Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

-------------------------

TRẦ N THANH TRƯỜ NG HÀ O

NGHIÊN CỨ U THIẾ T KẾ , ĐIỀ U KHIỂ N BÀN

PHẪU THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số ngành: 60520114

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

-------------------------

TRẦ N THANH TRƯỜ NG HÀ O

NGHIÊN CỨ U THIẾ T KẾ , ĐIỀ U KHIỂ N BÀN

PHẪU THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số ngành: 60520114

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN TẤ N TIẾ N

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2015

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS. Nguyễn Tấ n Tiến

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM

ngày 16 tháng 08 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

Họ và tên Chức danh Hội đồng TT

TS. Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch 1

TS. Võ Hoàng Duy Phản biện 1 2

TS. Nguyễn Duy Anh Phản biện 2 3

PGS. TS. Lê Hữu Sơn Ủy viên 4

5 TS. Nguyễn Hùng Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa

chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TS. Nguyễn Thanh Phương

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP.HCM, Ngày 12 Tháng 08 Năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Giới tính: Nam Họ tên học viên: Trần Thanh Trườ ng Hào

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 cứ u thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tìm hiểu về các vấn đề liên quan đến nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn 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

III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/08/2015

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Tấn Tiến

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Nguyễn Tấn Tiến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn

của PGS. TS.Nguyễn Tấn Tiến, các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất 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.

Trần Thanh Trườ ng Hào

LỜI CÁM ƠN

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 13SCD11 đã cùng tôi sát cánh trong

suốt khóa học Thạc Sỹ tại trường, khoảng thời gian tuy không dài 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.

Trần Thanh Trườ ng Hào

iii

TÓM TẮT

Luận văn: “Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật” là đề tài có mục

tiêu 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 khiển 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. Cấu

tạo, vật liệu, tính an toàn và độ cứng vững phải đảm bảo tiêu chuẩn quốc gia về bàn

mổ đa năng (TCVN 6733: 2000).

ABSTRACT

In this study: “Research to design, control Surgical Table”, the study is purpose

to design an equipment in hospitals, Surgical Table can be change the patient's

posture to serve surgical process. The study solved: the calculated choice actuator

placement, building control algorithms and controller stability and flexible control

mode. Structural engineering design is based on the average stature of Vietnamese,

the structures are neatly arranged to facilitate the manipulation of an operator.

Medical’s standard is concerned throughout the process to implement the project.

Components, materials, safety and rigidity to ensure national standards for Universal

operating table (TCVN 6733: 2000)

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i

LỜI CÁM ƠN .................................................................................................... ii

TÓM TẮT ......................................................................................................... iii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 1

1.1.Đặt vấn đề .................................................................................................... 1

1.2. Lịch sử nghiên cứu ...................................................................................... 1

1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bàn phẫu thuật ................................... 2

1.4. Kết luận ........................................................................................................ 5

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ........................................................ 8

2.1 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần cơ .......................................... 8

2.1.1. Các phương án khả thi ............................................................................. 8

2.1.2. Tính toán thiết kế cơ khí ........................................................................ 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 ...................................... 23

2.2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi .................................................. 27

2.2.2.1 Nguồn cung cấp và dự phòng ............................................................... 28

2.2.2.3 Khối hiển thị và bàn phím điều khiển .................................................. 34

2.2.2.4 Bộ điều khiển cho cơ cấu chấp hành .................................................... 34

2.2.2.5 Cảm biến đo góc quay .......................................................................... 36

2.2.2.6 Bộ xử lý ................................................................................................ 37

2.2.2.7 Giao tiếp I2C [14]. ................................................................................ 42

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ................................................... 44

3.1 Mục tiêu của bộ điều khiển ......................................................................... 44

3.2 Màn hình hiển thị và nhút nhấn chọn chức năng ........................................ 44

3.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển ........................................................................... 46

3.4. Giao tiếp giữa Master và Slave. ................................................................ 46

3.5. Giải thuật điều khiển ................................................................................. 47

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM ....................................................................... 57

4.1 Thực nghiệm phần cơ ................................................................................. 57

4.2. Thực nghiệm phần điện và điều khiển ...................................................... 60

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................. 69

5.1. Kết luận ..................................................................................................... 69

5.2. Hướng Phát triển ....................................................................................... 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 70

PHỤ LỤC ......................................................................................................... 70

vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC: Analog-to digital Converter

AC: Alternating current

DC: Direct Curent

UPS: Uninterruptible Power Supply

g_nd là góc nghiêng đầu.

g_nl là góc nghiêng lưng.

g_ct là góc nghiêng của chân trái.

g_cp là góc nghiêng của chân phải.

g_ngn là góc nghiêng ngang mặt bàn.

g_ngd là góc nghiêng dọc mặt bàn.

h là chiều cao của bàn phẫu thuật. g_x là góc xoay của mặt bàn.

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của bàn phẫu thuật. ....................................................... 6

Bảng 2.1 Khảo sát cơ cấu nâng hạ chân bằng phần mềm SAM. .............................. 15

Bảng 2.2 Khảo sát cơ cấu 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 cấu 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 thẳng AB. ................................................ 25

Bảng 2.7. Thông số của các cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn. 26

Bảng 2.8. Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB. ................................................ 27

Bảng 2.9. Bảng thông số kỹ thuật của cơ cấu chấp hành. ......................................... 27

Bảng 2.10. Bảng thông số dòng điện tiêu thụ. .......................................................... 29

Bảng 2.11. Bảng thống kê chi tiết sử dụng ở phương án 1 ....................................... 31

Bảng 2.12. Bảng thời gian lưu điện theo từng chế độ hoạt động (phương án 1 và 2).

................................................................................................................................... 32

Bảng 2.13. Bảng thống kê chi tiết sử dụng ở phương án 2 ....................................... 33

Bảng 2.14. Bảng chọn mạch điều khiển động cơ. ..................................................... 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]. ........................................... 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 slave ........................................................ 46

Bảng 3.3. Góc nghiêng các cơ cấu ở chế độ tự động. ............................................... 56

Bảng 4.1 Thông số kiểm tra về góc quay của các cơ cấu quay và độ cao mặt bàn. . 59

Bảng 4.2 Thông số kiểm tra về kích thước bàn và độ cao mặt bàn. ......................... 59

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Cấu tạo chung của bàn phẫu thuật. ............................................................. 3

Hình 1.2.Bàn phẫu thuật Axis 400-800 [7]. ................................................................ 3

Hình 1.3.Bàn phẫu thuật Arcus 601 [8]. ..................................................................... 4

Hình 1.4. Bàn phẫu thuật Berchtold Operon D850 [9]. .............................................. 4

Hình 1.5. Bàn phẫu thuật Alvo Menuet 4-00 [10]. ..................................................... 4

Hình 1.6. Bàn phẫu thuật Operon D820 [11]. ............................................................. 5

Hình 1.7. Bàn phẫu thuật Skytron 6000 [12] .............................................................. 5

Hình 1.8 Chức năng cơ bản của bàn phẫu thuật ......................................................... 6

Hình 2.1. Minh họa cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn và

nghiêng dọc mặt bàn. .................................................................................................. 8

Hình 2.2. Nguyên lý sử dụng cơ cấu tay quay con trượt. ........................................... 9

Hình 2.3. Nguyên lý sử dụng cơ cấu culit lắc. ............................................................ 9

Hình 2.4. Khảo sát nguyên lý nâng hạ chân bằng phần mềm SAM. .......................... 9

Hình 2.5. Cơ cấu dạng cột. ........................................................................................ 10

Hình 2.6. Cơ cấu dạng xếp. ....................................................................................... 11

Hình 2.7. Cơ cấu hình bình hành. ............................................................................. 11

Hình 2.8. Cơ cấu xoay mặt bàn ................................................................................. 12

Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý đề xuất cho bàn phẫu thuật. ........................................... 13

Hình 2.10. Một loại xi lanh thủy lực. ........................................................................ 13

Hình 2.11. Một loại động cơ tuyến tính. ................................................................... 14

Hình 2.12 a, b. Cơ cấu nâng hạ chân khảo sát cơ cấu nâng bằng phần mềm SAM và

mô hình 3D. ............................................................................................................... 15

Hình 2.13a, b. Cơ cấu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM và mô hình 3D. ........... 16

Hình 2.14a, b. Cơ cấu 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.

................................................................................................................................... 19

Hình 2.16 a, b Cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 19

Hình 2.17a, b. Cơ cấu xoay mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D. .............................. 20

Hình 2.18a, b. Cơ cấu nâng hạ mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D. ......................... 21

Hình 2.19. Sơ đồ tổng quát hệ thống điện ................................................................. 22

Hình 2.20a, b, c. Hình minh họa góc xoay của cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu. ..... 24

Hình 2.21a, b. Khảo sát sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn,

nghiêng dọc mặt bàn. ................................................................................................ 26

Hình 2.22. Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới ổn định ......................................... 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 . .............................................................................. 31

Hình 2.26. Sơ đồ mạch điện nút nhấn và LCD ......................................................... 34

Hình 2.27. Sơ đồ gắn potentiometer ......................................................................... 36

Hình 2.28. Hình nguyên lý Potentiometer J45S-5K ................................................. 37

Hình 2.29. Hệ thống mạch điều khiển bàn phẫu thuật. ............................................. 38

Hình 2.30. Hệ thống điều khiển bàn phẫu thuật........................................................ 39

Hình 2.31. Các chức năng của Master. ..................................................................... 40

Hình 2.32. Các chức năng của Slave......................................................................... 40

Hình 2.33. Các chức năng của Slave......................................................................... 41

Hình 2.34. Định dạng địa chỉ 7-bit và 10-bit trong I2C. ........................................... 42

xii

Hình 2.35. Hoạt động đọc và ghi trong I2C. ............................................................. 43

Hình 3.1. Bàn phím điều khiển và LCD hiển thị. ..................................................... 44

Hình 3.2. Sơ đồ khối bộ điều khiển bàn phẫu thuật. ................................................. 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 ............................................... 49

Hình 3.5. Giải thuật chọn chế độ Auto .................................................................... 50

Hình 3.6a,b. Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ đầu, nâng hạ lưng .... 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

bàn. ............................................................................................................................ 53

Hình 3.9a,b. Giải thuật chương trình con điều khiển xoay mặt bàn và nâng hạ mặt

bàn ............................................................................................................................. 54

Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động ................................................ 55

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 tế. ............................. 58

Hình 4.2. Sơ đồ khối thực nghiệm ............................................................................ 61

Hình 4.3. Mô hình thực nghiệm bộ điều khiển ......................................................... 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

Hình 4.7. Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ đầu ............ 64

Hình 4.8. Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng ngang mặt bàn

................................................................................................................................... 64

xiii

Hình 4.9. Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng dọc mặt bàn

................................................................................................................................... 64

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 cấu nâng hạ chân trái.

