TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ngày nay, sự phát triển kinh tế xã hội đã nâng cao đời sống vật chất và tinh thần của con người, trong đó lĩnh vực y tế đóng vai trò quan trọng trong việc chăm sóc sức khỏe cộng đồng Để cải thiện chất lượng phòng bệnh, khám bệnh và điều trị, các trang thiết bị y tế cần được cập nhật và nâng cấp Thiết bị hỗ trợ phẫu thuật, đặc biệt là bàn phẫu thuật, là một trong những yếu tố quan trọng trong quá trình điều trị Năm 2000, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành Tiêu chuẩn Quốc gia về Bàn Mổ Đa Năng (TCVN 6733: 2000), tuy nhiên, số lượng nghiên cứu về bàn mổ vẫn còn hạn chế.
Mổ Đa Năng tại Việt Nam vẫn còn hạn chế, vì vậy nghiên cứu này tập trung vào Tiêu chuẩn Quốc gia về Bàn Mổ Đa Năng để phát triển các chức năng và cấu tạo của bàn phẫu thuật Mục tiêu là tạo ra một thiết bị "Bàn phẫu thuật" phù hợp cho ứng dụng trong nước.
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 bàn phẫu thuật, sau đây là những nghiên cứu và sản phẩm tiêu biểu:
The research titled “The Design of A New Bed Adjustability Mechanism” by Mark Adrian van Rij from the University of Auckland in 2001 aimed to create an easily adjustable and cost-effective bed The study tested three different types of actuators—Linear Actuator, Rotational Actuator, and Duomat—to identify the most suitable mechanism for the design It concluded that the Duomat actuator, a product from Dewert, simplifies the structure and reduces costs compared to the other two actuator types In a separate study, “Evaluation and Design of a Hospital Bed to be Manufactured and Used in China” by Brian Catalano, Todd Coolidge, and members of Huazhong University of Science and Technology in October 2006, the goal was to develop a modern hospital bed for use in the Republic of China This bed is designed to support up to 500 pounds and features various models, utilizing three 120 V, 7A electric motors to adjust positions with a push-button control panel.
+ “The Sizing Optimization of Hospital Bed Structure for Independently Supporting Left and or Right Leg Using Generic Algorithms” là nghiên cứu của
Nghiên cứu của Rung Kittipichai và Atthaphon Ariyarit vào tháng 6 năm 2011 tập trung vào thiết kế giường bệnh viện có khả năng điều khiển độc lập cho chân trái hoặc phải Để tối ưu hóa khối lượng và kích thước của giường, nghiên cứu đã áp dụng các phương pháp Algorithms (GAS) và Phân tích phần tử hữu hạn (FEA).
"Biomechatronics and motor control of human movement" is a study conducted by David A Winter at the University of Waterloo, which highlights the distribution of weight and height across the human body.
+ Viện dinh dưỡng quốc gia (2010) Tổng điều tra dinh dưỡng 2009-2010 Nhà xuất bản Y học [5]
Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6733:2000 quy định các yêu cầu cơ bản về bàn mổ đa năng, bao gồm hình dáng, kích thước, vật liệu, yêu cầu kỹ thuật, phương pháp thử nghiệm, cùng với quy định ghi nhãn và đóng gói.
Một số sản phẩm có trên thị trường
Trên thị trường hiện nay, nhiều hãng sản xuất bàn phẫu thuật nổi tiếng như Maquet, Steris, Trumpf, Berchtold, Schmitz, Schaerer, Medivaara, Alvo, Mediland, Inpromed và Sordina Việc nghiên cứu các sản phẩm này sẽ giúp xác định ưu điểm và nhược điểm, từ đó tạo nền tảng vững chắc cho việc thiết kế bàn phẫu thuật hiệu quả.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bàn phẫu thuật
Bàn phẫu thuật gồm có 3 bộ phận chính:
Mặt bàn phẫu thuật là bộ phận mà bệnh nhân nằm lên, có khả năng điều chỉnh tư thế phù hợp với từng loại phẫu thuật Bộ phận này thường bao gồm 4 cơ cấu tương ứng với các vị trí trên cơ thể người: đầu, lưng, đùi và chân.
+ Thân bàn: là phần thay đổi chiều cao, góc nghiêng của bàn
Chân bàn là bộ phận quan trọng giúp giữ cho mặt bàn và thân bàn được thăng bằng Bộ phận này có thể được tách rời khỏi bàn hoặc được trang bị bánh xe để dễ dàng di chuyển.
Chân bàn Hình 1.1 Cấu tạo chung của bàn phẫu thuật
Bàn phẫu thuật thường có thiết kế linh hoạt với các cơ cấu đỡ đầu, đùi và chân được chế tạo thành từng bộ phận rời, có thể tháo lắp và thay đổi vị trí tùy theo từng loại ca phẫu thuật Góc nghiêng của cơ cấu đỡ chân và đầu có thể điều chỉnh bằng tay hoặc không, trong khi các cơ cấu còn lại và chiều cao của bàn phẫu thuật được điều khiển dễ dàng.
