Translational motions in human knee joint model

Different authors are dealing with description of motion components of human knee joint. The relative motion between femur and tibia realized by knee joint is ensured by complicated condyle surfaces and ligaments. Main part of authors focus merely on rotational displacement of human knee joint such as flexion-extension, abduction-adduction, tibial rotation. In order to achieve implanted prostheses we have to recognize not only the rotational but also translational kinematical parameters of human knee joint. Authors of this paper for description of motion of knee joint joined coordinate-systems on the basis of anatomical landmarks to the femur and tibia moreover joined a threecylindrical mechanism as mechanical model to the axes of coordinate-systems. In 2nd phase authors determined the six independent kinematical parameters of tibia compared to the fixed femur during flexion and extension. The experimental examinations were carried out on cadaver knees. The positioning was tracked by optical positioning appliance

A kísérletek tervezésének módszerei

Minden kutatáshoz kísérleti vizsgálatok szükségesek. Ugyanakkor ezek egy része vagy elmarad, vagy esetenként hibákkal terhelt. A cikkben a szerző fel kívánja hívni a figyelmet kísérletek végzésének szükségességére, a leggyakrabban előforduló hibákra és ezek elkerülésére. Néhány módszert mutat be, amellyel egy és több változós esetben nem a mérést, hanem a jelenséget le lehet írni empirikus függvénnyel, ellenőrizni lehet annak helyességét. Mindezt előre tervezetten, a lehető legkevesebb munkával, azaz hatékonyan elvégezve

Introduction of computer aided method in education of mechanics at the Faculty of Engineering in University of Szeged

The spread of mass education in Hungary needs new methods in teaching of technical basic subjects. It is necessary because the quality of the education should be maintained in spite of the increase in the number of students. Department of Mechanics and Technical Drawing (Mechanical Engineering Faculty of Szent István University, Hungary) have developed and applied computer aided method for give out and correction mechanics homework in the full-time and distance education for the last fifteen years. Other Hungarian universities and colleges apply this method. The circle of such applied task types in the program package has been increasing continuously according to demand. First author applied a similar program package previously in Szolnok College. On the basis of experience of mechanics teachers using this method it is recommended to introduce it at the Faculty of Engineering in University of Szeged. In the frame of this paper the authors present the method and the program, moreover they summarize their gained experiences connccted to the applying of the program

Mezőgazdasági gépek fogaskerék-hajtóműveinek az optimálása

1. Meghatároztuk a szerszámgép-beállításnak és a fogakat megmunkáló szerszám geometriájának megfelelő fogfelületek valós geometriáját és az így kialakított fogak egymással történő kapcsolódásának a jellemzőit. 2. Új módszert dolgoztunk ki a pillanatnyilag kapcsolódó fogpárok közötti és a fogak menti terheléseloszlás számítására. Az új módszer alapgondolata, hogy terhelés alatt az elméleti pontérintkezés egy meghatározott vonal teljes hosszában, vagy részhosszában húzódó, kis szélességű, felületi érintkezésbe megy át. A módszer figyelembe veszi a fogak hajlításból és nyírásból eredő deformációját, a fogak lokális Hertz-féle összenyomódását, a tengelyek alakváltozását, a kapcsolódó fogaskerekek beállítási hibáit, valamint a csapágyakban fellépő hézagokat. A fogak deformációjának és a bennük fellépő feszültségek számítására egy külön végeselem módszert dolgoztunk ki. 3. Kidolgoztunk egy új módszert a hipoid fogaskerékpár és az íveltfogú kúpkerekpár termo-elasztohidrodinamikus kenésvizsgálatára4. Megalkottuk a megfelelő számítógépes programokat. 5. Eredmények: A szerszámprofil körívsugarainak, illetve a szerszám átmérőjének optimálásával a maximális fogfelületi nyomás 16.22 %-kal, a hajtott kerék szögelfordulási hibája pedig 178.72 %-kal csökkent, a gépbeállítási paraméterek helyes megválasztásával még további 5.8 %-kos, illetve 65.4 %-kos csökkenés érhető el. | 1. The tooth geometry due to cutter geometry and machine tool settings for pinion and gear teeth processing was defined. 2. A new method for load distribution calculation was developed: It was assumed that the theoretical point contact of the mismatched (modified) spiral bevel and hypoid gears under load spreads over a surface along the whole or part of the ?potential? contact line made up of the points of the mating teeth surfaces in which the separations of these surfaces along the tooth face width are minimal. The bending and shearing deflections of gear teeth, the local contact deformation of mating surfaces, gear body bending and torsion, the deflection of supporting shafts, and the manufacturing and alignment errors were included. A new finite element method for the calculation of tooth deflections and stresses was developed. 3. A new method for the thermal elastohydrodynamic analysis of lubrication in spiral bevel and hypoid gears was developed. 4. The corresponding computer programs were developed. 5. The obtained results: By applying the optimal geometry and diameter of the cutter for pinion processing the maximum tooth contact pressure was reduced by 16.22% and the angular position error of the driven gear by 178.72%. The optimization of the machine tool settings in pinion teeth processing yields to further reductions of 5.8% and 65.4%, respectively

