Thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí và đo lường cho giường chuyển bệnh nhân bán tự động

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tổng quan về việc chuyển bệnh nhân hiện nay

1.1.1 Ảnh hưởng của việc chuyển bệnh nhân đối với nhân viên y tế và người bệnh

1.1.2 Những nguyên tắc chung khi chuyển bệnh nhân

Những nghiên cứu về các phương pháp chuyển bệnh nhân

1.2.1 Những phương pháp chuyển bệnh nhân hiện nay

1.2.1.1 Phương pháp chuyển bệnh nhân thủ công (bằng tay)

1.2.1.2 Những phương pháp đánh giá tác động lên đội ngũ nhân viên y tế và bệnh nhân bằng phương pháp chyển bệnh nhân thủ công (bằng tay)

1.2.2 Thiết bị chuyển bệnh nhân bán tự động và những thành tựu trong việc phát triển thiết bị giường chuyển bệnh nhân

Phân tích ưu nhược điểm còn tồn tại và rút ra phương án cho đề tài

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

1.1 Tổng quan về việc chuyển bệnh nhân hiện nay

1.1.1 Ảnh hưởng của việc chuyển bệnh nhân đối với nhân viên y tế và người bệnh

Trong môi trường y tế hiện nay, tỷ lệ chấn thương cơ xương khớp ở nhân viên y tế cao hơn so với nhiều nghề nghiệp khác, theo Cục thống kê Lao động năm 2016 Nghiên cứu của Davis & Kotowski (2015), Holtermann và cộng sự (2013), cùng với Smedley và cộng sự (2003) cho thấy hầu hết các chấn thương này xuất phát từ việc di chuyển bệnh nhân bằng phương pháp thủ công.

Phương pháp chuyển bệnh nhân thủ công không chỉ đòi hỏi nhiều sức lực từ nhân viên y tế mà còn tiềm ẩn nguy cơ chấn thương vùng thắt lưng và các khu vực cơ xương khớp Nghiên cứu của Karus (2002), Lavender (2007), Martimo (2008) và Warming (2008) cho thấy rằng việc áp dụng kỹ thuật di chuyển thủ công không làm giảm nguy cơ chấn thương này Theo nghiên cứu của Water (2007), khối lượng an toàn cho việc nâng hoặc di chuyển vật thể là khoảng 35lbs (gần 16kg).

Những người làm công việc di chuyển bệnh nhân thường xuyên có xu hướng thực hiện việc đẩy và kéo bệnh nhân theo phương nằm ngang nhiều hơn là nâng bệnh nhân lên khỏi mặt đất Trong môi trường y tế, việc chuyển bệnh nhân có thể lên đến 12 lần và hỗ trợ thay đổi vị trí bệnh nhân khoảng 6 lần trong một ngày Công việc này diễn ra liên tục sẽ ảnh hưởng lớn đến sức khỏe và hiệu suất làm việc của nhân viên y tế.

Theo dữ liệu từ AON, số lượng nhân viên y tế gặp chấn thương cơ xương khớp do sử dụng phương pháp chuyển bệnh nhân bằng tay truyền thống cao gấp đôi so với những người sử dụng thiết bị chuyển bệnh chuyên dụng Tư thế bệnh nhân nằm ngửa là tư thế thường gặp nhất khi chuyển bệnh, do đó, việc nâng hoặc di chuyển bệnh nhân hiện nay ưu tiên sử dụng các thiết bị máy móc hỗ trợ để giảm thiểu rủi ro cho nhân viên y tế.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

Hình 1.1- Chuyển bệnh là một hoạt động nguy cơ cao gây rối loạn cơ xương khớp cho các trợ lý điều dưỡng tại Bệnh viện [3]

Việc chuyển bệnh nhân không chỉ ảnh hưởng đến đội ngũ nhân viên y tế mà còn có tác động tiêu cực đến chính bệnh nhân, đặc biệt là những người không thể tự di chuyển Quá trình này có thể gây ra đau đớn, chấn thương hoặc ảnh hưởng đến sức khỏe của họ Do đó, cần loại bỏ phương pháp chuyển bệnh hiện tại và thay thế bằng những phương pháp tiện lợi hơn, ít tác động đến sức khỏe Trước khi thực hiện việc chuyển bệnh nhân, cần thiết lập những nguyên tắc an toàn để bảo vệ sức khỏe người bệnh, sẽ được trình bày trong mục 1.1.2 dưới đây.

1.1.2 Những nguyên tắc chung khi chuyển bệnh nhân

Việc chuyển bệnh nhân là kỹ thuật điều dưỡng cơ bản, cần thực hiện đúng cách để giảm thiểu chấn thương cho nhân viên y tế và đảm bảo an toàn cho bệnh nhân Nhân viên y tế cần nắm vững quy tắc, kỹ thuật và phương pháp chuyển bệnh nhân, đồng thời thành thạo các kỹ năng này trong môi trường thực tế Các nguyên tắc chuyển bệnh nhân sẽ được trình bày dưới đây.

Chỉ di chuyển bệnh nhân khi có chỉ định rõ ràng, ghi chú thời gian di chuyển và đảm bảo mang theo đầy đủ hồ sơ bệnh án để giao cho cơ sở tiếp nhận bệnh nhân.

