Zuster, heeft u een momentje?

Ondertitel

Momenten in een zorgrobot

1 / 24

Slide 1: Tekstslide

NatuurkundeMiddelbare schoolhavo, vwoLeerjaar 3

Les van 4TU.Schools

In deze les zitten 24 slides, met interactieve quizzen en tekstslides.

Lesduur is: 30 min

Dit is niet oké

Introductie

Binnen de context van een zorgrobot (die patiënten kan tillen) wordt geoefend met het rekenen aan krachtmomenten. Daarnaast volgen er een aantal verdiepende vragen die appelleren aan het inzicht van de leerlingen. daarbij gaat het vooral om het maken van ontwerpkeuzes.

Instructies

Voorkennis van leerlingen

Leerlingen hebben al kennis gemaakt en geoefend met het begrip Krachtmoment. In deze les wordt gerekend aan een situatie waarin 3 momenten tegelijk een rol spelen.

Voorbereiding van de docent

Neem de les een keer door.

Leerdoelen/vaardigheden

De leerling kan vertellen hoe krachtmomenten een rol spelen in een zorgrobot
De leerling kan op basis van krachtmomenten ontwerpkeuzes maken voor een zorgrobot.

Aansluiting curriculum

De les kan gebruikt worden binnen natuurkunde als oefening en verdieping bij het begrip Krachtmoment.

Feedback

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

ut.onl/docent4tu

Onderdelen in deze les

Ondertitel

Zuster, heeft u een momentje?

Momenten in een zorgrobot

Slide 1 - Tekstslide

Deze slide heeft geen instructies

Les 1. Wat is creativiteit?

Informatie voor de docent

Benodigdheden

Iconen

Zet het vinkje 'toon bij leerling' aan

Toon notities bij elke dia

Navigeren door de les

Klik hier

Hotspot met meer informatie

Rekenmachine voor elke leerling

Slide 2 - Tekstslide

Deze slide heeft geen instructies

Les 1. Wat is creativiteit?

Leerdoelen

Na deze les...

...kan ik momenten gebruiken om de krachten en armen te berekenen die van toepassing zijn in een zorgrobot.

... kan ik op basis van momenten ontwerpkeuzes maken voor een zorgrobot.

Slide 3 - Tekstslide

Deze slide heeft geen instructies

Les 1. Wat is creativiteit?

Slide 4 - Tekstslide

We zullen leren wat krachten zijn en hoe je ermee om kan gaan door een robot te analyseren die patienten verplaatst.

Les 1. Wat is creativiteit?

Voorkennis: Momenten

M = F \cdot r

Slide 5 - Tekstslide

M = F*r. Krachtmoment is de kracht keer de arm.

Als de kracht groter wordt, dan wordt het moment ook groter. Maar ook als de afstand groter wordt zal het moment groter worden.

Een deur gaat makkelijker open met een grotere deurklink en moeilijker als je een kleine deurklink hebt. Dit komt doordat het moment groter wordt als je de kracht verder van het draaipunt uitoefent. Hoe dichter je bij het draaipunt komt, hoe kleiner het moment wordt.
Als de kracht precies in het draaipunt wordt uitgeoefend, is het moment dus altijd nul.

Les 1. Wat is creativiteit?

Zorgrobot

Om te zorgen dat de robot niet omvalt ligt er een massa in de onderkant van de robot. Met een rails kan deze massa verplaatst worden binnen de onderkant van de robot.

Extra uitleg

Het rode blokje is de massa, het contragewicht, en de zwarte lijn is de rails. Het rode blokje kan over de zwarte lijn tussen twee rode punten bewegen. De plek van de massa wordt aangegeven door R<sub>c.</sub>

Slide 6 - Tekstslide

Hier zie je een vereenvoudigde tekening van de zorgrobot. De zorgrobot tilt hier een patiënt.

het draaipunt van de robot ligt bij het voorwiel.

Je ziet ook een tekening met de belangrijkste krachten. Deze patiënt heeft een bepaalde massa waar zwaartekracht op werkt. Dit is F_pers. Op de robot werkt ook een zwaartekracht. Dit is F_robot.
Om te zorgen dat de robot niet omvalt ligt er een massa in de onderkant van de robot. Met een rails kan deze massa verplaatst worden binnen de onderkant van de robot. Waar moet het zwaartepunt van de totale robot (body + extra massa + patiënt) liggen die een patiënt in diens armen heeft zonder dat de robot omvalt?

Vraag

Waar ligt het zwaartepunt van de totale robot?

1. In het midden van de patiënt

2. Links van het voorwiel van de robot

3. Tussen het voorwiel en het achterwiel

4. Rechts van het achterwiel van de robot

Slide 7 - Poll

Het antwoord: Tussen het rechterwiel en het linkerwiel.

