Thiết kế máy trợ thở Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

Trước diễn biến phức tạp của tình hình dịch bệnh COVID19 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. Trước tình hình đó nhóm đề xuất nghiên cứu chế tạo, sản xuất máy trợ thở tự động, có khả năng sản xuất số lượng lớn trong thời gian ngắn, giá rẻ, an toàn cho lực lượng y bác sỹ dựa trên nghiên cứu một số mẫu máy có sẵn trên thị trường cũng như cấu hình máy của MIT đang được công bố rộng rãi hiện nay. Điều này cho phép các bệnh nhân ít nghiêm trọng hơn được chăm sóc bởi các bác sĩ lâm sàng ít chuyên môn hơn, đồng thời có thể tập trung các nguồn lực vào những người bệnh nặng và thực sự cần thiết.

MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

Trong bối cảnh dịch bệnh COVID-19 diễn biến phức tạp, việc cung cấp đủ máy thở cho hoạt động khám chữa bệnh trở nên vô cùng quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng người bệnh Khi dịch bùng phát mạnh, nhu cầu sử dụng máy thở gia tăng, gây khó khăn trong việc đáp ứng Hơn nữa, nghiên cứu và sản xuất máy thở với số lượng lớn cũng gặp nhiều thách thức do cấu tạo phức tạp của thiết bị này.

Trước tình hình khan hiếm máy trợ thở, nhóm nghiên cứu đã đề xuất chế tạo máy trợ thở tự động với khả năng sản xuất hàng loạt nhanh chóng, giá cả phải chăng và an toàn cho nhân viên y tế Dựa trên các mẫu máy hiện có trên thị trường và cấu hình máy của MIT, giải pháp này giúp các bệnh nhân ít nghiêm trọng hơn được chăm sóc bởi bác sĩ ít chuyên môn hơn, đồng thời tối ưu hóa nguồn lực cho những bệnh nhân nặng cần sự chú ý đặc biệt.

TỔNG QUAN

Thở máy và máy thở không xâm lấn

Thông khí và hô hấp là hai khái niệm quan trọng trong sinh lý học Thông khí là quá trình di chuyển cơ học của không khí vào và ra khỏi phổi, trong khi hô hấp là sự trao đổi khí giữa môi trường và cơ thể Do đó, thông khí đóng vai trò là một phần thiết yếu trong quá trình hô hấp của cơ thể.

Thở máy, hay còn gọi là thông khí cơ học, là phương pháp được áp dụng khi chức năng thông khí tự nhiên không đủ hiệu quả Mục đích chính của thở máy là cung cấp hỗ trợ nhân tạo cho quá trình thông khí và oxy hóa, giúp bệnh nhân duy trì sự sống trong những trường hợp cần thiết.

Máy thở là thiết bị cơ khí tự động giúp cung cấp khí oxy vào và ra khỏi phổi, hỗ trợ quá trình thông khí cho bệnh nhân Bằng cách tạo ra dòng khí với áp lực phù hợp, máy thở giúp phổi thực hiện sự trao đổi khí hiệu quả, đặc biệt cho những bệnh nhân ngưng thở hoặc thở không hiệu quả Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong điều trị các bệnh lý hô hấp, đặc biệt là ở những người mắc bệnh béo phì, hội chứng ngưng thở khi ngủ và COVID-19.

Có hai phương pháp thông khí:

- Thở máy xâm nhập: thông khí nhân tạo qua nội khí quản hoặc canun mở khí quản

- Thở máy không xâm nhập: thông khí nhân tạo qua mặt nạ mũi hoặc mặt nạ mũi và miệng

Máy thở không xâm lấn, hay còn gọi là máy trợ thở, là thiết bị hỗ trợ hô hấp cho bệnh nhân mà không cần thực hiện thủ thuật mở nội khí quản Thiết bị này hoạt động bằng cách tạo ra dòng khí có áp lực dương, giúp cải thiện khả năng thở cho người sử dụng.

Hệ thống cơ điện tử hỗ trợ động tác hít vào cho bệnh nhân, giúp họ dễ dàng hít vào với ít sức lực hơn, như máy CPAP Máy BiPAP hiện đại hơn, tự động điều chỉnh áp lực hỗ trợ dựa trên thì hít vào và thở ra của bệnh nhân, giúp họ thở một cách dễ dàng và không bị cản trở Các máy trợ thở này cũng có khả năng lọc không khí vào và ra, loại bỏ các tác nhân gây bệnh như virus Tuy nhiên, do kết nối bằng mặt nạ không kín, virus có thể phát tán ra môi trường xung quanh, gây nguy cơ lây nhiễm cho người khác Cần lưu ý rằng máy trợ thở không phải là phương pháp điều trị bệnh mà chỉ hỗ trợ cải thiện khả năng thở và duy trì chất lượng sống cho người bệnh.

Hình 1: Cấu tạo máy trợ thở CPAP

Quá trình thông khí từ máy thở vào bệnh nhân bắt đầu khi không khí hoặc khí oxy từ bình chứa đi vào máy thở Bộ phận tạo áp lực sẽ đẩy khí qua van một chiều và bộ lọc HPEA, sau đó khí được truyền qua ống thở đến bệnh nhân Trong thì thở ra, khí sẽ đi qua bộ lọc HPEA, van kiểm tra áp lực dương cuối kỳ thở ra (check PEEP exhaust valves) và được thải ra môi trường.

Kiểm soát theo thể tích và kiểm soát theo áp suất Các chế độ thở

Khởi động thì thở vào của máy, ta có hai chế độ kiểm soát như sau:

Kiểm soát theo thể tích (Volume control) cho phép điều chỉnh thể tích khí cung cấp bởi máy thở Trong chế độ này, áp lực cao được tạo ra để đưa một lượng khí cần thiết vào phổi với tốc độ dòng thở đều, bất kể áp suất tích tụ trong phổi (áp suất đỉnh - PIP) Máy thở cần có tính năng an toàn để giới hạn áp lực tối đa, tránh tổn thương phổi Tuy nhiên, trong trường hợp có rò rỉ trong hệ thống, thể tích khí thực tế đưa vào phổi có thể thấp hơn quy định, vì máy không thể xác định chính xác lượng khí đã cấp cho bệnh nhân.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử - 10-

Hình 2: Biểu đồ lưu lượng, áp suất và thể tích theo thời gian ở chế độ kiểm soát thể tích

Kiểm soát theo áp suất (Pressure control) là chế độ điều chỉnh áp suất để thay đổi thể tích khí cung cấp Khi áp suất thay đổi, thể tích khí phù hợp sẽ được cung cấp cho bệnh nhân có phổi tuân thủ cao, nhưng có thể không đủ cho bệnh nhân có tuân thủ thành ngực kém Một ưu điểm nổi bật của chế độ này so với chế độ thể tích là khả năng bù đắp cho sự rò rỉ trong hệ thống, giúp bệnh nhân nhận được cùng một thể tích khí bất kể có sự rò rỉ hay không.