................................................................................................................................... 66

Hình 4.10d. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ chân

phải. ........................................................................................................................... 66

Hình 4.10e. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng ngang

mặt bàn. ..................................................................................................................... 67

Hình 4.10f. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng dọc mặt

bàn. ............................................................................................................................ 67

Hình 4.10g. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ mặt bàn.

................................................................................................................................... 68

Hình 4.10h. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu xoay mặt bàn. 68

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề

Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế xã hội thì đời sống vật chất cũng

như tinh 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 Mổ Đa Năng (TCVN 6733 : 2000). Tuy nhiên số lượng nghiên cứu về Bàn

Mổ Đa Năng ở nước ta còn ít. Do đó, nghiên cứu này dựa vào Tiêu chuẩn Quốc

gia về Bàn Mổ 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 Adrian van Rij, University 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, Duomat) 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 cấu chấp hành kia [1].

+ “Evaluation and Design of a Hospital Bed to be Manufactured and Used

in China” là nghiên cứu của 2 tác giả Brian Catalano, Todd Coolidge và các

thành viên Huazhong University of Science and Tech, 10/2006 .Nghiên cứu với

mục tiêu tạo ra giường bệnh viện hiện đại nhằm phục vụ trong nước Republic

of China. Giường có thể chịu được 500 pound và nhiều mẫu mã khác nhau.

Giường sử dụng 3 động cơ điện 120 V, 7A để thay đổi các tư thế nằm và có bàn

điều khiển bằng nút nhấn [2].

+ “The Sizing Optimization of Hospital Bed Structure for Independently

Supporting Left and or Right Leg Using Generic Algorithms” là nghiên cứu của

2 tác giả: Rung Kittipichai và Atthaphon Ariyarit, 6/2011 .Nghiên cứu này 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” là nghiên cứu

của tác giả David A. Winter, University of Waterloo. Nghiên cứu này có chỉ ra

sự phân bố trọng lượng và 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 mổ đa năng. Bộ tiêu

chuẩn này 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. Cấu 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.

+ Thân bàn: là phần thay đổi chiều cao, góc nghiêng của bàn.

+ Chân bàn: là phần giữ cho mặt bàn và thân bàn được thăng bằng. Bộ

Mặt bàn

Thân bàn

1. Khâu đỡ đầu. 2. Khâu đỡ lưng. 3. Khâu đỡ đùi. 4. Khâu đỡ chân. 5. Khâu đỡ mặt bàn.

Chân bàn

Hình 1.1. Cấu tạo 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.

phần này có thể tách rời với bàn hoặc gắn bánh xe để tiện di chuyển.

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 không nâng hạ, không trượt 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 kiểu cơ cấu này thì ngoài việc có thể thay đổi linh hoạt các tư thế của

chân, đầu, lưng thì chiều cao của bàn phẫu thuật cũng có thể thay đổi được.

Kiểu nâng hạ và trượt được

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

dễ dàng và có thể di chuyển ngang được để phục vụ việc chụp cắt lớp.

Kiểu có thể xoay được

Hình 1.7. Bàn phẫu thuật Skytron 6000 [12].

Bàn 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 mổ.

1.4. Kết luận

Trên đây là những phân tích của những sàn phẩm và nghiên cứu hiện có. Kết

hợp những phân tích này và Tiêu chuẩn Quốc gia về Bàn Mổ Đa Năng (TCVN

6733 : 2000), luận văn này nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật với

cấu tạo và chức năng như sau:

a) Nâng hạ lưng.

b) Nâng hạ đầu.

c) Nâng hạ chân.

d) Nghiêng dọc mặt bàn.

360°

h. Xoay mặt bàn 360˚

g) Nghiêng ngang mặt bàn

e) Nâng hạ toàn mặt bàn. f) Dang hai chân.

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

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần cơ

Bàn 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 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

+ Xoay 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, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt

bàn là để thay đổi tư thể các bộ phận tương ứng của bệnh nhân cho phù hợp với

Góc nghiêng

Khâu đặt lực

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 đóng vai trò dẫn động biến chuyển động tịnh

tiến thành chuyển 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 cấu 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. Để 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

L = 124 mm

L = 245 mm

b. Cơ cấu tay quay con trượt

a. Cơ cấu culit lắc

của con trượt là ngắn nhất (tiết kiệm không gian) khi cơ cấu chuyển động.

Hình 2.4. Khảo sát nguyên lý nâng hạ chân bằng phần mềm SAM.

Để cơ cấu nghiêng góc -30° ÷ 30° thì: cơ 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 cấu bàn phẫu

thuật cần sự gọn nhẹ và dễ vệ sinh nên chọn cơ cấu culit lắc làm cơ cấu chuyển

động trong bàn phẫu thuật.

Phương án nâng hạ mặt bàn

Chức năng của cơ cấu là để thay đổi chiều cao của bàn 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 cấu dạng cột, cơ cấu hình bình

hành, cơ cấu dạng xếp.

Mặt bàn

Cơ cấu dạng cột

Hình 2.5. Cơ cấu dạng cột.

Cơ cấu này được sử dụng ở bàn phẫu thuật: Arcus 601, Berchtold Operon

D850, Operon D820, Skytron 6000. Cơ cấu này có ưu điểm là chiều cao của

mặt thay đổi theo phương thẳng vì vậy tiết kiệm không gian, kết cấu đơn

giản. Tuy nhiên cơ cấu này có nhược điểm là độ cứng vững không cao do

kết cấu kiểu console (nhất là khi ổ vị trí cao nhất).

Mặt bàn

Cơ cấu dạng xếp

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

cấu phức tạp. Một điểm hạn chế nữa là mặt có chuyển động tương đối theo

phương ngang nên tốn không gian.

Mặt bàn

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-

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 cấu dạng cột sử dụng cho chức năng nâng hạ vì tiết

kiệm không gian, và có độ cứng vững tương đối, kết cấu 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

1. Động cơ 2. Bánh răng chủ động 3. Bánh răng bị động 4. Trục xoay

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 đã xác định được phương án thiết kế cho từng chức năng, kết hợp

các phương án đó để đề xuất một nguyên lý tổng thể cho bàn phẫu thuật.

Lưng

Đùi

Chân

Đầu

Mặt bàn

Thân bàn

Chân bàn

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 chuyển 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 cấu 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.

Hình 2.10. Một loại xi lanh thủy lực.

+ Nhược điểm: đi kèm với xilanh thủy lực gồm: bơm dầu, van điều khiển,

đường ống dầu… dẫn đến hệ thống phức tạp. Khó khăn trong đảm bảo vệ

sinh bởi vì sử dụng dầu. Mặt khác để điều khiển vị trí của xilanh thủy lực

cần sử dụng loại đặc biệt có cảm biến và dùng van điều khiển vị trí.

Động cơ tuyến tính

Hình 2.11. Một loại động cơ tuyến tính.

+ Ưu điểm: Động cơ tuyến tính cung cấp chuyển động thẳng 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 cấu cơ khí trên cơ

sở thông số dành cho thể trạng của người Việt Nam. Thông số thiết kế lấy 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 dinh dưỡng, 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

Trong phần này, chúng ta sẽ kiểm nghiệm bằng phần mềm SAM (SAM -

The Ultimate Mechanism Designer) xem các thông số kích thước ảnh hưởng

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

O(0,0)

B(xB, yB)

A(xA,yA)

O(0,0) y

B(xB, yB)

A(xA,yA)

Ta gọi Fmax là giá trị lực lớn nhất tác dụng lên cơ cấu chấp hành.

Hình 2.12 a, b. Cơ cấu nâng hạ chân khảo sát cơ cấu nâng bằng phần mềm

SAM và mô hình 3D.

Bảng 2.1 Khảo sát cơ cấu nâng hạ chân bằng phần mềm SAM.

YA (mm) L (mm) XA (mm) Fmax (N)

470 20 70 957

520 20 70 923

470 20 120 570

470 70 70 516

Nhận xét: Độ lớn lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành càng giảm khi ta tăng

kích thước L và X, giảm mạnh khi tăng kích thước Y. Tuy nhiên đối với cơ

cấu 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 cơ cấu chấp hành:

Sinokoko LM-S113A với giá trị lực lớn nhất.

Cơ cấu nâng hạ lưng

Ở phần các phương án thiết kế của luận văn, ta đã nhận định cơ cấu nâng hạ

lưng sẽ sử dụng chung nguyên lý với cơ cấu nâng hạ chân. Khảo sát một vài

B(xB, yB)

O(0,0)

A(xA,yA)

O(0,0)

B(xB, yB)

A(xA,yA)

thông số của cơ cấu bằng phần mềm SAM.

Hình 2.13a, b. Cơ cấu 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 cấu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM.

YA (mm) L (mm) XA (mm) Fmax (N)

223 27 116 1523

223 57 116 1325

223 37 146 1320

253 27 116 1622

Nhận xét: Độ lớn lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành càng giảm khi ta tăng

kích thước L và X, giảm mạnh khi tăng kích thước Y. Tuy nhiên đối với cơ

cấu 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-V10.

Cơ cấu nâng hạ đầu

Ở phần các phương án thiết kế của luận văn, ta đã nhận định cơ cấu nâng hạ

đầu sẽ sử dụng chung nguyên lý với cơ cấu nâng hạ chân. Khảo sát một vài

O(0,0)

B(xB, yB)

A(xA,yA)

O(0,0)

B(xB, yB)

A(xA,yA)

thông số của cơ cấu bằng phần mềm SAM.

