Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương theo phương pháp cố định ngoài dùng cảm biến biến dạng

Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương theo phương pháp cố định ngoài dùng cảm biến biến dạng Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học[.]

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CHO QUÁ TRÌNH NẸP XƢƠNG THEO PHƢƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH NGOÀI DÙNG CẢM BIẾN BIẾN DẠNG NGUYỄN HỒ QUANG Thái nguyên - 2010 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CHO Q TRÌNH NẸP XƢƠNG THEO PHƢƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH NGỒI DÙNG CẢM BIẾN BIẾN DẠNG Học viên: Nguyễn Hồ Quang Lớp: Cao học K11 Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe KHOA ĐÀO TẠO SĐH NGƢỜI HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Đăng Hịe Nguyễn Hồ Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy MỤC LỤC Trang MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương Tổng quan 11 Chương Phương pháp đo lực thông qua đại lượng điện 14 Chương 3: Thiết kế mơ hình hệ thống đo lực cho q trình nẹp xương tensomet( strain gauge rosettes) 21 3.1 Sơ đồ hệ thống đo lực cho trình nẹp xương 21 3.2 Thiết kế cấu nẹp xương 21 3.3 Thiết kế load cell dùng tensomet lắp cấu nẹp xương 23 3.3.1 Phần tử biến dạng 23 3.3.2 Tensomet( cảm biến biến dạng) 24 3.3.3 Thiết kế cầu Wheatstone 30 3.3.4 Thiết kế mạch khuếch đại 33 3.4 Xây dựng công thức biểu thị mối liên hệ lực vị trí cần đo biến dạng phần tử biến dạng vị trí gắn cảm biến dựa phần mềm Ansys để làm sở cho việc lập trình 3.5 Card thu nhận liệu để kết nối máy tính 38 45 3.6 Ứng dụng Phần mềm Labview để lập trình quan sát kết 55 Chương 4: Thí nghiệm kết 60 4.1 Các kết thí nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy 4.2 Đánh giá kết nhận xét 62 4.3 Kết luận hướng nghiên cứu 62 PHỤ LỤC 64 Phụ lục 64 Phụ lục 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số UART Bé trun nhËn liệu vi điều khiển Strain gauge Cm bin biến dạng Strain gauge rosettes Cảm biến biến dạng đa nhánh Loadcell Cảm biến đo lực Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Đo biến dạng xương sử dụng triaxial rosette gauges Hình 1.2 Một hệ thống đo lực điển hình National Instruments Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống đo lực Hình 2.2 Cách cố định đầu đo bề mặt khảo sát Hình 2.3 Một số loadcell hãng Siemens Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp điện Hình 2.5 Cảm biến từ giảo có từ thẩm biến thiên Hình 2.6 Cảm biến xúc giác Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống đo lực cho trình cố định xương Hình 3.2.Khung Hoffman II Stryker Hình 3.3 Mơ hình khung cố định xương Hình 3.4 Khung cố định xương chụp X-Quang Hình 3.5 Các loại phần tử biến dạng Hình 3.6 Phần tử biến dạng- nối khung cố định xương Hình 3.7.Cảm biến điện trở kiểu lực căng Hình 3.8 Vị trí strain gauge chịu tải trọng kéo nén tâm Hình 3.9 Một số loại strain gauge thông dụng hãng Omega Hình 3.10 Vị trí strain gauge rosettes trường hợp tải trọng phức tạp Hình 3.11 Hình 3.12 Đặc tính Strain gauge FLA-6-11 Hình 3.13 Cầu đo vai tích cực Hình 3.14 Mạch cầu Wheastone Hình 3.15 Sơ đồ mạch cầu Hình 3.16 Khuếch đại đảo dấu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -6- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơng nghệ chế tạo máy Hình 3.17 Khuếch đại đảo dấu thực tế Hình 3.18 Khuếch đại đảo dấu có biến trở Hinh 3.19 Mạch khuếch đại đo lường Hình 3.20 Mạch khuếch đại tầng Hình 3.21 Mạch khuếch đại tầng 2, Hình 3.22 Mạch cảm biến khuếch đại tín hiệu Hình 3.23 Mơ hình hệ thống khung cố định xương liền xương Hình 3.24 Lưới hố kết cấu khung cố định xương Hình 3.25 Tối ưu hố q trình lưới hố kết cấu khung cố định xương Hình 3.26 Tính tốn mơ biến dạng Hình 3.27 Tính tốn mơ Ứng suất pháp Hình 3.28 Tính tốn mơ Ứng suất tiếp Hình 3.29 Biến dạng khung cố định xương chưa liền xương Hình 3.30 Phân vùng biến dạng Hình 3.31 Phân bố ứng suất pháp Hình 3.32 Phân bố ứng suất tiếp Hình 3.33 Sơ đồ khối hệ thống thu nhận, xử lý liệu H×nh 3.34: mô hình Atmega8 Hình 3.35 Sơ đồ khối ADC H×nh 3.36 Thanh ghi ADMUX H×nh 3.37 Thanh ghi trạng thái điều khiển Hình 3.39 Thanh ghi điều khiển so sánh