Hình 3: Biểu đồ lưu lượng, áp suất và thể tích theo thời gian

Thiết kế hệ thống cơ điện tử - 11- ở chế độ kiểm soát áp suất

- Chế độ hỗ trợ (Assist Control Mode): máy sẽ kích hoạt theo hơi thở của bệnh nhân và hỗ trợ hơi thở

- Chế độ điều khiển (Controlled Mode): máy sẽ bắt đầu thở vào thời điểm được chỉ định bởi người điều khiển chứ không phải bệnh nhân

Chế độ kết hợp (Combined Mode) cho phép máy thở hoạt động theo nhịp thở tự nhiên của bệnh nhân Khi bệnh nhân ngừng thở hoặc thở chậm hơn, máy sẽ tự động chuyển sang chế độ hoạt động với tần số đã được cài đặt trước.

Yêu cầu y tế của 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: tỷ lệ thời gian hô hấp hít vào/thở ra

- Ví dụ, tỷ 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)

Tốc độ dòng và dạng dòng thở vào:

- Tốc độ dòng thở vào quyết định thời gian thở vào, cần đặt để có được tỷ lệ I/E mong muốn, thường 40 – 60 lít/phút

- Cần tăng tốc độ dòng thở vào trong trường hợp BN có tắc nghẽn đường thở

Dạng dòng hằng định bao gồm sóng vuông, tăng dần và giảm dần, trong đó dạng giảm dần thường được sử dụng hơn vì giúp phân bố khí trong phổi đều hơn Áp lực dương cuối kỳ thở ra, hay còn gọi là PEEP, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

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

Tình hình nhu cầu và nghiên cứu, sản xuất trong và ngoài nước

4.1 Tình hình và nhu cầu hiện nay: Đứng trước hoàn cảnh dịch bệnh SARS-COV2 hiện nay đang lây lan nhanh chóng, nhiều doanh nghiệp, tổ chức, cũng như các trường Đại học đang tham gia đẩy mạnh nghiên cứu, sản xuất các thiết bị y tế như : khẩu trang, dụng cụ bảo hộ, và máy trợ thở là một thiết bị đang được rất nhiều nước châu Âu nói riêng và thế giới nói chung nhập khẩu hiện nay mặc dù các nước đó đã và đang sản xuất với số lượng máy lớn Có thể nói cuộc chạy đua tìm máy trợ thở đang rất ráo riết bởi vì khi những bệnh nhân Covid-19 bị suy hô hấp nặng thì máy trợ thở được sử dụng trong nhiều tuần, là chìa khóa để cứu sống những bệnh nhân này

Tình hình thiếu máy thở ở các nước:

Mỹ hiện đang có số ca COVID-19 cao nhất thế giới, với Hiệp hội Hồi sức cấp cứu Hoa Kỳ (SCCM) ước tính khoảng 960.000 bệnh nhân có thể cần máy thở trong đại dịch Theo phân tích của Công ty Needham, số máy thở cần thiết có thể lên tới 750.000, trong khi Mỹ chỉ có khoảng 200.000 máy thở, theo SCCM Tuy nhiên, trang Marketwatch đưa ra con số ước tính chỉ khoảng 100.000 máy Đáng chú ý, khoảng một nửa trong số máy thở ước tính của SCCM là loại cũ, có thể không đáp ứng tốt nhu cầu điều trị bệnh nhân nặng.

Tại Anh, số lượng máy thở hiện tại chỉ có 8.175 chiếc, theo thông cáo của Bộ Y tế quốc gia Trong bối cảnh dịch bệnh, Chính phủ Anh dự đoán sẽ cần tới 30.000 máy thở trong giai đoạn cao điểm Để đáp ứng nhu cầu này, khoảng 8.000 máy thở khác đã được đặt hàng từ các nhà sản xuất quốc tế và dự kiến sẽ được chuyển tới Anh trong vài tuần tới.

Tình trạng thiếu máy thở đang trở nên nghiêm trọng, đặc biệt tại những quốc gia có hệ thống y tế hạn chế như Mali, nơi chỉ có 56 máy thở cho 19 triệu dân Để đáp ứng nhu cầu khẩn cấp này, nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành ô tô, đã tham gia vào việc sản xuất máy trợ thở Tại Hoa Kỳ, các nhà sản xuất ô tô như Tesla, Ford và General Motors đang hợp tác với các nhà sản xuất thiết bị y tế để sản xuất máy trợ thở quy mô lớn.

4.2 Các dự án ở nước ngoài: 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 4: Máy thở của nhóm nghiên cứu MIT

Một nhóm kỹ sư, bác sĩ và nhà khoa học máy tính tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đang phát triển một chiếc máy thở giá rẻ dưới 100 USD, có thể lắp ráp nhanh chóng để giải quyết tình trạng thiếu hụt trong đại dịch COVID-19 Ý tưởng này được thiết kế từ 10 năm trước, sử dụng bóng Ambu và ống nội khí quản, nhưng đã được cải tiến với phần cứng cơ học và động cơ điều khiển để tự động hóa quá trình bóp bóng Máy thở cho phép điều chỉnh các thông số như thể tích không khí, số nhịp thở và tỉ lệ IE, đồng thời tích hợp hệ thống cảnh báo để theo dõi bệnh nhân hiệu quả hơn Đặc biệt, thiết bị này còn có khả năng bắt nhịp với hơi thở của bệnh nhân, hỗ trợ việc thở một cách tối ưu.

Máy thở của MIT là giải pháp lý tưởng cho việc sản xuất máy thở công suất thấp, cung cấp các tính năng thiết yếu với chi phí thấp hơn so với công nghệ hiện tại Đặc biệt, nhóm MIT đã chia sẻ miễn phí toàn bộ tài liệu và bản thiết kế để tạo ra máy thở giá rẻ trên trang web của họ.

Chế độ kiểm soát Volume Control

Chế độ thở Assist Control

Số nhịp thở trên phút (BPM) 8 - 40

Tỉ lệ thời gian thở vào/ thở ra (I/E) 1.1 - 1.4 có thể điều chỉnh được

Bộ phận tạo áp lực Sử dụng một động cơ thông qua bộ truyền bánh răng để điều khiển hai tay kẹp bóp bóng ambu

Nguồn điện Sử dụng bộ biến đổi điện áp 220VAV

– 12V DC, có thể sử dụng pin xe hơi có điện áp 12V-5A khi mất điện Ưu điểm:

- Giá thành thấp so với các máy thở trên thị trường

- Có thể đồng bộ nhịp thở với hơi thở của bệnh nhân

- Sử dụng các thiết bị dễ tìm kiếm

- Cài đặt và sử dụng đơn giản

- Không sử dụng cho mục đích kéo dài (thường là 1 ngày)

Nhóm thiết kế tại trường đại học Rice, bao gồm sinh viên và giảng viên, đã hợp tác với công ty công nghệ Metric Technologies để phát triển máy thở giá rẻ mang tên ApolloBVM.

