Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật

Góc nghiêng cơ cấu đỡ chân và đầu được điều chỉnhbằng tay hoặc không điều chỉnh được, góc nghiêng của cơ cấu còn lại, chiều caocủa bàn phẫu thuật điều khiển được.. Với kiểu cơ cấu này th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-TRÂN THANH TRƯƠNG HAO

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, ĐIỀU KHIỂN BÀN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-TRÂN THANH TRƯƠNG HAO

NGHIÊN CỨU THIÊT KÊ, ĐIÊU KHIÊN BÀN

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS Nguyễn Tân

Tiên

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCMngày 16 tháng 08 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

1 TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửachữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TS Nguyễn Thanh Phương

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trân Thanh Trương Hao Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16/05/1987 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử MSHV: 1341840010

I- Tên đề tài:

Nghiên cứu thiêt kê, điêu khiên bàn phẫu thuật

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tìm hiểu về các vấn đề liên quan đến nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn

phẫu thuật

- Đề xuất và lựa chọn các phương án thiết kế

- Thiết kế bộ điều khiển hệ thống

- Thực nghiệm và kiểm tra kết quả

- Kết luận và hướng phát triển

III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/08/2015

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Nguyên Tân Tiên

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS TS Nguyên Tân Tiên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫncủa PGS TS.Nguyễn Tân Tiên, các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trungthực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đượccảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Trân Thanh Trương Hao

em hoàn thành luận văn Thạc Sĩ.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh lớp 13SCD11 đã cùng tôi sát cánh trongsuốt khóa học Thạc Sỹ tại trường, khoảng thời gian tuy không dài nhưng cũng để lạinhiều kỉ niệm không thể phai mờ

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên HitechMechatronicsLab đã sátcánh cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Trân Thanh Trương Hao

TÓM TẮT

Luận văn: “Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật” là đề tài có mụctiêu thiết kế một thiết bị dùng trong bệnh viện, được điều khiển để thay đổi tư thếcủa bệnh nhân nhằm phục vụ quá trình phẫu thuật Luận văn đã giải giải quyết cácvấn đề sau: là tính toán để lựa chọn vị trí đặt cơ cấu chấp hành, xây dựng giải thuậtđiều khiển và bộ điều khiển có độ ổn định và các chế độ điều khiển linh hoạt Kếtcấu cơ khí được thiết kế dựa trên tầm vóc trung bình của người Việt Nam, các cơcấu được bố trị gọn gàng tạo thuận lợi cho thao tác của bác sĩ Yếu tố vệ sinh – antoàn trong lĩnh vực y tế là yêu cầu luôn được quan tâm trong suốt quá trình thựchiện đề tài Cấu tạo, vật liệu, tính an toàn và độ cứng vững phải đảm bảo tiêu chuẩnquốc gia về bàn mổ đa năng (TCVN 6733: 2000)

ABSTRACT

In this study: “Research to design, control Surgical Table”, the study is purpose

to design an equipment in hospitals, Surgical Table can be change the patient'sposture to serve surgical process The study solved: the calculated choice actuatorplacement, building control algorithms and controller stability and flexible controlmode Structural engineering design is based on the average stature of Vietnamese,the structures are neatly arranged to facilitate the manipulation of an operator.Medical’s standard is concerned throughout the process to implement the project.Components, materials, safety and rigidity to ensure national standards forUniversal operating table (TCVN 6733: 2000)

