Thiết kế thiết bị nâng hạ bệnh nhân điều khiển điện

B TR GIÁO D C VÀ ĐÀO T O NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I - Đặng H u Dũng Thi t k thi t b nâng h b nh nhân điều khiển n Chuyên ngành: KỸ THU T Y SINH LU NăVĔNăTH CăSƾăăK THU T ầ NG IăH NG D N : TS NGUY N VI TăDǛNG Hà N i,ănĕmă2019 DANH M C CÁC KÝ HI U, CÁC CH VI T T T TểNăĐ YăĐ STT TÊN VI T T T PLC Programmable Logic Controller HMI Human Machine Interface L i cam đoan Tôiăxinăcamăđoanăthi t k k t nghiên cứu lu năvĕnălàătrungăthựcăvàăch aă đ ợc sử d ngăđ bảo v m t học vị Mọi giúpăđỡ cho vi c thực hi n lu năvĕnă nàyăđưăđ ợc cảmăơnăvàăcácăthơngătinătríchăd n lu năvĕnăđưăđ ợc rõ nguồn g c rõ ràngăvàăđ ợc phép công b Hà n i,ăngàyăăăăăthángăăăănĕmă2019 H c viên thực hi n Đặng H u Dũng L i cảm n Tôi xin gửi l i cảmăơnăsâuăs căđ n TS Nguy n Vi tăDǜng,ăng i trực ti păh ng d năđưăcóănhững góp ý, chỉnh sửaăđ đề tài lu năvĕnăđ ợc thực hi n thành công Đồng th iătôiăcǜngăxinăgửi l i cảmăơnăđ n th y cô B môn Công ngh Đi n tử K thu t Y sinhăđưăh t sức t oăđiều ki năđ thực hi n lu năvĕn Hà n i,ăngàyăăăăăthángăăăănĕmă2019 H c viên thực hi n Đặng H u Dũng M cl c Danh m c ký hi u, ch vi t t t………………………………………………….2 L i cam đoan Danh m c hình v , đ th Danh m c bảng biểu Phần mở đầu 10 CH NG I: T NG QUAN 11 1.1.Đặt vấn đề 11 1.2.Các kĩ thu t h tr di chuyển b nh nhân 11 1.3.Ph m vi nghiên cứu đề tài 21 CH NG II: H TH NG NÂNG H B NH NHÂN 22 2.1.Phần khung đỡ b nh nhân 22 2.2.B truyền đ ng 23 2.2.1 Các lo i b truyền đ ng 23 2.2.2 Cấu t o b truyền đ ng n n tính 25 CH NG III: THI T K H TH NG 33 3.1 M c tiêu t ng thể thi t k 33 3.2 S đ kh i t ng quan thi t b 33 3.3 Thi t k chi ti t thi t b 35 3.3.1 Thi t k mô ph ng ho t đ ng khung 35 3.3.2 Lựa ch n v t li u cho b ph n 39 3.3.3 Lựa ch n b truyền đ ng 39 3.3.4 Thi t k h th ng điều khiển n 40 CH NG IV: L P RÁP TH NGHI M VÀ ĐÁNH GIÁ H TH NG 53 4.1 Hình ảnh thực t b ph n thi t b 53 4.2 Th nghi m nâng tải tr ng 61 4.3 M i quan h gi a t c đ nâng tải tr ng 64 4.4 K t lu n vƠ h ng phát triển đề tài 66 Tài li u tham khảo Error! Bookmark not defined Danh m c hình v , đ th Hình 1.1 V n chuy n b nh nhân từ gi Hình 1.2 Ph ơngăphápăm tăng Hình 1.3 Ph ơngăphápăhaiăng ng b nhăquaăxeălĕn 13 i v n chuy n b nh nhân từ gi i v n chuy n b nh nhân từ gi Hình 1.4 Hai nhân viên v n chuy n b nh nhân từ gi ng b nhăquaăxeălĕn 14 ng b nhăquaăxeălĕnầ.15 ng b nhănhânăsangăxeăđ y cáng ng ợc l i 16 Hình 1.5 Ba nhân viên v n chuy n b nh nhân từ gi ng b nhănhânăsangăxeăđ y cáng ng ợc l i 16 Hình 1.6 Thi