AOAGES
BO GIAO DUC VA DAO TAO
TRUONG DAI HQC CONG NGHE TP HCM
HUTECH
University
TRAN THANH TRUONG HAO
NGHIEN CUU THIET KE, DIEU KHIEN BAN
PHAU THUAT
LUAN VAN THAC Si
Trang 2CAN BO HUONG DAN KHOA HOC: PGS, TS Nguyén Tan Tién (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) khu ~/ 0 {rs! Na Nầu Nữa¿¿ Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày l6 tháng 08 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 TS Nguyễn Thanh Phương Chitich 46 —
2 TS Võ Hoàng Duy Phản biện 1
3 TS Nguyễn Duy Anh Phản biện 2
4 PGS TS Lê Hữu Sơn Ủy viên
Trang 3TRUONG DH CONG NGHETP.HCM CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAN
PHONG OLKH - DTSDH Độc lập — Tự do - Hạnh phúc
TP.HCM, Ngày 12 Tháng 08 Năm 2015
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Thanh Trường Hào Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/05/1987 Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử MSHV: 1341840010
I- Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tim hiểu về các van đề liên quan đến nghiên cứu thiết kế, điều khiển ban phẫu
thuật
- _ Đề xuất và lựa chọn các phương án thiết kế - _ Thiết kế bộ điều khiển hệ thống
- _ Thực nghiệm và kiểm tra kết quả - _ Kết luận và hướng phát triển HI- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014
TV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/08/2015
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Tấn Tiến
CAN BO HUONG DAN KHOA QUAN LY CHUYEN NGANH
(Ho tén va chit ky) (Họ tên va chữ ký)
yh 2
Trang 4của PGS TS.Nguyén Tan Tiến, các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực
và chưa từng được ai công bố trong bắt kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Trang 5LOI CAM ON
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt, giúp tôi trang bị những kiến thức vô cùng quý báu để tôi
có thể hoàn thành khóa học
Tôi xin gửi đến PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến lòng tri ân sâu sắc nhất, khoảng thời
gian làm luận văn tuy không nhiều nhưng những kiến thức quý báu của thầy đã giúp
em hoàn thành luận văn Thạc Sĩ
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh lớp 13SCDI ! đã cùng tôi sát cánh trong
suốt khóa học Thạc Sỹ tại trường, khoảng thời gian tuy không đài nhưng cũng để lại
nhiều kỉ niệm không thể phai mờ
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên HitechMechatronicsLab đã sát
cánh cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này
Trang 6tiêu thiết kế một thiết bị dùng trong bệnh viện, được điều khiển để thay đổi tư thế của
bệnh nhân nhằm phục vụ quá trình phẫu thuật Luận văn đã giải giải quyết các vấn đề sau: là tính toán để lựa chọn vị trí đặt cơ cấu chấp hành, xây dựng giải thuật điều khiển và bộ điều khiển có độ ổn định và các chế độ điều khiến linh hoạt Kết cấu cơ khí được thiết kế dựa trên tầm vóc trung bình của người Việt Nam, các cơ cấu được bố trị gọn gàng tạo thuận lợi cho thao tác của bác sĩ Yếu tố vệ sinh — an toàn trong lĩnh vực y tế là yêu cầu luôn được quan tâm trong suốt quá trình thực hiện đề tài Cau tạo, vật liệu, tính an toàn và độ cứng vững phải đảm bảo tiêu chuẩn quốc gia về bàn
Trang 7ABSTRACT
Trang 8LỜI CAM ĐOAN c2 11tr ri i 0989.) 09 011 ii "v01 iii
CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN -.:-©2227+c+2CCeckerxerreerkrrrerrrrrrrrrrrerrree 1
LL Dat Van G6 ec eeccccseeecesssseccessseeecsssseecsenssceesenesecssnnseeescnssecensnserensnmeesersnessete 1
1.2 Lich sty nghién CUM 1
1.3 Cầu tạo và nguyên lý hoạt động của bàn phẫu thuật - 2
1.4 KẾt luận s+vtrn 121111 HH HH gerrreriie 5 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN .-csscccrerrrrriirrree 8 2.1 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần cơ -c- 8
2.1.1 Các phương án khả thi S1 HS HH HH giết 8
2.1.2 Tính toán thiết kế cơ khí -ss ke EntinErtrrrrirrierriie 14