Hình 5: Máy thở ApolloBVM của trường đại học Rice

Hình 6: Cơ cấu thanh răng bánh răng

Các đặc tính kỹ thuật:

Chế độ thở Control Mode

Số nhịp thở trên phút (BPM) 5 – 30 (+1)

Tỉ lệ thời gian thở vào/ thở ra (I/E) 1:2, 1:3, 1:4, 1:5

Bộ phận tạo áp lực sử dụng hai cặp thanh răng bánh răng để chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến, nhằm nén túi khí từ hai phía đối diện.

Nguồn điện 120V AC – 15W Ưu điểm:

- Giá thành khá thấp so với các máy thở trên thị trường

- Sử dụng các bộ phận thông dụng, dễ tìm kiếm

- Cài đặt và sử dụng đơn giản

Sử dụng hai động cơ riêng biệt giúp đảm bảo an toàn, phòng ngừa hư hỏng cho một động cơ Khi một động cơ gặp sự cố, máy sẽ nén tại một điểm thay vì hai điểm như thông thường.

- Chỉ hỗ trợ một chế độ thở theo nhịp thở cài đặt sẵn của máy

- Sử dụng hai động cơ và hai cặp truyền động làm tăng giá thành

- Kết cấu hai cặp thanh răng bánh răng làm tăng kích thước thiết kế

- Không sử dụng cho mục đích kéo dài (thường là 1 ngày)

4.3 Các dự án ở trong nước:

Hình 7: Máy thở của ĐH Duy Tân

Máy thở DTU-Vent là thiết bị thở không xâm nhập, cung cấp oxy đến phổi qua mặt nạ mũi hoặc mặt nạ mũi-miệng Sản phẩm này đáp ứng nhanh chóng lượng khí lớn, kích thích hoạt động thở, đặc biệt hữu ích cho bệnh nhân COVID-19 trong tình trạng suy hô hấp nghiêm trọng.

Máy thở sử dụng bơm piston với độ ổn định và chính xác cao, đáp ứng các tiêu chuẩn của AMMI - COVID-19 Sản phẩm có tỷ lệ nội địa hóa cao, cho phép tự chủ về công nghệ Đội nghiên cứu thiết kế máy thở nhỏ gọn, dễ dàng ứng biến trong tình huống dịch bệnh lây lan, với pin dự phòng đảm bảo hoạt động liên tục trong 3 giờ khi mất điện.

Các đặc tính kỹ thuật:

Chế độ thở Assist Control

Số nhịp thở trên phút (BPM)

Tỉ lệ thời gian thở vào/ thở ra (I/E)

Bộ phận tạo áp lực Bơm piston

Nguồn điện 220V AC – có nguồn pin dự phòng khi cúp điện

Thiết kế hệ thống cơ điện tử - 17- Ưu điểm:

- Điểu chỉnh thể tích bơm khí với độ chính xác cao nhờ sử dụng bơm piston

- Giảm tiếng ồn khi bơm khí

- Có thể hỗ trợ theo nhịp thở của bệnh nhân

- Có thể tạo độ ẩm và ổn định nhiệt độ khí khi đi vào cơ thể

- Có thể hoạt động ở chế độ máy thở xâm nhập

- Có giá thành rẻ hơn các máy thở trên thị trường nhưng vẫn khá cao để sinh viên đại học có thể tiếp cận nghiên cứu

- Sử dụng thiết bị bơm piston khó tìm kiếm trong tình hình dịch bệnh thiếu vật tư y tế như hiện nay

Máy thở DTU-Vent Ver 1.0 của Đại học Duy Tân nổi bật với khả năng điều chỉnh thể tích bơm chính xác và liên tục, thiết kế piston tiết kiệm năng lượng, và giảm tiếng ồn khi bơm khí Tuy nhiên, phiên bản này gặp khó khăn trong việc sản xuất hàng loạt do việc cung cấp bơm piston hạn chế và giá thành cao, điều này gây trở ngại cho thương mại hóa và nghiên cứu tại các trường đại học, đặc biệt trong bối cảnh thiếu thốn trang thiết bị y tế hiện nay.

Trước tình hình phức tạp của dịch COVID-19, các trường đại học đã nhanh chóng nghiên cứu và sản xuất máy thở chất lượng cao, giá cả phải chăng để đáp ứng nhu cầu khẩn cấp Nhiều trường đã chọn phát triển máy thở dựa trên nguồn mở từ dự án của nhóm nghiên cứu MIT.

Hình 8: Máy trợ thở của trường ĐH Bách KHoa TP.HCM

Hình 9: Máy trợ thở của trường ĐH Lạc Hồng

Hình 10: Máy trở thở của ĐH Điện Lực

Đặt ra yêu cầu đề tài

Máy thở được phát triển dựa trên phiên bản của nhóm nghiên cứu MIT, nổi bật với khả năng sản xuất nhanh chóng, chi phí thấp và dễ dàng tiếp cận nguồn mở Đây là một giải pháp khẩn cấp nhằm ứng phó với tình trạng thương vong cao và nguồn lực hạn chế.

Trong môn học Thiết kế hệ thống cơ điện tử, nhóm chỉ thực hiện đề tài dựa trên các thông số tham khảo liên quan đến y tế, mà không tiến hành thực nghiệm và hiệu chỉnh Các yêu cầu của nhóm được xác định rõ ràng.

Thiết bị cho phép người dùng giám sát và cài đặt các thông số của máy như:

- Giám sát thể tích khí lưu thông do máy thở đưa vào phổi bệnh nhân trong 1 lần thở (Vt – Tidal Volume): 200 - 800ml +15% (ĐCNN: 10 ml)

- Số nhịp thở trên mỗi phút (BPM): cho phép cài đặt 10 – 40 bpm (ĐCNN: 1 bpm)

- Tỉ lệ giữa thời gian thở vào trên thời gian thở ra (I:E): cho phép cài đặt từ 1:1- 1:4 + 10% (ĐCNN: 0,1)

- Áp suất dương cuối kỳ thở ra (PEEP): cho phép cài đặt trên van 5 - 20 cm H20 (ĐCNN: 1 cm H20)

- Áp suất thở vào đỉnh (PIP): cho phép cài đặt từ 0-100 cm H20 (ĐCNN: 5 cm

- Mode thở: pressure control, assist control

- Bất cứ trục trặc nào của thiết bị cũng phải phát tín hiệu cảnh báo:

+ Áp suất đo được vượt quá áp suất đỉnh

+ Phát hiện bất kì sự ngắt kết nối hoặc rò rỉ nào

+ Áp suất khí đẩy vào không được phát hiện (trường hợp bóng ambu bị tháo ra)

- Sử dụng màng lọc khí thở ra của bệnh nhân, tránh nguy cơ lây nhiễm đối với người bệnh

Các thông số được trình bày trong bài viết dựa trên nghiên cứu của nhóm MIT, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn cần thiết cho máy thở phục vụ bệnh nhân hiện nay.