Hình 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 cấu chấp hành.

Bảng 2.3. Khảo sát cơ cấu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM.

YA (mm) L (mm) XA (mm) Fmax (N)

116 223 27 500

116 223 37 476

126 223 37 451

126 233 37 447

Nhận xét: Độ lớn lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành càng giảm khi ta tăng

kích thước L và X, giảm mạnh khi tăng kích thước Y. Tuy nhiên đối với cơ

cấu 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.

Bảng 2.4. Khảo sát cơ cấu nghiêng bàn phẫu thuật bằng phần mềm SAM.

L (mm) K (mm) XA (mm) YA (mm) Fmax (N)

86 2239 11 150 16

86 2408 21 150 16

86 2283 11 160 16

86 2540 11 150 26

B(xB, yB)

A(xA,yA)

O(0,0)

B(xB, yB)

A(xA,yA)

O(0,0)

96 2297 11 150 16

Hình 2.15 a, b. Cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn bằng phần mềm SAM và

B(xB, yB)

O(0,0)

A(xA,yA)

B(xB, yB)

O(0,0)

A(xA,yA)

mô hình 3D.

Hình 2.16 a, b Cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình

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 dọc, LM-P25 cho cơ cấu nghiêng ngang

mặt bàn.

Cơ cấu xoay mặt bàn

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 thẳng đồng chất, chiều dài

2000 mm, trục quay 100 mm chính giữa thanh. Ta có P(cid:2) = 41.96 w

Do đó động cơ cần có công suất như sau:

(cid:12)(cid:13) (cid:14)

(1) = 43.25 w Công suất cần thiết trên trục động cơ:P(cid:11)(cid:2) =

PCT: công suất cần thiết trên trục (kW)

(cid:18): hiệu suất truyền động

Hiệu suất chung của toàn hệ thống:η = 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

1. Động cơ điện

2. Bánh răng chủ động

3. Bánh răng bị động

4. Trục xoay

Như vậy bàn phẫu thuật có vận tốc quay quanh trục là: 25 vòng/phút

Hình 2.17a, b. Cơ cấu xoay mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D.

Cơ cấu nâng hạ mặt bàn

Cơ cấu nâng hạ mặt bàn sử dụng chuyển động thẳng của động cơ tuyến tính

thành chuyển động lên xuống của mặt bàn. Động cơ tuyến tính phải chịu tải

1. Linear actuator

2. Trục xoay

3. Ổ trượt

4. Tấm nâng hạ độ cao

trọng 200 kg, do đó chọn cơ cấu LM-LC50 của hãng Sinokoko.

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

Với cơ cấu chấp hành được lựa chọn ở chương 2, bài toán điều khiển của

luận văn này là điều khiển động cơ tuyến tính dựa vào giá trị của cảm biến đo

góc với mục đích chuyển từ chuyển động tịnh tiến của động cơ tuyến tính thành

chuyển động quay của mặt bàn. Khi kết hợp những nhiều chuyển động của động

cơ tuyến tính tương ứng với các cơ cấu của bàn sẽ tạo 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 cấu 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 thể thay đổi tư thế của 1 bộ

phận, ngoài ra chế độ này còn dùng để 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

LCD

Power Supply

CPU

Keyboard

AC to DC

Signal

Charger

Battery

switch

l a n g i s

pwm

Driver

Sensor

Linear actuator

trên ta có sơ đồ tổng quát của hệ thống điện như sau:

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 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

chọn cảm biến đo góc và giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến của thiết kế này.

x2+y2=L2

O(0,0)

B(xB, yB)

A(xA,yA)

x2+y2=L2

B(xB, yB)

O(0,0)

A(xA,yA)

Tính toán sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu

B(xB, yB)

O(0,0)

x2+y2=L2

A(xA,yA)

Hình 2.20a, b, c. Hình minh họa góc xoay của cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu.

AB: là chiều dài và hành trình hoạt động của cơ cấu chấp hành tại vị trí đầu.

AB’: là chiều dài 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 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

Tên chức năng Lmin (mm) Lmax (mm) L |F|max (N) x1 y1

10 -88 440 356 497,8 49 Nâng hạ chân

42 -150 451 356,7 602,5 654,4 Nâng hạ lưng

-5 -80 300 273,9 350,7 6,8 Nâng hạ đầu

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(cid:25) + y(cid:25) = (cid:28)(cid:25) (2)

Tọa độ điểm B:

(cid:29)(cid:30) = (cid:28)(cid:31) !" (3) #(cid:30) = (cid:28)$%&" (4)

'( = )((cid:29)(cid:30) − (cid:29),)(cid:25) + (#(cid:30) − #,)(cid:25) = )((cid:28)(cid:31) !" − (cid:29),)(cid:25) + ((cid:28)$%&" − #,)(cid:25)(5)

Gải phương trình tính đoạn thẳng AB ta có:

Bảng 2.6. Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB.

ADC 8 bit / ADC 10 bit / ADC 16 bit /

360° 360° 360°

Độ phân giải/360° 1,406250° 0,351563° 0,005493°

2,173632 0,543435 0,008491 dABMax

0,806599 0,192089 0,002978 Nâng hạ chân dABMin

3,805361 0,190773 0,003014 dABMax

0,026267 0,000028 0,002925 Nâng hạ lưng dABMin

1,967221 0,481887 0,006048 dABMax

1,552511 0,385743 0,006015 Nâng hạ đầu dABMin

x2+y2=L2

B(xB, yB)

O(0,0)

A(xA,yA)

x2+y2=L2

B(xB, yB)

O(0,0)

A(xA,yA)

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.

AB’: là chiều dài 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 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.

max (mm)

min (mm) Llưng Llưng

Tên chức năng Thông số

x1 l1 l2 y1

Nghiêng dọc mặt bàn 371.5 58.3 -45 -95 295.6 465.7

Nghiêng ngang mặt bàn 20 90 -13,3 -150 158.6 219.3

Theo các thông số trên ta có thể tính mối liên hệ giữa sự dịch chỉnh của cơ

cấu chấp hành và góc quay của cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt

bàn.

Ta có:

Phương trình đường tròn tâm O đi qua B:

(cid:25) (cid:25) + .(cid:25) x(cid:25) + y(cid:25) = (cid:28)(cid:25) = ./ Tọa độ điểm B: (cid:29)(cid:30) = (cid:28)(cid:31) !", #(cid:30) = (cid:28)$%&".

(6)

'( = )((cid:29)(cid:30) − (cid:29),)(cid:25) + (#(cid:30) − #,)(cid:25)

= )((cid:28)(cid:31) !" − (cid:29),)(cid:25) + ((cid:28)$%&" − #,)(cid:25)

Gải phương trình tính đoạn thẳng AB ta có:

Bảng 2.8. Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB.

8 bit 10 bit 16 bit

Độ phân giải/360° 1,406250° 0,351563° 0,005493°

Nghiêng dọc mặt bàn dABMax 2,297483 0,577007 0,009033

(mm) dABMin 0,216247 0,348093 0,008987

Nghiêng dọc mặt bàn dABMax 2,050769 0,385363 0,003558

(mm) dABMin 0,916074 0,226000 0,003516

Kết quả tính toán sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu (bảng 3.2 và bảng

3.4) cho ta thấy sự liên quan giữa bộ đọc ADC của cảm biến đo góc và sự thay

đổi chiều dài của cơ cấu chấp hành. Với kết quả này cho ta thấy bộ đọc ADC 10

bit phù hợp với bộ điều khiển của bàn phẫu thuật.

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.

Thông số kỹ thuật

Tên cơ cấu Số Dòng Điện áp Hành Công Tên chức năng chấp hành lượng điện tiêu sử dụng trình suất hiệu

thụ (A) (V) (mm) dụng (W)

Nâng hạ lưng LM-V10 1 4,2 24 125 100,8

Nghiêng dọc LM-V10 1 4,2 24 140 100,8 mặt bàn

Nghiêng ngang LM-P25 1 3 24 60 72 mặt bàn

Nâng hạ mặt LM-LC50 1 4,2 24 300 100,8 bàn

Nâng hạ đầu LM-S113A 1 0,58 24 70 13,92

Nâng hạ chân LM-S113A 2 0,58 24 87 13,92

Xoay mặt bàn Excem 1 4.3 24 360° 60

Theo phần tính và chọn cơ cấu chấp hành ở chương 2 ta có bảng thông số

của các cơ cấu chấp hành như bảng 3.3. Với những thông số của động cơ tuyến

tính như trên sẽ là cơ sở để lựa chọn các cơ thiết bị phù hợp và an toàn cho bàn

phẫu thuật. Dưới đây là những phương án lựa chọn thiết bị cho bàn phẫu thuật.

2.2.2.1 Nguồn cung cấp và dự phòng

Các thiết bị quan trong phục vụ trong phòng phẫu thuật có sử dụng nguồn

điện đòi hỏi sự ổn định cao, không cho phép dừng khi đang thực hiện các cuộc

phẫu thuật quan trọng cho bệnh nhân. Do đó nguồn cung cấp và dự phòng cho

bàn phẫu thuật là thiết bị cần được quan tâm. Để có sự lựa chọn phương pháp

Mạch chuyển đổi

Điện lưới ổn định

Ngõ ra

Nguồn DC 24V

Bộ sạc

Ắc quy

Nguồn DC 5V

và thiết bị phù hợp thì có 2 phương án để thiết kế và lựa chọn như sau.

Mạch chuyển đổi

Điện lưới không ổn định

Ngõ ra

DC 24V

Bộ chuyển Bộ chuyển đổi đổi

Ắc quy

Bộ nguồn DC 5V

Hình 2.22. Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới ổn định

Hình 2.23. Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới không ổn định

Để chọn được các thiết bị ta dựa vào bản thông số dòng điện tiêu thụ như bảng

dưới.

Bảng 2.10. Bảng thông số dòng điện tiêu thụ.

