Statisch gebalanceerd mechanisme

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Statisch gebalanceerd mechanisme"

Rebecca Claessens
7 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 Statisch gebalanceerd mechanisme Heb je je ooit afgevraagd hoe bijvoorbeeld een giraffe er in slaagt om z n kop op te tillen? Zo n zware kop op zo n lange nek, dat moet toch lastig gaan! Nu is uit onderzoek gebleken dat de nek van zo n dier eigenlijk een statisch gebalanceerd mechanisme bevat! Hoe dit werkt wordt hieronder uitgelegd. Om zware voorwerpen te tillen kun je twee dingen doen: je kunt een contragewicht met een scharnierende hefboom gebruiken om het voorwerp op te tillen (Figuur 2) of je kunt een veer met bevestigingspunt en een scharnierende hefboom gebruiken om het voorwerp op te tillen (Figuur 1). Deze constructies noemen we statisch gebalanceerde mechanismen. Gebalanceerd omdat het geheel in balans, in evenwicht is. En statisch omdat het evenwicht alleen geldt als het geheel niet beweegt. gewicht contragewicht gewicht scharnierpunt scharnierpunt hefboom veer Momentarm 1 Momentarm 2 Figuur 2: Tilconstructie met contragewicht Figuur 1: Tilconstructie met veer Bij statisch gebalanceerde mechanismen draait het allemaal om compensatie; meestal compensatie van het gewicht van een voorwerp. Door deze compensatie lijkt een gewicht niet zoveel te wegen of lijkt een kracht niet zo groot te zijn. Hoe werkt dit nu? Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 1 van 5

2 Momentevenwicht De sleutel ligt in het verschijnsel van momentevenwicht. Voor het optillen van een voorwerp is een bepaalde kracht nodig; hoe zwaarder het voorwerp, hoe groter de kracht die nodig is. Als twee gewichten met een hefboom aan elkaar verbonden worden kan het ene gewicht het andere gewicht als het ware optillen. Aan de ene kant merk je dan niet dat er aan de andere kant een gewicht hangt en het geheel blijft dan in evenwicht. Vergelijk het maar met een wip, dit is ook een hefboom met aan elke kant een gewicht. Het gewicht maal de afstand van het gewicht tot het scharnierpunt (de momentarm, zie Figuur 2) noem je het moment. Voor evenwicht moet het moment aan de ene kant van het scharnierpunt even groot zijn als het moment aan de andere kant. Als het ene gewicht zwaarder is dan het andere moet het lichtere gewicht dus verder van het scharnierpunt bevestigd worden om in evenwicht te zijn met het zwaardere gewicht. In Figuur 2 is het linker gewicht lichter dan het rechter gewicht. Momentarm 1 moet dus groter zijn dan momentarm 2. Stel dat gewicht 1 = 2 kg weegt en gewicht 2 = 4 kg, dan is dit in evenwicht als momentarm 1 = 2 meter en moment arm 1 = 1 meter (2 kg x 2 m = 4 kg x 1 m). Een veer kan echter ook kracht leveren! Hoe verder een veer uitgerekt wordt, hoe meer kracht de veer kan leveren. In plaats van een zwaar extra gewicht kun je dus ook een veer plaatsen. Als je de juiste veer precies op de goede plek monteert levert de veer in elke stand de juiste kracht om de hefboom in evenwicht te brengen. Het voordeel van dit mechanisme is dat je geen extra gewicht nodig hebt zodat het geheel lichter is. Zo doet een giraffe dat dus eigenlijk ook! Kijk maar in de volgende paragraaf. Statisch gebalanceerde mechanismen in de natuur Figuur 3 geeft een afbeelding met daarin schematisch de nek en de kop van een schaap in twee posities. Namelijk de kop omhoog (onderste plaatje) en de kop naar beneden om te grazen (bovenste plaatje). Om de kop van onder naar boven te bewegen is normaal gesproken een flinke krachtsinspanning nodig. Echter, aan de achterzijde van de nek zitten ligamenten die werken als een veer (het grijze gebied in Figuur 3). Een ligament is een stukje weefsel dat twee botten aan elkaar verbindt. Als de kop van het dier naar beneden beweegt wordt het ligament uitgerekt; zoals bij een veer wordt nu de potentiële energie van de kop en de nek opgeslagen in het ligament. Als de kop nu omhoog bewogen moet worden komt de opgeslagen energie weer vrij en is slechts een kleine krachtsinspanning nodig om de kop op te richten. Of, als er wel een behoorlijke kracht geleverd wordt de kop erg snel omhoog te brengen. Dit is noodzakelijk om bijvoorbeeld snel op dreigend gevaar te kunnen reageren. Figuur 3: Nek en kop van een schaap Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 2 van 5