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 cơ cấu này, bàn phẫu thuật cho phép điều chỉnh linh hoạt các tư thế của chân, đầu và lưng, đồng thời cũng có thể thay đổi chiều cao một cách dễ dàng.
Kiểu nâng hạ và trượt được
Hình 1.6 Bàn phẫu thuật Operon D820 [11]
Giường có cơ cấu điều chỉnh cho phép thay đổi độ cao và góc nghiêng một cách dễ dàng, đồng thời có khả năng di chuyển ngang để phục vụ cho việc chụp cắt lớp hiệu quả.
Kiểu có thể xoay được
Hình 1.7 Bàn phẫu thuật Skytron 6000 [12]
Bàn phẫu thuật Skytron 6000 là giường phẫu thuật được thiết kế với khả năng xoay mặt giường quanh bệ đỡ, giúp dễ dàng điều chỉnh vị trí của bệnh nhân trong phòng mổ.
Kết luận
Bài viết này tổng hợp các phân tích về sản phẩm và nghiên cứu hiện có, đồng thời kết hợp với Tiêu chuẩn Quốc gia về Bàn Mổ Đa Năng (TCVN).
Bài luận văn này nghiên cứu thiết kế và điều khiển bàn phẫu thuật với các chức năng quan trọng như nâng hạ lưng, nâng hạ đầu, nghiêng dọc mặt bàn, nâng hạ chân, nâng hạ toàn mặt bàn, dang hai chân và xoay mặt bàn 360˚.
Hình 1.8 Chức năng cơ bản của bàn phẫu thuật Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của bàn phẫu thuật
Tên chức năng Phạm vi hoạt động Phương Pháp Điều Khiển
Nâng hạ lưng -30° ÷ 90° Điều khiển điện
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
Xoay mặt bàn 360° Điều khiển điện
Nâng hạ chân trái, phải -80° ÷ 30 Điều khiển điện
Nâng hạ đầu ±30° Điều khiển điện
Dang rộng 2 chân 0 ÷ 30° Điều khiển cơ
Tải trọng tối đa 150 kg
Chiều rộng mặt bàn 500 mm
Chiều dài mặt bàn 2000 mm
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần cơ
Bàn phẫu thuật trong lĩnh vực y tế cần đảm bảo an toàn cao và độ cứng vững của kết cấu Thiết kế bàn phẫu thuật cũng phải bố trí các cơ cấu một cách gọn gàng, tạo điều kiện thuận lợi cho bác sĩ trong quá trình thao tác phẫu thuật.
Từ 8 chức năng cơ bản của bàn phẫu thuật, nhận thấy 5 chức năng: nâng hạ lưng, nâng hạ đầu, nâng hạ chân, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt bàn có thể sử dụng chung cùng một phương án Về phần cơ khí ta sẽ thiết kế 3 phương án như sau:
+ Nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt bàn + Nâng hạ mặt bàn
2.1.1 Các phương án khả thi
Phương án thiết kế cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt bàn
Cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu và điều chỉnh nghiêng ngang, dọc mặt bàn giúp thay đổi tư thế các bộ phận của bệnh nhân, phù hợp với từng loại phẫu thuật khác nhau.
Hình 2.1 Minh họa cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt bàn
Chuyển động của cơ cấu là chuyển động lắc quanh một tâm vì vậy có thể xét các cơ cấu:
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 chuyển động tịnh tiến giúp biến đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động lắc Tuy nhiên, nguyên lý này yêu cầu con trượt phải di chuyển dọc theo cơ cấu giá, dẫn đến việc tiêu tốn nhiều không gian.
Cơ cấu culit lắc cho phép con trượt di chuyển cùng với cần lắc, giúp tiết kiệm không gian hơn so với các cơ cấu khác Để lựa chọn cơ cấu phù hợp, chúng ta đã khảo sát hai nguyên lý bằng phần mềm SAM, với tiêu chí là hành trình của con trượt ngắn nhất, nhằm tối ưu hóa không gian trong quá trình chuyển động Các cơ cấu được so sánh bao gồm cơ cấu culit lắc và cơ cấu tay quay con trượt.
Khảo sát nguyên lý nâng hạ chân bằng phần mềm SAM cho thấy cơ cấu nghiêng góc từ -30° đến 30° yêu cầu cơ cấu culit lắc có hành trình 124 mm và cơ cấu tay quay con trượt có hành trình 245 mm Với hành trình nhỏ hơn của cơ cấu culit lắc, cùng với yêu cầu về sự gọn nhẹ và dễ vệ sinh của bàn phẫu thuật, cơ cấu culit lắc được chọn làm cơ cấu chuyển động chính trong bàn phẫu thuật.
Phương án nâng hạ mặt bàn
Cơ cấu của bàn phẫu thuật có nhiệm vụ điều chỉnh chiều cao để phù hợp với từng loại phẫu thuật, giúp bác sĩ thao tác dễ dàng hơn Để thực hiện chức năng này, có ba phương án được đề xuất: cơ cấu dạng cột, cơ cấu hình bình hành và cơ cấu dạng xếp.