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1.Đặt vấn đề 1

1.2 Lịch sử nghiên cứu .1

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bàn phẫu thuật 2

1.4 Kết luận .5

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 8

2.1 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần cơ .8

2.1.1 Các phương án khả thi 8

2.1.2 Tính toán thiết kế cơ khí 14

2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần điện .21

2.2.1 Tính toán sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu 23

2.2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi 27

2.2.2.1 Nguồn cung cấp và dự phòng 28

2.2.2.3 Khối hiển thị và bàn phím điều khiển .34

2.2.2.4 Bộ điều khiển cho cơ cấu chấp hành 34

2.2.2.5 Cảm biến đo góc quay 36

2.2.2.6 Bộ xử lý .37

2.2.2.7 Giao tiếp I2C [14] 42

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 44

3.1 Mục tiêu của bộ điều khiển 44

3.2 Màn hình hiển thị và nhút nhấn chọn chức năng 44

3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển 46

3.4 Giao tiếp giữa Master và Slave .46

3.5 Giải thuật điều khiển 47

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 57

4.1 Thực nghiệm phần cơ 57

4.2 Thực nghiệm phần điện và điều khiển 60

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69

5.1 Kết luận 69

5.2 Hướng Phát triển 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC: Analog-to digital Converter

AC: Alternating current

DC: Direct Curent

UPS: Uninterruptible Power Supply

g_nd là góc nghiêng đầu

g_nl là góc nghiêng lưng

g_ct là góc nghiêng của chân trái

g_cp là góc nghiêng của chân phải

g_ngn là góc nghiêng ngang mặt bàn

g_ngd là góc nghiêng dọc mặt bàn

h là chiều cao của bàn phẫu thuật

g_x là góc xoay của mặt bàn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của bàn phẫu thuật .6

Bảng 2.1 Khảo sát cơ cấu nâng hạ chân bằng phần mềm SAM .15

Bảng 2.2 Khảo sát cơ cấu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM 16

Bảng 2.3 Khảo sát cơ cấu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM .17

Bảng 2.4 Khảo sát cơ cấu nghiêng bàn phẫu thuật bằng phần mềm SAM .18

Bảng 2.5 Thông số của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng và đầu 24

Bảng 2.6 Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB .25

Bảng 2.7 Thông số của các cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn 26 Bảng 2.8 Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB .27

Bảng 2.9 Bảng thông số kỹ thuật của cơ cấu chấp hành 27

Bảng 2.10 Bảng thông số dòng điện tiêu thụ .29

Bảng 2.11 Bảng thống kê chi tiết sử dụng ở phương án 1 31

Bảng 2.12 Bảng thời gian lưu điện theo từng chế độ hoạt động (phương án 1 và 2) 32

Bảng 2.13 Bảng thống kê chi tiết sử dụng ở phương án 2 33

Bảng 2.14 Bảng chọn mạch điều khiển động cơ 35

Bảng 2.15 Số chân cần sử dụng để điều khiển các cơ cấu chấp hành 37

Bảng 2.16 Tính năng của một số chuẩn giao tiếp [14] .39

Bảng 3.1 Các chức năng của chương trình điều khiển bàn phẫu thuật .45

Bảng 3.2 Giá trị truyền từ master xuống slave 46

Bảng 3.3 Góc nghiêng các cơ cấu ở chế độ tự động .56 Bảng 4.1 Thông số kiểm tra về góc quay của các cơ cấu quay và độ cao mặt bàn .59

Bảng 4.2 Thông số kiểm tra về kích thước bàn và độ cao mặt bàn .59

1 0

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo chung của bàn phẫu thuật .3

Hình 1.2.Bàn phẫu thuật Axis 400-800 [7] .3

Hình 1.3.Bàn phẫu thuật Arcus 601 [8] .4

Hình 1.4 Bàn phẫu thuật Berchtold Operon D850 [9] .4

Hình 1.5 Bàn phẫu thuật Alvo Menuet 4-00 [10] .4

Hình 1.6 Bàn phẫu thuật Operon D820 [11] .5

Hình 1.7 Bàn phẫu thuật Skytron 6000 [12] 5

Hình 1.8 Chức năng cơ bản của bàn phẫu thuật 6

Hình 2.1 Minh họa cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt bàn .8

Hình 2.2 Nguyên lý sử dụng cơ cấu tay quay con trượt .9

Hình 2.3 Nguyên lý sử dụng cơ cấu culit lắc .9

Hình 2.4 Khảo sát nguyên lý nâng hạ chân bằng phần mềm SAM .9

Hình 2.5 Cơ cấu dạng cột 10

Hình 2.6 Cơ cấu dạng xếp .11

Hình 2.7 Cơ cấu hình bình hành .11

Hình 2.8 Cơ cấu xoay mặt bàn 12

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý đề xuất cho bàn phẫu thuật .13