Khi di chuyển bệnh nhân, cần đảm bảo thực hiện một cách nhẹ nhàng và cẩn thận, đặc biệt là đối với những người có bệnh nền nặng như bệnh tim, bệnh phổi, hoặc những bệnh nhân vừa trải qua phẫu thuật, gãy cột sống, gãy xương đùi Việc này giúp tránh gây thêm đau đớn và khó chịu cho bệnh nhân.

- Trước khi vận chuyển, kiểm tra phương tiện vận chuyển đã đạt yêu cầu hay chưa

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

Khi chuyển bệnh nhân giữa các phòng hoặc đưa đi xét nghiệm, cần chuẩn bị hồ sơ đầy đủ trước Trước khi di chuyển, hãy thông báo cho khoa hoặc phòng tiếp nhận để họ có thể chuẩn bị đón tiếp bệnh nhân một cách chu đáo.

Khi di chuyển bệnh nhân đến nơi khác, cần phải đắp chăn hoặc vải để giữ ấm cho họ, đặc biệt trong điều kiện thời tiết lạnh Đồng thời, cũng cần tránh để mưa và nắng ảnh hưởng đến sức khỏe của bệnh nhân.

Khi chuyển bệnh nhân đến bệnh viện khác hoặc tham gia hội chẩn, việc mang theo đầy đủ thuốc men, dụng cụ cấp cứu và các vật dụng cần thiết như nước, cốc là rất quan trọng.

- Di chuyển bệnh nhân bằng cáng, xe lăn, ô tô phải có nệm lót để bệnh nhân được nằm hoặc ngồi êm ái, di chuyển nhẹ nhàng

- Khi chuyển bệnh nhân đến khoa phòng mới phải bàn giao bệnh nhân cho điều dưỡng trưởng khoa mới

- Khi trở về phải báo cáo toàn bộ diễn biến với điều dưỡng trưởng khoa mình

Khi hỗ trợ di chuyển cho bệnh nhân, việc nắm vững kỹ thuật và phương pháp đúng cách là rất quan trọng Điều này không chỉ giúp bảo vệ bản thân khỏi chấn thương mà còn mang lại sự thoải mái cho bệnh nhân, hạn chế đau đớn không cần thiết trong quá trình di chuyển Bài viết sẽ tiếp tục giới thiệu các phương pháp chuyển bệnh nhân đang được áp dụng hiện nay.

1.2 Những nghiên cứu về các phương pháp chuyển bệnh nhân

1.2.1 Những phương pháp chuyển bệnh nhân hiện nay

Hiện nay, có hai phương pháp chính để chuyển bệnh nhân: phương pháp chuyển bệnh nhân bằng tay và phương pháp sử dụng thiết bị chuyển bệnh nhân bán tự động.

1.2.1.1 Phương pháp chuyển bệnh nhân thủ công (bằng tay)

Trước khi công nghệ y tế tiên tiến ra đời, việc di chuyển bệnh nhân chủ yếu dựa vào phương pháp thủ công Hiện nay, trong những tình huống cần sự hỗ trợ trực tiếp từ nhân viên y tế, các phương pháp chuyển bệnh thủ công vẫn được áp dụng Những phương pháp này bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc vận chuyển bệnh nhân.

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng cung cấp hướng dẫn về việc di chuyển bệnh nhân từ giường sang xe lăn, đặc biệt là cho những bệnh nhân có hạn chế một phần khả năng di chuyển.

GIỚI THIỆU SẢN PHẨM VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Thiết kế hệ thống cơ khí

2.1.1 Lựa chọn cơ cấu chính cho hệ thống và kiểu dáng thiết kế của thiết bị 2.1.1.1 Cơ cấu nâng hạ cho thiết bị

2.1.1.2 Kiểu dáng thiết kế của thiết bị

2.1.2 Sơ đồ động của hệ thống

Tính toán lực cần thiết để lựa chọn động cơ kích và công suất động cơ cho băng tải

2.2.1 Tính toán để lựa chọn công suất động cơ kích nâng hạ

2.2.2 Tính công suất động cơ cho băng tải

2.2.3 Lựa chọn động cơ cho băng tải

Tính toán độ an toàn trong những điều kiện làm việc của thiết bị

2.3.1 Mô phỏng lực phân bố tải trọng lên thiết bị

2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn

2.3.3 Ứng dụng phần mềm Ansys để tìm tần số riêng cho thiết bị khi làm việc 2.3.4 Mô phỏng độ biến dạng của thanh inox chữ U và ứng suất của ba con bu lông khi có tải trọng đặt lên băng tải

Giới thiệu về chương II

Trong chương II, tác giả sẽ trình bày cấu trúc chính của khung giường, bao gồm cách lựa chọn các cơ cấu phù hợp với nhu cầu sử dụng và kiểu dáng trên mô hình 3D Bài viết cũng đề cập đến sơ đồ động, cách tính toán công suất cho băng tải và kích nâng của khung giường bệnh Thêm vào đó, tác giả sẽ phân tích các vấn đề an toàn trong quá trình hoạt động, như lực phân bố tải trọng, tần số dao động riêng của hệ thống và tính bền của khung sắt khi có bệnh nhân nằm trên.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