t bị nâng h b nh nhân dựa sàn 19 Hình 1.7 Thi t bị nâng h b nhănhânăđứng 20 Hình 1.8 H th ng nâng h b nh nhân g n tr n 21 Hình 2.1 Hình ảnh k t c uăkhungăđỡ c a thi t bị nâng h b nh nhân dựa sàn 22 Hình 2.2 B truyềnăđ ng khí nén 23 Hình 2.3 B truyềnăđ ng th y lực 24 Hình 2.4 B truyềnăđ ng n tính 24 Hình 2.5 C u t o c a m t b truyềnăđ ngăđi n n tính 26 Hình 2.6 Cơăc u truyềnăđ ng tr c vít me 30 Hình 2.7 Cơăc u truyềnăđ ng vít bi 31 Hình 2.8 Cơăc u truyềnăđ ngăvítăconălĕnăhànhătrình 31 Hình 2.9 Cơăc u truyềnăđ ngăđai 32 Hình 2.10 Cơăc uătruyềnăđ ngătrựcăti p 32 Hình 3.1 Sơăđồ kh i tổng quát thi t bị 33 Hình 3.2 Giao di n ph n mềm SolidWorks 35 Hình 3.3 Các b ph n c u thành lên thi t bị 36 Hình 3.4 Hình d ngăvàăkíchăth c c a thi t bị theoă3ăph ơngăchi u khác 37 Hình 3.5 Vị trí max c a tr c vít 38 Hình 3.6 Hình ảnh c a thi t bị sauăkhiăđ ợc g p gọn l i 38 Hình C u t o bên m t b truyềnăđ ng tr c vít me 41 Hình 3.8 Sơăđồ đ u n i cơng t c hành trình bên b truyềnăđ ng 42 Hình 3.9 Sơăđồ kh i giảnăl ợc ph năđiều n thi t bị 43 Hình 3.10 Sơăđồ kh i tổng th c a kh i nguồn 45 Hình 3.11 Hình ảnh b nguồn VFT150PS24 46 Hình 3.12 Sơăđồ nguyên lý kh i chuy năđổi nguồn cách ly sử d ng IC B0505s 47 Hình 3.13 Sơăđồ nguyên lý kh iăphímăđiều n 47 Hình 3.14 Sơăđồ nguyên lý kh iăláiărơăle 48 Hình 3.15 Sơăđồ nguyên lý kh iăviăđiều n 49 Hình 3.16 L uăđồ thu tătoánăđiều n thi t bị 52 Hình 4.1 Hình ảnhăkhungăđỡ c a thi t bị 53 Hình 4.2 Hình ảnh phím nh năđiều n h păđiều n tay c m c a thi t bị 54 Hình 4.3 Hình ảnhăbánhăsauăvàăbánhătr c c a thi t bị 55 Hình 4.4 Hình ảnhăchânăđỡ thi t bị 56 Hình 4.5 Hình ảnhăđaiăgiữ b nh nhân c a thi t bị 57 Hình 4.6 Hình ảnh m chăđiều năđi n c a thi t bị 58 Hình 4.7 Hình ảnh thi t bị g p t iăđa 59 Hình 4.8 Hình ảnh thi t bị tr ngătháiăkíchăth c t iăđa 60 Hình 4.9 Hình ảnh thử nghi m thi t bị v i hai mức tải giả 61 Hình 4.10 Hình ảnh thử nghi m thi t bị v iăng Hình 4.11 Hình ảnh tải trọngătr i th t 62 c thử nghi m thi t bị v iăng i th t 63 Hình 4.12 Đồ thị m i quan h t căđ tải trọng c a thi t bị 65 Danh m c bảng biểu Bảng 3.1 Bảng v t li u cho b ph n thi t bị 39 Bảng 3.2 Bảng thông s c a b truyềnăđ ng tr c vít me 40 Bảng 3.3 Các thông s kƿăthu t c a b nguồn VFT150PS24 45 Bảng 3.4 Bảng th tăđiều nărơăleătheoătr ng thái phím nh n 50 Bảng 4.5 Bảng ph thu c t căđ tải trọng c a thi t bị 64 Phần mở đầu Ngày nay, t ,ăconăng t t cácălƿnhăvực khoa họcăkƿăthu t,ăđ i s ngăkhơngăriêngăgìălƿnhăvực y iăđangăcóăxuăh sứcă laoă đ ng c aă conă ng ng máy móc hóa t t cơng vi c có th