3 Statisch gebalanceerde mechanismen in de medische techniek In de medische techniek worden statisch gebalanceerde mechanismen voor verschillende doeleinden gebruikt. Eén van de toepassingen is de ARMON (Figuur 4), een statisch gebalanceerde armsteun. De ARMON is een uitvinding van Just Herder, onderzoeker aan de TU Delft. Wereldwijd lijdt een flinke groep mensen aan één of andere neuromusculaire aandoening (bijvoorbeeld SMA, Spinale Musculaire Atrofie), waarbij spieren niet of nauwelijks meer gebuikt kunnen worden. Deze mensen moeten bij al hun bezigheden geholpen worden. Door deze Figuur 4: ARMON armsteun mensen goede hulpmiddelen aan te bieden worden ze minder afhankelijk van derden en daardoor een stuk zelfstandiger. Er zijn verschillende mogelijkheden om deze patiënten te ondersteunen. Er zijn bijvoorbeeld robotarmen die op een rolstoel gemonteerd worden. Met deze arm kan de patient allerlei handelingen uitvoeren en voorwerpen grijpen met een robothand die aan het uiteinde van de arm gemonteerd is. Een andere categorie is een soort robotarm waarmee de arm van een patiënt bewogen kan worden. De patiënt kan nu zijn of haar eigen arm gebruiken om dingen te grijpen. Een derde categorie bestaat uit statisch gebalanceerde mechanismen die het gewicht van ledematen neutraliseren. De arm wordt eigenlijk gewichtloos; er is geen kracht meer nodig om de arm omhoog te houden. De gebruiker hoeft alleen een kleine kracht te leveren om een arm in beweging te zetten. Het voordeel van deze laatste categorie is dat er geen energiebron nodig is om het geheel te bedienen, zoals bij de andere twee wel het geval is. Verder wordt de patiënt gestimuleerd en in staat gesteld om het laatste beetje kracht dat nog aanwezig is te blijven gebruiken waardoor het verder aftakelen van de spieren geremd wordt. De ARMON is een voorbeeld van een dergelijk systeem. Figuur 5: Krachtenmodel van de ondersteunde arm In Figuur 5 is een biomechanische analyse te zien van de menselijke arm. CCM is het massamiddelpunt van de onderarm. Als de arm in dit punt ondersteund wordt is Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 3 van 5

4 de arm in evenwicht en kan de arm gebalanceerd worden. In Figuur 6 is een schematische voorstelling gegeven van het ARMON concept. De ARMON bestaat uit een parallellogram constructie waarvan één van de zijden verlengd is. Aan deze lange zijde is een armsteun bevestigd die ondersteund in het massamiddelpunt van de onderarm. Eén hoekpunt van het parallellogram is scharnierend opgehangen aan een steun (groene punt in Figuur 6). Aan deze steun zijn ook een tweetal veren bevestigd (rode lijnen in Figuur 6). Deze veren balanceren de steun en de arm van de gebruiker. De gebruiker hoeft nu alleen een klein beetje kracht uit te oefenen om de arm te in beweging te zetten; de massa van de arm hoeft niet opgetild te worden. De eerste versie van de ARMON is te zien in Figuur 7, waar de werking ervan gedemonstreerd wordt door een gebruiker. Figuur 6: Concept armsteun ARMON Figuur 7: ARMON Mark 1 gedemonstreerd door een gebruiker Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 4 van 5

5 Figuur 8: ARMON Mark III Nadat de ARMON Mark I getest was door verschillende gebruikers is besloten om het hulpmiddel verder te ontwikkelen en op de markt te brengen. Dit ontwikkelwerk wordt uitgevoerd door Microgravity Products. Op dit moment wordt daar de ARMON Mark III ontwikkeld (Figuur 8). Hiermee kan de levenskwaliteit en de zelfstandigheid van veel mensen met een spierziekte aanzienlijk worden verbeterd! Met de ARMON is er een veelbelovend product onstaan, als resultaat van Biologically Inspired onderzoek. Referenties Gebruikte afbeeldingen zijn afkomstig van dr. ir. Just L Herder, tenzij anders vermeld. Meer over de ARMON en andere statisch gebalanceerde mechanismen: Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 5 van 5

Vergelijkbare documenten

Informatiebrochure Armon Elemento

Informatiebrochure Armon Elemento Bedrijfsprofiel Armon Products, onderdeel van Microgravity Products B.V. is leider in kwalitatieve en geavanceerde armondersteuningen. Hoofdkantoor: Rotterdam Microgravity