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Lựa chọn phương án cơ khí

Sử dụng cơ cấu hai tay đẩy tịnh tiến bóp bóng ambu từ hai phía đối diện

Hình 11: Sơ đồ nguyên lí phương án 1: cơ cấu hai tay đẩy tịnh tiến Ưu điểm:

- Sử dụng hai động cơ hoạt động độc lập, trong khi một động cơ bị trục trặc thì động cơ kia vẫn có thể tiếp tục quá trình

- Chiếm diện tích khá lớn do sử dụng hai tay đẩy hai bên

- Việc sử dụng hai động cơ làm tăng chi phí

Motor điều khiển cánh tay bóp bóng ambu hoạt động bằng cách điều chỉnh góc quay của cánh tay để tạo ra áp lực nén lên bóng ambu, từ đó cung cấp lượng khí cần thiết Bóng ambu được đặt trên một mặt phẳng, giúp cánh tay dễ dàng thực hiện nhiệm vụ của mình.

Hình 12: Sơ đồ nguyên lí phương án 2: cớ cấu một tay kẹp Ưu điểm:

- Tác động một phía có thể bóp bóng không đều, dễ gây mỏi vật liệu dẫn đến nhanh hỏng bóng ambu

Cơ cấu sử dụng hai tạy kẹp bóp bóng ambu tương tự động tác bóp bóng bằng hai tay

Hình 13: Sơ đồ nguyên lí phương án 3: cơ cấu hai tay kẹp Ưu điểm:

- Sử dụng một động cơ điều khiển hai tay kẹp bóp đồng thời bóp bóng, tăng tuổi thọ của bóng

1.4 Kết luận: Dựa vào các ưu nhược điểm đã phân tích nhóm đề xuất lựa chọn phương án 1, Sử dụng motor thông qua bộ truyền bánh răng điều khiển hai tay kẹp bóp bóng ambu tương tự như động tác bóp bóng thực tế

Lựa chọn phương án cấu trúc điều khiển

Máy trợ thở bao gồm các thành phần chính như mạch cảm biến, mạch điều khiển, mạch lái động cơ, nút điều chỉnh, cảnh báo và màn hình hiển thị LCD Thiết bị này chỉ cần nhận và xử lý dữ liệu từ cảm biến và encoder, sau đó truyền giá trị điều khiển cho động cơ, hiển thị thông tin giám sát và thực hiện các cảnh báo cần thiết Việc sử dụng cấu trúc điều khiển phân cấp là không cần thiết; thay vào đó, cấu trúc điều khiển tập trung sẽ tiết kiệm chi phí và phù hợp với yêu cầu đề bài.

Hình 14: Cấu trúc điều khiển máy trợ thở

Trong hệ thống điều khiển tập trung, một MCU duy nhất có khả năng đồng thời nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến áp suất và encoder Nó thực hiện chương trình chính để tính toán giá trị điều khiển, truyền tín hiệu cho động cơ, đồng thời hiển thị các giá trị giám sát trên màn hình LCD và phát cảnh báo khi cần thiết.

Lựa chọn phương án bộ điều khiển

Máy thở có hai chế độ kiểm soát chính là kiểm soát theo thể tích và kiểm soát theo áp suất, trong đó kiểm soát theo áp suất được đánh giá là tiện lợi hơn Khi sử dụng chế độ kiểm soát áp suất, máy thở có khả năng bù đắp lượng khí rò rỉ trong hệ thống, đảm bảo duy trì áp suất cài đặt mong muốn.

Hình 15 Cơ chế để tạo ra áp suất trong giai đoạn hít vào

Máy thở sử dụng phương án điều khiển theo áp suất bằng cách thiết lập một mức áp suất mong muốn Khi bệnh nhân bắt đầu hít vào, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh lượng khí hít vào để đạt được áp suất đã cài đặt Nếu áp suất thực tế thấp hơn mức mong muốn, máy thở sẽ tăng lượng khí hít vào; ngược lại, nếu áp suất thực tế cao hơn, máy thở sẽ giảm lượng khí hít vào để duy trì ổn định áp suất.

Hình 16 Hệ thống điều khiển theo áp suất (minh họa)

3.1 Phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp:

Hình 17 Phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp

Phương pháp này ta thêm khâu bù G_C (s) để đáp ứng các thông số của hệ thống

Có thể áp dụng các khâu bù phổ biến như P, PI, PD, PID trong hệ thống điều khiển Việc sử dụng lý thuyết phương pháp QĐNS và biểu đồ Bode giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Ưu điểm của các khâu bù này là tính đơn giản và hiệu quả cho các hệ thống tuyến tính, đặc biệt là hệ SISO (Simple Input Simple Output).

3.2 Phương pháp điều khiển hồi tiếp trạng thái:

Hình 18 Phương pháp điều khiển hồi tiếp trạng thái

Phương pháp này cho phép phản hồi tất cả các trạng thái của hệ thống về ngõ vào, với việc sử dụng vecto hồi tiếp K để áp dụng các phương pháp điều khiển như phân bố cực và tối ưu LQR Ưu điểm của phương pháp này là khả năng áp dụng cho hệ thống phi tuyến theo thời gian và cho cả hệ MIMO (Multi Input Multi Output).

❖ Kết luận: Lựa chọn phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp vì mô hình đã cho là mô hình

SISO nên ta có thể dùng bộ PID để điều khiển

4 Lựa chọn phương án lập trình:

4.1 Yêu cầu và phương án đưa ra:

Dựa vào yêu cầu bài toán, phần lập trình cần giải quyết được các vấn đề sau:

- Đọc và hiển thị các giá trị thông số cài đặt

- Đọc giá trị các cảm biến và xuất tín hiệu điều khiển theo các thống số được cài đặt

- Hoạt động ở hai chế độ là Pressure Control, Assist Control

- Phát cảnh báo khi cần thiết theo các điều kiện ở đề bài đã cho

Có hai phương án lập trình chuyển đổi mode thở:

- Phương án 1: Chuyển đổi mode thở bằng nút nhấn

- Phương án 2: Tự chuyển đổi mode thở bằng cách phát hiện hơi thở của bệnh nhân

Phương án 1 mang lại sự chủ động cho bác sĩ trong việc quyết định chế độ máy thở dựa trên tình trạng của bệnh nhân Tuy nhiên, trong các tình huống khẩn cấp như bệnh nhân bất tỉnh hoặc gặp suy hô hấp tạm thời, chế độ Pressure Control sẽ được áp dụng Khi bệnh nhân tỉnh lại và có khả năng tự thở, việc không chuyển sang chế độ Assist Control có thể gây khó chịu và nguy hiểm Do đó, việc áp dụng phương án 2 để chuyển sang chế độ thở tự động là cần thiết và phù hợp nhất.