nhằm thay th i Nh n th y nhu c u r t c p bách vi c c n có thi t bị thay th cho công vi c nâng h , di chuy n b nhănhânătrongămôiătr tr ng b nh vi n, v n căđâyăv năđ ợc thực hi n bằngăcácăph ơngăphápăth cơngăvàăconăng i chính, v i v n ki n thức mà tác giả cóăđ ợc sau trình học t p, tác giả đề xu t thực hi năđề tài ắThi t k thi t bị nâng h b nhă nhână điều nă n” nhằm giải quy t nhu c u thực t Trên th gi i hi nănayăđưăcóăt ơngăđ i nhiều thi t bị nâng h b nh nhân v i nhiều ch ng lo i phù hợp v i m că đíchă nângă h riêng Tuy nhiên, Vi t Nam, vi c áp d ng thi t bị nàyăch aăđ ợc tri n khai nhiềuăcǜngănh ăch aăcóăcácănghiênăcứu công ngh nàyăcǜngănh ăthi t k thi t bị Lu năvĕnăđ ợc thực hi n v i m cătiêuănh ătìmăhi u, nghiên cứu cơng ngh dùngăđ nâng h b nh nhân hi n th gi i,ăđề xu t mơ hình cho m t thi t bị nâng h b nh nhân v i thông s phù hợp, ch t o thử nghi m thi t bị từ đóăcóăđánhăgiáă tính khả thi c a thi t k Về cơăbản lu năvĕnăđưăđ aăraăm t thi t k thi t bị phù hợp v i yêu c u thực t sử d ng, t oăcơăs choăcácăb c phát tri n thi t bị sau hồn chỉnhăhơn,ăđ yăđ chứcănĕngă hơn.ăQ trình thử nghi m thi t bị cǜngăchoăth y thi t bị có khả nĕng ứng d ng cao thực t Lu năvĕnăcóăc u trúc gồmă4ăch ơngălà: • Ch • Ch • Ch • Ch ng 1: Tổng quan ng 2: H th ng nâng h b nh nhân ng 3: Thi t k h th ng ng 4: L p ráp, thử nghi măvàăđánhăgiáăh th ng 10 Các bánh xe (bánhătr c bánh sau) Thi t bị có bánh xe v i bánh phíaătr c bánh đ ợc bọc ch t li u cao su giảm ch n v iăkíchăth th că2ăbánhăsauălàă100ămm.ăBánhătr phía sau Cả 4ăbánhăxeăđều c bánhătr c 75 mm kích c bánh sau c a thi t bị đ ợc th hi nănh ă hình 4.3 Hình 4.3 Hình ảnh bánh sau bánh tr ớc thiết bị 55 Chơn đỡ thi t b Ph năchânăđỡ thi t bị cóăkíchăth c 550 cmă×ă1325ăcm,ăđ ợc mơ tả nh ătrong hình 4.4 Hình 4.4 Hình ảnh chân đỡ thiết bị 56 Đai gi b nh nhân Đaiăgiữ b nhănhânăđ ợc lựa chọn v i ch t li u vải dù ch c ch n có lỗ đ có th móc vào móc treo Hình 4.5 Hình ảnh đai giữ bệnh nhân thiết bị 57 M ch điều khiển H p m chăđiều n sau l păđặt bao gồm kh i m chăđiều n kh i m ch nguồn đ ợc th hi nănh ătrongăhình 4.6 Hình 4.6 Hình ảnh mạch điều khiển điện thiết bị 58 Hình ảnh thi t b g p t i đa Hình 4.7 Hình ảnh thiết bị gập tối đa 59 Hình ảnh thi t b đ t kích th c t i đa Hình 4.8 Hình ảnh thiết bị trạng thái kích th ớc tối đa 60 4.2 Th nghi m nâng tải tr ng Đ thử nghi m khả nĕngănângăh thực th c a thi t bị, tác giả cho ch y thử nghi m thi t bị trênăhaiăđ iăt ợng khác tải giả vàăng i th t B c thực hi n nâng v i tải giả đ ợc thực hi năđ uătiênăđ đảm