Hình 2.5 Cơ cấu dạng cột
Cơ cấu được sử dụng ở các bàn phẫu thuật như Arcus 601, Berchtold Operon D850, Operon D820 và Skytron 6000 có ưu điểm là chiều cao của mặt bàn thay đổi theo phương thẳng, giúp tiết kiệm không gian và có kết cấu đơn giản Tuy nhiên, nhược điểm của cơ cấu này là độ cứng vững không cao, đặc biệt khi ở vị trí cao nhất do thiết kế kiểu console.
Hình 2.6 Cơ cấu dạng xếp
Cơ cấu dạng xếp mang lại ưu điểm nổi bật trong việc điều chỉnh chiều cao của bàn phẫu thuật theo phương thẳng đứng, đồng thời cung cấp độ cứng vững tốt hơn so với cơ cấu dạng cột nhờ vào cấu tạo đặc biệt của nó.
Chuyển động khâu dẫn bao gồm 5 khâu và 7 khớp, cho phép chuyển đổi chuyển động ngang thành chuyển động thẳng của mặt Tuy nhiên, cấu trúc phức tạp này có một hạn chế là mặt phải di chuyển tương đối theo phương ngang, dẫn đến việc tiêu tốn không gian.
Cơ cấu hình bình hành
Hình 2.7 Cơ cấu hình bình hành
Cơ cấu hình bình hành được sử dụng ở bàn phẫu thuật Alvo Menuet 4-
Cơ cấu hình bình hành có những đặc điểm tương tự như cơ cấu dạng xếp, nhưng lại vượt trội hơn ở một số điểm Một ưu điểm nổi bật là cơ cấu này không bị chuyển động theo phương ngang, nhờ vào việc mặt không liên kết với khớp trượt, do đó các chuyển động của mặt hoàn toàn độc lập với chuyển động nâng hạ.
Thiết kế sử dụng cơ cấu dạng cột cho chức năng nâng hạ giúp tiết kiệm không gian, đồng thời mang lại độ cứng vững tương đối và kết cấu đơn giản.
Phương án xoay mặt bàn
Cơ cấu xoay cho phép bàn xoay quanh trục z với góc 360° Để thực hiện chức năng này, động cơ điện được chọn làm cơ cấu chấp hành, và lực được truyền qua trục xoay thông qua bộ truyền bánh răng trụ thẳng.
Hình 2.8 Cơ cấu xoay mặt bàn
Sơ đồ nguyên lý tổng thể
Sau khi xác định phương án thiết kế cho từng chức năng, cần kết hợp các phương án đó để đề xuất một nguyên lý tổng thể cho bàn phẫu thuật.
Thân bàn Đùi Đầu Lưng Chân
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý đề xuất cho bàn phẫu thuật
Các phương án truyền động
Chuyển động chính trên bàn phẫu thuật là chuyển động lắc (nghiêng) của các khâu, giúp thay đổi tư thế cho bệnh nhân Các nguyên lý áp dụng biến đổi chuyển động thẳng thành chuyển động lắc, do đó, cơ cấu chấp hành sử dụng là loại cung cấp chuyển động thẳng như cơ cấu chấp hành tuyến tính, xi lanh thủy lực và ben hơi (gas spring) Việc lựa chọn cơ cấu chấp hành cần đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và đảm bảo vệ sinh an toàn trong lĩnh vực y tế.
Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần điện
Yêu cầu của bộ điều khiển
Bài toán điều khiển trong luận văn này tập trung vào việc điều khiển động cơ tuyến tính dựa vào giá trị cảm biến đo góc, nhằm chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của động cơ thành chuyển động quay của mặt bàn Sự kết hợp nhiều chuyển động của động cơ tuyến tính với các cơ cấu của bàn sẽ tạo ra đa dạng tư thế cho bàn phẫu thuật.
Giải thuật điều khiển cho bàn phẫu thuật cần phải thân thiện với người dùng, giúp bác sĩ tiết kiệm thời gian và tập trung vào công việc mà không bị phân tâm Bàn phẫu thuật được thiết kế với hai chế độ điều khiển linh hoạt.
Chế độ tự động cho phép người dùng lựa chọn các tư thế phẫu thuật đã được thiết lập sẵn Khi vận hành, người sử dụng chỉ cần chọn tư thế cần thiết, và các cơ cấu chấp hành sẽ phối hợp để đưa bàn phẫu thuật đến vị trí đã chọn, giúp đưa bệnh nhân tới các tư thế phẫu thuật tương ứng một cách nhanh chóng Sau đó, người dùng có thể tùy chỉnh lại bàn phẫu thuật theo từng tầm vóc của bệnh nhân.
Chế độ điều khiển bằng tay yêu cầu người dùng điều chỉnh từng cơ cấu chấp hành cho từng bộ phận riêng biệt, cho phép thiết lập các tư thế tùy chọn Mỗi thao tác chỉ ảnh hưởng đến một bộ phận, đồng thời chế độ này cũng hỗ trợ điều chỉnh lại tư thế sau khi đã sử dụng chế độ tự động, nhằm phù hợp với thể trạng của bệnh nhân và bác sĩ Từ những thông số này, ta có thể xây dựng sơ đồ tổng quát cho hệ thống điện.