tín hiệu analog Hinh 3.40 Thanh ghi I/O Hình 3.41 Sơ đồ khối truyền thông nối tiếp UART Hình 3.42 Thanh ghi điều khiển trạng thái đ-ờng truyền Hình 3.43 Thanh ghi điều khiển trạng thái S húa bi Trung tõm Hc liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo mỏy Hình 3.44 Thanh ghi điều khiển trạng thái ®-êng trun H×nh 3.45 Thanh ghi UBRRH UBRRL H×nh 3.46 Thanh ghi UDR Hình 3.47 M¹ch ghÐp nèi vi ®iỊu khiĨn Atmega8 Hình 3.48 Mạch in mạch ghép nối vi điều khiển Hình 3.49 Sơ đồ mạch Max232 Hình 3.50 Cài đặt cấu hình Labview để truyền thơng Hình 3.51 Lập trình Labview Hình 3.52 Giao diện lập trình Labview Hình 3.53 Mơ kết Labview Hình 4.1 Mạch đo lường Hình 4.2 Mơ hình hệ thống đo lực nẹp xương Hình 4.3 Kết đo lực hiển thị máy tính Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -8- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy MỞ ĐẦU Phẫu thuật chỉnh hình sinh lĩnh vực bao gồm việc phân tích tải trọng tác dụng lên hệ thống xương, kỹ thuật hướng đến việc nghiên cứu tính mô sinh học, việc lựa chọn hệ thống thay mơ chúng bị hỏng Đó ngành công nghiệp rộng lớn lĩnh vực chăm sóc sức khoẻ mang đến nhiều hội cho nhà kỹ thuật quan tâm đến vấn đề y học sinh học Có nhiều vấn đề kỹ thuật lý thú liên quan đến lựa chọn vật liệu cấy mô, độ bền khả tương thích vật liệu thể, việc thiết kế vật liệu khí gắn liền với vật liệu sinh học Một vấn đề cần quan tâm việc phân tích tải trọng tác dụng lên chi bệnh nhân bị gãy xương Khi người bị gãy vỡ xương chân ứng dụng sản phẩm đúc nhựa sợi thuỷ tinh để thay khơng cịn hiệu phép tái tạo hàn gắn xương Xương dạng mơ sống hồn tồn tái tạo thay Thực tế, ứng suất yếu tố quan trọng việc bắt đầu trì q trình hàn gắn xương Ví dụ nhà du hành vũ trụ trạng thái không trọng lượng không gian thời gian dài dẫn đến giảm xương thiếu ứng suât lực hấp dẫn Đối với xương bị gãy trầm trọng vỡ thành nhiều mảnh phát minh hệ thông sinh thường sử dụng biết đến hệ thống nẹp xương phía ngồi Nó bao gồm thép khơng gỉ nằm phía ngồi thể, lắp chặt với chốt làm thép không gỉ Các chốt xuyên qua giữ đoạn xương bị gãy mơ xương hàn gắn Và kết cấu mang tải trọng thân người di chuyển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9- Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Một vấn đề quan trọng đặt liên quan đến việc xác định tải trọng tác dụng lên nẹp xương bệnh nhân di chuyển Vì thơng tin cần thiết để xác định kích thước nẹp để khơng biến dạng mức ngăn cản hàn gắn xương Một nét đặc trưng trình hàn gắn xương tất ứng suất khơng có xương khơng có chuyển động tương đối xảy đoạn xương bị gãy xương không hàn gắn chuyển động tương đối q nhiều lại cản trở hàn gắn xương Để đo lường độ lớn tải trọng làm liệu cho việc nghiên cứu cứu liền xương, giám sát lực tác dụng lên hệ thống nẹp q trình di chuyển mà khơng cần đến chụp X-Quang cần thiết kế hệ thống đo lực phù hợp Tín hiệu lực đo dùng để dự báo dài xương can xương(callus), làm tín hiệu phản hồi để tự động điều chỉnh thống nẹp cho phù hợp, định thời gian tháo nẹp Ngồi ra, ta biết hồi phục xương cách khảo sát moment uốn vị trí gãy có giảm hay khơng thơng qua biến dạng nẹp xương nhờ vào việc đo lực Rõ ràng, hệ thống đo lực nẹp xương công cụ hỗ trợ mạnh mẽ cho lĩnh vực chấn thương chỉnh hình y học Tuy nhiên, việc nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng hệ thống mẻ ngành sinh nước ta Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đo lực tensơmét Phạm vi nghiên cứu: Đo lực nẹp xương theo phương pháp cố định Phƣơng pháp nghiên cứu: Lý thuyết kết hợp thực nghiệm Nhiệm vụ nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -10- ... nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đo lực tensơmét Phạm vi nghiên cứu: Đo lực nẹp xương theo phương pháp cố định Phƣơng pháp nghiên cứu: Lý thuyết kết hợp thực nghiệm Nhiệm vụ nghiên cứu. .. mơ hình hệ thống đo lực cho trình nẹp xương tensomet( strain gauge rosettes) 21 3.1 Sơ đồ hệ thống đo lực cho trình nẹp xương 21 3.2 Thiết kế cấu nẹp xương 21 3.3 Thiết kế load cell dùng tensomet... cứu cứu liền xương, giám sát lực tác dụng lên hệ thống nẹp trình di chuyển mà khơng cần đến chụp X-Quang cần thiết kế hệ thống đo lực phù hợp Tín hiệu lực đo dùng để dự báo dài xương can xương( callus),