bảoăđ an toàn c a thi t bị ti n hành nâng h ng i th t Tác giả ti n hành thử nghi m hai mức tải khác 35ăkgăvàă64ăkgănh ăhình 4.9 K t thử nghi m cho th y thi t bị ho tăđ ng t t, ổnăđịnh v i hai mức tảiăđ y, phù hợp v i tính tốn thi t k Hình 4.9 Hình ảnh thử nghiệm thiết bị với hai mức tải giả 61 Sau thử nghi m thành công tải giả, tác giả thực hi n thử nghi mă trênă đ i t ợngălàăng i th t v i mức cân nặng 70 kg.ăĐâyălàăm t mức cân nặngăt ơngăđ i phổ bi năđ i v i th tr ng c aăng i Vi t Nam Hình 4.10 Hình ảnh thử nghiệm thiết bị với ng ời thật 62 Hình 4.11 Hình ảnh tải trọng tr ớc thử nghiệm thiết bị với ng ời thật 63 Thử nghi m cho th y thi t bị ho tăđ ng t t v iăđ iăt ợng có cân nặngănh ătrên.ăHình 4.10 minh họa thử nghi mănângăng i th t thi t bị đưăthi t k 4.3 M i quan h gi a t c đ nâng tải tr ng M t thông s quan trọngăkhiăđánhăgiáăm t thi t bị nâng h b nhănhânăđóălàăt căđ dịch chuy n c a thi t bị (chính t căđ nâng h b nh nhân) Trên thực t , t căđ s ph thu c vào tải trọngăđặt vào thi t bị Khi tải trọngăđặt vào l n, t căđ dịch chuy n c a thi t bị s ch m.ă Đ n m t giá trị tải trọng nh tă định, thi t bị s m t khả nĕngă dịch chuy n,ăđ y tải trọng t iăđaăc a thi t bị Đ đánhăgiáăsự ph thu c c a t căđ nâng h c a thi t bị v i tải trọngăđặt vào, tác giả sử d ng mức tải trọng c định từ 0ăđ n 100 kg,ăsauăđóăchoăthi t bị ch y h t hành trình, th iă m sử d ngă đồng hồ b mă giâyă đ đoă th i gian T că đ dịch chuy n trung bình s đ ợc tính theo cơng thức: � ��/� = � �� Bảng 4.1 li t kê l i giá trị tải trọng (kg) t căđ (mm/s)ăt ơngăứng STT 10 11 T c đ (mm/s) 5.15 4.67 4.12 3.68 3.14 2.67 2.11 1.6 1.15 0.64 0.14 Tải tr ng (kg) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Bảng 4.1 Bảng phụ thuộc tốc độ tải trọng thiết bị 64 Quaăđồ thị hình 4.12, ta nh n th y m i quan h g nănh ătuy n tính t căđ dịch chuy n c a tr c vít tải trọng Khi tải trọng cao t căđ di chuy n ch măđi,ăvàăng ợc l i.ăĐiều hoàn toàn phù hợp v i lý thuy t /s) Đồ tố độ phụ thuộ tải trọ g Tố độ 0 20 40 60 80 100 Tải trọ g kg Hình 4.12 Đồ thị mối quan hệ tốc độ tải trọng thiết bị 65 4.4 K t lu n vƠ h ng phát triển đề tài K t lu n Sau trình thực hi năđề tài, tác giả rút m t s k t lu n Về nhữngăđi m m nh,ăđề tàiăđưăđ tăđ ợc nhữngăđiều sau: • Đề tài có tính ứng d ng thực ti n cao, giải quy tăđ ợc v năđề tồn t i thực t • Đề tàiăđưăđ tăđ ợc m cătiêuăbanăđ uăđề raănh ătìmăhi u thực tr ng di chuy n b nh nhân v i tải trọng từ 0-100 kg cácăcơăs chĕmăsócăyăt c a Vi t Nam hi n nay, cácă kƿă thu t m i áp d ng cho di chuy n b nh