4.2 Sơ đồ nguyên lí lập trình: Để dễ dàng điều khiển tay kẹp chính xác, cần thiết lập vị trí ban đầu cho tay kẹp Vị trí ban đầu của tay kẹp được xác định dựa vào công tắc hành trình Sethome Việc chạm cảm công tắc hành trình liên tục sẽ làm công tắc nhanh hỏng nên vị trí Home được thiết lập sẽ nằm cách công tắc hành trình một khoảng cho trước khi chạy máy thực tế

Hình 19 Sơ đồ nguyên lí thiết lập vị trí Home

Tay kẹp được điều khiển tự động theo chu kỳ hô hấp, dựa trên các thông số đã được cài đặt Cuối mỗi chu kỳ thở ra, máy sẽ đo áp suất PEEP và so sánh với áp suất hiện tại để phát hiện sự giảm áp suất do hơi thở của bệnh nhân Nếu có sự giảm áp suất so với PEEP, máy sẽ tự động chuyển sang chu kỳ tiếp theo; ngược lại, máy sẽ chờ đến khi kết thúc chu kỳ hiện tại trước khi chuyển sang chu kỳ mới.

Hình 20 Sơ đồ nguyên lí chu kì thở

Phương án cơ khí Cơ cấu hai tay kẹp, hệ truyền động bánh răng

Cấu trúc điều khiển Điều khiển tập trung

Phương án điều khiển Điều khiển hồi tiếp trạng thái

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Số giờ làm việc

Số giờ làm việc: 365 ngày x 24 giờ = 8760 giờ

Tính toán công suất

Không phụ thuộc vào thiết kế cơ học của bộ kẹp, công suất đầu ra cần thiết có thể được xác định từ các giá trị trường hợp xấu nhất của các biến liên quan.

- Áp suất tối đa tại đường thở: pairway, max = 40 cm H2O (3922.66 Pa)

- Nhịp thở tối đa (maximum respiration rate): RRmax = 40 nhịp/ phút

- Tỷ lệ hít vào / thở ra tối thiểu IEratio, min= 1:4

- Thể tích đầu ra lớn nhất: Vmax = 800 cm 3

Như vậy trong trường hợp xấu nhất, thiết bị cần phải bóp không khí ở áp suất 40 cmH2O, trong 0,3 giây

Lưu lượng thể tích cần thiết trong trường hợp xấu nhất là:

(tin : thời gian hít vào)

Công suất đầu ra (tại đường thở):

Mặc dù một phần năng lượng sử dụng để bóp túi bị mất do biến dạng túi và ma sát, giả sử năng lượng mất mát là 50%, công suất cần thiết cho bộ kẹp sẽ phải được điều chỉnh tương ứng.

Công suất thực tế cần thiết từ động cơ thường cao hơn so với công suất đầu ra, mức độ tăng này phụ thuộc vào thiết kế cơ và điện của hệ thống Giả sử một phần năng lượng điện bị mất do hiệu suất kém trong các thành phần như bánh răng và hệ thống tản nhiệt, thì công suất đầu ra của động cơ cần được tính toán với hệ số 1,5 để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.

Công suất cần cho cơ cấu 2 tay kẹp (đây là một hướng tính công suất khác)

Sau đây là hình minh họa về 2 tay kẹp:

Hình 21 Các thông số cần xác định của 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

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 mm x 115mm

- Chiều dài cánh tay đòn: l finger = 12cm

Lực tối đa của túi trên một tay kẹp (khi được ép hoàn toàn), với hiệu suất truyền áp suất 50% như trước:

Momen xoắn lớn nhất cần trên mỗi tay kẹp:

Công suất cần thiết cho bộ hai tay kẹp tính bằng cách sử dụng tốc độ góc quét (trong 0,3 giây):

Tổng công suất cho động cơ (giả sử một động cơ duy nhất) khi áp dụng thêm hiệu suất của động cơ và hộp số là:

Tổng công suất động cơ khoảng 51 W.

Thiết kế cơ cấu kẹp bóng ambu

Hình 22 Cơ cấu bóp ambu sử dụng hai tay kẹp

Từ phương án đã chọn, hệ truyền động được chọn là bánh răng

Có 2 phương án thiết kế tay kẹp:

- Phương án 1: Tay kẹp được chế tạo riêng, bánh răng được chế tạo riêng, sau đó chúng được ghép với nhau bằng mối ghép bulong

- Phương án 2: Tay kẹp được chế tạo nguyên khối với bánh răng

Nhóm tác giả chọn phương án 2

Hình 23 Cơ cấu truyền động bánh răng cho hai tay kẹp

Thiết kế bộ truyền bánh răng

Hình 24 Sơ đồ phân tích momen xoắn tác dụng lên cơ cấu kẹp

Vận tốc bánh dẫn: n1 = 16,67 (vg/ph)

Chọn vật liệu làm bánh răng là thép 40Cr tôi cải thiện:

• Ứng suất tiếp xúc cho phép:

Giới hạn mỏi tiếp xúc tương ứng với chu kì cơ sở: lim1 2.300 70 670 (MPa)

 oH = + Số chu kì làm việc tương đương:

Số chu kì làm việc cơ sở:

= = = = Vì N HE N HO =N HE =N HO

Hệ số tuổi thọ: HL m H HO 1,5145

= N Hệ số an toàn sH tra bảng 5.3 [1]: sH = 1,1 Ứng suất tiếp xúc cho phép sơ bộ của từng bánh răng:

Vì là cặp bánh răng thẳng nên:

• Ứng suất uốn cho phép:

Số chu kì làm việc tương đương:

Số chu kì làm việc cơ sở:

N FO Hệ số tuổi thọ:

Vì bộ truyền bánh răng để hở nên ta tính toán theo độ bền uốn để tránh gãy răng

= = + Z = + Thiết kế hệ thống cơ điện tử - 33- Đặc tính so sánh độ bền các bánh răng (độ bền uốn):

4.5 Chọn hệ số chiều rộng vành răng:

4.8 Các thông số hình học: Đường kính vòng chia:

1 2 1 4.20 80( ) d =d =mz = = mm Đường kính vòng đỉnh:

1 2 1 2 80 2.4 88( ) a a d =d =d + m= + = mm Đường kính vòng đáy:

4.9 Vận tốc vòng bánh răng:

= 4.10 Lực tác dụng lên bánh răng:

4.11 Kiểm nghiệm ứng suất uốn: Ứng suất uốn tính toán:

Vậy cặp bánh răng cấp nhanh thỏa độ bền uốn

4.12 Thông số tính toán thiết kế bánh răng tay kẹp:

Thông số Giá trị Thông số Giá trị

Vật liệu 40Cr Đường kính vòng chia

Bánh dẫn d1, mm Bánh bị dẫn d2, mm

Khoảng cách trục aw, mm 80 80

10 Đường kính vòng đỉnh Bánh dẫn da1, mm Bánh bị dẫn da2, mm

20 Đường kính vòng đáy Bánh dẫn df1, mm Bánh bị dẫn df2, mm

Lực hướng tâm Fr, N Momen xoắn T2, Nm 9,74

Lực vòng Ft, N 487 Vận tốc vòng bánh răng (m/s) 0,07

Thiết kế trục đỡ tay kẹp và chọn ổ lăn

5.1 Lựa chọn phương án thiết kế trục:

Có hai phương án thiết kế trục đỡ tay kẹp:

- Phương án 1: Chế tạo trục bậc, lắp ghép tay kẹp với trục bằng mối ghép then

- Phương án 2: Chế tạo trục trơn, tay kẹp được cố định với trục thông qua ống lót

Chọn phương án 2 vì các ưu điểm so với phương án 1:

- Dễ chế tạo và thay thế từng bộ phận

- Không yêu cầu độ chính xác chế tạo cao vì các mối ghép đều là mối ghép hở cố định bằng bulong

- Có thể dễ dàng điều chỉnh vị trí ăn khớp hai tay kẹp

Thông số thiết kế trục:

Vật liệu được chọn cho trục là thép hợp kim C45, với các thông số ứng suất như sau: 𝜎 𝑏 = 785 MPa, 𝜎 𝑐ℎ = 540 MPa, 𝜏 𝑐ℎ = 324 MPa, 𝜎 −1 = 383 MPa, 𝜏 −1 = 226 MPa Các giá trị [𝜎] tương ứng với đường kính trục là 85 MPa cho đường kính 30 mm, 70 MPa cho đường kính 50 mm, và 65 MPa cho đường kính 100 mm.

Chọn [𝜏] = 40 MPa đối với cả hai trục

5.3 Xác định sơ bộ đường kính trục:

5.4 Phân tích lực tác dụng bộ truyền bánh răng và sơ đồ lực:

Hình 25 Sơ đồ lực tác dụng hệ thống truyền động

Lực nối trục: Fnt = (0,2 0,3).2T/D với D = 15 mm => Fnt = 519,5 N

Lực vòng do bóng ambu tác dụng: Ft1’ = Ft2’ = 81,2 N

Lực vòng của bộ truyền bánh răng gây ra: Ft1 = Ft2 = 243,5 N

Lực hướng tâm của bộ truyền bánh răng gây ra: Fr1 = Fr2 = 88,6 N

5.5 Phác thảo sơ bộ trục:

Hình 26 Phác thảo sơ bộ trục

Áp dụng phương trình cân bằng momen và lực, chúng ta xác định được các lực tác dụng lên trục, cụ thể là Ft1 = 243,5 N, Fr1 = 88,6 N, Ft1’ = 81,2 N và Fnt = 519,5 N Các chiều của các lực này đã được thể hiện rõ trong biểu đồ.

Vẽ biểu đồ momen cho trục I:

Hình 27 Biểu đồ momen trục I

Dựa vào biểu đồ nội lực tính momen uốn tổng hợp tại từng tiết diện theo công thức:

Suy ra: MA1 = 0; MB1 = 8895,8 (Nmm); MC1 = 9870,5 (Nmm); MD1 = 0

Momen tương đương tính theo công thức:

Suy ra: MtdB1 = 19071,9 (Nm); MtdC1 = 19545,6 (Nm); MtdD1 = 16870,2 (Nm); Đường kính các tiết diện (với [𝜎] = 85MPa):

Suy ra: d B 1 13, 4mm d; C 1 13,5mm d; D 1 12,8mm

Áp dụng phương trình cân bằng momen và lực, chúng ta có các lực tác dụng lên trục là Ft2 = 243,5 N, Fr2 = 88,6 N và Ft2’ = 81,2 N, với chiều lực được xác định trong biểu đồ.

Vẽ biểu đồ momen cho trục II:

Hình 28 Biểu đồ momen trục II

Tương tự như trục I ta tính toán được momen tương đương:

MtdA2 = 0 ; MtdB2 = 8722,3 (Nmm); MtdC2 = 0 Đường kính các tiết diện (với [𝜎] = 85MPa):

Số vòng quay : n = 16,67 vg/ph

Thời gian làm việc : L = 8760 h Đường kính ngõng trục : d = 15 mm

Lực hướng tâm tác dụng lên ổ:

F = F +F Vì không phải chịu lực dọc trục, ta sử dụng ổ bi đỡ một dãy cỡ siêu nhẹ

Chọn sơ bộ ổ 1000902, theo phụ lục ổ lăn P9.1 [4]: d = 15 (mm), D = 28 (mm), B 7 (mm), C = 2530 (N), C0 = 1510 (N)

Lực hướng tâm tác dụng lên ổ:

F =F = F +F = + Để đồng nhất trong chế tạo và lắp ghép, ta chọn ổ lăn cho trục 2 giống như trục I và kiểm nghiệm lại ổ lăn theo ổ lăn trục I

Do số vòng quay n = 16,67 > 10 vg/ph nên ta kiểm nghiệm ổ theo khả năng tải động:

Tải trọng động quy ước tác dụng lên ổ:

Trong đó: V = 1 do vòng trong quay

X = 1; Y = 0 do không có lực dọc trục

K  = ; K t =1 Tải trọng động quy ước tác dụng lên ổ:

Q C = + Vì Q C Q A nên ta tính toán ổ theo thông số tại C

Thời gian làm việc tương đương tính bằng triệu vòng quay:

Khả năng tải động tính toán của ổ:

Suy ra ổ đã chọn đảm bảo bền

Lựa chọn các chi tiết và dung sai lắp ghép

Trục chịu momen xoắn T,48 Nm, đường kính trục là 15mm

Chọn nối trục đĩa có các thông số:

Kiểu lắp ghép cho ổ lăn được chọn là H7/k6, phù hợp cho những mối ghép không yêu cầu tháo lắp thường xuyên và có thể gây hư hại cho các chi tiết Ngoài ra, một số kiểu lắp khác như D8/k6 được sử dụng cho ống lót với trục và ống lót với bánh răng.