2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần điện : 21 2.2.1 Tính toán sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu -. -e- 23
2.2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thị - sĂceSseeeersesee 27
2.2.2.1 Nguén cung cap va du phong escseccssssssessssessecsssccseeessecssseeseeseeseees 28
2.2.2.3 Khối hiển thị và bàn phím điều khiển 2-2 -se©csscscee 34
2.2.2.4 Bộ điều khiển cho cơ cấu chấp hành 2-55 5csccccccrxerrrceee 34
2.2.2.5 Cảm biến đo góc quay - +55 s2 tt x21 221131213112111211ecrxe 36
°ˆ 0.9: ca na 37
Trang 9vi
3.1 Mục tiêu của bộ điều KbiGI ccc eecseessesssseesseesssesssccsseceseessecsneceseessecsseenees 44
3.2 Màn hình hiển thị và nhút nhấn chọn chức năng : 5-5555 44
3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiến 2- 2S 22 E211 prree 46
3.4 Giao tiếp giữa Master và Slave - cute 46
3.5 Giải thuật điều khiển ¿5+ 2222 2222122111111 cErtre 47 CHUONG 4: THUC NGHIEM ccccscsscsssssessssescssessssssesecsssesssscssvesssrscessesessees 57 4.1 Thue nghiém phan CO ccccccsscesssesssesssesssesssesssessssesssessserssessesesssesseesseessesess 57 4.2 Thực nghiệm phần điện và điều khiển 2-©v+cvzvserrscee 60 CHƯƠNG 5: KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN .- - 69 lì {ca na h6 ẽ ẽ -.4 ,.H HẬHẬHẠHà,., 69 5.2 Hướng Phát triển ¿ ¿1s x2ES21231231115 1111751111221 12-1 Lerkee 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22222 22212EtS22E2Et22221212121112E.E1.ecrrree 70
Trang 10DANH MUC CAC TU VIET TAT
ADC: Analog-to digital Converter AC: Alternating current
DC: Direct Curent
UPS: Uninterruptible Power Supply g_nd la géc nghiéng dau
ø_nl là góc nghiêng lưng
Trang 11viii
DANH MUC CAC BANG
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của bàn phau thudt 00.cccesccsssesecssssseessssseessssseeseeseee 6
Bang 2.1 Khảo sát cơ cầu nâng hạ chân bằng phần mềm SAM 15
Bảng 2.2 Khảo sát co cầu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM - 16
Bảng 2.3 Khảo sát cơ cấu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM 17
Bảng 2.4 Khảo sát cơ cầu nghiêng bàn phẫu thuật bằng phần mềm SAM 18
Bảng 2.5 Thông số của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng và đầu - 24
Bảng 2.6 Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thắng AB -csc2csccccrecerverrree 25 Bảng 2.7 Thông số của các cơ cấu nghiêng đọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bản 26 Bảng 2.8 Giá trị thay đổi chiều đài đoạn thắng AB 55-csccctxecsrresree 27 Bảng 2.9 Bảng thông số kỹ thuật của cơ cấu chấp hành - 2ccsc2zzsczzcee 27 Bảng 2.10 Bảng thông số dòng điện tiêu thụ "£rt 29 Bảng 2.11 Bảng thống kê chỉ tiết sử dụng ở phương án Ì -s<-<¿ 31 Bảng 2.12 Bảng thời gian lưu điện theo từng chế độ hoạt động (phương án 1 và 2) t91111188111 1.10114181148148 0111 11 1H Tà TH HT TT T110 1114111111111114 510505 Cu 0 rn 32 Bảng 2.13 Bảng thống kê chỉ tiết sử dụng ở phương án 2 s c2cccvzzsce2 33 Bảng 2.14 Bảng chọn mạch điều khiển 1011 8n 35
Bảng 2.15 Số chân cần sử dụng để điều khiển các cơ cấu chấp hành 37
Bảng 2.16 Tính năng của một số chuẩn giao tiếp [14] ccccccccrcrsrsreee 39 Bảng 3.1 Các chức năng của chương trình điều khiển bàn phẫu thuật 45
Bảng 3.2 Giá trị truyền từ master xuống sÏave ss2cxSvxevEExecrrrerre 46
Trang 13DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cấu tạo chung của bàn phẫu thuật 2ccccvzccccrreererreccree 3
Hình 1.2.Bản phẫu thuật Axis 400-800 [7] -¿-©25- sccxe+xxerxerrxerrxrrrerrerres 3 Hình 1.3.Bàn phẫu thuật Arcus 601 [8] - 5< 5< 5< ckeckckeEerkerkeekererrree 4 Hình 1.4 Bàn phẫu thuật Berchtold Operon D850 [9] - :5-©<eccsecszcrs 4 Hình 1.5 Bàn phẫu thuật Alvo Menuet 4-00 [10] ¿- 6c ssccvceeceesreereereeree 4 Hinh 1.6 Bàn phẫu thuật Operon D820 [ I] .2- 222 2s ©csccxrerseecrercrseee 5 Hình 1.7 Bàn phẫu thuật Skytron 6000 [12] . 2-2-©5Z2cS£+£xeecrkcerkeerseee 3 Hình 1.8 Chức năng cơ bản của bàn phẫu thuật . -5-c5cccctccecreree 6 Hình 2.1 Minh họa cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt bản + Ác HH ng HT HH HH TH HT TH ben gà re 8 Hình 2.2 Nguyên lý sử dụng cơ cầu tay quay con tTượt ‹cceccecrrcerreee 9 Hình 2.3 Nguyên lý sử dụng cơ cấu culit lắc - 2 2s+se+xevrxetrxrsrxerersteerei 9