Thông số kỹ thuật

Tên cơ cấu Số Dòng điện tiêu Hệ số Dòng điện Công suất hiệu chấp hành lượng thụ max (A) an toàn an toàn dụng (W)

LM-V10 1 4.2 6.3 1.5 100.8

LM-P25 1 3 4.5 1.5 72

LM-LC50 1 4.2 6.3 1.5 100.8

LM-S113A 3 0.58 0.87 1.5 13.92

Excem 1 4.3 6.45 1.5 60

Tổng cộng 21.64 32.46 476.16

Do đó tổng dòng cần thiết của nguồn dùng cho hệ thống là: 21.64Avới hệ số

an toàn là k = 1.5 nên ta có dòng điện an toàn của hệ thống là 32.46Avà công

suất của nguồn tối thiểu là 476.16W.

Phương án 1

Phương án này, nguồn cung cấp 220V sẽ được chia thành 2 kênh khác nhau

Mạch chuyển đổi

Ngõ ra 220V

Nguồn DC 24V

Bộ chuyển đổi

Ắc quy

Nguồn DC 5V

Mạch sạc

như hình minh họa phía dưới.

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.

Phương án chọn ắc quy

Ắc quy có sự đa dạng về chức năng, mẫu mã, độ bền ứng dụng và hãng

sản xuất: Ắc quy Pinaco, GS, VISION…Trong thiết kế này dung 2 ắc quy

Vision AGM VRLA 12VDC loại 7Ah(150x65x100) đến loại 65Ah

(350x167x179 mm) mắc nối tiếp để tạo ra nguồn 24V.

Phương án chọn mạch sạc ắc quy

Mạch sạc ắc quy là thiết bị quan trọng với mục đích tạo ra dòng điện ổn

định để nạp điện vào ắc quy, đóng ngắt khi ắc quy đã đầy. Mạch sạc có sự

đa dạng về nguyên lý, chủng loại và cấu tạo: mạch nạp ắc qui dùng IC

LM317 hoặc LM350, mạch nạp tự động dùng Thyristor và Transitor, máy

nạp ắc quy Model 02JAH của Robot, máy nạp ắc quy BC36-30 của LIOA,

…

Trong thiết kế này có thể dùng máy sạc ắc quy BC36-30 (400x260x 235

mm) có dòng tải 30A, dòng điện vào 220V, dải dòng điện ra từ 0V đến 36V.

Máy có thể nạp ắc quy trực tiếp hay dùng cho các thiết bị điện một chiều. Từ

nguồn 12VDC ta thiết kế thêm mạch hạ áp xuống 5VDC để dùng cho mạch

điều khiển.

Phương án chọn nguồn DC

Nguồn sử dụng gồm có: nguồn DC 24V dành cho các cơ cấu chấp hành,

nguồn DC 5V cho vi điều khiển và các cảm biến đo góc quay. Và nguồn

cung cấp cho được chia thành 2 kênh do có 2 chế độ nguồn là: chế độ lưới

điện ổn định sẽ sử dụng nguồn từ lưới điện (220V) và lưới điện không ổn

định sẽ sử dụng nguồn từ ắc quy (24V). Do đó bộ chuyển đổi nguồn cũng

chia thành các trường hợp như sau:

+ Nguồn ra DC 24V: khi điện lưới ổn định thì nguồn 24V sẽ do bộ chuyển

đổi nguồn 220V AC sang nguồn 24V DC. Khi điện lưới không ổn định

thì sẽ lấy nguồn DC trực tiếp từ ắc quy. Trong thiết kế này dùng nguồn

Mean Well SE-1000-24 (278x127 x63.5 mm), nguồn này có công suất

1000W, 24V DC, 41.7A.

+ Nguồn ra DC 5V: khi điện lưới ổn định thì nguồn 5V sẽ do bộ chuyển

đổi nguồn 220V AC sang nguồn 5V DC, khi điện lưới không ổ định thì

nguồn 5V sẽ do bộ chuyển đổi nguồn 12V DC sang nguồn 5V DC. Trong

thiết kế này nguồn 5V chủ yếu dùng cho vi điều khiển và cảm biến góc

quay, màn hình hiển thị. Do đó khi điện lưới ổn định ta dùng nguồn Mean

Well RS-25-5 (78x 51x 28 mm), nguồn này có công suất 25W, 5V DC,

5A. Và khi điện lưới không ổn định ta dùng mạch chuyển đổi từ 12V DC

sang 5V DC

Hình 2.25. Mạch nguồn 5V-3A .

Với phương án này chúng ta có thời lượng ắc quy cao nhưng có kích

thước bộ nguồn tương đối lớn và có cấu tạo phức tạp cho từng chế độ. Cùng

với đó là thời gian chuyển mạch khi chuyển từ nguồn từ lưới điện sang dùng

nguồn từ ắc quy chưa được khảo sát và nghiên cứu.

Bảng 2.11. Bảng thống kê chi tiết sử dụng ở phương án 1

Tên Số lượng (Cái) Kích thước (mm)

Ắc quy Vision AGM VRLA 12V - 65Ah 2 350 x 167 x 179

Máy nạp ắc quy BC36-30 1 400x 260x235

Nguồn Mean Well SE-1000-24 1 278x 127x 63.5

Nguồn Mean Well RS-25-5 1 78x 51x 28

Mạch chuyển đổi từ 12V DC sang 5V DC 1

Ưu điểm: Ở phương án này, khả năng cung ứng nguồn và kích thước bộ

nguồn cho bàn phẫu thuật phụ thuộc vào loại ắc quy nên bộ nguồn có sự chủ

động về chọn thời gian lưu điện.

Nhược điểm

+ Do cần nguồn 24V nên cần phải lắp 2 ắc quy 12V DC nối tiếp nhau nên

có kích thước lớn

+ Cần sử dụng mạch nạp ắc quy và thiết kế mạch đóng ngắt khi ắc quy

đầy

+ Cần thiết kế mạch chuyển chế độ hoạt động khi điện lưới ổn định và

khi điện lưới không ổn định.

+ Cần thêm mạch chuyển đổi 12V DC thành 5V DC.

Phương án 2

Ở phương án này, bộ lưu trữ điện dự phòng (Uninterruptible Power

Supply - UPS) sẽ cung cấp nguồn cho toàn bộ bàn phẫu thuật trong thời gian

nhất định. Nguồn ra của UPS là 220V và thời gian chuyển mạch là 0 ms.

Thiết bị lưu điện (UPS)

UPS được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau:

UPS Offline đơn thuần, UPS Offline công nghệ Line-interactive, UPS

Online, UPS tĩnh, UPS quay. Trong thiết kế này sử dụng UPS 1KVA online

Powerpack có công suất 700 W (144x361x215) thời gian chuyển mạch 0 ms.

UPS này sử dụng 2 ắc quy 12V, 7 AH mắc nối tiếp. Do đó ta có thể tính thời

gian UPS có thể cung cấp khi lưới điện không ổn định theo từng chế độ hoạt

động như sau:

Bảng 2.12. Bảng thời gian lưu điện theo từng chế độ hoạt động (phương án 1 và 2).

Phối Hợp Chuyển Động

Độ Góc Dòng

chân Điểm Tự Xoay Nghiêng cao Tên cơ cấu Số điện tiêu

0 động ±180° mặt bàn bàn & đầu chấp hành lượng thụ

LM-V10 1 4.2

LM-P25 1 3

LM-LC50 1 4.2

Excem 1 4.3

LM-S113A 1 0.58

LM-S113A 2 2*0.58 (cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:1) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:1) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:1) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:2) (cid:1) (cid:1)

UPS 7Ah 0.61 0.45 0.93 2.33 1.67 6.03 Thời gian

lưu (giờ): 7Ah 5.70 4.17 15.12 21.67 15.48 56.03 Ắc

UPS quy 65Ah 0.61 0.45 1.63 2.33 1.67 6.03

Nguồn DC

Nguồn ra của UPS là 220V AC do đó khi điện lưới ổn định và khi điện

lưới không ổn định thì hệ thống nguồn đều có đầu ra là 220V AC. Do đó ở

phương án này sử dụng nguồn 24V DC là Mean Well SE-1000-24 và nguồn

5V DC sử dụng Mean Well RS-25-5

Nguồn ra của UPS là 220V AC do đó khi điện lưới ổn định và khi điện

lưới không ổn định thì hệ thống nguồn đều có đầu ra là 220V AC và UPS đã

tích hợp các chức năng đóng ngắt nạp ắc quy, và thời gian chuyển kênh khi

lưới điện không ổn định là 0ms. Với sự cung cấp nguồn liên tục của bộ nguồn

này đảm bảo yêu cầu trong các thiết bị y tế. Với kích thước nhỏ gọn của

UPS, bộ nguồn của phương án 2 sẽ có kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên với bộ

nguồn này sẽ có thời gian lưu điện không cao.

Bảng 2.13. Bảng thống kê chi tiết sử dụng ở phương án 2

Tên Số lượng (Cái) Kích thước (mm)

UPS 1KVA online Powerpack 1 144x361x215

Nguồn Mean Well SE-1000-24 1 278x 127x 63.5

Nguồn Mean Well RS-25-5 1 78x 51x 28

Ưu điểm

+ Thời gian chuyển chế độ nhanh: 0ms.

+ Kích thước bộ nguồn nhỏ gọn.

+ Đã tích hợp mạch đầy đủ chức năng cần thiết của hệ thống nguồn sử dụng

ắc quy.

Nhược điểm

+ Có sự bị động trong sự chọn lựa thời gian hoạt động của bộ nguồn.

Kết luận: Với những ưu điểm của bộ nguồn sử dụng UPS nên trong thiết kế này chọn

lựa bộ nguồn sử dụng UPS để làm bộ nguồn cung cấp cho bàn phẫu thuật.

2.2.2.3 Khối hiển thị và bàn phím điều khiển

Hệ thống phím điều khiển và hiển thị là nơi giao tiếp giữa người dùng với

bàn phẫu thuật vì vậy được thiết kế theo hướng thân thiện, dễ dàng sử dụng. Để

đảm bảo vệ sinh, phím điều khiển được giảm số lượng xuống mức tối thiểu.