2.1 Thiết kế hệ thống cơ khí

2.1.1 Lựa chọn cơ cấu chính cho hệ thống và kiểu dáng thiết kế của thiết bị

Thiết bị giường chuyển bệnh nhân Citadel NRX, như đã giới thiệu ở Chương I, có hai cơ cấu quan trọng: cơ cấu nâng hạ giường bệnh và cơ cấu di chuyển băng tải Trong khi cơ cấu di chuyển băng tải được ứng dụng rộng rãi, bài viết này sẽ tập trung vào việc lựa chọn cơ cấu nâng hạ cho giường chuyển bệnh nhân Việc lựa chọn này không chỉ nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

2.1.1.1 Cơ cấu nâng hạ cho thiết bị

Các cơ cấu nâng hạ thường chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến Một trong những cơ cấu phổ biến để đảm bảo lực nâng và an toàn là vít me đai ốc Mặc dù đều là vít me đai ốc, nhưng có nhiều cách kết hợp khác nhau Bài viết này sẽ giới thiệu sơ lược về vít me đai ốc và một số cơ cấu liên quan.

Vít me đai ốc là hệ thống chính xác dùng để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Trong số các loại vít me, vít me đai ốc bi nổi bật với độ chính xác cao nhất Sự tiếp xúc giữa trục vít và đai vít được hỗ trợ bởi lớp bi thép, giúp giảm thiểu lực ma sát trượt trong quá trình chuyển động.

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng cung cấp môi trường học tập lý tưởng với hệ thống lưu hành nội bộ hiệu quả, đảm bảo chuyển động chính xác, trơn tru và mượt mà Đặc biệt, thư viện cam kết mang đến sự bền bỉ và ổn định trong thời gian dài, phục vụ tốt nhất cho nhu cầu nghiên cứu và học tập của sinh viên.

Khi trục vít me đai ốc quay, các viên bi đổi hướng trong ống lệch hướng và di chuyển liên tục đến cuối đai ốc, tạo ra chuyển động trơn tru và chính xác Vít me đai ốc có hai loại chính: vít me đai ốc trượt và vít me đai ốc bi Vít me đai ốc trượt mang lại độ chính xác cao và lực truyền lớn, nhưng trong bài viết này, tác giả sẽ tập trung vào vít me đai ốc bi do những ưu điểm vượt trội của nó so với vít me đai ốc trượt.

- Truyền chuyển động với độ chính xác cao, ma sát thấp

- Chuyển động êm ái, nhẹ nhàng ngay cả khi vận hành với tốc độ thấp

- Trục vít me có độ cứng vững hướng trục cao, không có khe hở trong các mối ghép

Hình 2.2- Trục vít me đai ốc bi (Nguồn: Internet) Một cơ cấu trục vít me đai ốc bi tiêu chuẩn phải có đầy đủ những đặc điểm sau đây:

Tiêu chuẩn chất lượng cao cho trục vít me đai ốc yêu cầu giảm thiểu ma sát trượt, nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc Điều này giúp đảm bảo chuyển động chính xác, trơn tru và nhẹ nhàng, đồng thời giảm thiểu tiếng ồn trong quá trình hoạt động.

Bộ vít me chất lượng cao không có khe hở trong mối ghép và không có độ rơ khi bi đảo chiều quay Các viên bi tạo áp lực đồng đều trên toàn bộ bề mặt trục vít, đảm bảo độ cứng vững cao, giúp tạo ra lực căng ban đầu hiệu quả.

Sử dụng vít me đai ốc bi cho phép hoạt động hiệu quả với tốc độ cao, mang lại hiệu suất truyền động tối ưu và duy trì nhiệt độ thấp Điều này cho phép di chuyển nhanh chóng mà không ảnh hưởng đến chất lượng chuyển động.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

Bộ truyền vít me đai ốc bi ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ những ưu điểm và tính năng vượt trội Chúng được sử dụng trong các thiết bị như máy plasma, máy laser, máy điều khiển tự động, máy công cụ, thiết bị y tế, thiết bị năng lượng xanh và robot công nghiệp.

Nhóm nghiên cứu sẽ khám phá thiết bị xi lanh điện, một loại thiết bị hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển động của vít me Bài viết sẽ giới thiệu chi tiết về hai thiết bị này, nhấn mạnh những ưu điểm và tính ứng dụng thực tế cao của chúng.

- Cơ cấu nâng hạ bằng xi lanh điện

Xi lanh điện là thiết bị chuyển động tuyến tính, với bộ điều khiển giúp điều chỉnh vị trí một cách chính xác và linh hoạt Công nghệ tiên tiến hiện nay cho phép điều khiển vô cấp, tạo ra sự cạnh tranh mạnh mẽ với các thiết bị xi lanh khí và xi lanh dầu.

Xi lanh điện vượt trội hơn so với xi lanh khí và xi lanh dầu nhờ khả năng sử dụng linh hoạt và không cần nhiều thiết bị phụ trợ như bơm dầu hay bình chứa Cấu tạo đơn giản của xi lanh điện mang lại độ bền cao và thời gian sử dụng lâu dài, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các ngành công nghiệp và nhà máy sản xuất Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả tối ưu, người dùng cần chú ý đến các thông số như điện áp vận hành, hành trình hoạt động và tốc độ khi lắp đặt xi lanh điện.