Bảng kê các kiểu lắp ghép tra theo bảng 4.5 [4]

Kiểu lắp giữa Kiểu lắp

THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN

Chọn mạch điều khiển

- 3 Thông số đầu vào để điều chỉnh bao gồm: BPM, I/E, Pressure (3 analog)

- 1 Thông số cảm biến để cập nhật liên tục: áp suất, lưu lượng (2 analog)

- 2 nút nhấn: xác nhận thông số cài đặt (confirm) và tắt còi (alarm silence) (2 digital)

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

- 2 công tắc hành trình để giới hạn hành trình (1 digital)

- Điều khiển động cơ: cấp xung PWM và điều khiển chiều quay (2digital)

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

➢ Tổng kết: 5 cổng analog, 11÷15 cổng digital

➢ Chọn sử dụng mạch điều khiển là Arduino:

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

Khi sử dụng LCD với giao tiếp I2C trên Arduino Uno, hai chân analog A4 (SDA) và A5 (SCL) sẽ bị chiếm dụng, dẫn đến tình trạng thiếu cổng analog Tuy nhiên, nếu sử dụng LCD theo cách thông thường, Arduino Uno sẽ có đủ các cổng cần thiết cho các kết nối khác.

- Chọn sử dụng mạch điều khiển Arduino Uno

Hình 29 Mạch Arduino Uno

Chọn cảm biến

Dựa trên các thông số từ đầu bài:

Tham số Giá trị hoặc phạm vi Lưu ý

Phải điều chỉnh được (∆= 0.5 cmH2O)

Kiểm soát hỗ trợ Thường cài đặt là: Phải điều chỉnh được

(phát hiện áp suất hơi thở thay đổi)

-1 đến -2 cmH20 1 cmH20 Áp lực đỉnh đường thở

40 cmH20 Phải điều chỉnh được

Ta chọn cảm biến áp suất MPX5010DP có các thông số:

Hình 30 Cảm biến áp suất MPX5010DP

- Khoảng làm việc: 0-10 kPa (0-102 cmH2O)

- Độ nhạy: 4.5 mV/kPa (≈ 0.35mV/cmH2O)

- Thời gian đáp ứng: 1 ms

- Datasheet: https://www.nxp.com/docs/en/datasheet/MPX5010.pdf?fbclid=IwAR3XPWvuHjAP07XCG948TpNo7g6yH0aS0olf W98SIB7M9eY7Cc2MuQrfCmI

Dựa trên thông số từ đầu bài:

Tham số Giá trị hoặc phạm vi Lưu ý

Thể tích khí lưu thông 200 - 800 mL

(Trọng lượng bệnh nhân lý tưởng làm điểm cài đặt ban đầu)

Ta chọn cảm biến lưu lượng khí được phát triển cho môi trường máy thở với đáp ứng yêu cầu hiệu suất cao AWM720P1 với các thông số:

Hình 31 Cảm biến lưu lượng AWM720P1

- Đo lưu lượng cao tới 200 lít tiêu chuẩn mỗi phút (SLPM)

- Công suất tiêu thụ: 60 mW

- Thời gian đáp ứng 6ms

- Datasheet: https://www.mouser.vn/datasheet/2/187/honeywell-sensing-airflow- sensors-awm700-series-da-1846423.pdf

Chọn động cơ

Với các thông số tính toán từ thiết kế cơ khí, ta chọn động cơ với các điều kiện sau: công suất P = 68.64W, momen xoắn T = 13 Nm

Ta chọn động cơ Động cơ Planet 24V 60w với các thông số:

Hình 32 Động cơ Planet 24V 60W

- Điện áp đầu vào: 24 VDC – 2.5A

- Curve sheet: http://roboconshop.com/San-Pham/Robocon/%C4%90ong- co/%C4%90ong-co-co-hop-so/%C4%90ong-co-Planet-60W-co-encoder-13- xung.aspx

Chọn nguồn

- Chọn nguồn 24VDC 5A để cấp cho động cơ

- Chọn nguồn 12VDC để cấp cho cảm biến lưu lượng và mạch ổn áp 12-5VDC từ đó cấp cho arduino và một số thiết bị khác

- Pin 5VDC để nuôi còi báo

Chọn mạch ổn áp LM2596 với các thông số:

Hình 33 Mạch ổn áp LM2596

- Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V

- Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V

- Dòng đáp ứng tối đa là 3A

- Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm.

Chọn còi báo

Chọn còi báo FM-20B, điện áp: DC 3~24V, kêu liên tục

Sơ đồ nguyên lý mạch điện:

Hình 34 Sơ đồ nguyên lý mạch điện

Hình 35 Sơ đồ đấu dây

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Cấu trúc hệ thống

Hệ thống bao gồm các khối sau:

Hình 36 Cấu trúc hệ thống

- Không khí từ môi trường được đưa vào ông Ambu, đi qua bộ lọc, sau đó được tăng áp bởi khối động cơ

- Sau đó dòng khí sẽ được đi vào đường thở của bệnh nhân thông qua các đường ống và mặt nạ

Tín hiệu điều khiển tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào sai số giữa áp suất đo được từ cảm biến gần mặt nạ và áp suất mong muốn Bộ MCU sẽ tính toán sai số này và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp để điều khiển Driver của động cơ.

Thiết kế bộ điều khiển

Mô hình bộ điều khiển:

Hình 37 Mô hình bộ điều khiển bằng PID

- Hệ thống điều khiển bao gồm các khối sau:

Bài toán đặt ra

- Thời gian xác lập (Settling time): 15(s)

Xác định hàm truyền của hệ thống

4.1 Hàm truyền của hệ thống:

Hình 38 Hàm truyền của hệ thống ống

- Các thông số của hệ thống ống:

𝑅 𝑙𝑢𝑛𝑔 (4) Theo phương trình động lực học trong hệ thống sinh học ta có:

Từ phương trình (2) và (5) ta suy ra được:

Từ (1), (2), (3), (4) ta suy ra được:

Từ (6) và (7) ta có được:

Từ phương trình (8), ta xây dựng được mô hình trạng thái (State Space), với:

➢ Ta suy ra được hàm truyền của hệ thống ống là:

Thực hiện trên Matlab ta tìm được hàm truyền của hệ thống ống là:

Hình 39 Hàm truyền của hệ thống ống

4.2 Hàm truyền của Động cơ và driver:

Hình 40 Dữ liệu u-P đo được từ hệ thống thực tế

Hàm truyền sau khi sử dụng chức năng System Identification của Matlab:

➢ Hàm truyền hở của hệ thống là:

➢ Thiết kế bộ PID sử dụng chức năng PID Tuner của Matlab:

Với yêu cầu đặt ra là vọt lố 5%, settling time = 15 (s), Rise time = 5(s)