Overall presentation of a knee prosthesis kinematics test machine

Jelen cikk célkitűzése, hogy egy, a teljes felszínpótló protézisek rotáció-flexió mozgásának vizsgálatához kifejlesztett mérési és minősítési módszert mutasson be. A tanulmány kronológiai sorrendben részletezi a protézisvizsgáló készülék fejlesztését, Krakovits Professzor úr témafelvetésétől egészen a napjainkban is üzemelő berendezés bemutatásáig. A vizsgálókészülék fejlesztése során a kiindulási paraméter a kutatócsoport által egészséges emberi térdízületre meghatározott mozgásfüggvény volt, amelyet úgynevezett célfüggvénynek1 nevezünk. A készülék a vizsgálandó térdprotézis mozgatását egy léptetőmotorral hajtja végre, a létrejövő rotáció-flexió értékeket (protézis geometria által generált) pedig inkrementális forgásjeladókkal rögzíti. A protézisvizsgáló készüléket egybeépítettük a kutatócsoportunk által fejlesztett cadaver vizsgáló készülékkel,2 ezáltal a cadaver és protézis mérési eredmények nagyfokúan összehasonlíthatóak. A másik fő cél annak bemutatása, hogy a teljes felszínpótló térdprotézisek3 (TKR) beültetési protokolljában4 az egyes protézis komponensekre megszabott beültetési pozíciók milyen hatást gyakorolnak a rotáció-flexió mozgásfüggvényre. A protézis vizsgálataink során egyedül a behajlító erőt vezéreljük, a protézis geometria és a beültetési paraméterek által létrehozott mozgásokat a készülék nem korlátozza. Méréseinket 0-120°-os flexiós tartományban, a quadriceps erő rögzítése mellett végeztük. Bebizonyítottuk, hogy azonos TKR geometria mellett az egyes beültetési paraméterek változtatása jelentősen befolyásolhatja a létrejövő kinematikát. A gyártók által javasolt optimális beültetési értékeket megvizsgáltuk, és matematikai háttérrel alátámasztottuk azokat. DOI: 10.17489/biohun/2017/1/05The main goal of this study is to present a measuring and qualifcation method which is developed to examine the rotation-flexion movement on total knee prostheses. The article chronologically presents the development of the knee prostheses examination machine. It starts form the topic suggestion form Professor Krakovits to the presentation of the nowadays still working machine. During the development of the knee prostheses test machine the start parameter was the motion function of the healthy human knee joint. We named it as a so called reference function.1 The machine performs the movement of the knee prosthesis under the examination with a stepper motor and records the rotation-flexion results (made by the prosthesis geometry) with incremental rotary encoders. We integrated the prosthesis test machine to the cadaver test rig2 which was made by our research team, therefore the cadaver and the prosthesis measurements are highly comparable.  The second main goal is to demonstrate the effect of the installation parameters to the TKR-s3 rotation-flexion movement which are defned in the knee prosthesis implantation protocol. 4 During our prosthesis tests we are controlling only the bending force. The geometry of the prosthesis and the implantation parameters creates the movements which are not limited by the device. Our measurements were performed in a flexion range of 0-120° where the flexion force is recorded. We demonstrated that under the same TKR geometry the change of the individual implantation parameters can signifcantly influence the outcome kinematics. We examined the optimal implantation parameters which are recommended by the manufacturers and we supported them with a mathematical background