Hình 2.26. Sơ đồ mạch điện nút nhấn và LCD

2.2.2.4 Bộ điều khiển cho cơ cấu chấp hành

Cấu tạo bên trong động cơ tuyến tính thực chất gồm động cơ DC và bộ truyền

biến đối chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Ta sử dụng phương

pháp điều khiển chiều động cơ DC phổ biển đó là dùng mạch cầu H. Sau đây là

mạch điều khiển động cơ DC được sử trong thiết kế này:

+ L298N cho dòng làm việc 2A, Công suất hao phí 20W có kích thước

50x55x32 m. Mạch điều khiển động cơ L298N là dòng phổ thông, mạch có

khả năng điều khiển 2 động cơ DC cùng một lúc.

+ Mạch cầu H loại L6203 chịu dòng lên đến 5A và có thể điều khiển một

động cơ mỗi mạch.

+ Mạch cầu H sử dụng IC BTS 7960 chịu dòng lên đến 43A và có thể

điều khiển một động cơ DC mỗi mạch, mạch có kích thước 50x40x42 m.

Bảng 2.14. Bảng chọn mạch điều khiển động cơ.

Thông số kỹ thuật

Mạch điều khiển Tên cơ cấu chấp Số Dòng điện Điện áp sử

hành lượng tiêu thụ (A) dụng (V)

LM-V10 1 4.2 24 BTS 7960

LM-P25 1 3 24 L6203

LM-LC50 1 4.2 24 BTS 7960

Động cơ Excem 1 4.3 24 BTS 7960

LM-S113A 3 0.58 24 L298N

Để đảm bảo tính an toàn cho hệ thống nên khi chọn mạch cầu H điều khiển

động cơ thì ta nhân thêm hệ số an toàn là 1.5.

I = Imax*K = Imax*1.5 (7)

Với: Imax là giá trị dòng điện tiêu thụ lớn nhất

K: hệ số an toàn là 1.5

Potentiometer

B(xB, yB,0)

O(0,0,0)

A(xA, yA,0)

2.2.2.5 Cảm biến đo góc quay

LCD

Master

Keyboard

Limit Switch 1,2

signal

pwm

Slave

Driver

Linear actuator

Potentiometer

Hình 2.27. Sơ đồ gắn potentiometer.

Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý đọc ADC của Potentiometer.

Các cơ cấu nâng hạ lưng, nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn, nâng

hạ chân (2pcs), nâng hạ đầu có góc xoay nhỏ hơn 360° nên sử dụng loại

Potentiometer có hành trình nhỏ hơn 360°. Ở thiết kế này sử dụng Potentiometer

J45S-5K, sản phẩm của Nidec Copal Electronics có điện trở 5KΩ, hành trình cơ

là 353° ± 1.5°. Tín hiệu của Potentiometer sẽ được xử lý thông qua chân analog

của vi điều khiển, với độ phân giải thông thường của vi xử lý là 10 bit hoặc 16

bit cho nên ta có độ phân giải tính theo góc của mặt bàn theo công thức sau:

(8) x/ = 353° ± 1.5° A bit

Như vậy với bộ ADC 10 bit ta có độ phần giải của Potentiometer là

0.343262° ÷ 0.346191° và bộ ADC 16 bit ta có độ phần giải của Potentiometer

là 0.005363° ÷ 0.0054009°. Do đó chọn cách đọc ADC 10 bit cho phần cảm

biến đo góc

Hình 2.28. Hình nguyên lý Potentiometer J45S-5K

Cơ cấu xoay mặt bàn 360° có góc xoay tổng cộng là 360° nên cần sử dụng

Potentiometer có hành trình cơ lớn hơn 360°. Trong thiết kế này sử dụng

Potentiometer MC1003-000-502 hãng Nidec Copal Electronics có điện trở 5KΩ,

với góc quay điện là 1080°.

(9) x(cid:25) = 1080° A bit

Như vậy với bộ ADC 10 bit ta có độ phần giải của Potentiometer là

1.054688° và bộ ADC 16 bit ta có độ phần giải của Potentiometer là 0.016479°.

Do đó chọn cách đọc ADC 10 bit cho phần cảm biến đo góc. Do đó độ sai lệch

góc quay của mặt bàn tương ứng với các cơ cấu nâng hạ lưng, nghiêng dọc mặt

bàn, nghiêng ngang mặt bàn, nâng hạ chân (2pcs), nâng hạ đầu là: ±0.0054009°.

Độ sai lệch góc quay cửa cơ cấu xoay mặt bàn 360° là: ±0.016479.

Để bảo vệ cho vi xử lý, khi lắp các Potentiometer thì cần phải gắn thêm điện

trở để hạn dòng khi Potentiometer xoay hết hành trình thì nguồn 5V sẽ nối với

chân đọc ADC của vi xử lý. Giá trị điện trở được tính như sau:

8 > (10) 5 % :;(cid:29)

Trong đó: R là giá trị điện trở cần lắp thêm (Ω)

% :;(cid:29): là giá trị dòng điện lớn nhất mà vi xử lý có thể hoạt động

2.2.2.6 Bộ xử lý

Phương án 1

Bảng 2.15. Số chân cần sử dụng để điều khiển các cơ cấu chấp hành

Bảng cấu hình yêu cầu của vi điều khiển

Tên cơ cấu Số Chân Số Lượng Tổng Số Tổng Số Chân

Điều Khiển Cơ Cấu Chân PWM Analog / Digital

Mạch cầu H BTS 7960/L6203 3 5 10 0 Digital

Mạch cầu H L298 3 3 3 6 Digital

Bàn phím 5 1 5 Digital

LCD 16 x 2 7 1 7 Digital

Thắng động cơ 1 1 1 Digital

Cảm biến đo góc 1 7 7 Analog

Bàn phím

Màn hình hiển thị

Động cơ đầu

Động cơ chân trái

Mạch điều khiển con

Động cơ chân phải

Mạch điều khiển con

Mạch điều khiển trung tâm

Động cơ nghiêng ngang mặt bàn

Động cơ lưng

Mạch điều khiển con

Động cơ nghiêng dọc mặt bàn

Động cơ xoay thân bàn

Mạch điều khiển con

Động cơ nâng hạ

Công tắc hành trình 1 16 16 Digital

Hình 2.29. Hệ thống mạch điều khiển bàn phẫu thuật.

Trong quá trình vận hành để biết được vị trí của cơ cấu chấp hành thì cần

phải đọc tín hiệu analog do potentiometer hồi tiếp về. Do đặc điểm các cơ cấu

chấp hành bố trí phân tán ở nhiều vị trí nên tín hiệu hồi tiếp có thể bị suy giảm

vì vậy cần phải cần phải xây dựng hệ thống giao tiếp để vận hành, kiểm soát các

cơ cấu chấp hành. Với việc module hóa các bộ điều khiển động cơ sẽ tạo nên sự

linh hoạt trong điều khiển, đơn giản hóa giải thuật điều khiển, tạo sự tiện lợi cho

công việc kiểm tra, bảo trì, thay thế thiết bị khi cần.

Từ yêu cầu đó dẫn đến việc xây dựng hệ thống điều khiển theo kiểu module.

Mỗi module gồm một mạch điều khiển phụ trách một cơ cấu chấp hành, một vi

điều khiển. Các module độc lập nhau và chỉ liên lạc với một vi điều khiển trung

tâm qua chuẩn giao tiếp. Việc các module điều khiển độc lập nên cần phải xây

dựng phương án giao tiếp giữa mạch điều khiển trung tâm và các mạch điều

khiển con, thông tin trao đổi chúng là vị trí yêu cầu và vị trí hiện tại của từng cơ

cấu chấp hành. Để hiện thực mạng giao tiếp theo kiểu master-slave thì có nhiều

chuẩn khác nhau:

Bảng 2.16. Tính năng của một số chuẩn giao tiếp [14].

Số lượng node Tốc độ truyền Khoảng cách Chuẩn giao tiếp thông thường đối đa (kbits/s) truyền tối đa (m)

RS485 10000 1200 32

I2C (Fast mode) 400 2 20

CAN (1 wire) 33 100 32

72 63 IEEE-1394 1000 - 4000

Với phạm vi kích thước của bàn phẫu thuật thì chuẩn giao tiếp I2C là phù

hợp nhất trong các chuẩn giao tiếp kể trên. Hơn nữa chuẩn I2C cũng được

tích hợp sẵn trên các dòng vi điều khiển thông dụng vì vậy thuận tiện cho

Vdd

SLAVE

SCL

SDA

MASTER

SLAVE

việc xậy dựng mạng giao tiếp nhanh chóng và đơn giản.

Hình 2.30. Hệ thống điều khiển bàn phẫu thuật.

Đối với Master: cần có chức năng giao tiếp I2C, đủ chân để thực hiện

nhiệm vụ quét phím 2x3, hiển thị LCD 16x2. Tính toán số chân I/O cần thiết

cho vi điều khiển Master: Giao tiếp I2C cần 2 chân, hiển thị LCD cần 6 chân,

Phím chức năng

Slave i

MASTER

Màn hình hiển thị

Hình 2.31. Các chức năng của Master.

kết nối với bàn phím điều khiển cần 5 chân.

tín hiệu từ Potentiometer và cổng I/O để điều khiển mạch driver (PWM).

Thống kê số chân I/O cần thiết trên vi điều khiển Slave: Giao tiếp I2C cần 2

chân, dọc ADC 16 bit từ cảm biến đo góc cần 1 chân, diều khiển driver động

cơ cần 2 chân PWM, 2 chân digital để cho phép hoạt động của 2 nửa cầu H.

Potentiometer

ADC

I2C

Vị trí góc hiện tại

SLAVE

Signal

Limit switch 1,2

I2C

PWM

Tín hiệu điều khiển từ Master

Điều khiển Driver

Hình 2.32. Các chức năng của Slave.

Đối với Slave: cần có module giao tiếp I2C, module ADC 10 bit để đọc

+ Phương án này có độ linh hoạt về mặt điều khiển, bảo trì, kiểm tra chức

năng mạch, thay thế.