Hình 2.4 Khảo sát nguyên lý nâng hạ chân bằng phần mềm SAM 9
Hình 2.5 Cơ cấu dạng cột 2+ :sSLx+E k1 211212110711171117131131111112112112511e 2e 10 Hình 2.6 Cơ cấu dạng XẾp sccv 1111221111 111111121111071110211111.11xeetryed 11
Hình 2.7 Co cau hinh binh hamh ccsscsssssssssseesesssssseeseceeeessessesssnsnnnsnseneseseessees li
Hinh 2.8 Co cau xoay mat Dan ccccscccccscssessssesssessssessssesseecssssssvessssessusessssessaeeetes 12 Hình 2.9 So dé nguyén ly dé xuat cho ban phau thudat 0 eessseccssesesneeeee 13
Hình 2.10 M6t loai xi lan thity LW ceceeseescessescescseseecseseeescecseseaeseseneseneneeeacs 13
Hình 2.1 1 Một loai déng co tuyén tinh ccscscscsssesssseecseesssssesssesssseecsecesseseeseeesssves 14
Hình 2.12 a, b Cơ cầu nâng hạ chân khảo sát cơ cấu nâng bằng phan mém SAM va
Trang 14Hình 2.13a, b Cơ cấu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 16
Hình 2.14a, b Cơ cầu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 17
Hình 2.15 a, b Cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình 3D
Hình 2.16 a, b Cơ cầu nghiêng dọc mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 19 Hình 2.17a, b Cơ cầu xoay mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D - 20
Hình 2.18a, b Cơ cầu nâng hạ mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D 21
Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát hệ thống điện / ©2S< 2k SrEeErkerrrerrrerrrreee 22 Hinh 2.20a, b, c Hình minh họa góc xoay của cơ cầu nâng hạ chân, lưng, dav 24
Hình 2.21a, b Khảo sát sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn,
nghiêng dọc mặt bản - LG HH HH TH HT HT HH nh kg, 26
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới ổn định - -s 5< 28
Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới không ổn định - 28 Hình 2.24 Sơ đồ hệ thống điện dùng trên bàn phẫu thuật -.-. ¿ 29
Hình 2.25 Mạch nguồn 5V-3A s-©2k2Ex 222211111211 72112211111E12 c1 cre, 31
Hình 2.26 Sơ đồ mạch điện nút nhấn và LLCD 2¿©s+2czseccvsecrreeerred 34
Hình 2.27 Sơ đồ gắn potentiomef†er ¿22 2czS2L221211121121713411112 11 cxee 36 Hình 2.28 Hình nguyên lý Potentiometer J45S-5K .- cà Si cccscekereisrree 37
Hình 2.29 Hệ thống mạch điều khiển bàn phẫu thuật -c5- sec 38 Hình 2.30 Hệ thống điều khiển bàn phẫu thuật - 2 55©525<c2rvecrxrvre 39
Trang 15xii
Hình 2.35 Hoạt động đọc và ghi trong ?C w cccccesccsssesceeseesesseesessseeseesseseessesees 43 Hình 3.1 Bàn phím điều khién va LCD hién thi ccecccccccscscceccceececesecseceesesseseeeeees 44
Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển bàn phdu thuat cccccccssccsesssssseecsseseesseeessssens 46
Hình 3.3a, b Giải thuật chọn chế độ Auto / Manual, Giải thuật quét phím 48
Hình 3.4 Giải thuật chọn chế độ điều khiển Manual -2-©ccecrsee 49 Hình 3.5 Giải thuật chọn chế độ Aufo ©252- 22c AeEESEEverrEkesrrkeerkee 50 Hình 3.6a,b Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ đầu, nâng ha lung 51
Hình 3.7a,b Giải thuật chương trình con điều khiển chân phải, chân trái 52
Hình 3.8a,b Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng ngang, ngiêng dọc mặt ›, 4 53
Hình 3.9a,b Giải thuật chương trình con điều khiển xoay mặt bàn và nâng hạ mặt 0 54
Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động . -csccceckecreecee 35 Hình 3.10 Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động 55
Hình 4.1a, 4.1b Mô hình thiết kế 3D và bàn phẫu thuật thực té 58
Hình 4.2 Sơ đồ khối thực nghiệm - 22-2 xt EEEX2xE2111111212111 212211 re 61 Hinh 4.3 Mô hình thực nghiệm bộ điều khiển - 2-26 22ctecccecrrerree 61 Hình 4.4a, b, c Hình đọc ADC ở vị trí đầu, cuối, và vị trí bất kỳ 62