Als het zwaartepunt buiten de wielen ligt, dan zal de robot kiepen en vallen. Dan ontstaat er een resulterend moment.

Les 1. Wat is creativiteit?

Omvallen?

De robot heeft een massa van 60 kg en het contragewicht weegt 40 kg. De patiënt weegt 80 kg.

Bereken de afstand r_c waar het contragewicht moet liggen zodat de robot niet omvalt.

Slide 8 - Tekstslide

Op de volgende slide volgt een meerkeuzevraag.

Les 1. Wat is creativiteit?

Omvallen?

De robot heeft een massa van 60 kg en het contragewicht weegt 40 kg. De patiënt weegt 80 kg.

Bereken de afstand r_c waar het contragewicht moet liggen zodat de robot niet omvalt.

M^{​ p a t i e n t ​ ​} = M^{​ r o b o t ​ ​} + M^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​}

80 \cdot g \cdot 0, 6 = 60 \cdot g \cdot 0, 2 + 40 \cdot g \cdot r^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​}

r^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​} = 0, 9 m

F^{​ p a t i e n t ​ ​} \cdot r^{​ p a t i e n t ​ ​} = F^{​ r o b o t ​ ​} \cdot r^{​ r o b o t ​ ​} + F^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​} \cdot r^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​}

m^{​ p a t i e n t ​ ​} \cdot g \cdot r^{​ p a t i e n t ​ ​} = m^{​ r o b o t ​ ​} \cdot g \cdot r^{​ r o b o t ​ ​} + m^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​} \cdot g \cdot r^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​}

Slide 9 - Tekstslide

Antwoord: r_c = 0.9 meter

Les 1. Wat is creativiteit?

Verdieping

In een verzorgingshuis wonen veel verschillende mensen. De robot gaat langs verschillende kamers om mensen te helpen. De robot helpt eerst Jannie om uit haar bed te komen, zij heeft een massa van 80 kg. Daarna rijdt hij door naar Aart, hij heeft een massa van 100 kg.

Wat moet er gebeuren met de afstand r_c om te zorgen dat de robot niet omvalt als hij Aart tilt?

Slide 10 - Tekstslide

Deze slide heeft geen instructies

Vraag

Aart is 20 kg zwaarder.

Hoe verandert de positie van het contragewicht?

1. Het gewicht kan op dezelfde plek blijven liggen.

2. Het gewicht moet meer achter in de robot liggen.

3. Het gewicht moet meer voor in de robot liggen.

4. Het gewicht moet met een constante snelheid naar de voorkant verplaatsen.

5. Het gewicht moet met een constante snelheid naar de achterkant verplaatsen.

Slide 11 - Poll

Antwoord: Het gewicht moet meer achterin de basis in de robot komen te liggen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Verdieping

Aart vindt het erg eng om opgetild te worden door de robot. Daarom hij vraagt aan de verzorger of de robot om kan vallen.
De verzorger stelt hem gerust dat de robot niet voorover kan vallen. Hij weet alleen niet zeker of de robot misschien zijwaarts of achterover zou kunnen vallen.

Kan de robot ook achterover vallen in deze situatie?

Slide 12 - Tekstslide

Op de volgende slide volgt een meerkeuzevraag.

Verdieping

Kan de robot achterover vallen?

1. Ja, als de patiënt lichter wordt, valt de robot achterover

2. Ja, als het gewicht helemaal voorin ligt, valt de robot

3. Nee, de robot is daar te zwaar voor.

4. Nee, de robot kan achteruit rijden

5. Nee, geen enkele massa heeft een zwaartepunt rechts van het achterwiel.

Slide 13 - Poll

Het antwoord: Nee, geen enkele massa heeft een zwaartepunt achter het achterwiel.

De robot kan dus niet achterover vallen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Verdieping

De patiënt mag niet te zwaar zijn, anders valt de robot om. De massa in de onderkant kan bewegen tussen r_c=0 m en r_c=1,5 m.

Bereken deze maximale massa van de patiënt.

Slide 14 - Tekstslide

Antwoord: maximale massa van de patiënt = 120 kg

Les 1. Wat is creativiteit?

Verdieping - antwoord

M^{​ p a t i e n t ​ ​} = M^{​ r o b o t ​ ​} + M^{​ g e w i c h t ​ ​}

0, 6 \cdot m^{​ p a t i e n t ​ ​} \cdot g = 0, 2 \cdot 60 \cdot g + 1, 5 \cdot 40 \cdot g

m^{​ p a t i e n t ​ ​} = 120 k g

F^{​ p a t i e n t ​ ​} \cdot r^{​ p a t i e n t ​ ​} = F^{​ r o b o t ​ ​} \cdot r^{​ r o b o t ​ ​} + F^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​} \cdot r^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​}

m^{​ p a t i e n t ​ ​} \cdot g \cdot r^{​ p a t i e n t ​ ​} = m^{​ r o b o t ​ ​} \cdot g \cdot r^{​ r o b o t ​ ​} + m^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​} \cdot g \cdot r^{​ c o n t r a g e w i c h t ​ ​}

Slide 15 - Tekstslide

Deze slide heeft geen instructies

Les 1. Wat is creativiteit?