Xi lanh điện có cấu tạo từ 5 bộ phận chính như trong Hình 2.3 [13]:

Trục vít và đai ốc bi đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi chuyển động tròn thành chuyển động tịnh tiến, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của xi lanh.

Giới thiệu về thành phần điện – điện tử

3.1.1 Thuật toán PID điều khiển động cơ

3.1.2 Bộ điều khiển Smart Driver DC Motor

3.1.3 Cách sử dụng phần mềm setup tốc độ động cơ

3.2 Thiết kế bảng khảo sát Borg CR10 Scale để khảo sát mức độ hài lòng của người bệnh

3.3 Lựa chọn hệ thống lưu trữ năng lượng

3.3.1 Lựa chọn các loại Pin để lưu trữ năng lượng phù hơp với yêu cầu sử dụng 3.3.1.1 Pin và phân loại pin

3.3.1.3 Lựa chọn pin phù hợp với công suất thiết bị

3.3.1.4 Lựa chọn bộ Inverter để phù hợp với những thiết bị y tế cần sử dụng 3.3.2 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống Ở chương II, tác giả đã giới thiệu về những thành phần kết cấu cơ khí, cách tính chọn động cơ nâng hạ và những bài toán về điều kiện an toàn Trong chương III này, tác giả sẽ trình bày về thành phần mạch điều khiển động cơ, cách cài đặt phần mềm để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thuật toán PID Bên cạnh đó, tác giả sẽ giới thiệu về mẫu khảo sát Borg CR10 Scale cách đánh giá cảm nhận của người bệnh khi thiết bị hoạt động và sẽ lựa chọn những loại pin lưu trữ năng lượng để đáp ứng cho những thiết bị y tế cần thiết cho bệnh nhân

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

3.1 Giới thiệu về thành phần điện – điện tử

3.1.1 Thuật toán PID điều khiển động cơ

Nói đến PID là nói đến sự kết hợp của ba bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân

Việc kết hợp ba bộ điều khiển nhằm tối ưu hóa sai số, nâng cao tốc độ phản hồi của hệ thống, giảm thiểu độ vọt lố và hạn chế dao động không mong muốn.

Bộ điều khiển PID, được nghiên cứu vào năm 1939, đã được giới thiệu lần đầu bởi Taylor Instrument và Foxboro Tất cả các bộ điều khiển hiện nay đều dựa trên các chế độ tỷ lệ, tích phân và vi phân nguyên thủy Với cấu trúc hồi tiếp vòng kín, điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện và tự động hóa.

Bộ điều khiển PID tính toán sai số bằng cách lấy hiệu số giữa giá trị đo của thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn.

Một cách đơn giản nhất để hiểu về PID như sau:

P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, nhằm tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu

I (Integral) là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu, giúp điều chỉnh sai lệch giảm về 0 Điều này cho phép chúng ta nhận biết sai số tích lũy trong quá khứ và tổng sai số tức thời theo thời gian Khi khoảng thời gian lấy mẫu càng nhỏ, tác động của việc điều chỉnh tích phân càng mạnh, dẫn đến độ lệch giảm thiểu.

D (Derivative) là vi phân của sai lệch, nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch của đầu vào Phạm vi điều chỉnh vi phân mạnh hơn sẽ tương ứng với thời gian lớn hơn, dẫn đến thời gian đáp ứng của bộ điều khiển nhanh hơn với những thay đổi của đầu vào.

Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, trong khi giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này được sử dụng để điều chỉnh quá trình thông qua các phần tử điều khiển như vị trí van hoặc bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Điều này cho thấy mối quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy sai số quá khứ, và D dự đoán sai số tương lai dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ Để điều chỉnh thông số PID thì ta sẽ có những phương pháp sau:

Bảng 3.1- Những phương pháp điều chỉnh thông số PID

Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm Điều chỉnh thủ công

Không cần hiểu biết về toán Phương pháp online Yêu cầu có kinh nghiệm

Làm rối loạn quá trình, một số thử nghiệm và lỗi phải điều chỉnh nhiều lần

Các công cụ phần mềm điều chỉnh chắc chắn có khả năng phân tích các van và cảm biến, đồng thời cho phép mô phỏng trước khi tải xuống để thực thi.

Giá cả cao và phải được huấn luyện

Coon Xử lý các mô hình tốt

Để điều chỉnh thông số PID một cách thủ công, trước tiên cần thiết lập Ki và Kd bằng 0, sau đó tăng Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động Kp nên được điều chỉnh xuống còn khoảng một nửa giá trị dao động để đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Tiếp theo, tăng Ki đến mức phù hợp để đảm bảo thời gian xử lý, nhưng cần lưu ý rằng Ki quá lớn có thể gây mất ổn định Cuối cùng, nếu cần, tăng Kd để cải thiện tốc độ phản hồi của vòng điều khiển, nhưng tránh đặt Kd quá lớn để không gây ra hiện tượng đáp ứng dư và vọt lố.

Bộ PID được áp dụng để điều khiển vận tốc của bốn bánh xe đa hướng OMNI trong robot, đảm bảo sự phối hợp vận tốc của cả bốn bánh xe để đạt được vị trí mong muốn Việc điều chỉnh vận tốc chính xác là yếu tố quan trọng để robot hoạt động hiệu quả.

