Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển chế độ làm việc máy gắn sức

Máy dùng để tạo ra trạng thái gắng sức, khi đó kiểm tra vàø ghi nhận những thông số và các tín hiệu có liên quan đến hoạt động của hệ hô hấp và hệ tuần hoàn của con người được gọi là máy

o0o

NGUYỄN VĂN THẢNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC

MÁY GẮNG SỨC

Chuyên ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Mã số ngành : 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2004

o0o

Cán bộ hướng dẫn khoa học :TS THÁI THỊ THU HÀ

Cán bộ chấm nhận xét 1 : GS.TSKH NGUYỄN AN VĨNH

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS PHẠM NGỌC TUẤN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ngày tháng12 năm 2004 Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Thư Viện Cao Học – trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

Tp.HCM, ngày tháng năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên :NGUYỄN VĂN THẢNG Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh : 15 06 1964 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Mã số: 2.01.00

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC MÁY GẮNG SỨC

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

• Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy gắng sức, hệ thống điều khiển chế độ làm việc máy gắng sức

• Phân tích và nghiên cứu điện tâm đồ ECG , nghiên cứu mạch thu nhận tín hiệu điện tim

• Phần mềm điều khiển chế độ hoạt động của máy gắng sức và thu nhận tín hiệu điện tim bằng máy tính

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 09/02/2004

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 31/10/2004

VI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS THÁI THỊ THU HÀ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

TS THÁI THỊ THU HÀ TS NGUYỄN NGỌC TUẤN PGS.TS TRẦN DOÃN SƠN

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ được hội đồng chuyên ngành

thông qua

Ngày tháng năm 2004

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học vừa qua

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở trường đã truyền đạt những kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập

Đặc biệt tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn : TS Thái Thị Thu Hà , đã giành nhiều thời gian quý báu hướng dẫn cho tôi hoàn

thành luận văn này

Tôi chân thành cảm ơn quý thầy , cô đã giành thời gian để chấm phản biện cho đề tài, đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp cho tôi hoàn thiện đề tài

Tôi xin cảm ơn các bạn học cùng lớp đã giúp đỡ tôi, cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Tp Hồ Chí Minh , ngày tháng năm 2004 Tác giả

NGUYỄN VĂN THẢNG

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Chúng ta biết rằng tình trạng bệnh lý của cơ thể người đôi lúc không rõ ràng và có thể vẫn tiềm ẩn những nguy cơ bên trong một cơ thể có bề ngoài vẫn khỏe mạnh Những thiếu xót trong hoạt động của hệ hô hấp và hệ tuần hoàn thường có quan hệ chặt chẽ với nhau Ở trạng thái bình thường nhu cầu về oxy và quá trình trao đổi chất không cao nên các tình trạng bệnh lý do chức năng hô hấp và tuần hoàn là tiềm ẩn Ở trạng thái gắng sức, nhu cầu về oxy và trao đổi chất tăng cao Khi đó có thể xuất hiện các khiếm khuyết và tình trạng bệnh lý Các bài tập với máy gắng sức, đòi hỏi cả hệ tuần hoàn và hệ hô hấp phải gia tăng hoạt động để đáp ứng kịp với quá trình trao đổi chất tăng cao Khả năng đáp ứng lại tình trạng gắng sức chính là số đo thể chất sinh lý học và tình trạng sức khoẻ của mỗi cơ thể

Máy dùng để tạo ra trạng thái gắng sức, khi đó kiểm tra vàø ghi nhận những thông số và các tín hiệu có liên quan đến hoạt động của hệ hô hấp và hệ tuần hoàn của con người được gọi là máy kiểm tra gắng sức

Vì đây là mảng đề tài tương đối mới và liên quan đến nhiều lĩnh vực nên chúng ta chỉ nghiên cứu giới hạn ở mảng máy gắng sức đó là :

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHẾ

ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY GẮNG SỨC

ABSTRACT

It is fact that human’s pathology is sometimes not clear and implicit risks

in a body with a healthy appearance Shortcomings of respiratory and circulatory operations often have tightly relationships In normal sense, oxygen need and metabolism are not high thereby the pathology caused from respiratory and circulatory functions is implicit In ergonomic sense, the oxygen need and metabolism are increased enabling defects and pathologies Ergonomic exercises require operation of respiratory and circulatory systems to meet the metabolic process Response on the ergology is a measurement of physiology and heath status of each body