+ Điều khiển đơn giản

+ Số lượng dây kết nối chỉ có 2 dây cho tất cả master và slave.

+ Phương án này có thể mở rộng đến 20 slave, do đó có thể nâng số lượng

cơ cấu chấp hành và ứng dụng cho nhiều cơ cấu khác.

Ưu điểm

+ Độ ổn định, chống nhiễu của mạch chưa được khảo sát

Nhược điểm

Phương án 2

Đối với phương án 2, sử dụng mạch điều khiển Arduino Mega 2560 R3

để làm mạch xử lý chính. Đây là bộ điều khiển kiểu tập trung, có nghĩa là

với 1 mạch xử lý trung tâm sẽ phải đọc 7 bộ ADC 16 bit, điều khiển 8 động

cơ DC. Trong thiết kế này sử dụng mạch Arduino Mega 2560 R3. Arduino

Mega 2560 R3 có 54 chân digital trong đó có 15 chân PWM, 16 chân analog.

Như vậy Arduino Mega 2560 R3 chỉ sử dụng 13/15 chân PWM, 8/16 chân

analog, 35/39 chân digital. Tuy nhiên, về cơ bản thì Arduino Mega 2560 R3

có thể điều khiển cho toàn bộ bàn phẫu thuật nhưng hạn chế lớn nhất là khả

năng thay thế linh kiện khi có sự cố, hỏng và gây khó khăn trong việc kiểm

Bàn phím

Màn hình hiển thị

Driver 8

Driver 1

Động cơ đầu

Động cơ xoay thân bàn

Driver 7

Driver 2

Động cơ lưng

Động cơ nâng hạ toàn mặt bàn

Mạch điều khiển trung tâm

Driver 6

Driver 3

Động cơ chân trái

Động cơ nghiêng ngang mặt bàn

Driver 5

Driver 4

Động cơ chân phải

Động cơ nghiêng dọc mặt bàn

tra định kỳ các cơ cấu.

Hình 2.33. Các chức năng của Slave.

Ưu điểm

+ Phương án này có sự tập trung nên dễ đi dây và không cần quan tâm đến

sự giao tiếp giữa các mạch.

+ Điều khiển đơn giản

Nhược điểm

+ Giải thuật điều khiển và lập trình phức tạp.

+ Việc mở rộng hoặc nâng cấp hệ thống phù thuộc vào cấu tạo và số chân

của mạch nên khó nâng cấp.

+ Dễ gây quá tải cho vi điều khiển khi phải sử dụng tối đa các chức năng của

vi điều khiển này.

+ Độ ổn định, chống nhiễu của mạch chưa được khảo sát

Kết luận: Để tạo sự linh hoạt trong điều khiển, các cơ cấu chấp hành sẽ được

module hóa sử dụng chuẩn giao tiếp I2C giữa 1 Master và 4 Slave. Với những

ưu điểm của phương án 1, do đó phương án 1 là phương án phù hợp nhất cho

bộ điều khiển của bàn phẫu thuật. Với độ chính xác tính theo góc quay là

±0.351563°. Luận văn này sử dụng Arduino Pro Mini làm Master và Slave.

2.2.2.7 Giao tiếp I2C [14].

Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL).

SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, SCL là đường truền xung đồng hồ chỉ

theo 1 hướng (Master chủ động tạo xung này). Mỗi dây SDA và SCL được nối

với điện áp dương của nguồn cung cấp (pull – up resitor). Giá trị của các điện

trở này tùy vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp ( từ 2KΩ đến 10KΩ). Dữ liệu

truyền trên I2C (8 bit) có tốc độ truyền từ 100Kbits/s (Standard mode),

400Kbits/s (Fast mode) và cao nhất là 3.4Mbits/s (High speed mode).

Hình 2.34. Định dạng địa chỉ 7-bit và 10-bit trong I2C.

Hình 2.35. Hoạt động đọc và ghi trong I2C.

Mỗi byte dữ liệu được truyền có độ dài là 8 bits. Số lượng byte có thể truyền

trong một lần là không hạn chế. Mỗi byte được truyền đi theo sau là một bit

ACK để báo hiệu đã nhận dữ liệu. Bit có trọng số cao nhất (MSB) sẽ được truyền

đi đầu tiên, các bít sẽ được truyền đi lần lượt. Sau 8 xung clock trên dây SCL, 8

bit dữ liệu đã được truyền đi. Lúc này thiết bị nhận, sau khi đã nhận đủ 8 bít dữ

liệu sẽ kéo SDA xuống mức thấp tạo một xung ACK ứng với xung clock thứ 9

trên dây SDA để báo hiệu đã nhận đủ 8 bit. Thiết bị truyền khi nhận được bit

ACK sẽ tiếp tục thực hiện quá trình truyền hoặc kết thúc.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 Mục tiêu của bộ điều khiển

+ Điều khiển hành trình động cơ tuyến tính với mục đích chuyển chuyển

động tịnh tiến thành góc quay tương ứng với các cơ cấu của mặt bàn phẫu thuật.

+ Điều khiển động cơ tuyến tính dựa vào giá trị biến trở và có 2 công tắc

hành trình để hạn chế hành trình của động cơ tuyến tính. Từ giá trị đọc được ở

biến trở sẽ chuyển đổi thành giá trị góc quay của các cơ cấu mặt bàn.

+ Module hóa bộ điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp I2C. Master có nhiệm

vụ nhận thông số từ bàn phím và suy ra chức năng tương ứng và sau đó điều

khiển Slave tương ứng, hiển thị lên màn hình LCD. Slave có nhiệm vụ điều

khiển động cơ dựa vào lệnh của Master và giá trị từ cảm biến đo góc, 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:

3.2 Màn hình hiển thị và nhút nhấn chọn chức năng

CHUONG TRINH

BAN PHAU THUAT

MODE

AUTO

ENTER

CLEAR

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

Đầu Tăng Lưng Hiện thị Chân trái danh sách Giảm Chân phải các chức Nghiêng ngang năng. MODE Nghiêng dọc

ENTER Lựa chọn Nâng hạ

Xoay

Nghiêng / Xoay Lựa chọn Ra màn hình ENTER CLEAR chính chức năng. Nâng hạ

Ghế ngồi Hủy bỏ lựa

Mổ bụng Hiển thị danh chọn và

sách Mổ chân AUTO CLEAR quay ra

Đường ruột màn hình

chính. Tai-mũi-họng ENTER Lựa chọn

Dựa vào những mục tiêu và chức năng trên kết hợp với các lựa chọn kết cấu và

chức năng ở chương 2, luận văn này đưa ra sơ đồ khối của bộ điều khiển như

hình 3.2.

Potentiometer 1

Driver 1

signal

Linear actuator LM-S113A

Limit switch 1,2

Slave 1

Potentiometer 2

Driver 2

Linear actuator LM-V10

signal

Limit switch 3,4

Nút điều khiển

Potentiometer 3

MAL

ENT

signal

Linear actuator LM-S113A

Auto

CLR

Limit switch 5,6

Driver 3

Slave 2

Potentiometer 4

Master

I2C

Linear actuator LM-S113A

Limit switch 7,8

Potentiometer 5

Driver 4

signal

Linear actuator LM-V10

Limit switch 9,10

Slave 3

Potentiometer 6

LCD

Driver 5

Linear actuator LM-P25

signal

Limit switch11,12

Potentiometer 6

Driver 6

signal

Linear actuator LM-LC50

Limit switch13,14

Slave 4

Driver 7

Potentiometer 6

Motor Excem

signal

3.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển

Hình 3.2. Sơ đồ khối bộ điều khiển bàn phẫu thuật.

3.4. Giao tiếp giữa Master và Slave.

Với mục tiêu bộ điều khiển như trên, Master và Slave giao tiếp với nhau

thông qua chuẩn giao tiếp I2C. Mô hình này sử dụng 1 mạch slave để điều khiển

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 xử Giá trị Tên chức năng Phạm vi Slave Động cơ lý 1 chuẩn

Nâng hạ đầu ±30° 70 ÷ 130 1 150 1

Nâng hạ lưng -30° ÷ 90° 170 ÷ 290 1 150 2

Nâng hạ chân trái -80° ÷ 30° 20 ÷ 130 2 150 3

Nâng hạ chân phải -80° ÷ 30° 180 ÷ 230 2 150 4

Nghiêng ngang mặt bàn ±25° 75 ÷ 125 3 150 5

Nghiêng dọc mặt bàn -30° ÷ 80° 170 ÷ 280 3 150 6

Nâng hạ mặt bàn (mm) 750 ÷ 1050 0 ÷ 300 4 350 7

Xoay mặt bàn 180° 400 ÷ 580 4 350 8

Giá trị của góc quay tương ứng với từng chức năng của bàn phẫu thuật sẽ được

chuyển thành số tự nhiên dương với giá trị tương ứng, master sẽ gửi những giá trị này

(tương ứng với từng chế độ nhận từ bàn phím) đến slave tương ứng. Sau khi nhận

được giá trị từ master, slave sẽ so sánh giá trị này với giá trị chuẩn (tương ứng với

từng master sẽ có giá trị chuẩn khác nhau) và xác nhận đây là giá trị của động cơ nào

trong 2 động cơ mà slave điều khiển.

3.5. Giải thuật điều khiển

Dựa vào các chức năng của bàn phẫu thuật, cách thức giao tiếp giữa các vi

điều khiển, luận văn này đưa ra giải thuật cho bộ điều khiển như sau:

Để thuận tiện trong việc trình bày sơ đồ giải thuật ta ký hiệu:

g_nd là góc nghiêng đầu.

g_nl là góc nghiêng lưng.

g_ct là góc nghiêng của chân trái.

g_cp là góc nghiêng của chân phải.

g_ngn là góc nghiêng ngang mặt bàn.

g_ngd là góc nghiêng dọc mặt bàn.

h là chiều cao của bàn phẫu thuật.

g_x là góc xoay của mặt bàn.