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng đã áp dụng bốn bộ điều khiển PID để đảm bảo vận tốc chính xác trên bốn bánh xe, nhằm tránh tình trạng sai lệch vị trí do việc điều khiển không chính xác.

Bộ điều khiển PID đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống nhờ vào sự phát triển của khoa học công nghệ, với khả năng tích hợp vào các vi mạch điện tử Việc điều chỉnh thông số PID không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn mang lại độ chính xác cao và hiệu quả tối ưu Trong nghiên cứu này, nhóm đã sử dụng bộ điều khiển Smart Driver DC Motor với thuật toán điều khiển phản hồi PID, nhằm kiểm soát chính xác tốc độ của động cơ băng tải Phần tiếp theo sẽ giới thiệu các đặc điểm và thông số của bộ điều khiển này.

3.1.2 Bộ điều khiển Smart Driver DC Motor

Bộ Smart Driver DC Motor giúp điều khiển tốc độ động cơ, đảm bảo sự ổn định và an toàn cho thiết bị Nó sử dụng nguồn điện 24VDC và có khả năng điều khiển động cơ Servo với công suất lên đến 1kW Ngoài ra, bộ điều khiển này còn có thiết kế nhỏ gọn, thuận tiện cho việc lắp đặt.

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng đã áp dụng thuật toán PID để nâng cao độ chính xác trong việc điều khiển tốc độ động cơ Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết hơn về động cơ và các ứng dụng của nó.

Hình 3.2- Bộ điều khiển tốc độ động cơ Smart Driver DC Motor

Về hệ thống mạch điều khiển, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn sử dụng bộ điều khiển Smart Driver DC Motor

Bộ điều khiển này được trang bị bộ vi xử lý ARM STM32 và cung cấp nhiều chức năng cao cấp như sau:

- Giao tiếp máy tính qua cổng COM UART

- Đèn LED báo trạng thái hoạt động

Thuật toán PID điều khiển vị trí sử dụng chuẩn 1 dây xung (pulse) và 1 dây hướng quay (dir), cho phép hỗ trợ tần số lên đến 10MHz Các thông số KP, KI và KD có thể được điều chỉnh thông qua giao diện máy tính, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong quá trình điều khiển.

Lựa chọn hệ thống lưu trữ năng lượng

3.3.1 Lựa chọn các loại Pin để lưu trữ năng lượng phù hơp với yêu cầu sử dụng 3.3.1.1 Pin và phân loại pin

3.3.1.3 Lựa chọn pin phù hợp với công suất thiết bị

3.3.1.4 Lựa chọn bộ Inverter để phù hợp với những thiết bị y tế cần sử dụng 3.3.2 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống Ở chương II, tác giả đã giới thiệu về những thành phần kết cấu cơ khí, cách tính chọn động cơ nâng hạ và những bài toán về điều kiện an toàn Trong chương III này, tác giả sẽ trình bày về thành phần mạch điều khiển động cơ, cách cài đặt phần mềm để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thuật toán PID Bên cạnh đó, tác giả sẽ giới thiệu về mẫu khảo sát Borg CR10 Scale cách đánh giá cảm nhận của người bệnh khi thiết bị hoạt động và sẽ lựa chọn những loại pin lưu trữ năng lượng để đáp ứng cho những thiết bị y tế cần thiết cho bệnh nhân

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

3.1 Giới thiệu về thành phần điện – điện tử

3.1.1 Thuật toán PID điều khiển động cơ

Nói đến PID là nói đến sự kết hợp của ba bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân

Sự kết hợp ba bộ điều khiển này nhằm giảm thiểu sai số, tăng tốc độ phản hồi của hệ thống, hạn chế độ vọt lố và ngăn chặn dao động không mong muốn.

Bộ điều khiển PID, được nghiên cứu từ năm 1939 bởi Taylor Instrument và Foxboro, là một công nghệ cốt lõi trong điều khiển tự động Tất cả các bộ điều khiển hiện đại đều dựa trên các chế độ tỷ lệ, tích phân và vi phân ban đầu Với cấu trúc hồi tiếp vòng kín, điều khiển PID được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện và tự động hóa, mang lại hiệu suất ổn định và chính xác.

Bộ điều khiển PID tính toán sai số bằng cách lấy hiệu số giữa giá trị đo của thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn.

Một cách đơn giản nhất để hiểu về PID như sau:

P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, nhằm tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu

I (Integral) là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu, giúp điều chỉnh sai lệch giảm về 0 Phương pháp này cho phép chúng ta theo dõi sai số tích lũy trong quá khứ và tổng sai số tức thời theo thời gian Khi khoảng thời gian lấy mẫu càng nhỏ, tác động của việc điều chỉnh tích phân càng mạnh, dẫn đến độ lệch giảm xuống mức tối thiểu.

D (Derivative) là vi phân của sai lệch, nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tốc độ thay đổi của đầu vào Phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh thì thời gian đáp ứng của bộ điều khiển với những thay đổi đầu vào càng nhanh.

Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, trong khi giá trị tích phân phản ánh tác động của tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định ảnh hưởng của tốc độ biến đổi sai số Tổng hợp ba tác động này được sử dụng để điều chỉnh quá trình thông qua các phần tử điều khiển như van điều khiển hoặc bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Do đó, các thông số này thể hiện mối quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I dựa vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán sai số tương lai dựa trên tốc độ thay đổi hiện tại.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ Để điều chỉnh thông số PID thì ta sẽ có những phương pháp sau:

Bảng 3.1- Những phương pháp điều chỉnh thông số PID

Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm Điều chỉnh thủ công

Không cần hiểu biết về toán Phương pháp online Yêu cầu có kinh nghiệm

Làm rối loạn quá trình, một số thử nghiệm và lỗi phải điều chỉnh nhiều lần

Các công cụ phần mềm điều chỉnh chắc chắn có thể bao gồm việc phân tích các van và cảm biến, cho phép mô phỏng trước khi tải xuống để thực thi hiệu quả.

Giá cả cao và phải được huấn luyện

Coon Xử lý các mô hình tốt

Để điều chỉnh các thông số PID, phương pháp thủ công là một trong những cách đơn giản nhất Trước tiên, thiết lập Ki và Kd bằng 0, sau đó tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động Kp nên được điều chỉnh xuống khoảng một nửa giá trị dao động để đạt được đáp ứng “1/4 giá trị suy giảm biên độ” Tiếp theo, tăng Ki đến giá trị phù hợp để đảm bảo thời gian xử lý, nhưng cần lưu ý rằng Ki quá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, nếu cần thiết, tăng Kd để cải thiện tốc độ vòng điều khiển, nhưng tránh đặt Kd quá cao để không gây ra đáp ứng dư và vọt lố.

Bộ PID được ứng dụng để điều khiển vận tốc của bốn bánh xe đa hướng OMNI trong robot, đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng giữa các bánh xe để đạt được vị trí mong muốn Việc điều chỉnh vận tốc chính xác là yếu tố quan trọng giúp robot di chuyển hiệu quả và linh hoạt.

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng đã áp dụng bốn bộ PID để điều khiển vận tốc cho bốn bánh xe, nhằm đảm bảo độ chính xác trong việc định vị Việc điều khiển không chính xác có thể dẫn đến sai lệch vị trí so với mục tiêu mong muốn.

Bộ điều khiển PID đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, nhờ vào sự phát triển của khoa học công nghệ, các thông số PID giờ đây được tích hợp vào vi mạch điện tử Việc này không chỉ tiết kiệm thời gian điều chỉnh mà còn mang lại độ chính xác cao, tối ưu hóa hiệu quả Trong nghiên cứu này, nhóm đã sử dụng bộ điều khiển Smart Driver DC Motor tích hợp thuật toán PID, nhằm kiểm soát chính xác tốc độ động cơ băng tải Phần tiếp theo sẽ giới thiệu các đặc điểm và thông số của bộ điều khiển này.

3.1.2 Bộ điều khiển Smart Driver DC Motor

Bộ Smart Driver DC Motor giúp điều chỉnh tốc độ động cơ, đảm bảo sự ổn định và an toàn cho thiết bị Nó hoạt động với nguồn điện 24VDC và có khả năng điều khiển động cơ Servo công suất lên đến 1kW Ngoài ra, thiết kế của bộ điều khiển rất nhỏ gọn, tiện lợi cho việc lắp đặt.

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng cung cấp thông tin nội bộ về việc tích hợp thuật toán PID, giúp nâng cao độ chính xác trong việc điều khiển tốc độ động cơ Chi tiết về động cơ sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo.

Hình 3.2- Bộ điều khiển tốc độ động cơ Smart Driver DC Motor

Về hệ thống mạch điều khiển, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn sử dụng bộ điều khiển Smart Driver DC Motor

Bộ điều khiển này được trang bị bộ vi xử lý ARM STM32 và cung cấp nhiều chức năng cao cấp như sau:

- Giao tiếp máy tính qua cổng COM UART

- Đèn LED báo trạng thái hoạt động

Thuật toán PID điều khiển vị trí sử dụng chuẩn 1 dây xung (pulse) và 1 dây hướng quay (dir), hỗ trợ tần số lên đến 10 MHz Các thông số KP, KI, KD có thể được điều chỉnh thông qua giao diện máy tính.

LẮP ĐẶT THIẾT BỊ VÀ THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM

Các chi tiết đã được gia công và lắp đặt

4.4.1 Gia công các chi tiết

4.4.2 Lắp đặt các chi tiết sau khi đã gia công

4.5 Mô hình thiết bị giường chuyển bệnh khi hoàn thiện

Trong chương IV, tác giả sẽ trình bày sơ đồ mạch động cơ kích điện, cách đo lường tốc độ động cơ băng tải, kết quả mô phỏng và đánh giá cảm nhận của người sử dụng, cùng với các chi tiết thiết bị trong quá trình gia công và lắp đặt.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

4.1 Sơ đồ mạch điều khiển nâng hạ cho kích điện

Trong mục 2.2.1, tác giả đã hướng dẫn cách tính toán và chọn loại kích điện có công suất phù hợp cho hệ thống Tuy nhiên, như đã đề cập ở cuối mục 2.1.1.1, việc lắp đặt kích điện nâng hạ băng tải có thể dẫn đến tình trạng băng tải bị lệch và không cân bằng, gây khó khăn cho hoạt động của hệ thống.