A machine is utilized to make ergonomic sense , then, checking and recording parameters and signals relevant to the human’s respiratory and circulatory operations called Treatmill Ergometer

It is seen that this topic is considerably new and concerned with many sectors Researched scope of the treatmill ergometer is limited as follows

RESEARCH ON DESIGNING AND FABRICATING THE CONTROL

SYSTEM OF THE TREATMILL ERGOMETER

MỤC LỤC

I.2 MÁY KIỂM TRA GẮNG SỨC-NHỮNG GIẢI PHÁP ĐÃ CÓ TRÊN

I.2.1 Các giải pháp đã có trên thế giới 04

I.2.2.2 Máy gắng sức dùng trong y học 08 I.2.3 Tình hình máy kiểm tra gắng sức ở Việt Nam 10

I.3 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT TRONG ĐỀ TÀI 11

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ

II.2 CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY GẮNG SỨC DẠNG CHẠY

II.3 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 17

II.3.2.1 Tính vít me 23 II.3.2.2 Tính toán công suất động cơ kéo vít me 25 II.3.2.3 Tính bộ truyền xích truyền chuyển động kéo vít-me 28

II.4 CÁC HÌNH ẢNH MÁY GẮNG SỨC ĐƯỢC THIẾT KẾ VÀ CHẾ

CHƯƠNG III :THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY

III.1 CÁC CHẾ ĐỘ KIỂM TRA GẮNG SỨC 32

III.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY GẮNG SỨC 37

III.2.1.2 Diều khiển tốc độ động cơ băng chạy dùng thyristor 39

III.2.2.1 Định thì động cơ để điều khiển độ nâng 43

III.2.3 GIAO TIẾP ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐỘNG CƠ VỚI MÁY TÍNH 49

III.2.3.1 Mạch điểu khiển relay giao tiếp với máy tính 50 III.2.3.2 Điều khiển các relay tạo ra chế độ kiểm tra gắng sức 51

III.3 CÁC HÌNH ẢNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY GẮNG SỨC

CHƯƠNG IV :ĐO ĐIỆN TÂM ĐỒ TRONG QUÁ TRÌNH

IV.2 QUI ƯỚC THỂ HIỆN ĐIỆN TÂM ĐỒ 58

IV.3 HỆ THỐNG ĐIỆN TÂM ĐỒ 12 CHUYỂN ĐẠO CHUẨN 59 IV.4 NGUYÊN TẮC DẪN TRUYỀN VÀ ĐỊNH LÝ ECG 61 IV.5 QUÁ TRÌNH KHỬ CỰC VÀ TÁI PHÂN CỰC 62

IV.8 NGHIÊN CỨU MẠCH NHẬN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 67

IV.8.4 Các hình ảnh của các mạch thu nhận và xử lý tín hiệu điện tim 81

CHƯƠNG V : LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY GẮNG SỨC

V.2 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CÁC CHẾ ĐỘ CHO MÁY GẮNG SỨC

V.2.1 Lưu dồ lập trình tiến trình điều khiển chế độ làm việc của máy gắng sức

81

V.2.2 Lập trình điều khiển chế độ làm việc máy gắng sức bằng ngôn ngữ

V.2.3 Giao diện điều khiển của máy gắng sức 101

V.3 LẬP TRÌNH XỬ LÝ VÀ THU NHẬN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 103

V.3.1 Lưu đồ lập trình xử lý và thu nhận tín hiệu điện tim 103

V.3.2 Lập trình xử lý và thu nhận tín hiệu điện tim bằng ngôn ngữ VISUAL

V.3.3 Giao diện nhận tín hiệu điện tim 114

KẾT LUẬN 116

1

TỔNG QUAN

I.1 ĐẶT VẤN ĐỀ :

Chúng ta biết rằng trên thế giới ngày nay khoa học và công nghệ phát

triển không ngừng, biết bao nhiêu thành tựu khoa học đã đạt được nhằm mang

lại cho con người cuộc sống hoàn thiện hơn hay nói cách khác giúp cho con

ngươi có cuộc sống tốt đẹp hơn và sống lâu hơn Vậy nền khoa học và công nghệ

thế giới đã làm gì để cải thiện vấn đề này.?