Hình 2.10 Một loại xi lanh thủy lực .13

Hình 2.11 Một loại động cơ tuyến tính .14

Hình 2.12 a, b Cơ cấu nâng hạ chân khảo sát cơ cấu nâng bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 15

1 1

Hình 2.13a, b Cơ cấu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM và mô hình 3D .16

Hình 2.14a, b Cơ cấu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM và mô hình 3D .17

Hình 2.15 a, b Cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 19

Hình 2.16 a, b Cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 19 Hình 2.17a, b Cơ cấu xoay mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D .20

Hình 2.18a, b Cơ cấu nâng hạ mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D .21

Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát hệ thống điện 22

Hình 2.20a, b, c Hình minh họa góc xoay của cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu .24

Hình 2.21a, b Khảo sát sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn, nghiêng dọc mặt bàn 26

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới ổn định 28

Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới không ổn định 28

Hình 2.24 Sơ đồ hệ thống điện dùng trên bàn phẫu thuật 29

Hình 2.25 Mạch nguồn 5V-3A 31

Hình 2.26 Sơ đồ mạch điện nút nhấn và LCD 34

Hình 2.27 Sơ đồ gắn potentiometer 36

Hình 2.28 Hình nguyên lý Potentiometer J45S-5K 37

Hình 2.29 Hệ thống mạch điều khiển bàn phẫu thuật .38

Hình 2.30 Hệ thống điều khiển bàn phẫu thuật 39

Hình 2.31 Các chức năng của Master .40

Hình 2.32 Các chức năng của Slave 40

Hình 2.33 Các chức năng của Slave 41

Hình 2.34 Định dạng địa chỉ 7-bit và 10-bit trong I2C .42

Hình 2.35 Hoạt động đọc và ghi trong I2C .43

Hình 3.1 Bàn phím điều khiển và LCD hiển thị .44

Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển bàn phẫu thuật .46

Hình 3.3a, b Giải thuật chọn chế độ Auto / Manual, Giải thuật quét phím 48

Hình 3.4 Giải thuật chọn chế độ điều khiển Manual 49

Hình 3.5 Giải thuật chọn chế độ Auto 50

Hình 3.6a,b Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ đầu, nâng hạ lưng 51

Hình 3.7a,b Giải thuật chương trình con điều khiển chân phải, chân trái .52

Hình 3.8a,b Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng ngang, ngiêng dọc mặt bàn .53

Hình 3.9a,b Giải thuật chương trình con điều khiển xoay mặt bàn và nâng hạ mặt bàn 54

Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động 55

Hình 3.10 Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động .55

Hình 4.1a, 4.1b Mô hình thiết kế 3D và bàn phẫu thuật thực tế .58

Hình 4.2 Sơ đồ khối thực nghiệm 61

Hình 4.3 Mô hình thực nghiệm bộ điều khiển 61

Hình 4.4a, b, c Hình đọc ADC ở vị trí đầu, cuối, và vị trí bất kỳ .62

Hình 4.5a Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ chân 63

Hình 4.6 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ lưng 63

Hình 4.7 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ đầu 64

Hình 4.8 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng ngang mặt bàn .64

Hình 4.9 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng dọc mặt bàn 64Hình 4.10a Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ đầu 65Hình 4.10b Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ lưng 65Hình 4.10c Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ chân trái 66Hình 4.10d Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ chân phải .66