Vì thế nhóm nghiên cứu đã sử dụng hai kích nâng điện đặt ở hai bên để việc nâng hạ băng tải hoạt động mượt mà và ổn định hơn

Trong sơ đồ Hình 4.1, việc nối song song hai kích điện được thể hiện với hai nút nhấn N và L, đại diện cho hướng quay thuận và nghịch của động cơ Khi nút nhấn L được nhấn, cuộn dây rơ le 1 (RL1) có điện, chuyển tiếp điểm từ thường đóng (NC) sang thường mở (NO), tạo mạch kín và kích hoạt chân M+, khiến cả hai động cơ quay theo chiều thuận Ngược lại, khi nút nhấn N được nhấn, cuộn dây rơ le 2 (RL2) có điện, làm thay đổi trạng thái tiếp điểm từ thường mở (NO) sang thường đóng (NC), cung cấp điện cho chân M- và làm cho cả hai động cơ quay theo chiều nghịch.

Kết quả thử nghiệm động cơ ở chế độ không tải cho thấy thiết bị hoạt động mượt mà, không có hiện tượng giật hay khựng Ngay cả khi có người nằm trên băng tải, thiết bị vẫn duy trì sự êm ái và nhẹ nhàng Tốc độ lên xuống của động cơ trong quá trình kích hoạt được đo là khoảng 0.0022 m/s.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

Hình 4.1- Sơ đồ mạch điện của hai động cơ kích được đấu nối song song

4.2 Kết quả đo lường và kiểm tra tốc độ động cơ băng tải

Trong mục 3.1.1.1, tác giả trình bày về bộ điều khiển tốc độ cho động cơ băng tải sử dụng bộ điều khiển Smart Driver DC Motor thông qua phương pháp điều khiển xung PWM Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ băng tải được thể hiện trong Hình 4.2, bao gồm các khối chính cần thiết cho quá trình điều khiển.

- Động cơ (Motor) điều khiển bởi bộ Smart Driver DC Motor bằng phương pháp điều xung PWM thông qua mạch vi điều khiển

- Tốc độ đầu ra của động cơ được điều khiển bằng thuật toán PID phản hồi về bộ điều khiển Smart Driver DC Motor

- Thiết bị đo kết quả tốc độ động cơ có tên gọi là EXTECH 461895

Sau khi thiết lập các thông số cho động cơ, Bảng 4.1 sẽ được tạo ra để so sánh tốc độ động cơ, từ đó kiểm tra độ chính xác của bộ điều khiển Smart Driver DC Motor.

Trong Bảng 4.1, tác giả đã thực hiện thử nghiệm độ chính xác của tín hiệu PWM từ bộ Smart Driver DC Motor bằng cách sử dụng 4 động cơ băng tải Hai bài toán đã được chia ra để tiến hành kiểm tra hiệu suất.

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng đã tiến hành nghiên cứu về tốc độ của bốn động cơ với dải xung PWM giống nhau Kết quả cho thấy tốc độ của mỗi động cơ có sự thay đổi và chênh lệch nhất định, từ đó giúp đánh giá tính đồng nhất giữa các động cơ và xác định độ lệch theo phần trăm của chúng.

Bảng 4.1- Kết quả test tốc độ hai động cơ cho băng tải Động cơ 1 Động cơ 2,3,4

Bảng 4.1 cho thấy rằng tốc độ động cơ gần như tương đương nhau khi cùng một giá trị xung PWM được cấp Ở mức xung PWM dưới 100, tốc độ của hai động cơ chỉ chênh lệch 0.1 vòng/phút Tuy nhiên, khi xung PWM đạt 100 trở lên, sự chênh lệch tăng lên 1 vòng/phút ở mức xung 150.

255 ở động cơ 1, tuy nhiên sự chênh lệch này là chấp nhận được Từ đó ta có thể thấy

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng thông báo rằng tính đồng nhất của mỗi động cơ với mức xung PWM là tương đương Độ lệch giữa các động cơ vẫn nằm trong khoảng chênh lệch cho phép.

4.3 Bảng khảo sát mô phỏng đánh giá cảm nhận của người dùng theo mẫu Borg CR10 Scale Để tạo ra bảng khảo sát mô phỏng đánh giá cảm nhận của người dùng, tác giả đã nghiên cứu về cách mô phỏng đánh giá và thang đo của mẫu Borg CR10 Scale trong phần giới thiệu ở Chương III, mục 3.3.2 Thang đo của bảng khảo sát này được trình bày trong Hình 4.3 dưới đây

Trong nghiên cứu về cảm nhận của bệnh nhân khi thử nghiệm thiết bị, nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát trên 50 tình nguyện viên Mô phỏng đánh giá này dựa vào cảm nhận chủ quan của người tham gia, ghi lại những cảm nhận tại các vị trí trên cơ thể khi nằm trên băng tải Kết quả từ khảo sát cho thấy chỉ có 3 người có kết quả đáng chú ý.

Kết quả mô phỏng cho thấy 94% số người tham gia đánh giá thiết bị đạt yêu cầu, trong khi chỉ có 50 người không đạt Điều này cho thấy thiết kế của thiết bị tương đối tốt Tuy nhiên, những trường hợp không đạt chủ yếu là người cao tuổi trên 75 tuổi, cho thấy việc sử dụng thiết bị có thể gây đau đớn ở một số vị trí cho nhóm đối tượng này Mặc dù vậy, thang điểm đánh giá tại các vị trí cảm nhận vẫn nằm trong phạm vi an toàn.

