HD6 phạm tiến hùng nghiên cứu, thiết kế mô hình máy trợ thở

Đáp ứng cho sự cần thiết về nhu cầu máy thở trong thời gian đại dịch, nhóm đề xuất nghiên cứu và thiết kế mô hình “Máy trợ thở” dựa trên mã nguồn mở từ hệ thống “MIT Emergency Ventilato

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

Hà Nội - 2022

Giáo viên hướng dẫn : ThS Phạm Tiến Hùng

Sinh viên thực hiện : Hoàng Văn Chiến 2018605238

Phạm Tiến Đạt 2018605525 Trần Quang Dự 2018605794 Lớp - khóa : Cơ điện tử 03 – K13

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu, thiết kế mô hình máy trợ thở

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

Mục lục I Danh Mục Bảng Biểu II Danh mục hình ảnh III

Lời nói đầu 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY TRỢ THỞ 3

1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển 3

1.2 Yêu cầu y tế đối với một máy thở 6

1.3 Phương pháp nghiên cứu 7

1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu 7

1.5 Ý nghĩa thực tiễn 8

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Tổng quan về máy thở và máy thở không xâm lấn 9

2.2 Nghiên cứu nguyên lý bóp bóng thở 10

2.3 Hệ thống điều khiển 13

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 14

3.1 Tổng quan về hệ thống 14

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí 18

3.3 Thiết kế phần điện 25

3.4 Thiết kế bộ điều khiển 35

3.5 Mô phỏng hệ thống 40

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 42

4.1 Đánh giá hệ thống 42

4.2 Định hướng phát triển 43

4.3 Kết luận 43

Tài liệu tham khảo 44

Phụ lục 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Bảng thông số giới hạn của mica 20Bảng 3.2: Bảng thông số thiết kế bánh răng 22

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Máy thở của nhóm nghiên cứu MIT 4

Hình 1.2: Máy thở ApolloBVM của trường đại học Rice 4

Hình 1.3: Máy thở EPU của đại học Điện Lực 5

Hình 1.4: Máy trợ thở của trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 5