Giải thuật chọn chế độ Auto hay Manual

Giải thuật chọn chế độ Auto / Manual

Giải thuật quét phím

Bắt đầu

Sai

mode = 0 auto = 0

Quét phím

Đúng

Tạo trễ 100 ms

Hiển thị chế độ hiện tại

Sai

Nút không còn nhấn

Ấn MANUAL

Ấn AUTO

Kiểm tra trạng thái phím

Đúng

Nút vẫn còn nhấn

mode--

mode++

Xuất giá trị nhút nhấn

Finish

Hình 3.3a, b. Giải thuật chọn chế độ Auto / Manual, Giải thuật quét phím

mode = 0 auto = 0

mode = 0

Hiển thị chế độ hiện tại

Đúng

Sai

INC

DEC

ENTER

CLEAR

Đúng

Sai

mode = 1

Điều khiển đầu

mode > 1

mode < 8

Đúng

Sai

Đúng

mode = 2

Điều khiển lưng

Đúng

mode++

mode--

Sai

mode = 3

Điều khiển chân trái

Đúng

Sai

mode = 4

Điều khiển chân phải

Đúng

Sai

mode = 5

Đúng

Điều khiển nghiêng ngang mặt bàn

Sai

mode = 6

Đúng

Điều khiển nghiên dọc mặt bàn

Sai

mode = 7

Đúng

Điều khiển nâng hạ toàn mặt bàn

Sai

mode = 8

Điều khiển xoay mặt bàn

Đúng

Sai

Giải thuật chọn chế độ manual 1

Hình 3.4. Giải thuật chọn chế độ điều khiển Manual

auto = 0

Đúng

Sai

Ấn INC

Ấn DEC

Ấn ENTER

Ấn CLEAR

Đúng

Sai

auto < 5

auto > 0

auto = 1

Phẫu thuật ổ bụng

Đúng

Sai

Đúng

auto++

auto--

auto = 2

Phẫu thuật tai mũi họng

Sai

Đúng

auto = 3

Phẫu thuật chân

Sai

Đúng

auto = 4

Vệ sinh đường ruột

Sai

Đúng

auto = 5

Tư thế ghế ngồi

Sai

Giải thuật chọn chế độ auto

Hình 3.5. Giải thuật chọn chế độ Auto

a, Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ đầu

Bắt đầu

Hiển thị chế độ hiện tại

Sai

Đúng

Sai

Ấn INC

Ấn DEC

Ấn CLR

Đúng

Sai

g_nd < 30

g_nd > -30

Đúng

g_nd++

g_nd--

Gửi g_nd xuống slave số 1

b, Giải thuật chương trình con điều nâng hạ lưng

Bắt đầu

Hiển thị chế độ hiện tại

Sai

Đúng

Sai

Ấn CLR

Ấn INC

Ấn DEC

Đúng

Sai

g_nl < 90

g_nl > -30

Đúng

g_nl++

g_nl--

Gửi g_nl xuống slave số 2

Hình 3.6a,b. Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ đầu, nâng hạ lưng

a, Giải thuật chương trình con điều khiển chân trái

Bắt đầu

Hiển thị chế độ hiện tại

Sai

Đúng

Sai

Ấn CLR

Ấn INC

Ấn DEC

Đúng

Sai

g_ct < 30

g_ct > - 80

Đúng

g_ct++

g_ct--

Gửi g_ct xuống slave số 3

b, Giải thuật chương trình con điều khiển chân phải

Bắt đầu

Hiển thị chế độ hiện tại

Sai

Đúng

Sai

Ấn CLR

Ấn INC

Ấn DEC

Đúng

Sai Sai

Sai

g_cp < 30

g_cp > -80

Đúng

g_cp++

g_cp--

Gửi g_cp xuống slave số 4

Hình 3.7a,b. Giải thuật chương trình con điều khiển chân phải, chân trái.

a, Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng dọc mặt bàn

Bắt đầu

Hiển thị chế độ hiên tại

Sai

Đúng

Sai

Ấn CLR

Ấn INC

Ấn DEC

Đúng

Sai

SaiSai

g_ngd< 80

g_ngd > -30

Đúng

g_ngd++

g_ngd--

Gửi g_ngd xuống slave số 6

b, Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng ngang mặt bàn

Bắt đầu

Hiển thị chế độ hiện tại

Sai

Đúng

Sai

Ấn INC

Ấn DEC

Ấn CLR

Đúng

SaiSai

Sai

g_ngn < 25

g_ngn > -25

Đúng

g_ngn++

g_ngn--

Gửi g_ngn xuống slave số 5

Hình 3.8a,b. Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng ngang, ngiêng

dọc mặt bàn.

a, Giải thuật chương trình con điều khiển xoay mặt bàn

Bắt đầu

Hiển thị chế độ hiên tại

Sai

Đúng

Sai

Ấn CLR

Ấn INC

Ấn DEC

Đúng

SaiSai

Sai

g_x< 360

g_x > 0

Đúng

g_x++

g_x--

Gửi g_ngd xuống slave số 6

a, Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ mặt bàn

Bắt đầu

Hiển thị chế độ hiện tại

Sai

Đúng

Sai

Ấn CLR

Ấn INC

Ấn DEC

Đúng

SaiSai

Sai

h < 1050 ?

h > 750 ?

Đúng

h++

h--

Gửi h xuống slave số 7

Hình 3.9a,b. Giải thuật chương trình con điều khiển xoay mặt bàn và nâng hạ

mặt bàn

Bắt đầu

Xác định chế độ tự động được chọn

g_nd = α1, g_nl = α2, g_ct = α3, g_cp = α4, g_ngn = α5, g_ngd = α6, g_h = α7

Sai

-30 < α1 < 30

Đúng

Sai

-30 < α2 < 90

Đúng

Sai

-80 < α3 < 30

Đúng

Sai

-80 < α4 < 30

Đúng

Sai

-25 < α5 < 25

Đúng

Sai

-30 < α6 < 80

Đúng

Sai

750 < α7 < 1050

Đúng

0< α8 < 360

Truyền giá trị αi xuống slave thứ i tương ứng

Sai

Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động

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 là hoàn toàn giống

nhau nên có thể dễ dàng mở rộng cho nhiều tư thế phẫu thuật khác nhau. Mỗi tư

thế phẫu thuật thì các actuator sẽ có vị trí tương ứng. Chẳng hạn với 5 tư thế ở

chế độ tự động, vị trí của các cơ cấu chấp hành được xác định tương ứng như

trong Bảng 3.2. Tuy nhiên để đảm bảo an toàn cho người vận hành và bệnh nhân

nên khi điều khiển, các cơ cấu sẽ hạn chế hoạt động những gây mất cân bằng

của bàn.

Bảng 3.3. Góc nghiêng các cơ cấu ở chế độ tự động.

α3 (g_ct) Tư thế của bệnh nhân α4 (g_cp) α6 (g_ngd) α1 (g_nd) α2 (g_nl)

Phẫu thuật ổ bụng. Phẫu thuật tai mũi họng. Phẫu thuật chân. Vệ sinh đường ruột. Tư thế ghế ngồi. 0 0 0 0 0 0 60 0 0 80 0 -30 10 30 70 0 -30 10 30 70 0 0 -15 0 0

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM

4.1 Thực nghiệm phần cơ

Mục tiêu thực nghiệm

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 phải chịu được tải trọng 100 kg và giữ nguyên vị trí

suốt quá trình phẫu thuật. Các khung giá đỡ phụ cũng phải chịu được tải

trọng tương ứng và được quy định TCVN 6733 : 2000.

+ Bàn phẫu thuật sau khi lắp ráp phải cân xứng, vững chắc và cố định ở

vị trí điều chỉnh thích hợp. Khi mặt bàn ở vị trí nằm ngang thì 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:

Thực nghiệm phần cơ

Để kiểm nghiệm thiết kế, các bản vẽ chi tiết được xuất 2D tại phòng thí

nghiệm cơ điện tử HitechMechatronicsLab (Đại học Bách Khoa Tp. HCM),

gia công và lắp ráp 1 bộ mẫu tại Công ty chế tạo máy Bảo Hân

Hình 4.1a.

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 đảm bảo về chuyển động góc quay của các cơ cấu so với mô hình

tính toán và thiết kế, các khớp quay nhẹ nhàng và không bị rơ. Động cơ có thể

hoạt động tốt khi có tải trọng, hành trình hoạt động của động cơ đảm bảo các

góc quay theo tính toán. Hoạt động của động cơ khi có tải không sinh nhiệt.

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 lưng -30° ÷ 90° 0° ÷ 70° -30° ÷ 90°

Nghiêng dọc mặt bàn -30° ÷ 80° -27° ÷ 27° -30° ÷ 80°

Nghiêng ngang mặt bàn ±25° -25° ÷ 25° ±25°

Nâng hạ mặt bàn (mm) 750 ÷ 1050 750 ÷ 1030 750 ÷ 1050

Xoay mặt bàn 360° 360° 360°

Nâng hạ chân trái, phải -80° ÷ 30 -80° ÷ 30

Nâng hạ đầu ±30° -22° ÷ 22° ±30°

Dang rộng 2 chân 0 ÷ 30° 0 ÷ 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.

Sai lệch Thông số Sai lệch TCNV Tên chức năng thiết kế cho phép 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 sau khi lắp ráp đạt độ cân xứng, vững chắc và cố định

ở vị trí điều chỉnh thích hợp. Khi mặt bàn ở vị trí nằm ngang thì tất cả các

khung đỡ chân, đỡ tay, đỡ đầu và mặt bàn phải đồng phẳng (sử dụng thước

thủy), song song với nhau và cân đối với trụ đỡ bàn.

+ Cơ cấu nâng hạ mặt bàn chưa đạt về độ cứng vững, bị rơ về mặt cơ.

Nguyên nhân do chi tiết kết nối giữa cơ cấu nâng hạ mặt bàn và mặt bàn

không đạt về độ cứng vững.