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, hệ thống điều khiển, màn hình hiển thị và bàn phím điều khiển
2.2.1 Tính toán sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu
Khi hành trình của cơ cấu chấp hành thay đổi, các góc của cơ cấu cũng sẽ thay đổi theo Việc tìm ra mối quan hệ giữa độ dài đoạn và các yếu tố khác là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
AB (độ dài động cơ tuyến tính và hành trình hoạt động) cùng với góc alpha là yếu tố quan trọng trong việc chọn lựa cảm biến đo góc và thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến cho thiết kế này.
Tính toán sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu α
Hình 2.20a, b, c minh họa góc xoay của cơ cấu nâng hạ chân, lưng và đầu Trong đó, AB đại diện cho chiều dài và hành trình hoạt động của cơ cấu chấp hành tại vị trí đầu, còn AB’ thể hiện chiều dài và hành trình hoạt động của cơ cấu chấp hành tại vị trí cuối Điểm A là điểm cố định gắn liền với cơ cấu chấp hành.
B: là điểm gắn lên cơ cấu nâng hạ chân, lưng và đầu Điểm B sẽ dịch chuyển trên cung tròn BB’ tâm O và bán kính L
O: là tâm quay của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng và đầu α: là góc xoay của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng và đầu (bảng 2.1 )
Bảng 2.5 Thông số của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng và đầu
Thông số x 1 y 1 L Lmin (mm) Lmax (mm) |F| max (N)
Theo các thông số trên ta có thể tính mối liên hệ giữa sự dịch chỉnh của actuator và góc quay của cơ cấu nâng hạ chân
Ta có phương trình đường tròn tâm O đi qua B: x + y = (2)
'( = )( − , ) + (# − # , ) = )( !" − , ) + ($%&" − # , ) (5) Gải phương trình tính đoạn thẳng AB ta có:
Bảng 2.6 Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB Độ phân giải/360°
Nâng hạ chân dABMax 2,173632 0,543435 0,008491 dABMin 0,806599 0,192089 0,002978
Nâng hạ đầu dABMax 1,967221 0,481887 0,006048 dABMin 1,552511 0,385743 0,006015
Tính toán vị trí đặt actuator nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn
Hình 2.21a, b Khảo sát sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn, nghiêng dọc mặt bàn
AB là chiều dài và hành trình hoạt động của cơ cấu chấp hành tại vị trí đầu, trong khi AB’ thể hiện chiều dài và hành trình hoạt động của cơ cấu chấp hành tại vị trí cuối Điểm cố định gắn cơ cấu chấp hành được ký hiệu là A.
B: là điểm gắn lên cơ cấu nâng nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn Điểm B sẽ dịch chuyển trên cung tròn BB’ tâm O và bán kính L
O: là tâm quay của các cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn α: là góc xoay của các cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn (bảng 2.1)
Bảng 2.7 Thông số của các cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn
Tên chức năng Thông số x 1 y 1 l 1 l 2 L lưng min (mm) L lưng max (mm)
Dựa vào các thông số đã cung cấp, chúng ta có thể xác định mối quan hệ giữa sự dịch chuyển của cơ cấu chấp hành và góc quay của cơ cấu nghiêng dọc cũng như nghiêng ngang của mặt bàn.
Phương trình đường tròn tâm O đi qua B: x + y = = / + (6)
Gải phương trình tính đoạn thẳng AB ta có:
Bảng 2.8 Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB Độ phân giải/360°
(mm) dABMax 2,297483 0,577007 0,009033 dABMin 0,216247 0,348093 0,008987 Nghiêng dọc mặt bàn
Kết quả tính toán sơ bộ cho thấy mối liên hệ giữa bộ đọc ADC của cảm biến đo góc và sự thay đổi chiều dài của cơ cấu chấp hành Cụ thể, bộ đọc ADC 10 bit được xác định là phù hợp với bộ điều khiển của bàn phẫu thuật, như được trình bày trong bảng 3.2 và bảng 3.4.
2.2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi
Bảng 2.9 Bảng thông số kỹ thuật của cơ cấu chấp hành
Tên chức năng Tên cơ cấu chấp hành
Thông số kỹ thuật Dòng điện tiêu thụ (A) Điện áp sử dụng (V)
Nghiêng dọc mặt bàn LM-V10 1 4,2 24 140 100,8
Nghiêng ngang mặt bàn LM-P25 1 3 24 60 72
Nâng hạ mặt bàn LM-LC50 1 4,2 24 300 100,8
Dựa trên bảng thông số các cơ cấu chấp hành trong chương 2, chúng ta có thể sử dụng thông số của động cơ tuyến tính làm cơ sở để lựa chọn thiết bị phù hợp và an toàn cho bàn phẫu thuật Dưới đây là các phương án lựa chọn thiết bị cho bàn phẫu thuật.