Hình 1.5: Máy trợ thở của đại học Thái Nguyên 6

Hình 2.1: Tỷ lệ I:E của bệnh nhân bình thường 12

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 13

Hình 3.1: Hình ảnh minh họa cho tay kẹp 15

Hình 3.2: Cơ cấu bóp bóng Ambu sử dụng 2 tay kẹp 16

Hình 3.3: Tay kẹp liền với bánh răng 17

Hình 3.4: Cơ cấu truyền động bánh răng cho hai tay kẹp 17

Hình 3.5: Sơ đồ phân tích momen xoắn tác dụng lên cơ cấu kẹp 18

Hình 3.6: Bóng thở ambu 19

Hình 3.7: Phân tích lực tác dụng lên mỗi răng 20

Hình 3.8: Thông số thiết kế bánh răng trên inventor 21

Hình 3.9: Kết quả tính toán trên Inventor 21

Hình 3.10: Hình ảnh thiết kế tay bánh răng tay kẹp 23

Hình 3.11: Hình ảnh thực tế của tay kẹp 23

Hình 3.12: Hình ảnh thực tế bánh răng trên tay kẹp 24

Hình 3.13 Mạch Arduino Uno 25

Hình 3.14: Động cơ bước 57HS7630B6D8 26

Hình 3.15: Hộp giảm tốc hành tinh PX57N005S0 27

Hình 3.16: Cấu tạo của hộp giảm tốc hành tinh 27

Hình 3.17: Mạch điều khiển TB6560 28

Hình 3.18: Cảm biến áp suất BMP280 30

Hình 3.19: LCD 20x4 31

Hình 3.20: Module I2C 32

Hình 3.21: Biến trở đầu vào 32

Hình 3.22: Còi Buzzer 32

Hình 3.23: Nguồn tổ ong 33

Hình 3.24: Thiết kế mạch PCB trên ALTIUM 34

Hình 3.25: Mạch PCB thực tế 34

Hình 3.26: Sơ đồ kết nối 35

Hình 3.27: Hình ảnh sơ đồ khối hệ thống điều khiển 35

Hình 3.28: Lưu đồ thuật toán chương trình chính 38

Hình 3.29: Lưu đồ thuật toán hàm SETHOME 39

Hình 3.30: Lưu đồ thuật toán hàm DOCBIENTRO 39

Hình 3.31: Mô hình hệ thống trên Solidwork 1 40

Hình 3.32: Mô hình hệ thống trên Solidwork 2 40

Hình 3.33: Mô hình cụm tay kẹp 41

Hình 3.34: Mô hình cụm tay kẹp 41

Hình 4.1: Hình ảnh thực tế của hệ thống 42

LỜI NÓI ĐẦU

Trước diễn biến phức tạp của tình hình dịch bệnh COVID-19 trên thế giới, việc đáp ứng đủ nhu cầu máy thở cho hoạt động khám chữa bệnh nhân là đặc biệt quan trọng và cần thiết, liên quan trực tiếp đến tính mạng của người bệnh Khi dịch bệnh bùng phát mạnh, nhu cầu sử dụng máy thở tăng cao, khả năng đáp ứng máy thở sẽ gặp rất nhiều khó khăn Bên cạnh đó, việc nghiên cứu

và sản xuất các máy thở số lượng lớn gặp thách thức lớn khi máy thở có cấu tạo rất phức tạp

Đáp ứng cho sự cần thiết về nhu cầu máy thở trong thời gian đại dịch,

nhóm đề xuất nghiên cứu và thiết kế mô hình “Máy trợ thở” dựa trên mã nguồn

mở từ hệ thống “MIT Emergency Ventilator Project” của Viện Công nghệ

Massachusetts

Để hoàn thành báo cáo đồ án này chúng em muốn gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trường cùng toàn thể các thầy cô của Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và trang bị cho chúng em kiến thức

bổ ích Đặc biệt là các thầy cô giáo khoa Cơ Khí của trường, đã trang bị cho chúng em những kiến thức chuyên môn quý báu về ngành Cơ Điện Tử với những kiến thức toàn diện, thiết thực về ngành Và em xin gửi lời cám ơn sâu

sắc tới giảng viên – Ths Phạm Tiến Hùng, Thầy đã tận tình hướng dẫn chúng

em thời gian vừa qua, giúp đỡ cho chúng em có nhiều kiến thức thực tế hữu ích

về đồ án, đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành bài báo cáo này đúng thời gian quy định

Vì nội dung nghiên cứu và tìm hiểu của đồ án là tương đối rộng, kiến thức cũng kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nhóm em không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để bài báo cáo của chúng em được hoàn thiện hơn và cũng để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của mình

Cuối cùng em xin kính chúc quý thầy cô của trường sức khỏe, công tác

tốt hoàn thành tốt các công việc được giao Chúc cho nhà trường ngày càng

phát triển vững mạnh và tiếp tục đào tạo ra nhiều thế hệ sinh viên để phục vụ,

cống hiến cho đất nước

Em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

Hoàng Văn Chiến

Phạm Tiến Đạt

Trần Quang Dự

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY TRỢ THỞ 1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển

Trước diễn biến phức tạp của tình hình dịch bệnh COVID-19 trên thế giới, việc đáp ứng đủ nhu cầu máy thở cho hoạt động khám chữa bệnh nhân là đặc biệt quan trọng và cần thiết, liên quan trực tiếp đến tính mạng của người bệnh Khi dịch bệnh bùng phát mạnh, nhu cầu sử dụng máy thở tăng cao, khả năng đáp ứng máy thở sẽ gặp rất nhiều khó khăn Bên cạnh đó, việc nghiên cứu

và sản xuất các máy thở số lượng lớn gặp thách thức lớn khi máy thở có cấu tạo rất phức tạp

Máy trợ thở đơn giản là một nghiên cứu cần thiết Máy đáp ứng được cho sự thiếu hụt máy thở Máy trợ thở đơn giản là một hệ thống tự động bóp bóng Ambu thay thế cho việc bóp thủ công của các y bác sĩ