Hình 4.5a Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ chân 63
Hình 4.6 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ lưng 63
Trang 16Hình 4.9 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng dọc mặt bàn Hình 4.10a Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ đầu 65
Hình 4.10b Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ lưng 65
Hình 4 10c Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cầu nâng hạ chân trái Hình 4.10d Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ chân 0n 66 Hình 4.10e Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng ngang mặt Đằï 1c 2k th HH ng HT HT E TT HT TT TH rey 67 Hình 4.10f Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng dọc mặt D 67
Hình 4.10g Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ mặt bản
Trang 17CHUONG 1: TONG QUAN
1.1 Dat van dé
Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế xã hội thì đời sống vật chất cũng
như tỉnh thần của con người càng được quan tâm Trong đó, lĩnh vực y tế có vai trò quan trọng trong nhiệm vụ chăm lo sức khỏe cộng đồng Do đó các trang thiết bị y tế cũng đòi hỏi có sự thay đổi nhằm nâng cao chất lượng phòng bệnh,
khám bệnh và điều trị bệnh Thiết bị hỗ trợ phẫu thuật đóng vai trò quan trọng
trong quá trình điều trị bệnh và bàn phẫu thuật là một trong những thiết bị đó Năm 2000, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành Tiêu chuẩn Quốc gia về
Bàn Mồ Da Năng (TCVN 6733 : 2000) Tuy nhiên số lượng nghiên cứu về Bàn Mô Đa Năng ở nước ta còn ít Do đó, nghiên cứu này đựa vào Tiêu chuẩn Quốc gia về Bàn Mô Đa Năng để xây dựng các chức năng, cấu tạo của bàn phẫu thuật nhằm tạo ra một thiết bị “Bàn phẫu thuật” để ứng dụng trong nước
1.2 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 Design of A New bed Adjustability Mechanism” là nghiên cứu của tác giả Mark Adrtan van Rij, Ủniversity of Auckland, năm 2001 Nghiên cứu
này với mục đích để chế tạo ra giường có thể điều chỉnh được, có thể điều chỉnh
dễ dàng và giá thành thấp Nghiên cứu này đã thử nghiệm với 3 loại bộ truyền
động khác nhau (Linear Actuator, Rotational Actuator, Duomaf) để tìm ra bộ
truyền động phù hợp nhất với thiết kế này Nghiên cứu này đã chỉ ra ưu điểm
của bộ truyền động Duomat (một loại thiết bị truyền động của hãng Dewert) sẽ
giúp đơn giản hóa kết cấu và giá thành thấp hơn 2 loại cơ cầu chấp hành kia [1]
+ “Evaluation and Design of a Hospital Bed to be Manufactured and Used im China” là nghiên cứu cua 2 tac gid Brian Catalano, Todd Coolidge va cdc thành viên Huazhong University of Science and Tech, 10/2006 Nghién cru với
Trang 18điều khiển bằng nút nhấn [2]
+ “The Sizing Optimization of Hospital Bed Structure for Independently Supporting Left and or Right Leg Using Generic Algorithms” 1a nghién ctru cha 2 tac gid: Rung Kittipichai va Atthaphon Ariyarit, 6/2011 Nghién cim nay sẽ tập trung vào chiếc giường bệnh viện có thể điều khiển độc lập chân trái hoặc phải Nghiên cứu sử dụng phương pháp Algorithms (GAS) và FEA để giảm khối lượng giường và kích thước giường [3]
+ “Biomechatronics and motor control of human movement” 1a nghién ctu cha tac gia David A Winter, University of Waterloo Nghiên cứu này có chỉ ra su phan bé trọng lượng va chiều cao trên cơ thể người [4]
+ Viện dinh dưỡng quốc gia (2010) Tổng điều tra dinh dưỡng 2009-2010
Nhà xuất bản Y học [5]
+ TCVN 6733:2000, Tiêu chuẩn quốc gia về bàn mỗ đa năng Bộ tiêu
chuẩn nảy quy định những yêu cầu cơ bản như sau: hình dáng và kích thước cơ bản, vật liệu, yêu cầu kỹ thuật, phương pháp thử, ghi nhãn và đóng gói [6] Một số sản phẩm có trên thị trường
Trên thế giới đã có nhiều hãng sản xuất các loại bàn phẫu thuật khác nhau
như: Maquet, Steris, Trumpf, Berchtold, Schmitz, Schaerer, Medivaara, Alvo, Mediland, Inpromed, Sordina Nghiên cứu những sản phẩm hiện có trên thị