Verdieping

De patiënt kan niet te zwaar zijn, dan valt de robot om. De maximale massa van de patiënt heb je bij de vorige vraag berekend als 120 kg.

Het bedrijf dat de robot heeft gemaakt heeft ook een maximaal toelaatbare massa in de handleiding gezet.

Zal de maximaal toelaatbare massa in de handleiding dezelfde zijn als die jij berekend hebt? Zo nee, waarom niet?

Slide 16 - Tekstslide

Deze slide heeft geen instructies

Les 1. Wat is creativiteit?

Verdieping

Nee, de berekende 120 kg is de grootste massa waarbij de robot nog net niet zal zal omvallen.

Als de patiënt echt 120 kg weegt, zal de robot bij een klein duwtje al omvallen.

Als de patiënt lichter is dan de maximale massa, dan ligt het zwaartepunt wat verder van het kantelpunt af. Bij een klein duwtje is er dan minder risico op omvallen.

Uit veiligheidsoverwegingen zal de handleiding een maximaal toelaatbare massa aangeven die kleiner is dan 120 kg.

Slide 17 - Tekstslide

Deze slide heeft geen instructies

Vraag

Het bedrijf dat de robots maakt, wil de robot aanpassen om ook zwaardere patiënten te kunnen tillen. Het bedrijf wil dit doen zonder grote aanpassingen te hoeven doen. Ze denken erover na om de robot zelf zwaarder te maken.

Zal dit werken?

1. Ja, vooral de bovenkant van de robot moet zwaarder worden. Dit geeft meer stabiliteit.

2. Ja, vooral de onderkant van de robot moet zwaarder worden. Dit geeft meer stabiliteit.

3. Nee, de robot valt dan sneller om. De maximale massa die de patiënt mag hebben gaat omlaag.

4. Dat zal geen verschil maken in de maximale massa die de patiënt mag hebben.

Slide 18 - Quizvraag

Laat deze slide weg als de verdiepende opdracht van slide 20 wordt gedaan.

Ja, als de robot een grotere massa heeft, dan breng je meer massa aan de rechterkant van het kantelpunt. Daardoor wordt het moment groter aan de rechterkant. Hierdoor kan de patiënt links van het kantelpunt ook een zwaardere massa hebben.

Door het gewicht onderin te leggen, zal de arm van dit gewicht laag blijven als de robot wel omvalt. Hierdoor valt de robot minder snel en wordt die stabieler.

Les 1. Wat is creativiteit?

Verdiepende opdracht

Op welke manier kan het ontwerp aangepast worden zodat de robot ook zwaardere patiënten kan dragen?

Vorm duo's en bereid een korte pitch van 1 minuut voor.
Bespreek in de pitch ook de natuurkundige achtergrond van je oplossing

timer

7:00

Slide 19 - Tekstslide

Dit is een verdiepende opdracht. Dit is in plaats van slide 19.

Afhankelijk van de beschikbare tijd kunnen grotere of kleinere teams gevormd worden. Zo zijn er minder of meer teams die een pitch moeten houden.

Tip:
Voor de pitch kunnen de leerlingen in de huid kruipen van een Technisch Verkoper. Het product moet aangeprezen worden, maar ook de technische (fysische) achtergrond moet goed uit de verf komen.
Doelgroep voor de pitch is de gebruiker op de werkvloer: Het verplegend personeel dat met de robot zal gaan werken.

Les 1. Wat is creativiteit?

Geïnspireerd?

Vond je dit een leuke les? Dan is één van de volgende vervolgopleidingen misschien iets voor jou.

Technische geneeskunde (universiteit)

<a href="https://www.wur.nl/nl/onderwijs-opleidingen/bachelor/bsc-opleidingen/bachelors-soil-water-atmosphere.htm"><b>https://www.utwente.nl/onderwijs/bachelor/opleidingen/technische-geneeskunde/</b></a>

Mechanical Engineering (werktuigbouwkunde) (universiteit)

<a href="https://www.universiteitleiden.nl/onderwijs/opleidingen/bachelor/biomedische-wetenschappen">https://www.utwente.nl/onderwijs/bachelor/opleidingen/mechanical-engineering/</a>

Bachelor werktuigbouwkunde (hbo)

<a href="https://www.hvhl.nl/opleidingen/hbo/milieukunde/">https://www.saxion.nl/opleidingen/voltijd/bachelor/werktuigbouwkunde</a>