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Đại dịch Covid-19 đang khiến ngành y tế của nhiều nước trong tình cảnh quá tải, đặc biệt là thiếu hụt máy thở cho các bệnh nhân Không chỉ các hãng sản xuất máy thở chuyên dụng đang tăng cường sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu hiện nay, nhiều công ty khác, các hãng xe hơi, trường đại học nổi tiếng cũng đã bắt tay nghiên cứu và sản xuất các máy thở mới góp phần hỗ trợ tối đa nguồn lực phòng chống dịch bệnh hiện nay

Hình 1.1: Máy thở của nhóm nghiên cứu MIT Một nhóm các kỹ sư, bác sĩ và nhà khoa học máy tính tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) của Mỹ đang thiết kế một chiếc máy thở giá rẻ, có thể được lắp ráp nhanh chóng trên toàn cầu nhằm giải quyết tình trạng thiếu hụt trong đại dịch COVID-19

Hình 1.2: Máy thở ApolloBVM của trường đại học Rice

Nhóm thiết kế trường đại học Rice bao gồm các sinh viên, giảng viên phối hợp với công ty công nghệ Metric Technologies đã chế tạo ra một loại máy thở rẻ tiền có tên là ApolloBVM

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Với tình hình dịch COVID-19 diễn biến phức tạp trong nước, các trường đại học đã nhanh chóng bắt tay vào nghiên cứu tìm hiểu sản xuất các loại máy thở với chất lượng đảm bảo, giá rẻ, dễ dàng đáp ứng số lượng lớn trong tình huống khẩn cấp Giải pháp được rất nhiều các trường đại học lựa chọn là phát triển máy thở dựa trên nguồn mở có sẵn của dự án máy thở của nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT)

Hình 1.3: Máy thở EPU của đại học Điện Lực

Hình 1.4: Máy trợ thở của trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

Hình 1.5: Máy trợ thở của đại học Thái Nguyên

1.2 Yêu cầu y tế đối với một máy thở

Tidal Volume (TV): Thể tích lưu thông Vt

- Là thể tích khí được đưa vào trong mỗi chu kì thở

- Chỉ định Vt tùy theo tình trạng bệnh lý của bệnh nhân: Phổi “bình thường”: 10-15 ml/kg Phổi “nhỏ”, bệnh phổi tắc nghẽn: 5-8 ml/kg BPM: Nhịp thở mỗi phút

- Là tần số được đặt cho máy đối với người lớn thường cài đặt từ 10-20 nhịp/phút, trẻ sơ sinh 30 - 40 nhịp/phút, trẻ lớn 20 - 30 nhịp/phút

Tỉ lệ I/E: Tỉ lệ thời gian hô hấp hít vào/thở ra

- Ví dụ, tỉ lệ 1:3 có nghĩa là giai đoạn thở ra kèo dài gấp ba lần so với giai đoạn hít vào

- Thông thường thay đổi trong khoảng 1:1 đến 1:3, với tối đa 1:4 Nồng độ oxy trong khí thở vào FiO2:

- Thường đặt 100% khi bắt đầu cho thở máy, sau đó giảm dần tùy theo tình trạng BN, cố gắng giảm xuống dưới 60% để tránh nhiễm độc khí O2

- Duy trì FiO2 để giữ được PaO2 > 60 mmHg, SpO2 > 90% (SpO2:

độ bão hòa oxy trong máu; PaO2: phân áp oxy máu động mạch)

- Làm mở các phế nang, cải thiện tình trạng trao đổi khí (ARDS), phòng chống xẹp phổi, chống hiện tượng xẹp lòng phế quản

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên cơ sở lý thuyết và tính toán, thiết kế, chế tạo theo từng giai đoạn, sau đó tìm ra phương án hợp lý, đơn giản và tiết kiệm nhất Khảo sát thực

tế, tìm hiểu các mô hình sản phẩn đã hoàn thành, kế thừa những ưu điểm, tìm cách khắc phục những khuyết điểm để áp dụng vào thiết kế đề tài Sau khi tìm hiểu thực tế sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế cơ cấu truyền động Giai đoạn tiếp theo là tiến hành mô phỏng Giai đoạn cuối là kiểm nghiệm lại hệ thống, tìm ra những phương án chưa hợp lý từ đó sửa chữa và thay đổi phương án thiết kế kịp thời