trường sẽ giúp chúng ta tìm được những ưu, nhược điểm và đây sẽ là nền tảng
để thiết kế bàn phẫu thuật
1.3 Cầu tạo và nguyên lý hoạt động của bàn phẫu thuật Bàn phẫu thuật gồm có 3 bộ phận chính:
+ Mặt bàn: là phần mà bệnh nhân nằm lên, có thể thay đổi tư thế cho phù hợp với từng tư thế phẫu thuật khác nhau Bộ phận này thường gồm 4 cơ cấu tương ứng với 4 vị trị trên cơ thể người: đầu, lưng, đùi và chân
Trang 19+ Chân bàn: là phần giữ cho mặt bàn và thân bàn được thăng băng Bộ phân này có thê tách rời với bàn hoặc găn bánh xe đê tiện di chuyền 1 2 3 4 Mặt 1 Khâu đỡ đầu bàn 2 Khâu đỡ lưng 5 Than 3 Khâu đỡ đùi bàn 4 Khâu đỡ chân 5 Khâu đỡ mặt bàn Chân x ban
Hinh 1.1 Cau tao chung của bàn phẫu thuật
Trong đa số các loại bàn phẫu thuật thì các cơ cấu đỡ đầu, đùi và chân được thiết kế theo từng bộ phận rời và có thể tháo lắp thay đổi vị trí cho nhau, tùy theo các loại ca phẫu thuật Góc nghiêng cơ cấu đỡ chân và đầu được điều chỉnh bằng tay hoặc không điều chỉnh được, góc nghiêng của cơ cấu còn lại, chiều cao của bàn phẫu thuật điều khiển được
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
Trang 209 I I Hình 1.4 Bàn phẫu thuật Berchtold Operon D850 [9]
Hình 1.5 Bàn phẫu thuật Alvo Menuet 4-00 [10]
Trang 21
Hình 1.6 Bàn phẫu thuật Operon D820 [11]
Kiểu cơ cấu này mặt giường có thể điều chỉnh độ cao, góc nghiêng các khâu dé dang và có thé di chuyển ngang được để phục vụ việc chụp cắt lớp
Kiểu có thể xoay được
SS
Hinh 1.7 Ban phau thuat Skytron 6000 [12]
Ban phẫu thuật Skytron 6000 là loại giường có khả năng xoay mặt giường quanh bệ đỡ thuận tiện cho việc điều chỉnh vị trí của bệnh nhân trong phòng mỏ 1.4 Kết luận
Trang 22` ~ n= eee oe —— Go c) Nang ha chan d) Nghiêng dọc mặt bàn —~ ==—- Sos — 1 ị — e) Nang ha toan mat ban f) Dang hai chan qd q ) mm me — TT _D wl Cd
g) Nghiéng ngang mat ban h Xoay mat ban 360° Hinh 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 Điêu Khiên
Nang ha lung -30° + 90° Điều khiến điện
Nghiêng dọc mặt bàn -30° + 80° Diéu khién dién Nghiéng ngang mat ban +25° Điêu khiến điện Nâng hạ mặt bàn 750 + 1050 mm_ | Điều khiên điện
Xoay mặt bàn 360° Điêu khiên điện
Nâng hạ chân trái, phải -80° + 30 Điều khiên điện
Nâng hạ đâu +30° Điều khiến điện
Dang rộng 2 chân 0~30° Điều khiên cơ
Tải trọng tôi đa 150 kg
Trang 23Chiều rộng mặt bàn 500 mm
Chiêu dài mặt bàn 2000 mm
Trang 24Bàn phẫu thuật được sử dụng trong lĩnh vực y tế nên đòi hỏi độ an toàn cao
nên các phương án đề xuất phải đảm bảo độ cứng vững của kết cấu Bàn phẫu thuật thiết kế cũng cần phải đảm bảo bố trí các cơ cấu một cách gọn gàng, thuận
tiện cho bác sĩ thao tác trong suốt quá trình 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 đọc mặt bản 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 bản + Xoay mặt bàn 2.1.1 Các phương án khả thi Phương án thiết kế cơ cầu nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt bàn
Trang 25Cơ cấu tay quay con trượt
— ———mrxx —
Hình 2.2 Nguyên lý sử dụng cơ cấu tay quay con trượt
Trong cơ cau này, con trượt đóng vai trò dẫn động biến chuyển động tịnh tiến thành chuyền động lắc của cơ cấu Đối với loại nguyên lý này thì con trượt chuyển động tịnh tiến dọc theo cơ cấu giá vì vậy tốn khá nhiều không gian
Cơ cầu culit lắc
Hình 2.3 Nguyên lý sử dụng cơ cấu culit lắc
Ở cơ cấu culit lắc, con trượt chuyển động cùng với cần lắc nên rõ ràng
vùng không gian sẽ chiếm ít hơn Dé lấy cơ sở chọn lựa cơ cấu phù hợp, ta khảo sát 2 loại nguyên lý bằng phần mềm SAM trên tiêu chí là hành trình của con trượt là ngắn nhất (tiết kiệm không gian) khi cơ cấu chuyển động
a Cơ cầu culit lắc b Cơ cầu tay quay con trượt
Trang 26Để cơ cấu nghiêng góc -30° + 30° thi: co cấu culit lắc có hành trình cần thiết là 124 mm (Hình a) và cơ cấu tay quay con trượt có hành trình cần thiết là 245