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng thực hiện khảo sát nội bộ nhằm đánh giá chất lượng thiết bị theo quan điểm của người tham gia Kết quả "Không đạt" được xem là chấp nhận được, và chất lượng khảo sát sẽ được cải thiện với kích thước mẫu khảo sát lớn hơn.

Kết quả mô phỏng đánh giá từ 50 người tham gia khảo sát được trình bày chi tiết, bao gồm cách thức đánh giá, cho điểm và lọc kết quả.

- Cột “Tổng điểm” trong Hình 4.4 được tổng kết theo hình thức:

+ “Tổng điểm” từ 0-20: Thiết bị an toàn cho người sử dụng

+ “Tổng điểm” từ 20-40: Cần kiểm tra những vị trí tiếp xúc với người tham gia

+ “Tổng điểm” trên 40: dừng thiết bị khẩn cấp, kiểm tra toàn bộ kết cấu

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

Khung và cơ cấu dẫn động của băng tải

Khung băng tải đã được lắp đặt cố định vào khung giường, như đã trình bày trong mục 2.1.1.2 Bài toán mô phỏng độ bền của inox chữ U và ứng suất cắt trên ba bu lông M12 cố định trên tấm bách được đề cập trong mục 2.3.4.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

Khung sườn được làm từ các vật liệu phổ biến như thép U, thép L, lập là và ống inox, dễ dàng tìm thấy trên thị trường Các vật liệu này được đo đạc và cắt theo bản thiết kế trước khi được hàn lại với nhau để tạo thành khung sườn chắc chắn.

Trong quá trình lắp đặt khung băng tải, hai kích nâng điện đã được điều chỉnh để đảm bảo vận tốc tương đương nhau, nhằm khắc phục vấn đề không đồng nhất khi chỉ sử dụng một kích điện Việc sử dụng hai kích điện giúp tránh tình trạng một ụ nâng cao hơn ụ còn lại, điều này được giải thích qua cơ cấu liên kết giữa kích điện và băng tải Cụ thể, một thanh đỡ được cố định dưới hai ụ trượt, cho phép khi kích điện nâng lên, thanh đỡ sẽ đẩy ụ trượt và toàn bộ hệ băng tải đi lên, trong khi khi kích điện hạ xuống, cơ cấu liên kết và trọng lực sẽ kéo ụ đi xuống.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

Hình 4.10- Kết cấu liên kết băng tải và kích điện nâng hạ

Hình 4.11 mô tả chi tiết cơ cấu dẫn động băng tải với động cơ gắn liền bánh răng chủ động Khi động cơ hoạt động, bánh răng chủ động truyền động đến hai bánh răng bị động, làm quay hai ru lô băng tải được gắn với bách liên kết qua ụ đỡ Độ căng của băng tải có thể điều chỉnh dễ dàng thông qua ru lô đỡ, và cấu trúc này được thiết kế để thuận tiện trong việc tháo lắp và cân chỉnh.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

Hình 4.12- Hình ảnh thiết bị giường chuyển bệnh được lắp đặt hoàn thiện

Ru lô mép băng tải được bọc inox dày 0.8 mm với bề mặt bóng và phẳng, đảm bảo tính thẩm mỹ và hỗ trợ băng tải trượt dễ dàng Phần mép ngoài băng tải có góc nhọn theo thiết kế, giúp băng tải luồn xuống dưới bệnh nhân một cách thuận lợi Ru lô này không chỉ giúp việc trượt của băng tải dễ dàng hơn mà còn giảm thiểu ma sát trượt bằng cách chuyển hóa thành ma sát lăn Cấu tạo của ru lô này đơn giản, được làm từ ống inox.

Các thử nghiệm ban đầu

Sau khi thử nghiệm thiết bị ở chế độ không tải, nhóm nghiên cứu nhận thấy hệ thống hoạt động ổn định, không phát ra tiếng ồn và hệ thống nâng hạ hoạt động trơn tru, nhẹ nhàng Kết quả thử nghiệm của hệ thống dẫn động băng tải cũng rất khả quan, đặc biệt khi thử nghiệm với người bệnh.

Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng sở hữu hệ thống nâng hạ băng tải hoạt động nhẹ nhàng và ổn định Kích nâng điện đảm bảo việc điều chỉnh chiều cao diễn ra chậm rãi, tạo sự an toàn cho người tham gia thử nghiệm.

Chương IV đã cung cấp cái nhìn tổng quan về kết quả nghiên cứu, bao gồm việc lựa chọn hai kích nâng điện để cải thiện hiệu quả nâng hạ băng tải với tải trọng bệnh nhân 63kg Tác giả đã đo lường tốc độ động cơ băng tải và đánh giá độ ổn định của bộ điều khiển Ngoài ra, tác giả còn thiết kế mẫu khảo sát cho người tham gia thử nghiệm, và cuối cùng trình bày tổng thể thiết bị sau khi hoàn thiện và thử nghiệm với người nằm lên.

V, tác giả sẽ kết luận những hạng mục đã đạt được trong đề tài này và những hạng mục còn hạn chế Từ đó đề xuất phương án để định hướng phát triển cho đề tài này trong tương lai

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