Hình 4.10e Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn .67Hình 4.10f Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn .67Hình 4.10g Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ mặt bàn 68Hình 4.10h Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu xoay mặt bàn.68

bị đó Năm 2000, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành Tiêu chuẩn Quốcgia về Bàn Mổ Đa Năng (TCVN 6733 : 2000) Tuy nhiên số lượng nghiên cứu

về Bàn Mổ Đa Năng ở nước ta còn ít Do đó, nghiên cứu này dựa vào Tiêuchuẩn Quốc gia về Bàn Mổ Đa Năng để xây dựng các chức năng, cấu tạo củabàn phẫu thuật nhằm tạo ra một thiết bị “Bàn phẫu thuật” để ứng dụng trongnước

1.2 Lịch sử nghiên cứu

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới đã có khá nhiều các nghiên cứu liên quan đến bànphẫu thuật, sau đây là những nghiên cứu và sản phẩm tiêu biểu:

+ “The Design of A New bed Adjustability Mechanism” là nghiên cứu củatác giả Mark Adrian van Rij, University of Auckland, năm 2001 Nghiên cứunày với mục đích để chế tạo ra giường có thể điều chỉnh được, có thể điềuchỉnh dễ dàng và giá thành thấp Nghiên cứu này đã thử nghiệm với 3 loại bộtruyền động khác nhau (Linear Actuator, Rotational Actuator, Duomat) để tìm

ra bộ truyền động phù hợp nhất với thiết kế này Nghiên cứu này đã chỉ ra ưuđiểm của bộ truyền động Duomat (một loại thiết bị truyền động của hãngDewert) sẽ giúp đơn giản hóa kết cấu và giá thành thấp hơn 2 loại cơ cấu chấphành kia [1]

+ “Evaluation and Design of a Hospital Bed to be Manufactured and Used

in China” là nghiên cứu của 2 tác giả Brian Catalano, Todd Coolidge và cácthành viên Huazhong University of Science and Tech, 10/2006 Nghiên cứuvới mục tiêu tạo ra giường bệnh viện hiện đại nhằm phục vụ trong nướcRepublic

of China Giường có thể chịu được 500 pound và nhiều mẫu mã khác nhau.Giường sử dụng 3 động cơ điện 120 V, 7A để thay đổi các tư thế nằm và cóbàn điều khiển bằng nút nhấn [2].

+ “The Sizing Optimization of Hospital Bed Structure for IndependentlySupporting Left and or Right Leg Using Generic Algorithms” là nghiên cứucủa

2 tác giả: Rung Kittipichai và Atthaphon Ariyarit, 6/2011 Nghiên cứu này sẽtập trung vào chiếc giường bệnh viện có thể điều khiển độc lập chân trái hoặcphải Nghiên cứu sử dụng phương pháp Algorithms (GAS) và FEA để giảmkhối lượng giường và kích thước giường [3]

+ “Biomechatronics and motor control of human movement” là nghiêncứu của tác giả David A Winter, University of Waterloo Nghiên cứu này cóchỉ ra sự phân bố trọng lượng và chiều cao trên cơ thể người [4]

+ Viện dinh dưỡng quốc gia (2010) Tổng điều tra dinh dưỡng 2009-2010 Nhà xuất bản Y học [5]

+ TCVN 6733:2000, Tiêu chuẩn quốc gia về bàn mổ đa năng Bộ tiêu chuẩn này quy định những yêu cầu cơ bản như sau: hình dáng và kích thước

cơ bản, vật liệu, yêu cầu kỹ thuật, phương pháp thử, ghi nhãn và đóng gói [6]

Một số sản phẩm có trên thị trường

Trên thế giới đã có nhiều hãng sản xuất các loại bàn phẫu thuật khác nhaunhư: Maquet, Steris, Trumpf, Berchtold, Schmitz, Schaerer, Medivaara, Alvo,Mediland, Inpromed, Sordina… Nghiên cứu những sản phẩm hiện có trên thịtrường sẽ giúp chúng ta tìm được những ưu, nhược điểm và đây sẽ là nền tảng

để thiết kế bàn phẫu thuật

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bàn phẫu thuật

+ Chân bàn: là phần giữ cho mặt bàn và thân bàn được thăng bằng Bộphần này có thể tách rời với bàn hoặc gắn bánh xe để tiện di chuyển.