mm (Hình b) Do cơ cấu culit lắc có hành trình cần thiết nhỏ và kết cầu bàn phẫu
thuật cần sự gọn nhẹ và dễ vệ sinh nên chọn cơ cấu culit lắc làm cơ cầu chuyển động trong bàn phẫu thuật
Phuong 4n nang ha mat ban
Chức năng của cơ cấu là dé thay đổi chiều cao của bản phẫu thuật cho phù hợp với loại phẫu thuật, thuận tiện cho thao tác của bác sĩ Để thực hiện được
chức năng đó đề xuất ba phương án: sử dụng cơ cầu dạng cột, cơ cầu hình bình hành, cơ cầu dạng xếp Cơ cầu dạng cột Mặt bàn — z= ri SSS Hình 2.5 Cơ cấu dạng cột Cơ cấu này được sử dụng ở bản phẫu thuật: Arcus 601, Berchtold Operon
D850, Operon D820, Skytron 6000 Cơ cầu này có ưu điểm là chiều cao của
Trang 2711 Cơ cấu dạng xếp Mặt bàn -—— Hình 2.6 Cơ cấu dạng xếp
Cơ cấu dạng xếp có ưu điểm là thay đổi chiều cao bàn phẫu thuật theo phương thẳng đứng và độ cứng vững tốt hơn cơ cấu dạng cột do có cấu tạo 5 khâu — 7 khớp Tuy nhiên chuyển động khâu dẫn là chuyển động ngang thông qua cơ cấu biển đổi thành chuyển động thẳng của mặt vì vậy mà kết cầu phức tạp Một điểm hạn chế nữa là mặt có chuyển động tương đối theo phương ngang nên tốn không gian
Cơ cấu hình bình hành
Mặt bàn
Trang 28Cơ cấu hình bình hành được sử dụng ở bàn phẫu thuật Alvo Menuet 4- 00, có các đặc điểm giống với cơ cấu dạng xếp tuy nhiên cơ cấu này lại có điểm tốt hơn với cơ cấu dạng xếp Cơ cấu hình bình hành không bị chuyển động theo phương ngang do mặt không liên kết với khớp trượt do đó các chuyển động của mặt độc lập với chuyển động nâng hạ
Thiết kế này chọn cơ cau dang cột sử dụng cho chức năng nâng hạ vi tiết kiệm không gian, và có độ cứng vững tương đối, kết cầu đơn giản
Phương án xoay mặt bàn
Cơ cấu xoay có chức năng xoay mặt bàn quanh trục z với góc độ là 360° Với chức năng này chọn cơ cấu chấp hành là động cơ điện, và truyền lực qua trục xoay thông qua bộ truyền bánh răng trụ thang 1 : m4 1 Động cơ NG 2 Bánh răng chủ động 3 Bánh răng bị động 4 Truc xoay 3 a 2 IỊI tt N x | Y “ 4\G J Hình 2.8 Cơ cấu xoay mặt bàn ANAS XH EHH a Sơ đồ nguyên lý tổng thể
Trang 2913 Chan L Mặt bàn | Than ban AN Chan r ban Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý đề xuất cho bàn phẫu thuật Các phương án truyền động
Chuyển động chính sử dụng trên bàn phẫu thuật là chuyền động lắc (nghiêng)
của các khâu để thay đổi tư thế cho người bệnh Các nguyên lý đã chọn đều biến
đổi chuyển động thẳng thành chuyển động lắc nên cơ cấu chấp hành sử dụng là loại cung cấp chuyển động thẳng : cơ cầu chấp hành tuyến tính, xi lanh thủy lực, ben hơi (gas spring) Ngoài ra việc lựa chọn cơ cấu chấp hành phải đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật đề ra và phải đảm bảo vệ sinh an toàn trong lĩnh vực y tế Xilanh thủy lực
+ Ưu điểm: hệ thống xilanh thủy lực có khả năng tải lớn nên nâng cao được độ an toàn, khoảng hành trình rộng thuận lợi cho việc lựa chọn cơ cấu chấp hành, chuyển động êm và nhẹ nhàng { † r L J L ] WNT
Hình 2.10 Một loại xi lanh thủy lực
Trang 30sinh bởi vì sử dụng dâu Mặt khác đê điêu khiên vị trí của xilanh thủy lực cần sử dụng loại đặc biệt có cảm biến và dùng van điêu khiên vị trí
Động cơ tuyến tính
-——
L_,
Hình 2.11 Một loại động cơ tuyến tinh
+ Ưu điểm: Động cơ tuyến tính cung cấp chuyển động thắng và có tích hợp
cảm biến để điều khiển vị trí, điều khiển hoàn toàn bằng điện Khoảng hành
trình của động cơ tuyến tính rộng nên dễ lựa chọn Dễ dàng đảm bảo vệ sinh do không sử dụng chất lỏng như xilanh thủy lực
+ Nhược điểm: tốc độ của động cơ tuyến tính là khá chậm, khả năng tải của động cơ tuyến tính cũng thấp hơn so với xilanh thủy lực
Kết luận phương án truyền động: Với những ưu điểm của động cơ tuyến tính
nên luận văn này sử dụng động cơ cấu chấp hành là động cơ tuyến tính cho các cơ
cấu: nâng hạ mặt đầu, lưng, chân trái, chân phải, nghiêng ngang, nghiêng dọc, nâng
hạ mặt bàn
2.1.2 Tính toán thiết kế cơ khí