Phương pháp thực hiện:

- Tham khảo và tổng hợp tài liệu từ các nguồn khác nhau

- Tiến hành mô phỏng và thử nghiệm

- Theo dõi, đánh giá, nhận xét các số liệu thực nghiệm

- Xử lý số liệu, tính toán và viết báo cáo

- Tiến hành thiết kế mô hình và vận hành thử nghiệm

1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu

Với đề tài nghiên cứu, thiết kế mô hình máy trợ thở đơn giản

Nhóm đưa ra nghiên cứu các vấn đề sau đây:

- Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống

- Tìm hiểu thế nào là thở không xâm nhập

- Tính toán các thông số như tần số thở BMP, tỉ lệ thời gian hít vào thở ra I:E, lưu lượng trong 1 lần bóp

- Tìm hiểu, nghiên cứu về hoạt động của cảm biến áp suất, động cơ bước, khối xử lý trung tâm (Arduino) phù hợp với đề tài Sơ đồ đấu nối và chương trình điều khiển

Máy có thể kiểm soát được toàn bộ hệ hô hấp của người bệnh, hỗ trợ bệnh nhân đối với trường hợp người bệnh không thể tự thở đến tự thở và các trường hợp ngưng thở đột ngột Vì vậy máy đóng một vai trò vô cùng quan trọng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về máy thở và máy thở không xâm lấn

Máy trợ thở chúng ta hiểu đơn giản là một thiết bị y tế được cấu tạo nhằm mục đích tạo ra một dòng khí với áp lực vừa đủ đưa thể tích khí vào phổi người bệnh nhân, giúp cho phổi thực hiện sự trao đổi khí ở những người mắc bệnh ngưng thở hoặc thở không hiệu quả

Máy trợ thở dựa vào nguyên tắc tạo ra một luồng không khí để giữ cho đường hô hấp trên mở trong khi ngủ Các dòng không khí được đẩy qua một ống thông qua một mặt nạ vào mặt sau của cổ họng

Máy thở không xâm lấn thực tế là máy thở hỗ trợ thở máy không xâm lấn Thở máy không xâm lấn (NIPPV) bao gồm: Thở máy hai mức áp lực dương (BiPAP) và Thở máy áp lực dương liên tục (CPAP)

CPAP (Continuous Positive Airway Pressure) là cài đặt một áp lực trong suốt thời kỳ thở vào và thở ra để làm thông những đường thở nhỏ và giữ các phế nang không bị xẹp cuối kỳ thở ra nhằm mục đích chống lại xẹp đường thở

và phế nang do ứ dịch; Tăng cường trao đổi khí; Di chuyển dịch ở trong phế nang vào trong mạch máu; Làm giảm công thở của bệnh nhân

CPAP giúp bệnh nhân tự thở, máy thổi một dòng khí vào phổi bệnh nhân tạo ra áp lực dương liên tục trên đường thở

BiPAP (Bilevel Positive Airway Pressure) bao gồm: IPAP: áp lực dương thở vào, tương đương với PSV và EPAP: áp lực dương thở ra, tương đương với PEEP

BiPAP là chế độ thở hỗ trợ hô hấp với 2 mức áp lực đường thở: thì hít vào (IPAP) và thở ra (EPAP) Được thiết kế kèm chức năng Auto-Trak và IPAP Rise-Time để tạo hiệu quả thông khí tối ưu

Vì vậy việc sử dụng máy thở không xâm lấn có nhiều ưu điểm cho bệnh nhân trong việc giao tiếp, ăn uống hay trong lúc điều trị

2.2 Nghiên cứu nguyên lý bóp bóng thở

Bóng Ambu là một trong những dụng cụ không thể thiếu trong quá trình hồi sức cấp cứu, việc sử dụng bóng Ambu một cách hiệu quả là bước quan trọng nhất trong quá trình cấp cứu những bệnh nhân có tình trạng suy hô hấp nặng, thở chậm hoặc ngừng thở, nạn nhân được gây mê Để trợ thở cho bệnh nhân đúng cách ta phải lưu ý những điểm sau:

- Thời gian cho mỗi chu kỳ bóp bóng thường từ 1,5 giây đến 5 giây ứng với tần số bóp bóng từ 40 lần/phút trở về 12 lần/phút

- Tần số bóp bóng tùy theo lứa tuổi hoặc cân nặng, đối với người lớn và trẻ lớn trên 15 kg thì số lần bóp bóng từ 12 đến 30 lần/phút, đối với trẻ nhỏ dưới 15 kg số lần bóp bóng từ 30 đến 40 lần/phút

- Áp lực bóp bóng: đối với trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ thì áp lực từ 15 đến

30 cmH2O, trẻ lớn và người lớn từ 30 đến 60 cmH2O Bình thường

áp lực bóp bóng là 40 cmH2O, bóp bóng đều đặn phù hợp với nhịp thở của bệnh nhân, không bóp quá mạnh hay bóp quá chậm Bóp bóng cho đến khi lồng ngực hay bụng nhô lên 1 cm đến 2 cm là

đủ Khi sử dụng máy bóp bóng cần phải đặt máy càng gần bệnh nhân càng tốt, để ngăn chặn tình trạng tái tạo khí CO2 do đường ống dẫn khí dài Qua các thông tin trên ta chỉ cần lưu ý đến các thông số như tần số, thời gian và áp lực

- Áp suất tối đa tại đường thở Pmax = 40 cmH2O

- Tốc độ hô hấp tối đa Rmax = 40 lần/phút

- Tỉ lệ I:E biểu thị tỉ lệ của mỗi chu kỳ hơi thở dành cho giai đoạn hít vào và thở ra Thời gian của mỗi giai đoạn sẽ phụ thuộc vào tỉ

lệ này kết hợp với tốc độ hô hấp chung Tổng thời gian của một chu kỳ hô hấp được xác định bằng cách lấy 60 giây chia cho tốc

độ hô hấp Thời gian hít vào và thời gian thở ra sau đó được xác định bằng cách chia nhỏ chu kỳ hô hấp dựa trên tỉ lệ đã thiết lập

Tỉ lệ I:E của bệnh nhân bình thường được thể hiện trên hình 2.1

Chế độ trợ thở tiêu chuẩn thường sử dụng tỉ lệ I:E là 1:2, hoặc cao đến 1:3 hoặc 1:4 trong một số trường hợp nhất định Trong những trường hợp này, giai đoạn thở ra được đặt lâu hơn giai đoạn hít vào để bắt chước gần giống nhịp thở sinh lý bình thường Ta chọn trường hợp nguy hiểm nhất đối với bệnh nhân mắc COVID-19 với tỉ lệ I:E = 1:4 Vậy thời gian một chu kỳ hô hấp sẽ được chia thành 5 phần bằng nhau Thể tích khí lưu thông trong một lần hít vào và thở ra bình thường: Vmax = 800 cm3 Trong trường hợp tối đa, động cơ cần phải nén không khí ở áp suất 40 cmH2O trong khoảng thời gian:

Tuy nhiên, một phần công suất được sử dụng để bóp bóng bị mất do biến dạng túi, ma sát và hãy ước tính rằng chỉ khoảng hơn 50% được chuyển đổi thành công suất Dựa vào những yếu tố về thiết kế cơ học của bộ kẹp bóp bóng, công suất ngõ ra cần thiết để có thể bóp được bóng Ambu còn phụ thuộc vào các đại lượng sau:

- Tần số bóp bóng tối đa ứng với tốc độ hô hấp tối đa: Rmax = 40 lần/phút

- Áp suất tối đa tại đường thở: Pmax = 40 cmH2O

- Tỷ lệ I:E ở mức cao: I:E = 1:4

- Lượng không khí tối đa cung cấp Vmax = 800 cm3

- Diện tích tiếp xúc tối đa của một bên tay kẹp với bề mặt bóng Ambu: Amax

- Chiều dài một bên tay kẹp: htay

- Góc quét một bên tay kẹp: αsweep

Hình 2.1: Tỷ lệ I:E của bệnh nhân bình thường

Từ các thông số trên ta tính được:

Thời gian bóp bóng tối đa trong 1 chu kỳ (giây) được tính như sau:

𝑃𝑡𝑎𝑦 = 2𝜏 ⋅ 𝜔𝑡𝑎𝑦 = 2𝜏(2𝜋

Tuy nhiên, một phần công suất được sử dụng để bóp bóng bị mất do biến dạng túi, ma sát và hãy ước tính rằng chỉ khoảng hơn 50% được chuyển đổi thành công suất Từ đây ta cần chọn động cơ có công suất:

2.3 Hệ thống điều khiển

Hệ thống bao gồm các khối sau:

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

- Không khí từ môi trường được đưa vào bóng Ambu, đi qua bộ lọc

- Sau đó dòng khí sẽ được đi vào đường thở của bệnh nhân thông qua

các đường ống và mặt nạ

- Ở chế đội “Manual” tín hiệu điều khiển là các giá trị điều chỉnh được

từ biến trở, hệ thống sẽ tính toán ra được thể tích và chu kỳ cho mỗi

nhịp thở

- Ở chế độ “Assist mode – hỗ trợ thở”, khi bệnh nhân hít cảm biến áp

suất nhận biết được sự thay đổi gửi tín hiệu về bộ điều khiển để điều

khiển động cơ để đồng bộ nhịp thở giữa bệnh nhân và nhịp bóp

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ

THỐNG

3.1 Tổng quan về hệ thống

3.1.1 Yêu cầu công suất lý thuyết

Không phụ thuộc vào thiết kế cơ học của bộ kẹp, công suất đầu ra yêu cầu có thể được tính toán từ các giá trị trường hợp xấu nhất của các biến sau:

• Áp suất tối đa tại đường thở: Pđường thở max = 40 cmH2O = 3922 Pa

• Tốc độ hô hấp tối đa: BPMmax = 40 (nhịp/phút)

• Tỷ lệ hít vào / thở ra tối thiểu: I:E = 1:4

• Đầu ra âm lượng tối đa: Vmax = 800 cm3 = 800*10-6 m3

Tức là, trong trường hợp xấu nhất, thiết bị cần ép không khí ở áp suất 40

cm H 2 O, trong 0,3 giây

(thít vào = 60 giây / BPM max / (1 + IE)) (3.1) Tốc độ dòng chảy theo thể tích cần thiết trong trường hợp xấu nhất (cao điểm) là:

Qđường thở = Vmax / thít vào = 0,0027 m 3 / s (3.2) Công suất đầu ra (ở dạng dòng thể tích có áp trong đường thở) là:

Pđường thở = Pđường thở max xQđường thở = 10,46W (3.3) Tuy nhiên, một số công suất được sử dụng để bóp túi bị mất (biến dạng túi, ma sát, v.v.) và chúng ta hãy ước tính rằng 50% được chuyển đổi thành lưu lượng thể tích có áp suất Có tính đến hiệu quả này, công suất cần thiết ở bộ kẹp là:

Pkẹp = 2xPđường thở = 20,92W (3.4) Công suất thực tế cần từ động cơ sẽ cao hơn, cao hơn bao nhiêu tùy thuộc vào thiết kế cơ điện Giả sử một nửa công suất đầu ra của động cơ bị mất do sự kém hiệu quả về cơ và điện (bánh răng, tản nhiệt, v.v.), thì sản lượng điện yêu cầu từ động cơ được cho bởi:

Pmotor = 2xPkẹp = 2x20,92 = 41,84 W (3.5)

3.1.2 Yêu cầu công suất cho tay kẹp

Hình 3.1: Hình ảnh minh họa cho tay kẹp Với điều kiện có thể đo được các đại lượng sau:

- Diện tích tiếp xúc giữa tay kẹp và bóng ambu

- Chiều dài cánh tay đòn

- Góc quét

Với kích thước bóng ambu đã chọn và tham khảo từ nguồn MIT, ta có:

- Diện tích tiếp xúc giữa tay kẹp và bóng ambu: Abag = 90

Bây giờ chúng ta có thể tính toán công suất cần thiết cho bộ kẹp hai ngón tay bằng cách sử dụng tốc độ góc quét (trong 0,3 giây):