Thực ra, trong bất cứ lĩnh vực nào cho dù nó quan trọng hay không quan

trọng đối với sự phát triển của một đất nước thì con người vẫn là nhân tố quyết

định, chính con người đã tạo ra của cải xã hội, tạo ra những điều kiện chăm sóc

sức khoẻ lại cho con người.Với mục tiêu bảo vệ sức khoẻ cộng đồng con người

đã chế ra các loại thuốc chữa trị các bệnh tật và đặc biệt là thiết kế , chế tạo ra

các loại máy giúp chuẩn đoán ,ø chửa trị , ngăn ngừa sự tiến triển của các căn

bệnh mà ở điều kiện bình thường con người không thể phát hiện được

Chính điều này con người đã ứng dụng các công nghệ hiện đại nhất mà

con người ngày nay nghiên cứu được chế tạo ra các máy như : MRI, CT, Nội soi,

Điện tim, ….Nói chung nghành y tế thế giới đã giúp cho con người có cuộc sống tốt hơn, ít bệnh tật hơn và sống lâu hơn

Qua đó ta thấy mục tiêu của nghành y tế đã rõ, nhưng thiết bị dùng trong nghành y tế là rất nhiều, mỗi loại có chức năng riêng Vậy máy kiểm tra gắng sức là gì, chức năng của nó làm gì ?

Để hiểu rõä máy tra gắng sức trước hết ta tìm hiểu thế nào là gắng sức ? Khi nói đến bài tập gắng sức, mọi người sẽ liên tưởng ngay đến hình ảnh một người chạy trên một máy thể thao hoặc một xe đạp chạy tại chỗ với rất nhiều dây nối được nối trên cơ thể !

Thực vậy, tình trạng bệnh lý của cơ thể người đôi lúc không rõ ràng và có thể vẫn tiềm ẩn những nguy cơ bên trong một cơ thể có bề ngoài vẫn khỏe mạnh Những thiếu xót hoạt động của hệ hô hấp và hệ tuần hoàn thường có quan hệ chặt chẽ với nhau Ở trạng thái bình thường nhu cầu về oxy và quá trình trao đổi chất không cao nên các tình trạng bệnh lý do chức năng hô hấp và tuần hoàn là tiềm ẩn Ở trạng thái gắng sức, nhu cầu về oxy và trao đổi chất tăng cao Khi đó có thể xuất hiện các khiếm khuyết và tình trạng bệnh lý Các bài tập với máy gắng sức, đòi hỏi cả hệ tuần hoàn và hệ hô hấp phải gia tăng hoạt động để đáp ứng kịp với quá trình trao đổi chất tăng cao

Trong suốt quá trình hoạt động gắng sức, cả hệ tuần hoàn và hệ hô hấp luôn hoạt động ở mức cao Khả năng đáp ứng lại tình trạng gắng sức chính là số

đo thể chất sinh lý học và tình trạng sức khoẻ của mỗi cơ thể

Với mỗi khối lượng bài tập, hệ tuần hoàn và hệ hô hấp tương ứng tăng dần khối lựơng hoạt động để đáp ứng tình trạng gắng sức của cơ thể Bằng cách nghiên cứu quá trình gắng sức, ta có thể xác định được giới hạn trao đổi chất trong mỗi cơ thể

Qua tìm hiểu về khái niệm gắng sức như trên ta có thể nói mục đích của việc nghiên cứu tình trạng gắng sức của cơ thể là :

• Kiểm tra bệnh nhân có những nghi ngờ về tình trạng bệnh lý hoặc các thiếu xót trong hoạt động của hệ hô hấp và hệ tuần hoàn mà ở điều kiện bình thường không thể phát hiện được

• Tiến tới việc xác định một chương trình luyện tập phù hợp

Sau đây là sơ đồ nguyên lý của máy kiểm tra gắng sức ( hình 1.1 )

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy kiểm tra gắng sức

Hình 1.2 Hình ảnh máy kiểm tra gắng sức

I.2 MÁY KIỂM TRA GẮNG SỨC – NHỮNG GIẢI PHÁP ĐÃ CÓ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

I.2.1 Các giải pháp đã có trên thế giới

Máy kiểm tra gắng sức bao gồm những thành phần cơ bản sau :

• Máy gắng sức : Dùng để tạo ra trạng thái gắng sức

• Các sensor nói kết với một số cơ phận trên cơ thể : dùng để ghi nhận các tín hiệu phát sinh từ hệ hô hấp và hệ tuần hoàn

• Các mạch điện : dùng để kết nối, chuyển đổi các tín hiệu ghi nhận được từ các sensor thành các tín hiệu có thể giao diện được với máy tính