Từ những nguyên lý đã lựa chọn ta tiến hành thiết kế kết câu cơ khí trên cơ
sở thông số dành cho thể trạng của người Việt Nam Thông số thiết kế lẫy theo
thông số trung bình của người Việt Nam: Chiều cao và cân nặng trung bình của người Việt Nam: H = 1581 mm, M = 51.25 kg (Viện đinh đưỡng, Bộ y tế năm 2010) Tải trọng đặt lên từng cơ cấu được tính dựa theo phân bố khối lượng của từng bộ phận cơ thể Các thông số kích thước, tải trọng và sơ đồ nguyên lý đã
lựa chọn là cơ sở để ta thiết kế cơ khí, kiểm tra bền cho từng cơ cấu
Cơ cấu nâng hạ chân
Trang 3115
như thế nào đến lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành để làm cơ sở chọn cơ cấu
chấp hành
Với A: Điểm đặt gốc cơ cấu chấp hành B: điểm đầu của cơ cấu chấp hành
O: tâm quay của cơ cấu
Ta gọi Fax là giá trị lực lớn nhất tác dụng lên cơ cấu chấp hành 0(0,0) A L B(xs, ys) A(Xa,ya) a) 0(0,0 | x | Bức, YB oO A(XA.YA) b) Hình 2.12 a, b Cơ cầu nâng hạ chân khảo sát cơ cấu nâng bằng phần mềm SAM và mô hình 3D Bảng 2.1 Khảo sát cơ cầu nang ha chan bang phan mém SAM L (mm) Xa (mm) Ya (mm) Emax (N) 470 20 70 957 320 20 70 923 470 20 120 370 470 70 70 516
Nhận xét: Độ lớn lực tác dụng lên cơ câu chấp hành càng giảm khi ta tăng kích thước L và X, giảm mạnh khi tăng kích thước Y Tuy nhiên đối với cơ
cầu chấp hành tuyến tính ngoài yếu tố lực thì chiều đài hành trình cũng ảnh
hưởng đến việc lựa chọn cơ cầu chấp hành Sơ bộ chọn cơ cấu chấp hành:
Trang 32lưng sẽ sử dụng chung nguyên lý với cơ câu nâng hạ chân Khảo sát một vài thông số của cơ cấu bằng phần mềm SAM B(xs, yp) oS O(0,0) B (xp > WB) = O b) ©
Hinh 2.13a, b Cơ cầu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM và mô hình 3D Tiến hành tương tự như cơ cấu nâng hạ chân, ta khảo sát các thông số ảnh hưởng đến lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành
Bảng 2.2 Khảo sát cơ cầu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM L(mm) Xa (mm) Ya (mm) Emax (N) 223 27 116 1523 223 57 116 1325 223 37 146 1320 253 27 116 1622
Nhận xét: Độ lớn lực tác dựng lên cơ câu chấp hành càng giảm khi ta tăng
Trang 3317
cầu chấp hành tuyến tính ngoài yếu tổ lực thì chiều đài hành trình cũng ảnh
hưởng đến việc lựa chọn cơ cấu chấp hành Sơ bộ chọn Động cơ tuyến tính: Sinokoko LM-V10
Cơ cấu nâng hạ đầu
Ở phần các phương án thiết kế của luận văn, ta đã nhận định cơ cầu nâng hạ đầu sẽ sử dụng chung nguyên lý với cơ cấu nâng hạ chân Khảo sát một vài thông số của cơ cầu bằng phần mềm SAM O(0,0) B(%a, yp) L A —N A(Xa, Ya) O(0,0) y B(&s, ys) A(aA.yA) | eœZ? O b)
Hinh 2.14a, b Cơ cấu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM và mô hình 3D
Tiến hành tương tự như cơ cấu nâng hạ chân, ta khảo sát các thông số ảnh hưởng đến lực tác dụng lên cơ cầu chấp hành
Bảng 2.3 Khảo sát cơ cấu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM L(mm) Xa (mm) Ya (mm) Emx (N) 223 27 116 500 223 37 116 476 223 37 126 451 233 37 126 447
Trang 34cau chấp hành tuyến tính ngoài yếu tố lực thì chiều dài hành trình cũng ảnh
hưởng đến việc lựa chọn cơ cấu chấp hành Sơ bộ chọn Động cơ tuyến tính: Sinokoko LM-S113A
Cơ cấu nghiêng dọc, ngang mặt bàn
Tiến hành tương tự như cơ cấu nâng hạ chân, ta khảo sát các thông số ảnh hưởng đến lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành
Trang 3519 Hình 2.15 a, b Cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn bằng phần mém SAM va mô hình 3D B(xs, ya) 0(0,0) AGA.yA) B(Xp, Yo) 2 [ = _ O o l@) ° O ` O(0,0) y (Kaya) ^ [|p ( I ) O b) t Hình 2.16 a, b Cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn bằng phần mềm SAMI và mô hình 3D
Khảo sát cơ cấu bằng phần mềm SAM ta lần lượt thay đổi các thông số và kiểm tra giá trị lực lớn nhất trong mỗi trường hợp Kết quả sơ bộ cho ta thấy ảnh hưởng của các thông số đến giá trị lực của cơ cấu chấp hành Sơ bộ chọn: Sinokoko LM-V10 cho cơ cấu nghiêng đọc, LM-P25 cho cơ cầu nghiêng ngang mat ban