3.1.3 Thiết kế cơ cấu kẹp bóng ambu

Hình 3.2: Cơ cấu bóp bóng Ambu sử dụng 2 tay kẹp

Hệ truyền động được chọn là bánh răng Tay kẹp được chế tạo nguyên khối với bánh răng

Hình 3.3: Tay kẹp liền với bánh răng

Hình 3.4: Cơ cấu truyền động bánh răng cho hai tay kẹp

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí

Thiết kế bộ truyền bánh răng

Hình 3.5: Sơ đồ phân tích momen xoắn tác dụng lên cơ cấu kẹp

Thông số đầu vào:

Hình 3.6: Bóng thở ambu Thông số bóng thở:

• Áp suất: 40 cmH2O

• Chiều dài: 115 mm

• Chiều rộng: 90 mm

• Diện tích tiếp xúc giữa bóng và tay kẹp: 103.5 cm2

• Lưu lượng tối đa: 800 mL

Từ những thông số yêu cầu trên và những thông tin tìm hiểu về yêu cầu

y tế, mô hình thực tế của các tổ chức khác đã thiết kế nhóm đưa ra thông số sơ

Tính toán lực tác dụng lên bánh răng

Hình 3.7: Phân tích lực tác dụng lên mỗi răng Lực vòng:

Fn = Ft ⋅ cos(φ) = 674,63⋅ cos (14,5) = 653,14N (3.12) Dùng Inventor kiểm tra lại thông số đã tính toán

- Chọn vật liệu: Mica chịu lực

Bảng 3.1: Bảng thông số giới hạn của mica

Nhập thông số thiết kế:

Hình 3.8: Thông số thiết kế bánh răng trên inventor

Số giờ làm việc: 365 ngày * 24 = 8760(giờ)

Hình 3.9: Kết quả tính toán trên Inventor

• Hệ số an toàn hành trình: SH = 1,485

• Hệ số an toàn vỡ răng: SF = 1,032

• Hệ số an toàn tiếp xúc: SHst = 11,402

• Hệ số an toàn uốn cong: SFst = 1,601

Ta thấy có hệ số an toàn vỡ răng hiển thị màu đỏ, cho thấy có nguy cơ

vỡ răng cao khi vận hành lâu dài

Do đây là mô hình thử nghiệm nên chúng em vẫn quyết định chọn vật liệu là mica cho mô hình để đồng bộ trong quá trình gia công

Vậy chúng ta có thể thiết kế bánh răng với thông số tính toán như sau:

Hình 3.10: Hình ảnh thiết kế tay bánh răng tay kẹp

Hình 3.11: Hình ảnh thực tế của tay kẹp

Hình 3.12: Hình ảnh thực tế bánh răng trên tay kẹp Sau khi gia công và những hình ảnh thực tế ta có thể thấy chất lượng gia

công đạt yêu cầu đề ra Mặc dù cắt bằng phương pháp laze có sai số nhất định

- 1 Thông số cảm biến để cập nhật liên tục: áp suất

- 2 nút nhấn: xác nhận thông số cài đặt (confirm) và dừng hoạt động (stop) (2 digital)

- 1 công tắc hành trình để định vị trí ban đầu (1 digital)

- Điều khiển động cơ: cấp xung PWM và điều khiển chiều quay (3 digital)

- 1 còi báo (1 digital)

- LCD: 6 chân digital hoặc sử dụng giao tiếp I2C chỉ tốn 2 chân SDA, SCL

➢ Tổng kết: 4 cổng analog, 11 cổng digital

➢ Chọn sử dụng mạch điều khiển là Arduino

- Arduino Mega: sẽ dư rất nhiều chân, gây lãng phí

- Arduino Uno: nếu sử dụng LCD bằng giao tiếp I2C sẽ mất hai chân analog A4(SDA), A5(SCL) nên không đủ cổng analog Sử dụng LCD theo cách thông thường sẽ vừa đủ các cổng cần thiết

- Chọn sử dụng mạch điều khiển Arduino Uno

Hình 3.13 Mạch Arduino Uno