1 2 3 4

Mặtbàn

bànChânbàn

Hình 1.1 Cấu tạo chung của bàn phẫu thuật

Trong đa số các loại bàn phẫu thuật thì các cơ cấu đỡ đầu, đùi và chân đượcthiết kế theo từng bộ phận rời và có thể tháo lắp thay đổi vị trí cho nhau, tùytheo các loại ca phẫu thuật Góc nghiêng cơ cấu đỡ chân và đầu được điều chỉnhbằng tay hoặc không điều chỉnh được, góc nghiêng của cơ cấu còn lại, chiều caocủa bàn phẫu thuật điều khiển được

Kiểu không nâng hạ, không trượt được

Hình 1.2.Bàn phẫu thuật Axis 400-800 [7]

Với loại kết cấu kiểu này thì nhược điểm là chiều cao không thay đổi được

Kiểu nâng hạ được, không trượt được

Hình 1.3.Bàn phẫu thuật Arcus 601 [8].

Hình 1.4 Bàn phẫu thuật Berchtold Operon D850 [9]

Hình 1.5 Bàn phẫu thuật Alvo Menuet 4-00 [10]

Với kiểu cơ cấu này thì ngoài việc có thể thay đổi linh hoạt các tư thế của chân, đầu, lưng thì chiều cao của bàn phẫu thuật cũng có thể thay đổi được

Kiểu nâng hạ và trượt được

Hình 1.6 Bàn phẫu thuật Operon D820 [11].

Kiểu cơ cấu này mặt giường có thể điều chỉnh độ cao, góc nghiêng các khâu dễ dàng và có thể di chuyển ngang được để phục vụ việc chụp cắt lớp

Kiểu có thể xoay được

Hình 1.7 Bàn phẫu thuật Skytron 6000 [12]

Bàn phẫu thuật Skytron 6000 là loại giường có khả năng xoay mặt giường quanh bệ đỡ thuận tiện cho việc điều chỉnh vị trí của bệnh nhân trong phòng mổ

1.4 Kết luận

Trên đây là những phân tích của những sàn phẩm và nghiên cứu hiện có Kết hợp những phân tích này và Tiêu chuẩn Quốc gia về Bàn Mổ Đa Năng (TCVN

6733 : 2000), luận văn này nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật với cấu tạo và chức năng như sau:

36 0°

a) Nâng hạ lưng b) Nâng hạ đầu

e) Nâng hạ toàn mặt bàn f) Dang hai chân

g) Nghiêng ngang mặt

Hình 1.8 Chức năng cơ bản của bàn phẫu thuậtBảng 1.1 Thông số kỹ thuật của bàn phẫu thuật

Tên chức năng Phạm vi hoạt động Phương Pháp Điều Khiển

Nghiêng dọc mặt bàn -30° ÷ 80° Điều khiển điện

Nghiêng ngang mặt bàn ±25° Điều khiển điện

Nâng hạ mặt bàn 750 ÷ 1050 mm Điều khiển điện

Nâng hạ chân trái, phải -80° ÷ 30 Điều khiển điện

Chiều rộng mặt bàn 500 mm

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần cơ

Bàn phẫu thuật được sử dụng trong lĩnh vực y tế nên đòi hỏi độ an toàn caonên các phương án đề xuất phải đảm bảo độ cứng vững của kết cấu Bàn phẫuthuật thiết kế cũng cần phải đảm bảo bố trí các cơ cấu một cách gọn gàng,thuận tiện cho bác sĩ thao tác trong suốt quá trình phẫu thuật

Từ 8 chức năng cơ bản của bàn phẫu thuật, nhận thấy 5 chức năng: nâng hạlưng, nâng hạ đầu, nâng hạ chân, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặtbàn có thể sử dụng chung cùng một phương án Về phần cơ khí ta sẽ thiết kế 3phương án như sau:

+ Nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt bàn.+ Nâng hạ mặt bàn

Cơ cấu tay quay con trượt

Hình 2.2 Nguyên lý sử dụng cơ cấu tay quay con trượt

Trong cơ cấu này, con trượt đóng vai trò dẫn động biến chuyển độngtịnh tiến thành chuyển động lắc của cơ cấu Đối với loại nguyên lý này thìcon trượt chuyển động tịnh tiến dọc theo cơ cấu giá vì vậy tốn khá nhiềukhông gian

Cơ cấu culit lắc

Hình 2.3 Nguyên lý sử dụng cơ cấu culit lắc

Ở cơ cấu culit lắc, con trượt chuyển động cùng với cần lắc nên rõ ràngvùng không gian sẽ chiếm ít hơn Để lấy cơ sở chọn lựa cơ cấu phù hợp, takhảo sát 2 loại nguyên lý bằng phần mềm SAM trên tiêu chí là hành trìnhcủa con trượt là ngắn nhất (tiết kiệm không gian) khi cơ cấu chuyển động

a Cơ cấu culit lắc b Cơ cấu tay quay con trượt

Hình 2.4 Khảo sát nguyên lý nâng hạ chân bằng phần mềm SAM

Phương án nâng hạ mặt bàn

Chức năng của cơ cấu là để thay đổi chiều cao của bàn phẫu thuật cho phùhợp với loại phẫu thuật, thuận tiện cho thao tác của bác sĩ Để thực hiện đượcchức năng đó đề xuất ba phương án: sử dụng cơ cấu dạng cột, cơ cấu hình bìnhhành, cơ cấu dạng xếp

Cơ cấu hình bình hành

Mặt bàn

Hình 2.7 Cơ cấu hình bình hành

Cơ cấu hình bình hành được sử dụng ở bàn phẫu thuật Alvo Menuet

4-00, có các đặc điểm giống với cơ cấu dạng xếp tuy nhiên cơ cấu này lại cóđiểm tốt hơn với cơ cấu dạng xếp Cơ cấu hình bình hành không bị chuyểnđộng theo phương ngang do mặt không liên kết với khớp trượt do đó cácchuyển động của mặt độc lập với chuyển động nâng hạ

Thiết kế này chọn cơ cấu dạng cột sử dụng cho chức năng nâng hạ vì tiếtkiệm không gian, và có độ cứng vững tương đối, kết cấu đơn giản

Phương án xoay mặt bàn

Cơ cấu xoay có chức năng xoay mặt bàn quanh trục z với góc độ là 360°.Với chức năng này chọn cơ cấu chấp hành là động cơ điện, và truyền lực quatrục xoay thông qua bộ truyền bánh răng trụ thẳng

Đầu Lưng Đùi Chân

Mặtbàn

Thânbàn

Chânbàn

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý đề xuất cho bàn phẫu thuật

Các phương án truyền động

Chuyển động chính sử dụng trên bàn phẫu thuật là chuyển động lắc(nghiêng) của các khâu để thay đổi tư thế cho người bệnh Các nguyên lý đãchọn đều biến đổi chuyển động thẳng thành chuyển động lắc nên cơ cấu chấphành sử dụng là loại cung cấp chuyển động thẳng : cơ cấu chấp hành tuyếntính, xi lanh thủy lực, ben hơi (gas spring) Ngoài ra việc lựa chọn cơ cấu chấphành phải đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật đề ra và phải đảm bảo vệ sinh antoàn trong lĩnh vực y tế

Xilanh thủy lực

+ Ưu điểm: hệ thống xilanh thủy lực có khả năng tải lớn nên nâng cao

được độ an toàn, khoảng hành trình rộng thuận lợi cho việc lựa chọn cơ cấuchấp hành, chuyển động êm và nhẹ nhàng

Hình 2.10 Một loại xi lanh thủy lực

+ Nhược điểm: đi kèm với xilanh thủy lực gồm: bơm dầu, van điều khiển,

đường ống dầu… dẫn đến hệ thống phức tạp Khó khăn trong đảm bảo vệ

sinh bởi vì sử dụng dầu Mặt khác để điều khiển vị trí của xilanh thủy lực cần sử dụng loại đặc biệt có cảm biến và dùng van điều khiển vị trí.