Cơ cấu xoay mặt ban
Với khối lượng lớn nhất của bàn là 200 kg ta có thể tính tương đối lực cần để xoay mặt bàn theo công thức tính lực với thanh thăng đồng chất, chiều dài 2000 mm, trục quay 100 mm chính giữa thanh Ta có P, = 41.96 w
Trang 36Công suất cần thiết trên truc déng co:P., = = = 43.25 w () Pcr: công suất cần thiết trên truc (kW)
r: hiệu suất truyền động
Hiệu suất chung của toàn hệ théng:n = 0.9702 Do đó ta có thể tính sơ bộ như sau:
Động cơ sử dụng là động cơ điện 24 VDC của hãng Excem, với công suất 60w
Hộp giảm tốc bánh răng trụ 3 cấp với số tỷ số truyền: 120
Trang 3721
Cơ cấu nâng hạ mặt bàn
Cơ cầu nâng hạ mặt bàn sử dụng chuyển động thắng của động cơ tuyến tính thành chuyển động lên xuống của mặt bàn Động cơ tuyến tính phải chịu tải trọng 200 kg, do đó chọn cơ cầu LM-LC50 của hãng Sinokoko 8) Ế 1 1 4 [ z T — | † | I 1 ¬ ol 3 NN — —— 1, Linear actuator | | ⁄ 2 Trục xoay 3 Ô trượt | ! 4 Tam nâng hạ độ cao 2 | I LI TC VÀ | D1 4 Rd _ 5] O
Hình 2.18a, b Cơ cấu nâng hạ mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D 2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần điện
Yêu cầu của bộ điều khiển
Trang 38cơ tuyến tính tương ứng với các cơ cầu của ban sé tao ra nhiều tư thế khác nhau của bàn phẫu thuật
Giải thuật điều khiển áp dụng cho bàn phẫu thuật phải thân thiện với người dùng để bác sĩ không phải mất quá nhiều thời gian khi sử dụng, tránh bị phân tâm khỏi công việc Điều khiển bàn phẫu thuật đề xuất phương án có hai chế độ:
Tự động: Thiết lập sẵn các tư thế phẫu thuật cho người dùng lựa chọn Khi vận hành người sử dụng sẽ chọn tư thế cần thiết và các cơ cầu chấp hành sẽ phối hợp chuyển động đưa bàn phẫu thuật đến tư thế đã chọn Chế độ này sẽ giúp đưa bệnh nhân tới các tư thế phẫu thuật tương ứng nhanh chóng Sau đó người sử dụng có thể tùy chỉnh lại theo từng tầm vóc của người sử dụng
Bằng tay: Ở chế độ này người dùng phải điều chỉnh từng cơ cấu chấp hành
tương ứng với từng bộ phận Chế độ này dùng để thiết lập các tư thế tùy chọn
của người dùng, mỗi thao tác người dùng chỉ có thê thay đổi tư thế của 1 bộ phận, ngoài ra chế độ nay con dung dé điều chỉnh lại tư thế sau chế độ tự động cho phù hợp với từng thể trạng của bệnh nhân cũng như bác sĩ Từ các thông số trên ta có sơ đồ tổng quát của hệ thống điện như sau: —————_—_———_—_——_—_— ——————_—_—_——— — ¬ | | ! LCD | Power Supply | | Ỷ | AC | | | | Acsbpc | | CPU | Keyboard || | ” ` `» | Ro | | mì 3
>| Charger }>} Batte V switch vy pc | | | | & “vy - Signal | | | Driver we Linear Sensor |
| | actuator |
L————————_— _— — — _ L———_ _ —-———- —T——_
Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát hệ thống điện
Trang 3923
2.2.1 Tính toán sơ bộ độ thay đỗi góc của các cơ cấu
Khi hành trình của cơ cấu chấp hành thay đổi thì các góc của của các cơ cấu cũng thay đổi tương ứng Mục đích của việc tìm ra mối quan hệ giữa độ dài đoạn
AB (Độ dài động cơ tuyến tính và hành trình hoạt động) và góc alpha là để lựa
Trang 40
Hình 2.20a, b, c Hình minh họa góc xoay của cơ câu nâng hạ chân, lưng, đầu AB: là chiều dai va hành trình hoạt động của cơ cầu chấp hành tại vị trí đầu
AB': là chiều đài và hành trình hoạt động của cơ cấu chấp hành tại vị trí cuối
A: là điểm cố định gắn 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 cầu nâng hạ chân, lưng và đầu
0: là góc xoay của các cơ cầu nâng hạ chân, lưng và dau (bang 2.1 ) Bảng 2.5 Thông số của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng và đầu Thông số Tên chức năng XỊ y, L Lmin (mm) Lmax (mm) IF l max (N) Nâng hạ chân 10 -88 440 356 497,8 49 Nâng hạ lưng 42 -150 451 356,7 602,5 654,4 Nâng hạ đâu -5 -80 300 273,9 350,7 6,8
Theo các thông số trên ta có thể tính mối liên hệ giữa sự dịch chỉnh của actuator và góc quay của cơ câu nâng hạ chân
Ta có phương trình đường tròn tâm O di qua B:
x? +y2 = 12 (2)
Tọa độ điểm B: xg= LCosa (3)