nhân th gi i, thi t k tri n khai thi công, l păđặtăđ ợc m t thi t bị th t, có ch y thử nghi m thi t bị vàăđánhăgiáă thi t bị sơăb • Thi t bị ch yăt ơngăđ i ổnăđịnh,ăanătoànăchoăng i dùng Tuy nhiên, h n ch nhân lực, v t lực th i gian nghiên cứu, thi t k sản xu t mà thi t bị v n tồn t iăcácănh ợcăđi mănh : • Bề ngồi thi t bị trơngăcịnăthơăsơ • Ch aăcóăh th ng phản hồiăđ điều chỉnh t căđ nâng h khiă đặt tải trọng khác • Ch a có cảnh báo tải cho thi t bị H ng phát triển đề tài Từ nhữngăđi m h n ch nêu trên, tác giả đề xu tăcácăh ng phát tri năđề tàiănh : • Tích hợp thêm h th ng phản hồi nhằmăđiều t c thi t bị cân l i v i tải trọng đặtăvàoăđ đ tăđ ợc t căđ dịch chuy nălàăt ơngăđ i c định v i dải tải trọng c a thi t bị • Tích hợp h th ngă đoă cână nặng (sử d ng load cell) c aă đ iă t ợngă đặt vào nhằm cảnh báo tải,ăthêmătínhănĕngăcânăb nh nhân t i thi t bị ph c v cho h th ng phản hồiăđiều t c 66 Tài li u tham khảo [1] B Evanoff, L Wolf, E Aton, J Canos and J Collins, "Reduction in injury rates in nursing personnel through introduction of mechanical lifts in the workplace", American Journal of IndustrialăMedicine,ăvol.ă44,ăpp.ă451‐457,ă11.ă2003 [2] W S Marras, K G Davis and B C Kirking, "A comprehensive analysisăofălow‐backă disorder risk and spinal loading during the transferring and repositioning of patients using different techniques",ăErgonomics,ăvol.ă42,ăpp.ă904‐926,ăJulyă1999.ăă [3] D Daynard, A Yassi, J E Cooper, R Tate, R Norman and R Wells, "Biomechanical analysis of peak and cumulative spinal loads during simulated patient‐handling activities: a substudy of a randomized controlled trial to prevent lift and transfer injury of health care workers", Applied Ergonomics., vol 32, pp June, 2001 [4] P L Santaguida, M Pierrynowski, C Goldsmith and G Fernie, "Comparison of cumulative low back loads of caregivers when transferring patients using overhead and floor mechanical lifting devices", Clinical Biomechanics., vol 20, pp November, 2005 [5] S Kumar, "Cumulative Load as a Risk Factor for Back Pain", SPINE,vol.15,no.12,pp.1311‐1316,ă1990 [6] S M McGill "Shear happens! suggested guidelines for ergonomists to reduce the risk of low back injury from shear loading.", 30th annual conference of Human Factors Association of Canada pp.157, 1998 [7] W.ăS.ăMarras.ăTheăWorkingăBack.ăWiley‐Interscience,ă2008 [8] W Charney "The legislative road to protect healthcare workers from back injuries",7th Annual Safe Patient Handling and Movement Conference, 2007 67 [9] R C Jensen, "Back injuries among nursing personnel related to exposure" Applied Ergonomics, vol 22, pp April, 1991 [10] B D Owen, "The MagnitudeăofăLow‐BackăProblemăinăNursing," Western Journal of Nursing Residents,ăvol.