Động cơ tuyến tính

M

Hình 2.11 Một loại động cơ tuyến tính

+ Ưu điểm: Động cơ tuyến tính cung cấp chuyển động thẳng và có tích

hợp cảm biến để điều khiển vị trí, điều khiển hoàn toàn bằng điện Khoảnghành trình của động cơ tuyến tính rộng nên dễ lựa chọn Dễ dàng đảm bảo

vệ sinh do không sử dụng chất lỏng như xilanh thủy lực

+ Nhược điểm: tốc độ của động cơ tuyến tính là khá chậm, khả năng tải

của

động cơ tuyến tính cũng thấp hơn so với xilanh thủy lực

Kết luận phương án truyền động: Với những ưu điểm của động cơ tuyến

tính nên luận văn này sử dụng động cơ cấu chấp hành là động cơ tuyến tính cho các

cơ cấu: nâng hạ mặt đầu, lưng, chân trái, chân phải, nghiêng ngang, nghiêng dọc,nâng hạ mặt bàn

2.1.2 Tính toán thiết kế cơ khí

Từ những nguyên lý đã lựa chọn ta tiến hành thiết kế kết cấu cơ khí trên cơ

sở thông số dành cho thể trạng của người Việt Nam Thông số thiết kế lấy theothông số trung bình của người Việt Nam: Chiều cao và cân nặng trung bình củangười Việt Nam: H = 1581 mm, M = 51.25 kg (Viện dinh dưỡng, Bộ y tế năm2010) Tải trọng đặt lên từng cơ cấu được tính dựa theo phân bố khối lượngcủa từng bộ phận cơ thể Các thông số kích thước, tải trọng và sơ đồ nguyên lý

đã lựa chọn là cơ sở để ta thiết kế cơ khí, kiểm tra bền cho từng cơ cấu

Cơ cấu nâng hạ chân

Trong phần này, chúng ta sẽ kiểm nghiệm bằng phần mềm SAM (SAM The Ultimate Mechanism Designer) xem các thông số kích thước ảnh hưởng

-như thế nào đến lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành để làm cơ sở chọn cơ cấu chấp hành.

Với A: Điểm đặt gốc cơ cấu chấp hành

B: điểm đầu của cơ cấu chấp hành

O: tâm quay của cơ cấu

Ta gọi Fmax là giá trị lực lớn nhất tác dụng lên cơ cấu chấp hành

Nhận xét: Độ lớn lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành càng giảm khi ta tăng

kích thước L và X, giảm mạnh khi tăng kích thước Y Tuy nhiên đối với cơcấu chấp hành tuyến tính ngoài yếu tố lực thì chiều dài hành trình cũng ảnhhưởng đến việc lựa chọn cơ cấu chấp hành Sơ bộ chọn cơ cấu chấp hành:Sinokoko LM-S113A với giá trị lực lớn nhất

Cơ cấu nâng hạ lưng

Ở phần các phương án thiết kế của luận văn, ta đã nhận định cơ cấu nâng hạlưng sẽ sử dụng chung nguyên lý với cơ cấu nâng hạ chân Khảo sát một vài thông số của cơ cấu bằng phần mềm SAM

B(xB, yB)

A(xA,yA)a)

Bảng 2.2 Khảo sát cơ cấu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM

Nhận xét: Độ lớn lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành càng giảm khi ta tăng

kích thước L và X, giảm mạnh khi tăng kích thước Y Tuy nhiên đối với cơ

cấu chấp hành tuyến tính ngoài yếu tố lực thì chiều dài hành trình cũng ảnhhưởng đến việc lựa chọn cơ cấu chấp hành Sơ bộ chọn Động cơ tuyến tính:Sinokoko LM-V10.