2.2.2.1 Nguồn cung cấp và dự phòng
Các thiết bị trong phòng phẫu thuật cần nguồn điện ổn định để đảm bảo không bị gián đoạn trong các ca phẫu thuật quan trọng Do đó, việc cung cấp và dự phòng nguồn điện cho bàn phẫu thuật là rất cần thiết Để lựa chọn phương pháp và thiết bị phù hợp, có hai phương án thiết kế và lựa chọn cần được xem xét.
Mạch chuyển đổi Điện lưới ổn định Ắc quy Bộ sạc
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới ổn định
Mạch chuyển đổi Điện lưới không ổn định
Bộ chuyển Ắc quy đổi
Để chọn thiết bị phù hợp cho nguồn điện khi lưới không ổn định, cần dựa vào bản thông số dòng điện tiêu thụ như trong bảng dưới đây.
Bảng 2.10 Bảng thông số dòng điện tiêu thụ
Tên cơ cấu chấp hành
Dòng điện tiêu thụ max (A)
Tổng dòng cần thiết cho hệ thống là 21.64A Với hệ số an toàn k = 1.5, dòng điện an toàn của hệ thống đạt 32.46A, và công suất tối thiểu của nguồn cần thiết là 476.16W.
Phương án này, nguồn cung cấp 220V sẽ được chia thành 2 kênh khác nhau như hình minh họa phía dưới
Ngõ ra 220V Mạch chuyển đổi
Bộ chuyển Ắc quy đổi
Hình 2.24 Sơ đồ hệ thống điện dùng trên bàn phẫu thuật
Phương án này, bộ nguồn cung cấp sẽ gồm các bộ phận như sau: Mạch sạc, ắc quy, bộ chuyển đổi, mạch chuyển đổi kênh, nguồn DC 24V, nguồn DC 5V
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Mục tiêu của bộ điều khiển
Điều khiển hành trình động cơ tuyến tính nhằm chuyển đổi chuyển động tịnh tiến thành góc quay cho các cơ cấu của mặt bàn phẫu thuật Hệ thống điều khiển này dựa vào giá trị từ biến trở và sử dụng hai công tắc hành trình để giới hạn hành trình của động cơ tuyến tính Giá trị đọc được từ biến trở sẽ được chuyển đổi thành góc quay tương ứng của các cơ cấu mặt bàn.
Module hóa bộ điều khiển sử dụng giao tiếp I2C, trong đó Master nhận thông số từ bàn phím để xác định chức năng và điều khiển Slave tương ứng, hiển thị thông tin trên màn hình LCD Slave có nhiệm vụ điều khiển động cơ dựa vào lệnh từ Master và giá trị cảm biến đo góc cùng công tắc hành trình.
+ Điều khiển có 2 chế độ auto và manual
+ Kết hợp hành trình của các động cơ tuyến tính để tạo nên nhiều góc độ của mặt bàn phẫu thuật
+ Dựa vào các chức năng của bàn phẫu thuật được đề ra ở chương 1, ta chi tiết hóa các chức năng như sau:
Màn hình hiển thị và nhút nhấn chọn chức năng
CHUONG TRINH BAN PHAU THUAT
Hình 3.1 Bàn phím điều khiển và LCD hiển thị
Bảng 3.1 Các chức năng của chương trình điều khiển bàn phẫu thuật
Chế độ Phím Ghi chú Chức năng Phím Ghi chú
Hiện thị danh sách các chức năng Đầu Tăng
ENTER Lựa chọn Nâng hạ
ENTER Lựa chọn chức năng
CLEAR Ra màn hình chính Nâng hạ
Hủy bỏ lựa chọn và quay ra màn hình chính
Mổ chân Đường ruột Tai-mũi-họng ENTER Lựa chọn
Dựa trên các mục tiêu và chức năng đã xác định, kết hợp với các lựa chọn kết cấu và chức năng từ chương 2, luận văn này trình bày sơ đồ khối của bộ điều khiển như thể hiện trong hình 3.2.
Sơ đồ khối bộ điều khiển
Potentiometer 4 Limit switch 7,8 signal signal
Potentiometer 6 Limit switch11,12 signal signal
Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển bàn phẫu thuật.
Giao tiếp giữa Master và Slave
Bộ điều khiển Master và Slave giao tiếp qua giao thức I2C, với một mạch Slave được sử dụng để điều khiển hệ thống.
2 động cơ do đó cần có sự phân biệt giá trị điều khiển của giá trị điều khiển của
2 động cơ Giá trị truyền từ master sẽ được phân biệt như bảng sau đây:
Bảng 3.2 Giá trị truyền từ master xuống slave
Giá trị góc quay của bàn phẫu thuật được chuyển thành số tự nhiên dương và gửi từ master đến slave tương ứng Sau khi nhận giá trị, slave sẽ so sánh với giá trị chuẩn, xác định động cơ nào trong hai động cơ mà nó điều khiển.