• Các phần mềm chuyển đổi các tín hiệu từ các mạch điện thành các thông số hoặc các tín hiệu mà quá trình kiểm tra gắng sức cần quan tâm

• Các monitor hiển thị các thông số và tín hiệu ghi nhận được

• Ngoài ra còn có thêm một số phần phụ khác (tùy theo hãng sản xuất và nước sản xuất )

Hiện nay trên thế giới các máy kiểm tra gắng sức được nghiên cứu và chế tạo rất hiện đại, với một máy gắng sức đầy đủ các chức năng cần có theo yêu cầu của quá trình tạo ra gắng sức như :

• Điều khiển được các chế độ cho việc tạo gắng sức : thay đổi tốc độ chạy, thay đổi lực cản, thay đổi độ dốc, tạo ra những môi trường gần đúng với môi trường thực tế,…

• Các thông số về tốc độ, độ dốc, nhịp thở, nhịp tim,… được hiển thị trên màn hình monitor hoặc LCDø, các thông số này có thể điều khiển và giao tiếp từ xa được

• Với kiểu dáng thiết kế gọn nhẹ thẩm mỹ cao, hòa hợp gần gủi với không gian luyện tập

• Hệ thống ghi nhận, chuyển đổi và hiển thị các thông số , các tín hiệu rất tinh vi và hiệu quả với các phần mềm mà các chuyên gia về lĩnh vực y sinh học về cơ thể con người viết sẵn để hổ trợ cho quá trình chẩn đoán ra các bệnh lý mà hệ hô hấp, hệ tuần hoàn,…mắc phải khi ở trạng thái gắng sức

Với các giải pháp cụ thể như sau :

• Đối với máy gắng sức các nhà nghiên cứu đã xác lập được một số thông số cơ bản để thục hiện các bài tập gắng sức như: thông số tốc độ,thông số độ dốc, thông số lực cản (xe đạp gắng sức), thông số thời gian,….Các thông số này được lập trình cài đặt sẵn mà các bác sĩ hoặc chuyên gia về lĩnh vực kiểm tra gắng sức sẽ xử dụng khi thực hiện các bài tập kiểm tra gắng sức

• Đối với việc đưa tín hiệu nhận được từ các sensor thông qua các mạch kết nối và chuyển đổi lên màn hình monitor mà chúng ta có thể nhận diện được các tín hiệu và các thông số mà quá trình gắng sức cần có Hiện nay có rất nhiều giải pháp đã thực hiện tùy mỗi hãng, tùy thế hệ máy, tùy nước sản xuất nhưng nhìn chung chúng được thực hiện theo các bước cơ bản như sau :

1 Đặt các sensor vào đúng các vị trí theo qui định mà các sensor làm việc một cách hiệu quả nhất theo yêu cầu của nhà chế tạo

2 Các tín hiệu nhận được từ các sensor này phải được lọc, chóng nhiểu ,sau đó khuếch đại, chuyển đổi tín hiệu để giao tiếp được với các màn hình monitor

3 Các phần mềm hổ trợ tùy theo mỗi nhà sản xuất mà có cụ thể

I.2.2 Các dạng máy kiểm tra gắng sức

Dựa vào công dụng ta có thể chia máy gắng sức ra thành 2 loại:

• Máy gắng sức dùng trong luyện tập thể thao thông thường

• Máy gắng sức dùng trong y học

I.2.2.1 Máy gắng sức dùng trong thể thao

Máy gắng sức dùng trong luyện tâp thể thao có mục đích chủ yếu là luyện tập nâng cao sức khỏe, giảm cân Máy gắng sức trong luyện tập thể thao thường đơn giản hơn rất nhiều so với các máy gắng sức dùng trong kiểm tra y học Cần lưu ý các đặc điểm chủa yếu của loại máy này là:

• Trước hết máy phải đơn giản, rẻ tiền phù hợp với qui mô sử dụng trong gia đình

• Máy gọn nhẹ, dể sử dụng

• Sử dụng an toàn

Các loại máy thể thao thường có một bảng điều khiển, trên đó cho phép người tập có thể chọn lựa các chế độ tập Ngoài ra nó còn hiển thị một số thông số như: calori tiêu thụ, nhịp tim, thời gian, vận tốc, quảng đường chạy

Sau đây sẽ giới thiệu hình ảnh và các thông số kỹ thuật của một số máy tập thể thao tiêu biểu