Cơ cấu nâng hạ đầu

Ở phần các phương án thiết kế của luận văn, ta đã nhận định cơ cấu nâng hạđầu sẽ sử dụng chung nguyên lý với cơ cấu nâng hạ chân Khảo sát một vàithông số của cơ cấu bằng phần mềm SAM

B(xB, yB) L

O(0,0)

A(xA,yA)a)

Bảng 2.3 Khảo sát cơ cấu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM

Nhận xét: Độ lớn lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành càng giảm khi ta tăng

kích thước L và X, giảm mạnh khi tăng kích thước Y Tuy nhiên đối với cơ

cấu chấp hành tuyến tính ngoài yếu tố lực thì chiều dài hành trình cũng ảnhhưởng đến việc lựa chọn cơ cấu chấp hành Sơ bộ chọn Động cơ tuyến tính:Sinokoko LM-S113A.

Cơ cấu nghiêng dọc, ngang mặt bàn

Tiến hành tương tự như cơ cấu nâng hạ chân, ta khảo sát các thông số ảnh hưởng đến lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành

Bảng 2.4 Khảo sát cơ cấu nghiêng bàn phẫu thuật bằng phần mềm SAM

Hình 2.15 a, b Cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn bằng phần mềm SAM và

Cơ cấu xoay mặt bàn

Với khối lượng lớn nhất của bàn là 200 kg ta có thể tính tương đối lực cần

để xoay mặt bàn theo công thức tính lực với thanh thẳng đồng chất, chiều dài

2000 mm, trục quay 100 mm chính giữa thanh Ta có P = 41.96 w

Do đó động cơ cần có công suất như sau:

Công suất cần thiết trên trục động cơ:P

=

PCT: công suất cần thiết trên trục (kW)

: hiệu suất truyền động

= 43.25 w (1)

Hiệu suất chung của toàn hệ thống:η = 0.9702

Do đó ta có thể tính sơ bộ như sau:

Động cơ sử dụng là động cơ điện 24 VDC của hãng Excem, với công suất60w

Hộp giảm tốc bánh răng trụ 3 cấp với số tỷ số truyền: 120

Như vậy bàn phẫu thuật có vận tốc quay quanh trục là: 25 vòng/phút

M

b)

41

Hình 2.17a, b Cơ cấu xoay mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D

Cơ cấu nâng hạ mặt bàn

Cơ cấu nâng hạ mặt bàn sử dụng chuyển động thẳng của động cơ tuyến tínhthành chuyển động lên xuống của mặt bàn Động cơ tuyến tính phải chịu tảitrọng 200 kg, do đó chọn cơ cấu LM-LC50 của hãng Sinokoko

z yOb)

Hình 2.18a, b Cơ cấu nâng hạ mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D

2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần điện

Yêu cầu của bộ điều khiển

Với cơ cấu chấp hành được lựa chọn ở chương 2, bài toán điều khiển củaluận văn này là điều khiển động cơ tuyến tính dựa vào giá trị của cảm biến đogóc với mục đích chuyển từ chuyển động tịnh tiến của động cơ tuyến tínhthành chuyển động quay của mặt bàn Khi kết hợp những nhiều chuyển độngcủa động

Bằng tay: Ở chế độ này người dùng phải điều chỉnh từng cơ cấu chấp hànhtương ứng với từng bộ phận Chế độ này dùng để thiết lập các tư thế tùy chọncủa người dùng, mỗi thao tác người dùng chỉ có thể thay đổi tư thế của 1 bộphận, ngoài ra chế độ này còn dùng để điều chỉnh lại tư thế sau chế độ tự độngcho phù hợp với từng thể trạng của bệnh nhân cũng như bác sĩ Từ các thông sốtrên ta có sơ đồ tổng quát của hệ thống điện như sau:

Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát hệ thống điện

Hệ thống điện cho bàn phẫu thuật gồm 4 bộ phận là: hệ thống nguồn, hệthống điều khiển, màn hình hiển thị và bàn phím điều khiển