Effects of TKR implantation methods on the kinematics of the knee joint

A jelen tanulmány azt a kérdéskört vizsgálja, hogy a teljes felszínpótló térdprotézisek beültetése során alkalmazott beültetési protokoll jellemzői miként vannak hatással a létrejövő új ízületi kinematikára. A protézis beültetések száma egyre nő, azonban az operáló orvos csak a gyártót és a méretet választhatja meg a gyártó által ajánlott protokollal. A jó protézis elvárt tulajdonsága, hogy jól beépíthető és tartós legyen, illetve javítsa a páciens életminőségét az által, hogy megfelelő rotációt biztosít a térd behajlítása során. Ennek eredményeként a protézis által létrehozott mozgás mindinkább megfeleljen a térd természetes kinematikájának. Az operáló orvos számára a protézis beültetési protokoll az egyes beültetési szögbeállításokra (a továbbiakban faktorokra) tartományokat, adott esetben javasolt értékeket ajánl. E beültetési tényezők rotációra gyakorolt együttes hatását mérjük fel és keressük az optimális beültetési értékeket annak érdekében, hogy a rotáció-flexió mozgás mindinkább közelítse az ízület valós mozgásátDOI: 10.17489/biohun/2015/1/02The following study examines the issues that how the implanting protocol’s features of TKR knee prosthesis affect the new knee kinematics. The number of implanted prostheses are increasing, but surgeons can only chose the manufacturer and the size of the prostheses with the recommended implanting protocol. From a good prosthesis it is required to be well implantable and durable, on the other side it should improve the patient’s quality of life by ensuring the required knee rotation during the flexion movement. The movement, which is allowed by the knee prosthesis, should meet even more the human knee movement. For the surgeon the prosthesis implanting protocol offers angle ranges (further factors) or optionally recommended values to each implanting factors. Our aim is evaluate the common effect of the implanting factors to the rotation, and we are trying to determine the optimal implanting factors to the rotation-flexion movement that should approach the original movement of the knee joint.DOI: 10.17489/biohun/2015/1/0

Textilkompozitok mezőgazdasági alkalmazásának mechanikai megalapozása = Substantiation of adaptation of composites in agriculture

A kutatás a textilkompozit rétegek anyagjellemzőinek megállapítási módjára dolgozott ki eljárást a mátrix és a szálanyag tulajdonságaiból meghatározva azt. Megállapította azokat a dimenzió nélküli tényezőket, amelyek hatással vannak az anyagtulajdonságra. Ezek függvényében végeselem eljárással térbeli cellamodellt alakított ki, amely alkalmas az anyagtulajdonságok számítására. A számítási módszert konkrét kísérleti eredményekkel ellenőrizve igazolta a számítási modell helyességét. A kutatás foglalkozott a textilkompozit lemez csillapításával is. Megállapította, hogy a belső csillapítás Coulomb csillapítással közelíthető. | The research developed method for the evaluation of the material properties of composites using the properties of the matrix and the reinforcement. Determined those dimensionless factors which affecting the composite's material properties. Developed the finite element spatial cell model of the composite which is capable to evaluate the composite's material properties. The evaluation method was checked and verified using experimental results. The research dealt with the damping properties of the composite plate. Ascertained, that the inner damping can be approximated using Coulomb damping