Hình 1.3 Máy mercury 4.0 dùng luyện tập thể thao của hãng H-P-COSMOS

Thông số kỹ thuật :

• Kích thước máy : 210 x 95 x 136 ( cm )

• Khối lượng : 190 kg

• Kích thước đường chạy : 150 x 50 ( cm )

• Khối lượng cho phép trên đường chạy tối đa : 200 kg

• Vận tốc : 0 22 km/h

• Độ nâng : 0 %

• Động cơ : 2.2 kW (3 Hp), 220 – 240 V / 15 A

Hình 1.4 Hệ thống máy tập dùng trong thể thao của hãng H-P-COSMOS

Thông số kỹ thuật:

• Động cơ: 2.2 kW, 220/240 V, 15A

I.2.2.2 Máy gắng sức dùng trong y học

Máy kiểm tra gắng sức trong y học được chia ra làm hai loại:

• Kiểm tra sinh học cơ thể, khả năng luyện tập của vận động viên chuyên nghiệp

• Kiểm tra gắng sức để phát hiện bệnh lí tim mạch bệnh nhân

Kiểm tra gắng sức dùng trong y học là một hệ thống gồm nhiều máy và thiết bị Hệ thống này sẽ giúp bệnh nhân đạt đến trạng thái gắng sức và đo các thông số có liên quan

Hệ thống kiểm tra giành cho vận động viên chuyên nghiệp thường sử dụng máy và bài tập tương thích với môn thể thao của vận động viên Ví dụ như các vận động viên đua xe đạp sẽ kiểm tra gắng sức trên những máy gắng sức dạng đạp, vận động viên chèo thuyền sẽ dùng máy gắng sức dạng chèo, các vận động viên ở những môn thể lực khác như: điền kinh, bóng đá, bóng ném có thể kiểm tra bằng máy chạy Máy kiểm tra gắng sức dùng chẩn đoán cho bệnh nhân thường dùng máy gắng sức dạng chạy Sau đây sẽ giới thiệu một số loại máy và hệ thống kiểm tra gắng sức dùng trong y học

Hình 1.5 Máy kiểm tra gắng sức dạng đạp của hãng MEDGRAPHICS

Thông số kỹ thuật:

• Kích thước: 125 x 60 x 128 ( cm)

• Cân nặng: 91 kg

• Công suất tải tạo ra: 10 1300 Watt

• Vận tốc quay: 0 180 vòng/phút

• Động cơ: 110V, 220V, 240V, 50-60 Hz, 1000 Watt

Hình 1.6 Máy kiểm tra gắng sức của hãng HMI

Thông số kỹ thuật:

• Kích thứớc đường chạy : 50 x165 (cm )

• Không có chế độ nâng

• Vận tốc: 0 12 km/h

• Có 12 chế độ kiểm tra gắng sức

• Hệ thống đo 12 chuyển đạo chuẩn.(xem chương IV )

• Hiển thị 3, 6, 9 hoặc 12 chuyển đạo điện tâm đồ

• Có thể lưu trữ dữ liệu điện tâm đồ và các bệnh án bằng đĩa mềm

I.2.3 Tình hình máy kiểm tra gắng sức ở Việt Nam

Nhìn chung ở Việt Nam chúng ta hầu hết tất cả các bệnh viện nhất là các bệnh viện ở các thành phố lớn đều có trang bị một hoặc một vài máy kiểm tra gắng sức, chúng chủ yếu là hàng nhập từ nước ngoài với giá thành khá cao

Thực tế ở Việt Nam chúng ta , vấn đề máy gắng sức còn mới lạ thậm chí một số người khi nghe nói tới máy gắng sức họ không biết chức năng của nó làm

gì Cho nên khi đặt vấn đề nghiên cứu thiết kế ,chế tạo một máy gắng sức là một điều mới mẻ và rất đáng được xã hội cần quan tâm

Vì đây là mảng đề tài liên quan đến nhiều lĩnh vực như y học ,cơ điện tử ,cơ khí chế tạo, Cho nên chúng ta chỉ nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển chế độ làm việc của máy gắng sức dạng chạy và nghiên cứu thêm phần điện tim

I.3 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN PHẢI GIẢI QUYẾT TRONG ĐỀ TÀI

Để nghiên cứu thiết kế máy kiểm tra gắng sức chúng ta cần thực hiện những vấn đề sau :

