Konstrukční a procesní inženýrství

Transkript

1 Virtual Prototyping Návrh a metodika výběru protézy dolní končetiny Název Doktorand Školitel Obor Virtual Prototyping Ing. David Paloušek doc. Ing. Josef Šupák Konstrukční a procesní inženýrství Měsíc a rok září, 2005

2 Cíle disertační práce Cílem disertační práce je návrh a metodika výběru vhodné protézy dolní končetiny pomocí nástrojů Virtual Prototypingu. Dílčí cíle Konstrukce a funkční ověření protézy dolní končetiny. Metodika výběru vhodného typu protézy pro pacienta. Využití 3D digitálních dat v dalších etapách výroby. Popsat a vysvětlit problematiku Virtual prototypingu v rámci Product Lifecycle Managementu Součástí práce bude příprava potřebných dat pro malosériovou výrobu a ověření vyrobitelnosti jednotlivých komponentů protézy 2

3 Členění prezentace Teoretická část Úvod do problematiky Virtual prototypingu Virtual prototyping Využití digitálních dat, PLM Praktická část Úvod do problematiky protéz dolních končetin Definice problému a cíl řešení Postup řešení Dosažené výsledky 3

4 Úvod Snižování nákladů a zvyšování kvality Digitální data Redukce času v návrhové etapě Redukce fyzických modelů a zkoušek Odhalení provozních problémů ještě během návrhu Minimalizaci nákladů, optimalizaci výroby a dodržení požadované kvality Komplexní informace Další využití digitálních dat 4

5 Virtual Prototyping Virtuální prototypy jsou definovány jako počítačová simulace technického problému a jeho subsystémů. Stupeň funkčního chování je srovnatelný s odpovídajícími fyzickými prototypy. Virtuálním prototypováním lze zredukovat počet fyzických modelů nebo i zcela vyloučit jejich použití. BUILD TEST REVIEW IMPROVE Geometrický model Výpočtový model Technologický model 5

6 Virtual Prototyping a etapy výroby VP ETAPA NÁVRHU Tvorba modelu Kontrola, analýzy ETAPA VÝROBY Simulace výrobních procesů Vizualizace Reklama Propagace, PR JAKOST A KVALITA Rapid Prototyping Tvorba fyzického modelu Reverse Engineering 3D skenování Výroba Výroba fyzické součásti 6

7 Virtual Prototyping a Produkt Lifecycle Management PLM (Produkt Lifecycle Management) je řízení informací o výrobku v celém jeho životním cyklu. Správa dat Zobrazování publikovaných dat Zobrazování nativních dat Výrobní simulace 2D a 3D dokumentace Řízení procesů Administrace Sdílení Výroba 2D 3D modelování Návrh Analýzy napětí a deformací Kinematika a dynamika Montážní dokumentace Doprovodná dokumentace Výrobní 2D dokumentace Poměrné zastoupení jednotlivých činností v rámci PLM (Autodesk) 7

8 Definice problému protéza dolní končetiny Na základě znalosti pohybu predikovat chování protézy Průběh chůze - jednotlivé fáze Pohyb těžiště Stojná fáze - obtížně řešitelné Švihová fáze - prostor pro virtuální model, definice problému 8

9 Základní rozdělení protéz dle typu amputace dle uspořádání - exoskeletární, endoskeletární dle určení - interim (včasné) protézy, protéza pro prvovybavení, funkční protéza, speciální typy protéz dle provedení - lůžko protézy, klouby, chodidlo, adaptéry 9

10 Rozdělení dle typu amputace AMPUTACE (ISO : 1989) PROTÉZA hemipelvektomie exartikulace v kyčli amputace ve stehně exartikulace v kolenu amputace v bérci amputace v hleznu amputace v noze lůžko protézy kyčelní kloub kolenní kloub spojovací adaptéry hlezenný kloub chodidlo 10

11 Rozdělení dle typu amputace - protézy ING corporation Amputace v noze (hleznu) Amputace v bérci Exartikulace v koleni Amputace ve stehně Exartikulace v kyčli 11

12 EXOSKELETÁRNÍ uspořádání protézy ENDOSKELETÁRNÍ klasické modulární zajištění vnějšího tvaru vnější tvar dílů kosmetický obal nosná funkce vnější tvar dílů vnitřní moduly konstrukční materiály ING corporation dřevo, plast plast, kovy 12

13 Lůžka A P M L ING corporation Plastové lůžko kontaktní Boční pohled Čelní pohled 13

14 Příklady kolenních kloubů ING corporation Kolenní kloub volný pohyb Kolenní kloub se zámkem Kolenní kloub s brzdou Kolenní kloub polycentrický 14

15 Protetická chodidla Klasický typ chodidel Dynamický typ chodidel Bez pohybu S pohybem Pružný skelet Biomechanický typ ING corporation 15

16 Průběh chůze Natočení spojů v rovině sagitální IC počáteční kontakt, OT zvednutí opačných prstů HR zdvih paty, OI opačný počátečný kontakt TO zvednutí prstů nohy, FA přilehnutí chodidla TV holeň ve vertikální rovině 16

17 Výběr fáze pohybu Stojná nebo švihová fáze pohybu? Stojná fáze Co získáme za informace? Měření Švihová fáze Ladění protézy, režimy chůze Protézový bérec - nadměrně nekývl ve směru flexe - včas vrátil do polohy extenze 2. vertikální složka reakční síly Sureflex (--- zdravá, protéza) 3. vertikální složka reakční síly Sach (--- zdravá, protéza) 17

18 Měření Tlakové desky, prostorové senzory, elektromyograf (EMG) flexe v kolenním kloubu vertikální složka reakční síly Sureflex (--- zdravá, protéza) vertikální složka reakční síly Sach (--- zdravá, protéza) flexe v kyčelním kloubu 18

19 Příklady různých řešení kolenního mechanismu Reverzní čtyřpákový mechanismus 3R66 of Otto Bock Tehlin Graphlite Šestipákový mechanismus (historie) 19

20 Postup řešení Metodika výběru vhodné protézy Ověření měřením Zvolená metoda Virtuální model 20

21 Dosažené výsledky digitální model Model protézy: proces návrhu, modifikovatelnost, výpočty Testování, zkoušky Výroba rapid prototyping, rapid tooling Vizualizace 21

22 Dosažené výsledky - digitální model protézy 22

23 Získání a využití digitálních dat v návrhové etapě Reverzní inženýrství 3D skenování Rekonstrukce 23

24 Využití digitálních dat v návrhové etapě Rapid Prototyping Rapid Tooling 24

25 Závěr a shrnutí Práce komplexně popisuje vznik virtuálního prototypu a na konkrétní úloze ukazuje možné využití digitálních dat. V předcházejících fázích práce bylo dosaženo výrazných úspěchů a ocenění. V další fázi bude práce pokračovat na vytvoření funkčního kinematicko-dynamického modelu. Pro zdárné dokončení disertační práce je zajištěná spolupráce s ING Corpotation s. r. o. a Fakultou tělesné kultury Palackého univerzity. 25

26 Děkuji za pozornost 26