Giải thuật điều khiển
Bài viết này trình bày giải thuật cho bộ điều khiển bàn phẫu thuật dựa trên các chức năng của nó và cách thức giao tiếp giữa các vi điều khiển Các ký hiệu được sử dụng bao gồm: g_nd cho góc nghiêng đầu, g_nl cho góc nghiêng lưng, g_ct cho góc nghiêng chân trái, g_cp cho góc nghiêng chân phải, g_ngn cho góc nghiêng ngang mặt bàn, g_ngd cho góc nghiêng dọc mặt bàn, h cho chiều cao của bàn phẫu thuật, và g_x cho góc xoay của mặt bàn.
Nâng hạ mặt bàn (mm) 750 ÷ 1050 0 ÷ 300 4 7 350
Giải thuật chọn chế độ Auto hay Manual
Bắt đầu Ấn MANUAL Sai Ấn AUTO mode++ mode
Hiển thị chế độ hiện tại Đúng 3
Kiểm tra trạng thái phím
Xuất giá trị nhút nhấn Nút vẫn còn nhấn
Giải thuật chọn chế độ Auto / Manual Giải thuật quét phím
Hình 3.3a, b Giải thuật chọn chế độ Auto / Manual, Giải thuật quét phím
Giải thuật chọn chế độ manual
INC DEC mode++ mode Đúng
Sai Sai Đúng Đúng mode = 0 auto = 0 mode < 8 mode > 1
Sai Đúng Đúng mode = 1 mode = 2 mode = 3 mode = 4 mode = 5 mode = 6 mode = 7 mode = 8 Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng
Hiển thị chế độ hiện tại
Bài viết này đề cập đến các chức năng điều khiển của bàn làm việc, bao gồm: điều khiển đầu, điều khiển lưng, điều khiển chân trái và chân phải, cũng như khả năng nghiêng ngang và nghiên dọc mặt bàn Ngoài ra, bàn còn có tính năng nâng hạ toàn bộ mặt bàn và xoay mặt bàn, mang lại sự linh hoạt và tiện lợi cho người sử dụng.
Hình 3.4 Giải thuật chọn chế độ điều khiển Manual
Giải thuật chọn chế độ auto Ấn INC Ấn DEC Đúng Đúng
1 Ấn ENTER auto++ auto < 5 auto > 0 auto auto = 1 Ấn CLEAR auto = 2 auto = 3 auto = 4 auto = 5
Phẫu thuật tai mũi họng
Sai Đúng Đúng Sai Đúng
Sai Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng auto = 0 Đúng
Hình 3.5 Giải thuật chọn chế độ Auto
Bắt đầu Ấn INC g_nd g_nd++ g_nd < 30 Ấn DEC g_nd > -30
Gửi g_nd xuống slave số 1 Đúng Đúng Đúng Đúng
Hiển thị chế độ hiện tại Ấn CLR
Bắt đầu Ấn INC g_nl g_nl++ g_nl < 90 Ấn DEC g_nl > -30
Gửi g_nl xuống slave số 2 Đúng Đúng Đúng Đúng
Hiển thị chế độ hiện tại Ấn CLR
3 Sai Đúng a, Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ đầu b, Giải thuật chương trình con điều nâng hạ lưng
Hình 3.6a,b Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ đầu, nâng hạ lưng
Bắt đầu Ấn INC g_ct g_ct++ g_ct < 30 Ấn DEC g_ct > -
Gửi g_ct xuống slave số 3 Đúng Đúng Đúng Đúng
Hiển thị chế độ hiện tại Ấn CLR
Bắt đầu Ấn INC g_cp g_cp++ g_cp < 30 Ấn DEC g_cp > -80
Gửi g_cp xuống slave số 4 Đúng Đúng Đúng Đúng
Sai Hiển thị chế độ hiện tại
3 Sai Đúng b, Giải thuật chương trình con điều khiển chân phải a, Giải thuật chương trình con điều khiển chân trái
Hình 3.7a,b Giải thuật chương trình con điều khiển chân phải, chân trái
Bắt đầu Ấn INC g_ngd g_ngd++ g_ngd< 80 Ấn DEC g_ngd >
Gửi g_ngd xuống slave số 6 Đúng Đúng Đúng Đúng
Sai Hiển thị chế độ hiên tại
3 Sai Đúng a, Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng dọc mặt bàn
Bắt đầu Ấn INC g_ngn g_ngn++ g_ngn < 25 Ấn DEC g_ngn >
Gửi g_ngn xuống slave số 5 Đúng Đúng Đúng Đúng
Hiển thị chế độ hiệ n tại
Sai Đúng b, Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng ngang mặt bàn
Hình 3.8a,b Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng ngang, ngiêng dọc mặt bàn
Bắt đầu Ấn INC h h++ h < 1050 ? Ấn DEC h > 750 ?