Determination of reference function to knee prosthesis rating

The knee joint is one of the most complicated joints in the human body. Fundamental knowledge about kinematics is essentially important in order to design knee prostheses which are functionally similar to the knee joint. In addition, the prosthesis should carry out similar kinematics, since only the geometrical resemblance is insufficient. As an initial step, an experimental apparatus, a test protocol and an evaluation method were developed which allows the investigation of the human knee joint kinematics. Based on the results of multiple experiments, a reference function was determined, which provides guidance on how the flexion-rotation function in the human knee joint can be described. The function also provides reference about the kinematics which should be defined in the design of prostheses, and to what extent does an arbitrary knee prosthesis follows the required kinematics. The definition of knee rotation is reported in this article.  DOI: 10.17489/biohun/2013/1/3

Mechanical model for estimating wear in tibio-femoral connection in total knee replacements

  A kopás olyan mechanikai faktor, amely az térdízületi implantátumok élettartamát legjelentősebben befolyásolja. Implantátumok esetében a kopás vizsgálatához különböző berendezésekkel (pin-on-disc, térd szimulátor) kísérleteket végeznek, amely kísérletekben több paraméter mellett, állandó csúszva-gördülési tényezőt alkalmaznak. Az utóbbi években megjelent cikkek alapján, több szerző cáfolja azt az állítást, hogy az állandó csúszva-gördülési tényező megfelelő lenne a modellezésnél. Ez a térdízület kapcsolódó geometriájának bonyolultságával indokolható, ami miatt a lokális kinematika is túl komplexé válik az ilyen egyszerű feltétel alkalmazhatóságához. Ebben a tanulmányban, a csúszva-gördülés változásának hatását kívánjuk bemutatni egy jól ismert mechanikai kopás modellen, az ún. Archard modellen. A modell által kimutathatóvá válik, hogy a kopás a korábbi eredményekkel ellentétben, 10% túlbecsült a 0 és 60 behajlítási fok közé eső tartományban, járás során, míg 65% alulbecsült a 0-120 behajlítási fok közé eső tartományban, guggolás során.  DOI: 10.17489/biohun/2017/1/06  Wear is considered the main mechanical factor that limits the lifetime duration of total knee replacements (TKRs). Among several parameters during wear experiments, constant slide-roll ratio (S/R ratio) is frequently applied during pin-on-disc tests and knee simulators. However, several papers showed that the idea of constant S/R ratio is not a proper approach if TKR wear is modelled due to the complex geometry. In this study, the signifcant effect of S/R on wear is demonstrated by involving a flexion angle dependent S/R ratio into Archard’s law during gait and squat motion. By including this new parameter, it is demonstrated that the earlier models with constant S/R ratio overestimated wear by approximately 10% from 0 to 60 degree of flexion angle during gait, while underestimated it by approximately 65% from 0 to 120 degree of flexion angle during squat

A tömegbetonok hőátadási tényezőjének becslési módszere

A tömegbetonokban a cement hidratációja során felszabaduló hőmennyiség, a mag és felszín között létrejövő különböző hőelvonás miatt, hőmérséklet-különbséget eredményez. Ez jelentős repedésveszélynek teszi ki a szerkezetet. A szerkezet és a környezet közötti termikus kapcsolatot a hőátadási tényező fejezi ki. Ennek értékét a szakirodalom becsli, nem ad módszert a meghatározására. Kutatásunk célja, hogy ennek a tényezőnek az átlagértékét egy összetett numerikus modellel becsüljük, amelynél a tömegbeton kockának a termikus viselkedését az azt körülvevő, jelentős méretű levegővel együtt modellezzük. Így a betontechnológusok számára megbízhatóbb, a szerkezet tönkremenetelét elkerülendő módszert adhatunk