Creating FEM models simple mechanical systems

    1. Budowa modeli MES prostych układów mechanicznych

    Poznanie podstawowych pojęć: funkcje kształtu, dyskretyzacja, agregacja macierzy sztywności, przypisywanie warunków brzegowych.

    Introduction and basic concepts: shape function, dyscretization, aggregation of stiffness matrix, assigning boundary condition.

  2. Interaction modeling biological and mechanical systems.

    6. Modelowanie współpracy układów biologicznych i mechanicznych

    Badanie dynamiki współpracy układów biologicznych i mechanicznych. Zastosowanie pojęcia zastępczej sztywności oraz masy modalnej do oceny jakości połączenia implant-kość.

    Investigation of dynamic interaction between biological and mechanical structures. Application of modal mass and reduced stiffness to assess quality of the connection bone-implant.

  3. FEM analysis of strain-stress state and stability of biomechanical systems.

    4. Analiza MES wyteżenia oraz stateczności układów biomechanicznych

    Obliczenia odkształceń i naprężeń w modelu implant-kość.
    Symulacja wyboczenia dla układów jedno-, dwu- i trójwymiarowych. Analiza wyższych postaci wyboczeniowych. Stateczność w konstrukcjach sprzętu medycznego.

    Calculation of strains and stress in bone-implant model. Buckling analysis for 1-, 2- and 3-dimension systems. Analysis of higher buckling modes. Stability of constructions in medical equipement.

  4. FEM as a tool to investigate the dynamics of selected designs of medical equipement

    5. Wykorzystanie MES do badania dynamiki wybranych konstrukcji sprzętu medycznego

    Badanie dynamiki przykładowych rozwiązań konstrukcji sprzętu medycznego za pomocą metody elementów skończonych. Wpływ sztywności układu na zmianę częstotliwości i postaci drgań własnych. Przeprowadzanie modyfikacji układu w celu otrzymania żądanych jego parametrów.

    Investigation of dynamics of sample solution of medical equipment using finite element method. Infulence of structure stiffness on changes of natural freqencies and mode shapes. Structure modification in oreder to obtain desired parameters.

  5. Designing vibroinsulation systems

    8. Projektowanie układu wibroizolacji

    Synteza struktury układu wibroizolacji. Wyznaczanie odpowiedzi dynamicznej projektowanego układu.

    Structure syntesis of vibroinsulation system. Determining dynamic response of the designed structure.

  6. Creating FEM models of bone tissue

    3. Budowa modeli MES tkanki kostnej

    Zastosowanie opisu materiału izotropowego, ortotropowego, anizotropowego przy budowie modeli MES tkanki kostnej.
    Wprowadzenie do modeli tkanki kostnej nieliniowości: materiałowych, geometrycznych i warunków brzegowych.

    Application of isotropic, ortotropic, anisotropic material description to create FEM model of bone tissue. Introduction of nonlinearity: material, geometric, boundary condition.

  7. Modeling truss and thin-walled strucutres.

    2. Modelowanie układów ramowych i cienkościennych

    Modelowanie płaskich i przestrzennych układów kratownicowych – elementów konstrukcji sprzętu rehabilitacyjnego za pomocą metody elementów skończonyc. Przeprowadzanie symulacji dla zagadnień statycznych.
    Badanie stanu wytężenia cienkościennych elementów sprzętu medycznego za pomocą metody elementów skończonych. Zastosowanie hipotez wytrzymałościowych (HMH, Treski, maksymalnych naprężeń głównych) do oceny wytężenia konstrukcji.

    Modeling plane and spatial frame structures – parts of the rehabilitation equipement using finite element method. Carry out simulation for static problems.
    Study on strain-stress state of thin-walled parts used in rehabilitation equipement. Usage of yield criteria (HMH, Tresca Criteria, Maximum Principal Stress) to assessment of strain-stress state.

  8. Measurement of operational quantity of ball mill

    7. Pomiary wielkości eksploatacyjnych młynów kulowych

    Badanie parametrów procesu technologicznego mielenia biomateriałów.
    Pomiary eksploatacyjne przykładowych konstrukcji młynów kulowych.

    Investigation of technological process parameters of the biomaterials milling.
    Operational measurement sample ball mill designs.

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 125 godz
Punkty ECTS za moduł 5 ECTS
Udział w wykładach 30 godz
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 15 godz
Udział w ćwiczeniach audytoryjnych 15 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 4 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 40 godz
Wykonanie projektu 21 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

Średnia ważona z oceny kolokwium dotyczącego materiału wykładu, przygotowania teoretycznego do wykonywanych ćwiczeń laboratoryjnych, ocen sprawozdań zaliczanych w trakcie z Sposób obliczania oceny końcowej.

Fianl grade will be calculated according to weighted avarage from test grade in the last lecture, theoretical preparation in the laboratory, reports grades.

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.

Knowledge of physics, mathematics, anatomy aquired in previous semester for example: basic matrix algebra, techniques for solve eigenvalue problem, basic differential equations and techniques to solve them.

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
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