Gửi h xuống slave số 7 Đúng Đúng Đúng Đúng
Sai Hiển thị chế độ hiện tại
3 Sai Đúng a, Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ mặt bàn
Bắt đầu Ấn INC g_x g_x++ g_x< 360 Ấn DEC g_x > 0
Gửi g_ngd xuống slave số 6 Đúng Đúng Đúng Đúng
Sai Hiển thị chế độ hiên tại
Sai Đúng a, Giải thuật chương trình con điều khiển xoay mặt bàn
Hình 3.9a,b Giải thuật chương trình con điều khiển xoay mặt bàn và nâng hạ mặt bàn
Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động Bắt đầu g_nd = α1, g_nl = α2, g_ct = α3, g_cp = α4, g_ngn = α5, g_ngd = α6, g_h = α7
Truyền giá trị αi xuống slave thứ i tương ứng 2
Xác định chế độ tự động được chọn Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Sai
Sai Sai Sai Sai Sai Sai Sai
Hình 3.10 Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động
Giải thuật cho các chương trình con ở chế độ tự động có thể mở rộng cho nhiều tư thế phẫu thuật khác nhau, với mỗi tư thế tương ứng với vị trí của các actuator Ví dụ, với 5 tư thế ở chế độ tự động, vị trí của các cơ cấu chấp hành được xác định rõ ràng Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn cho người vận hành và bệnh nhân, các cơ cấu sẽ bị hạn chế hoạt động nhằm tránh gây mất cân bằng cho bàn phẫu thuật.
Bảng 3.3 Góc nghiêng các cơ cấu ở chế độ tự động
Tư thế của bệnh nhân α1
Phẫu thuật tai mũi họng 0 60 -30 -30 0
THỰC NGHIỆM
Thực nghiệm phần cơ
Thiết kế bàn phẫu thuật có chức năng, tải trọng, tiêu chuẩn kỹ thuật theo TCVN 6733 : 2000
+ Hình dáng các bộ phận chính và kích thước cơ bản của bàn phẫu thuật có sai lệch kích thước cho phép là ± 5 %
Bàn phẫu thuật cần có khả năng chịu tải trọng tối thiểu 100 kg và giữ vững vị trí trong suốt quá trình phẫu thuật Ngoài ra, các khung giá đỡ phụ cũng phải đáp ứng tiêu chuẩn tương ứng theo quy định của TCVN 6733:2000.
Bàn phẫu thuật cần được lắp ráp một cách cân xứng, vững chắc và cố định tại vị trí điều chỉnh phù hợp Khi mặt bàn ở vị trí nằm ngang, tất cả các khung đỡ chân, đỡ tay, đỡ đầu và mặt bàn phải đồng phẳng, song song với mặt sàn và cân đối với trụ đỡ bàn.
Theo mục tiêu thiết kế ở trên, ta tiến hành thực nghiệm bộ điều khiển bàn phẫu thuật như sau:
Để kiểm nghiệm thiết kế, các bản vẽ chi tiết 2D đã được xuất tại phòng thí nghiệm cơ điện tử HitechMechatronicsLab thuộc Đại học Bách Khoa Tp HCM Sau đó, một bộ mẫu đã được gia công và lắp ráp tại Công ty chế tạo máy Bảo Hân.
Hình 4.1b Hình 4.1a, 4.1b Mô hình thiết kế 3D và bàn phẫu thuật thực tế
Kết quả thực nghiệm phần cơ
Phần cơ của thiết bị đảm bảo chuyển động góc quay chính xác so với mô hình tính toán và thiết kế, với các khớp quay hoạt động nhẹ nhàng và không bị rơ Động cơ hoạt động hiệu quả dưới tải trọng, duy trì hành trình hoạt động đúng theo các góc quay đã tính toán Đặc biệt, khi hoạt động với tải, động cơ không sinh nhiệt, đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Bảng 4.1 Thông số kiểm tra về góc quay của các cơ cấu quay và độ cao mặt bàn
Tên chức năng Thông số thiết kế TCNV Thông số thực tế
Nâng hạ mặt bàn (mm) 750 ÷ 1050 750 ÷ 1030 750 ÷ 1050
Nâng hạ chân trái, phải -80° ÷ 30 -80° ÷ 30
+ Phần cơ đảm bảo về sai lệch hình dáng, tải trọng tính toán và TCVN Bảng 4.2 Thông số kiểm tra về kích thước bàn và độ cao mặt bàn
Tên chức năng Thông số thiết kế TCNV Sai lệch cho phép
Sai lệch thực tế Nâng hạ mặt bàn (mm) 750 ÷ 1050 750 ÷ 1030 5% 1.94%
Chiều rộng mặt bàn 500 mm 470 mm 5% 6.38%
Chiều dài mặt bàn 2000 mm 1950 mm 5% 2.56%
+ Bàn phẫu thuật phải chịu và nâng được tải trọng 100 kg (không tính trọng lượng bản thân)
Bàn phẫu thuật cần được lắp ráp sao cho đạt độ cân xứng, vững chắc và cố định tại vị trí điều chỉnh thích hợp Khi mặt bàn ở vị trí nằm ngang, tất cả các khung đỡ chân, đỡ tay, đỡ đầu và mặt bàn phải đồng phẳng, song song với nhau và cân đối với trụ đỡ bàn, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình phẫu thuật.