Hình 41 Đáp ứng của hệ thống khi thêm bộ điều khiển PID trong PID Tuner

Ta chọn được các thông số của bộ điều khiển PID sau:

Vậy hàm truyền PID có dạng sau:

𝑠 Đáp ứng step sau khi thêm bộ điều khiển:

Hình 42 Đáp ứng step của hệ thống sau khi thêm bộ điều khiển PID

PHẦN LẬP TRÌNH

Các biến Input và Output

Chân arduino Ghi chú Núm chỉnh:

A1 10 - 40 nhịp/phút, ĐCNN: 1 nhịp/phút

A3 0 – 1019,78 mmH2O ĐCNN: 1 mmH2O Sensitivity = 44,13 mV/mmH2O

A4 0 – 3333 ml/s ĐCNN: 1ml/s Sensitivity = 1,5 mV/(ml/s)

- Xác nhận thông số cài đặt

- Giới hạn góc quay của cánh tay

- Chọn chiều quay động cơ

Còi cảnh báo 3 - Cảnh báo khi áp suất đo được vượt quá áp suất lớn nhất cho phép là 40 cm H2O

- Cảnh báo khi thể tích khí hít

Thiết kế hệ thống cơ điện tử - 54- vào bé hơn 50 mL (2)

- Cảnh báo khi tay kẹp chạm công tắc hành trình hai bên

- Cảnh báo khi áp suất cuối thì thở vào bé hơn 15 cm

Tính toán các thông số

2.1 Chu kì hít vào, thở ra:

Ta có các thông số cài đặt là:

- Số nhịp thở trên mỗi phút: BPM

- Tỉ lệ giữa thời gian thì hít vào vào thở ra: I/E

Chu kì một nhịp thở

Thời gian thì hít vào:

+ Thời gian thì thở vào: ex in ( )

Thời gian chờ tín hiệu tự thở từ người bệnh để kích hoạt chế độ hỗ trợ thở: ex

2.2 Chuyển đổi tín hiệu analog từ biến trở thành thông số cài đặt: Áp suất cài đặt: 20 - 40 cmH2O, ĐCNN 1cmH2O

Read Analog Pressure Control = + cmH O

Số nhịp thở trên phút cài đặt: 10 - 40 nhịp/phút, ĐCNN 1 nhịp/phút

2.3 Chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến áp suất MPX5010: Độ phân giải ADC là 5000 10

− Độ phân giải của cảm biến MPX5010 là 44,13mV/cmH2O

Giá trị điện áp mà cảm biến trả về khi áp suất là áp suất khi quyển: Voffset = 200 mV

Giá trị áp suất đo được từ cảm biến:

2.4 Chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến lưu lượng AWM720P1:

Từ các khoảng thông số đầu vào, giá trị lưu lượng trung bình lớn nhất mà máy có thể tạo ra là:

Giá trị lưu lượng lớn nhất mà cảm biến đo được là 200 l/phút = 3333,3 ml/s Độ phân giải của cảm biến AWM720P1 là 1,5 mV/(ml/s)

Giá trị lưu lượng đo được từ cảm biến:

2.5 Giá trị góc quay mỗi xung encoder: Động cơ Planet 24V 60W 468 rpm có encoder 13 xung, bộ truyền bánh răng có tỉ số truyền 19,2:1

Góc quay trục đầu ra động cơ mỗi xung là: 360

Sơ đồ giải thuật

3.1 Yêu cầu của chương trình điều khiển:

- Tay kẹp trở về vị trí Home khi mở máy

- Đọc giá trị cảm biến áp suất và cảm biến lưu lượng liên tục

- Điều khiển tay kẹp di chuyển đáp ứng các thông số cài đặt

- Cập nhật liên tục các thông số cài đặt lên màn hình và áp dụng thông số cài đặt mới khi nhấn nút Confirm

- Cho phép phát hiện hơi thở bệnh nhân để tự động chuyển sang chế độ hỗ trợ thở

- Phát cảnh báo trong các điều kiện tương ứng (1), (2), (3), (4)

- Tắt cảnh báo khi nhấn nút Silence

Hình 43 Sơ đồ giải thuật chương trình chính

Khi được cấp nguồn, máy thực hiện hàm sethome() đưa cánh tay về vị trí bắt đầu chu kì, chuẩn bị làm việc

Sau khi nhận tín hiệu từ nút nhấn xác nhận, chương trình bắt đầu chu kỳ thở Trong thời gian T < Tin, cánh tay duy trì áp suất ổn định theo cài đặt Cuối kỳ thở vào, chương trình kiểm tra áp suất (P < 15 cmH2O) để phát cảnh báo Tiếp theo, trong giai đoạn thở ra, cánh tay trở về vị trí Home khi T < Tperiod – Tpeep Trong thời gian TPEEP, chương trình theo dõi xem bệnh nhân có hít vào hay không để khởi động chu kỳ mới (PEEP – P > 5 cmH2O).

3.3 Hàm Sethome( ) đưa cánh tay về vị trí bắt đầu mỗi nhịp thở:

Hình 44 Lưu đồ giải thuật hàm sethome()

Khi hàm sethome() được gọi, cánh tay sẽ mở ra cho đến khi chạm vào công tắc hành trình sethome, sau đó sẽ đóng lại cho đến khi không còn chạm vào công tắc Tiếp theo, cánh tay sẽ đóng lại ở một góc đã được xác định trong thực tế và dừng lại, đồng thời đặt số xung encoder về 0.

3.4 Hàm ngắt timer mỗi 10ms để cập nhật các điều chỉnh cài đặt:

Hàm ngắt timer mỗi 10ms được dùng để:

- Cập nhật các giá trị cài đặt đọc từ núm điều chỉnh

- Hiển thị các thông số ra màn hình LCD mỗi 100ms

- Tính thể tích khí từ lưu lượng đọc về từ cảm biến mỗi 100ms

- Phát hiện và cảnh báo về trường hợp áp suất vượt quá áp suất max hoặc cánh tay vượt quá hành trình cho phép

- Kiểm tra tín hiệu nút nhấn Confirm để cập nhật tính toán các giá trị thời gian mới

- Kiểm tra tín hiệu nút nhấn Alarm Silence để tắt còi cảnh báo

Hình 45 Lưu đồ giải thuật hàm ngắt timer mỗi 10ms

3.5 Hàm ngắt đếm xung encoder:

Hình 46 Hàm ngắt đếm xung encoder

Tiêu đề	Thiết Kế Máy Trợ Thở
Tác giả	Phạm Thị Phương Loan, Võ Đại Mau, Trần Lê Huỳnh Đức, Nguyễn Văn Luật
Trường học	Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Cơ khí
Thể loại	Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử
Năm xuất bản	2020
Thành phố	TP Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	60
Dung lượng	2,19 MB