Tham khảo một vài máy kiểm tra gắng sức của các hãng nổi tiếng trên thế giới Qua đó áp dụng vào nghiên cứu thiết kế máy gắng sức ở điều kiện Việt Nam, những công việc cần thực hiện như sau :

• Thiết kế và chế tạo mô hình máy gắng sức với đầy đủ chức năng tạo trạng thái gắng sức như điều khiển thay đổi tốc độ, điều khiển thay đổi độ dốc, định thời gian thực hiện chế độ gắng sức Đây là nhiệm vụ chính của đề tài

• Phân tích và nghiên cứu điện tâm đồ ECG , nghiên cứu mạch thu nhận tín hiệu điện tim

• Phần mềm điều khiển chế độ hoạt động của máy gắng sức và thu nhận tín hiệu điện tim bằng máy tính

2

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ CỦA MÁY

GẮNG SỨC

II.1 YÊU CẦU CỦA MÁY GẮNG SỨC

Qua những vấn đề được nêu về máy gắng sức trong chương I, ta nhận thấy yêu cầu chính của máy gắng sức là : Tạo ra trạng thái gắng sức cho mỗi bệnh nhân khi cần kiểm tra bệnh lý Cho nên máy gắng sức cần thiết kế sao cho tạo trạng thái gắng sức ,về vấn đề này có nhiều phương án, cách thức tạo được yêu cầu như trên Song trong đề tài này chúng ta thiết kế máy gắng sức dạng chạy nên chúng ta thiết kế chủ yếu là thay đổi tốc độ và độ nâng của băng chạy kết hợp với việc duy trì thời gian

II.2 CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY GẮNG SỨC DẠNG CHẠY

II.2.1 Phương án thiết kế I :

Máy nâng độ nghiêng mặt băng bằng vít me- đai ốc

2

9 10 11 12

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phương án thiết kế I

• 1 Vít me

• 2 Đai ốc

• 3 Động cơ kéo băng tải

• 4 Bộ truyền đai răng

• 5, 8 Cặp con lăn

• 6 Băng chạy

• 7 Tấm chịu lực

• 9 Động cơ kéo nâng

• 10 Hộp giảm tốc

• 11 Bộ truyền xích

• 12 Bộ phận nâng

Nguyên lý hoạt động:

Động cơ 3 quay truyền động quay cho cặp con lăn 5,8 thông qua bộ truyền đai răng 4, khi đó con lăn quay kéo theo tấm băng di chuyển và người đứng trên tấm băng sẽ chạy theo phản xạ tự nhiên tương ứng với tốc độ di

chuyển của băng để không bị té Tùy theo chương trình mà ta có nhiều cấp tốc độ chạy khác nhau tương ứng với thể trạng của mỗi người Muốn thay đổi tải trọng khi chạy, ta thay đổi góc nghiêng của tấm băng Động cơ 9 truyền chuyển động quay cho vít me 1 bằng bộ truyền xích và hợp giảm tốc Khi động cơ quay kéo theo vít me 1 quay tròn làm đai ốc 2 tịnh tiến, khi đai ốc 2 tịnh tiến tay chống , chống thanh nâng làm cho máy được nâng lên hay hạ xuống tùy theo chiều động cơ 9 quay thuận hay nghịch Góc nâng của máy chỉ thay đổi từ 0 →

110

Ưu điểm:

• Kết cấu đơn giản

• Dể điều khiển

• Chi phí thấp

II.2.2 Phương án thiết kế II

Máy nâng độ nghiêng mặt băng bằng thanh răng- bánh răng

• 1 Trục bánh răng

• 2 Động cơ kéo băng tải

• 3 Bộ truyền đai răng

• 4 và 7 Cặp con lăn

• 5 Băng chạy

• 6 Tấm chịu lực

• 8 Bánh răng

• 9 Thanh răng

• 10 Động cơ nâng

• 11 Hộp giảm tốc

• 12 Bộ truyền xích

Nguyên lý hoạt động:

Với phương án này, ta cũng có nguyên tắc truyền chuyển động cho băng

di chuyển tương tự như phương án 2.1.1 Phương án này chỉ khác ở nguyên tắc tạo tải trọng khi chạy Ở phương án này, ta nâng độ nghiêng của máy bằng cặp thanh răng – bánh răng Động cơ 10 truyền chuyển động quay bánh răng 2 bằng bộ truyền xích và hợp giảm tốc Khi động cơ quay kéo bánh răng 8 quay ăn khớp với thanh răng 9 khi đó thanh răng 9 tịnh tiến lên xuống mang theo khung máy và tạo ra độ nghiêng cho mặt băng