ă11,ăpp.ă234‐242,ăApril.ă1989 [11] EvaDrive Floor Lift (n.d.) Truy xu t từ h ttps://www.handicareus a.com/product/eva drive-floor-lift/ Truy c p ngày 13 tháng nĕmă2019 [12] Bariatric ceiling lift (n.d.) Truy xu t từ http://www.medicalexpo.co m/prod/ arjo/pro duct-67641-738050.html Truy c p ngày 13 tháng nĕmă2019.ă [13] Powered Base Stand Assist Lift (n.d.) Truy xu t từ https://www.medline.com /pro duct/Powered-Base-Stand-Assist-Lift/Lifts/Z05-PF90516 Truy c p ngày 13 tháng nĕmă 2019 [14] Probasics Hydraulic Manual Patient Lift (n.d.) Truy xu t từ https://www.rehabmart com/product/probasics-hydraulic-patient-lift-package-31540.html Truy c p ngày 13 tháng nĕmă2019 [15] Classic Rod Linear Actuators (n.d.) Truy xu t từ https://www.firgelliauto ca/pro ducts/light-duty-rod-actuator Truy c p ngày 14 tháng nĕmă2019 [16] Stainless Steel Pneumatic Actuator Truy xu t từ https://www.indiamart com/pro ddetail/pneumatic-actuator-17975689188.html Truy c p ngày 14 tháng nĕmă2019 [17] Hänchen hydraulic cylinder Truy xu t từ https://www.haenchen-hydraulic com/hydraulic-cylinders.html Truy c p ngày 14 tháng nĕmă2019 [18]ăA.ăP.ăD.ăA.ăCampos,ăắDesignăofăaăLinearăActuatorăforăSoftăRoboticsăApplications”,ă 2016 68 [19] Cài Ph n Mềm Solidworks Trên Windows 10 Truy xu t từ https://thaivu.com/caiphan-mem-solidworks-tren-windows-10/ Truy c p ngày 15 tháng nĕmă2019 [20] InsideăAnăElectricăLinearăActuator.ăTruyăxu tătừăhttps://www.progre ssive auto ma tions.com/blogs/products/inside-an-electric-linear-actuator Truy c p ngày 15 tháng nĕmă2019 [21] XP Power VFT150PS24 Truy xu t từ https://www.digikey.com/productdetail/en/xp-power/VFT150PS24/1470-2346-ND/4488725 Truy c p ngày tháng nĕmă 2019 69 ... thi t bị nâng h b nh nhân dựa sàn Hình 2.1 Hình ảnh kết cấu khung đỡ thiết bị nâng hạ bệnh nhân dựa sàn [14] 22 2.2 B truyền đ ng B truyềnăđ ng m t b ph n không th thi u thi t bị nâng h b nh nhân. .. n phải giữ nh ăphímăxu ng Điều t o nhiều thu n lợiăchoăng i dùng vi c sử d ng thi t bị 3.3.4.2 Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển M ch? ?điều n thi t bị nâng h b nh nhân bao gồm kh iăchínhănh... phù hợp v i nhu c u di chuy n b nh? ?nhân? ?điăv sinh 19 Hình 1.7 Hệ thống nâng hạ bệnh nhân đứng [13] b H th ng nâng h b nh nhân g n trần H th ng nâng h b nh nhân g n tr n đangă tr thành lựa chọn