Cơ cấu nâng hạ mặt bàn hiện chưa đạt yêu cầu về độ cứng vững, dẫn đến tình trạng bị rơ Nguyên nhân chính là do chi tiết kết nối giữa cơ cấu nâng hạ và mặt bàn không đảm bảo độ cứng vững cần thiết.
Thực nghiệm phần điện và điều khiển
Để rút ngắn thời gian thiết kế, bàn phẫu thuật được phát triển với phần cơ và phần điện song song Tuy nhiên, độ cứng vững của cơ cấu nâng hạ mặt bàn chưa đạt yêu cầu sau khi lắp ráp Để kiểm nghiệm giải thuật điều khiển và nguyên lý hoạt động, chúng tôi tiến hành thực nghiệm với mô hình có đồ khối thực nghiệm như hình 4.2 Mô hình thử nghiệm sử dụng động cơ DC 24V với hộp số do cấu tạo của động cơ tuyến tính là động cơ DC.
Mục tiêu thực nghiệm bộ điều khiển
+ Kiểm nghiệm điều khiển động cơ DC dựa vào giá trị biến trở và có 2 công tắc hành trình để hạn chế hành trình góc quay
+ Kiểm nghiệm điều khiển hành trình động cơ thành góc quay tương ứng với các cơ cấu của mặt bàn phẫu thuật
+ Kiểm nghiệm điều khiển 1 Master và 4 slave thông qua chuẩn giao tiếp
I2C Master nhận dữ liệu từ bàn phím để xác định chức năng và điều khiển Slave tương ứng, hiển thị thông tin trên màn hình LCD Trong khi đó, Slave chịu trách nhiệm điều khiển động cơ dựa trên lệnh từ Master cùng với giá trị cảm biến đo góc và công tắc hành trình.
+ Kiểm nghiệm giải thuật điều khiển của bàn phẫu thuật
Từ những mục tiêu trên ta xây dựng mô hình thực nghiệm cho bộ điều khiển như sau:
Potentiometer 2 signal Slave 1 Driver 1 signal
Limit switch 7,8 Potentiometer 4 signal Slave 2 Driver 2 signal
Potentiometer 6 signal Slave 3 Driver 3 signal
Potentiometer 8 signal Slave 4 Driver 4 signal
Hình 4.2 Sơ đồ khối thực nghiệm
Hình 4.3 Mô hình thực nghiệm bộ điều khiển
Vị trí lắp đặt Potentiometer và điều chỉnh cảm biến cần phải phù hợp với mặt phẳng bàn để đảm bảo hoạt động hiệu quả Do góc quay của các cơ cấu bàn phẫu thuật nhỏ hơn 250°, cần chọn vùng quay của các cơ cấu nằm trong phạm vi làm việc của Potentiometer để bảo vệ cảm biến khỏi hư hỏng Đối với cơ cấu xoay mặt bàn, sử dụng cảm biến 3 vòng quay có giới hạn hành trình, vì vậy cần điều chỉnh vị trí của cảm biến cho phù hợp với góc xoay của mặt bàn Sau khi lắp ráp, tiến hành kiểm tra và hiệu chỉnh vị trí thông qua việc đọc tín hiệu ADC trên máy tính để đảm bảo chính xác.
Hình 4.4a, b, c Hình đọc ADC ở vị trí đầu, cuối, và vị trí bất kỳ
Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển
Điều khiển động cơ DC sử dụng giá trị biến trở và có hai công tắc hành trình giúp hạn chế góc quay, từ đó đạt được độ ổn định khi hoạt động liên tục.
Điều khiển hành trình của động cơ để đạt được góc quay tương ứng với các cơ cấu của mặt bàn phẫu thuật hiện chưa đạt độ chính xác như mong đợi Nguyên nhân chính là do động cơ DC không cung cấp đủ lực xoay cho Potentiometer khi hoạt động ở tốc độ thấp.
+ Vi điều khiển Master đã điều khiển được 4 slave thông qua chuẩn giao tiếp
I 2 C có độ ổn định cao
Thực nghiệm giải thuật điều khiển bàn phẫu thuật cho thấy đầu vào từ nút nhấn hoạt động hiệu quả, hiển thị các chế độ trên màn hình LCD Các chế độ chạy ở chế độ Slave hoàn toàn phù hợp với thiết kế ban đầu.
Sau đây là đáp ứng của các cơ cấu của mô hình thực nghiệm và tính toán ban đầu
Hình 4.5a Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ chân
Hình 4.6 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ lưng
Hình 4.7 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ đầu
Hình 4.8 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng ngang mặt bàn
Hình 4.9 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng dọc mặt bàn
Sau đây là đáp ứng của mô hình ở chế độ tự động
Hình 4.10a Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ đầu
Hình 4.10b Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ lưng
Hình 4.10c Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ chân trái
Hình 4.10d Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ chân phải
Hình 4.10e Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn
Hình 4.10f Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn
Hình 4.10g Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ mặt bàn
Hình 4.10h Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu xoay mặt bàn