• Kết cấu phức tạp hơn phương án 1

II.2.3 Phương án thiết kế III

Máy nâng độ nghiêng mặt băng bằng hệ thống thủy lực:

2

1

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý phương án thiết kế III

• 1 Đường ống dẫn dầu

• 2 Cặp xylanh thủy lực

• 3 Động cơ kéo băng tải

• 4 Bộ truyền đai răng

• 5, 8 Cặp con lăn

• 6 Băng chạy

• 7 Tấm chịu lực

• 9 Đường dầu về bể chứa

• 10 Bể chứa dầu

Với phương án này, ta cũng có nguyên tắc truyền chuyển động cho băng

di chuyển tương tự như phương án 2.1.1 và 2.1.2 Phương án này chỉ khác ở nguyên tắc tạo tải trọng khi chạy Ở phương án này ta đổi gôùc nghiêng của tấm băng bằng hai xi lanh khí nén, được điều khiển bằng các công tắc hành trình để điều khiển xy lanh đi ra hoặc đi vào tương ứng là nâng máy đi lên hay đi xuống

Nhược điểm:

• Kết cấu phức tạp

• Giá thành cao

• Phức tạp trong khâu kiểm tra và vận hành

Kết luận: Trong các phương án ở trên ta chọn phương án 1 để chế tạo

II.3 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

II.3.1 Tính toán phần băng chạy

II.3.1.1 Tính băng tải

Tính bằng phương pháp lực căng băng theo chu tuyến:

Khi băng tải đặt nằm ngang

Ký hiệu:

• q0 trọng lượng của 1 m băng không tải

• ϖ hệ số cản chuyển động của băng

• S1 lực cản tại nhánh nhả của tang dẫn động

• S2, S5 lực cản tại các điểm đặc trưng

Góc ôm băng α = 1800

Hệ số ma sát f = 1,25

Chiều dài của băng tải L= 1,6 m

l= 0,4 m

l 1=1,6-0,4= 1,2 m

Trọng lượng của tấm băng q0 = 9 kg/m

Trọng lượng của cơ thể người cần vận chuyển q1= 150 kg

W1/2 lực cản trên đoạn từ 1→2 là lực cản trên đoạn băng nằm ngang không tải

ξ = 0,03 tang lắp ổ lăn

W3/4 lực cản trên đoạn từ 3→ 4 là lực cản trên đoạn băng nằm ngang không tải

với chiều dài là l

1

2 / 1

ϖϖ

ϖξ

ϖ

α − +

++

++

q l

q L

q L

(1 0 03)

8 0

* 10

* 150 04 0

* 2 1

* 9 04 0

* 4 0

* 9 04 0

* 6 1

* 9

* 03 0 04

+ +

+ +

* 4 ,

1575

Chọn động cơ

• Động cơ một chiều : TYPE/SDMH-1500SDT

• Công suất : 1,5 KW

• Số vòng quay: 1400 vòng/phút

• ARMATURE : 100VDC

• EXCITE : 90VDC

(Mitsubishi electric corporation)

II.3.1.2 Tính bộ truyền đai răng

Vận tốc chạy tối đa vmax = 9,6 km/h = 2,67 m/s

V =

60

*

*14

Với :

• n2 là số vòng quay của con lăn

• D đường kính con lăn D = 85 mm

Suy ra n2 =

D

v

* 14 3

*

60 =

085 0

* 14 3

67 2

*

60 = 567 vòng/phút Chọn động cơ điện một chiều với số vòng quay n1 =1400 vòng/ phút

Ta có tỉ số truyền u = =

Ta chọn bộ truyền đai răng để truyền chuyển động từ động cơ sang con lăn vì:

• Kích thước bộ truyền nhỏ

• Không có hệ số trượt giữa đai và bánh đai

• Tỉ số truyền lớn

• Hiệu suất cao

• Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ

• Công suất truyền lớn

Môđun của đai răng:

m =

1

*35

n P

Trong đó :

P : công suất động cơ khi kéo băng chạy P = 1,5 KW

n1 : số vòng quay của động cơ n1= 1400 vòng/phút

⇒ m = 35*3

1400

5

1 = 2,9 Chọn môđun m = 3

Bề rộng đai : b = ψđ *m

Trong đó ψđ hệ số chiều rộng đai ψđ = 6…9

Chọn ψđ = 6 vì môđun tiêu chuẩn lớn hơn môđun tính toán

⇒ b = 6*3 = 18 mm

Tra bảng 4.28 (TL20) ta được b = 20 mm với m = 3

Xác định các thông số của bộ truyền:

Số răng z1 của bánh đai nhỏ chọn theo tiêu chuẩn bảng 4.29 [TL20]

Ta chọn khoảng cách trục a = 250 (mm)

Số răng đai:

zđ =

a

P z z z z P

402

*2

Trong đó P là bước đai

Vì môđun m = 3 nên P = 9,42

Zđ =

250

* 40

42 9

* 1

14 35 2

35 14 42 9

+ + = 53.078+24.5+0.415= 77.99

Chọn zđ tiêu chuẩn bảng 4.30 [TL20] ta được zđ = 80 răng

Suy ra chiều dài đai răng:

* 42

α1= 1800- ( ( ) ) 0

3 57

* 5 259

14 35

Ta có lực dọc trục:

Đường kính trung bình của ren

d≥ [ ]q

F

h H

a

*

*

*14

Với:

Fa: lực dọc trục Fa= 1034,8 N

ψH: hệ số chiều cao đai ốc thường chọn ψH = 1,25

ψh: hệ số chiều cao ren

Thường chọn ψh= 0,5 đối với ren hình thang

[q]: áp suất cho phép

Đối với gang- thép [q] = 1,5 Mpa

P k = arctg

19.14,3

δ: góc nghiêng của cạnh ren làm việc

Vì ren hình thang nên δ = 150

Thép – gang giảm ma sát f = 0,13

0 7 67 15

cos

15 0

⇒ β≥ γ đảm bảo tính tự hãm

Xác định chiều cao đai ốc và số vòng ren

Chiều cao đai ốc:

23 = 7,9 vòng

II.3.2.2 Tính toán công suất động cơ kéo vít me

Ta có đường kính của vít me d = 20 mm

Ứng suất cực đại τ max=

t

z

W M

Trong đó Wt : momen chống xoắn

Wt=

32

.14,

32

20

*14

3 3 = 785,4 Theo thuyết bền 3 :σt3 = 2 2

*

4 t

+

*14.3

*260

*30

*14.3

*2

=

=

z

Sơ đồ truyền động :

Hình 2.5 Mô hình động cơ và hộp giảm tốc kéo phần nâng

Trục 3 :

Công suất ụ xoắn : p =370 W

Số vòng quay của ụ xoắn : n =34,25 vòng /phút

Tính công suất trên trục 3 :

đ

p p

ηđ : hiệu suất của bộ truyền xích

10

*55.9

*10

*55

3 3

Công suất trên trục 2:

ηol : hiệu suất 1 cặp ổ lăn

ηđ : hiệu suất của bộ truyền bánh răng

97.0

*99.0

393.0

*

3

br ol

*55

2 2

P1=

97.0

*99.0

41.0

*

br ol

*10

*55

1 1

43 0

*10

*55

Loại động cơ : A71A4Y3

Công suất : 0.55 KW

Số vòng quay : 1370 vòng/phút

II.3.2.3 Tính bộ truyền xích truyền chuyển động kéo vít-me

Tỷ số của bộ truyền xích u = 2

Chọn số răng đĩa xích

Vì tốc độ của xích v < 2m/s ,ta chọn Z1 = 15

x

n z

t = ≤

Bộ truyền va đập nhẹ, bôi trơn liên tục, thẳng đứng, làm việc một ca Do đó

K = 1,2

Kz = 25/Z1 = 1,67 : Hệ số số răng đĩa xích

Kn = n01/n1 = 200/75 =2,67 :Hệ số quay vòng

Kx = 1,7 : Hệ số xét đến ảnh hưởng số dãy xích

7 1

393 0

* 67 2

* 67 , 1 2

.

Chọn bước xích pc = 15,875 (mm) có [P] =0,75 (KW )

Khoảng cách trục

875,15180sin

875,1530

180sin

z z

z P

c

*14.3

*22

220

875 , 15

* 14 3

* 2

15 30 2

30 15 875 , 15

*15

*15

(2

[25

π

z z z

z X z

z X p

−

+

−+

− +

+

−

=

2 2

14 3

15 30

* 2 30 15

* 5 0 52 30

15

* 5 0 52

* 875 , 15

* 25