4.2. Thực nghiệm phần điện và điều khiển

Để rút ngắn thời gian thiết kế, bàn phẫu thuật được thiết kế phần cơ và phần

điện song song với nhau. Tuy nhiên, kiểm tra độ cứng vững của cơ cấu nâng hạ

mặt bàn chưa đạt về độ cứng vững sau khi lắp ráp. Do đó để tiến hành kiểm

nghiệm giải thuật điều khiển và nguyên lý hoạt động của bàn phẫu thuật ta tiến

hành thực nghiệm với mô hình có đồ khối thực nghiệm như hình 4.2. Do cấu tạo

động cơ tuyến tính là động cơ DC nên ta tiến hành thực nghiệm với mô hình là

động cơ DC 24V có hộp số.

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 có nhiệm vụ nhận thông số từ bàn phím và suy ra chức năng tương

ứng và sau đó điều khiển Slave tương ứng, hiển thị lên màn hình LCD. Slave có

nhiệm vụ điều khiển động cơ dựa vào lệnh của Master và giá trị từ cảm biến đo

góc, 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:

signal

Limit switch 1,2

Motor 1 DC 1

Driver 1

Slave 1

signal

Potentiometer 1

Motor 2

Limit switch 3,4

Potentiometer 2

signal

Motor 3

Limit switch 5,6

Slave 2

Driver 2

LCD

signal

Potentiometer 3

Motor 4

Limit switch 7,8

I2C

Potentiometer 4

Master

signal

Motor 5

Limit switch 9,10

Slave 3

Driver 3

signal

Potentiometer 5

MAL

ENT

Motor 6

Limit switch 11,12

Auto

CLR

Nút điều khiển

Potentiometer 6

signal

Motor 7

Limit switch 13,14

Driver 4

Slave 4

signal

Potentiometer 7

Motor 8

Potentiometer 8

Hình 4.2. Sơ đồ khối thực nghiệm

Hình 4.3. Mô hình thực nghiệm bộ điều khiển

Vị trí lắp Potentiometer và chỉnh vị trí gốc của cảm biến cho phù hợp với

mặt phẳng mặt bàn. Do góc quay của các cơ cấu của bàn phẫu thuật nhỏ hơn

250° nên ta phải chọn vùng quay của các cơ cấu nằm trong phạm vi làm việc

của Potentiometer để bảo vệ cảm biến không bị hỏng phần cơ. Đối với cơ cấu

xoay mặt bàn, ta dùng cảm biến 3 vòng quay và cảm biến này cũng co hạn chế

hành trình cơ nên phải chỉnh vị trí của cảm biến phù hợp với góc xoay của mặt

bàn. Sau khi lắp ráp ta tiến hành kiểm tra và hiệu chỉnh vị trí thông qua cách đọc

ADC về máy tính để tiến hành chỉnh vị trí.

Hình 4.4a Hình 4.4b Hình 4.4c

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 dựa vào giá trị biến trở và có 2 công tắc hành trình

để hạn chế hành trình góc quay, kết quả đạt độ ổn định khi chạy liên tục.

+ Điều khiển hành trình động cơ thành góc quay tương ứng với các cơ cấu

của mặt bàn phẫu thuật chưa đạt độ chính xác như tính toán do động cơ DC

không đủ lực xoay Potetntiometer khi chạy ở tốc độ thấp.

+ Vi điều khiển Master đã điều khiển được 4 slave thông qua chuẩn giao tiếp

I2C có độ ổn định cao.

+ Thực nghiệm giải thuật điều khiển của bàn phẫu thuật với đầu vào nút

nhấn, hiển thị các chế độ lên màn hình LCD, các chế độ chạy ở Slave đúng với

thiết kế ban đầu.

Sau đây là đáp ứng của các cơ cấu của mô hình thực nghiệm và tính toán ban

Nang ha chan

260

đầu.

240

100

220

) e e r g e D

200

) e e r g e d (

a h p a

180

( a h p l A

160

0.0

30.0

60.0

90.0

120.0

140

350

400

450

500

Nâng hạ chân

AB (mm)

Nang ha lung

260

120

240

Hình 4.5a. Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ chân

100

220

200

180

) e e r g e D

) e e r g e d ( a h p a

160

( a h p l A

140

0.0

100.0

200.0

120

350

400

450

550

600

650

Nâng hạ lưng

500 AB (mm)

AB (mm)

Hình 4.6. Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ lưng

Nang ha dau

210

200

190

180

170

) e e r g e D

) e e r g e d ( a h p a

160

( a h p l A

150

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

140

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

AB (mm)

Nâng hạ đầu

AB (mm)

Nhgieng doc mat ban

210

200

120

Hình 4.7. Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ đầu

190

100

180

170

160

) e e r g e d (

) e e r g e D

150

a h p a

140

130

( a h p l A

120

0.0

50.0

100.0

150.0

110

280

300

320

340

360

380

400

420

440

460

AB (mm)

Nghiêng dọc mặt bàn

AB (mm)

Hình 4.8. Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng ngang

Nhgieng ngang mat ban

mặt bàn

) e e r g e D

-10

) e e r g e d ( a h p a

-20

( a h p l A

-30

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0.0

60.0

20.0

-40

150

160

170

180

190

200

210

220

AB (mm)

40.0 AB (mm)

Hình 4.9. Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng dọc

Nghiêng ngang mặt bàn

mặt bàn

Sau đây là đáp ứng của mô hình ở chế độ tự động.

Nâng hạ đầu

e u l a v

g o l a n A

Actual

Ref

0 1

9 1

8 2

7 3

6 4

5 5

4 6

3 7

2 8

1 9

0 0 1

9 0 1

8 1 1

7 2 1

6 3 1

5 4 1

4 5 1

3 6 1

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

t (ms)

Hình 4.10a. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ

đầu.

Nâng hạ lưng

e u l a v g o l a n A

Actual

Ref

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 9

1 1 1

1 2 1

1 3 1

1 4 1

1 5 1

1 6 1

1 7 1

1 8 1

1 9 1

1 0 1 t (ms)

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Hình 4.10b. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ

lưng.

Nâng hạ chân trái

e u l a v

900 800 700 600 500

g o l a n A

Actual

Ref

400 300 200

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 9

1 0 1

1 1 1

1 2 1

1 3 1

1 4 1

1 5 1

1 6 1

1 7 1

100 0

t (ms)

Hình 4.10c. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ

chân trái.

Nâng hạ chân phải

e u l a v g o l a n A

Actual

Ref

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 9

1 0 1

1 1 1

1 2 1

1 3 1

1 4 1

1 5 1

1 6 1

1 7 1

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

t (ms)

Hình 4.10d. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ

chân phải.

Nghiêng ngang mặt bàn

e u l a v

g o l a n A

Actual

Ref

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 9

1 0 1

1 1 1

1 2 1

1 3 1

1 4 1

1 5 1

1 6 1

1 7 1

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

t (ms)

Hình 4.10e. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng

900

Nghiêng dọc mặt bàn

800

700

600

500

Actual

400

e u a v g o a n A

Ref

300

200

100

1 7

3 1

9 1

5 2

1 3

7 3

3 4

9 4

5 5

1 6

7 6

3 7

9 7

5 8

1 9

7 9

3 0 1

9 0 1

5 1 1

1 2 1

7 2 1

3 3 1

9 3 1

5 4 1

1 5 1

7 5 1

t (ms)

ngang mặt bàn.

Hình 4.10f. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng

dọc mặt bàn.

Nâng hạ mặt bàn

e u l a v

g o l a n A

Actual

Ref

2 1

3 2

4 3

5 4

6 5

7 6

8 7

9 8

1 1 1

2 2 1

3 3 1

4 4 1

5 5 1

6 6 1

7 7 1

8 8 1

0 0 1 t (ms)

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Hình 4.10g. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ

mặt bàn.

Xoay toàn mặt bàn

900

800

700

600

500

e u l a v g o l a n A

400 Actual

300 Ref

200

100

4 1

7 2

0 4

3 5

6 6

9 7

2 9

4 4 1

7 5 1

0 7 1

3 8 1

6 9 1

9 0 2

2 2 2

5 3 2

5 0 1

8 1 1 3 1 1 t (ms)

Hình 4.10h. Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu xoay mặt

bàn.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1. Kết luận

+ Thiết kế bàn phẫu thuật có cấu tạo và chức năng đảm bảo tiêu chuẩn quốc

gia về bàn mổ đa năng (TCVN 6733 : 2000).

+ Chế tạo phần cơ và điều khiển theo kiểu module hóa.

5.2. Hướng Phát triển

+ Thiết kế các cơ cấu đỡ đầu, chân, tay đễ hỗ trợ định vị bệnh nhân trong các

ca phẫu thuật khác nhau: đầu, cổ, bụng, chân, tay…

+ Nghiên cứu ứng dụng các vật liệu để bàn phẫu thuật phù hợp cho ứng dụng

của máy chụp X quang, CT, MRI…

+ Thực nghiệm kết hợp phần cơ và bộ điều khiển với nhau sau khi hiệu chỉnh

cơ cấu nâng hạ mặt bàn.

+ Tiến hành phẫu thuật trên bàn phẫu thuật này tại bệnh viện.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

[1] Mark Adrian van Rij (Dec, 2001). The Design of A New bed Adjustability

University of Auckland.

Mechanism. Master Dissertation, Department of Mechanical Engineering, The

[2] Brian Catalano et al (Oct/2006). Evaluation and Design of a Hospital Bed

to be Manufactured and Used in China. Degree of Bachelor of Science, Huazhong

Uni. of Science and Tech., China

[3] Rung Kittipichai et. al (2011). ‘The Sizing Optimization of Hospital Bed

Structure for Independently Supporting Left and or Right Leg Using Generic

Algorithms’, Int'l Journal of Moldeling and Optimization, Vol. 1, No. 2, pp. 122-

128.

[4] David A. Winter (2009). Biomechanics and Motor Control of Human

Movement Fourth Edition. John Wiley & Sons, United States of America.

[5] Viện dinh dưỡng quốc gia (2010). Tổng điều tra dinh dưỡng 2009-2010.

Nhà xuất bản Y học, Hà Nội.

[6]. Ban kỹ thuật tiêu chuẩn TCVN/TC150 (2008). Tiêu chuẩn Việt Nam về

bàn mổ đa năng, Bộ Khoa học và Công nghệ, TCVN 6733 : 2000.

[7]. Schaerer Medical AG (2013). Mobile operating tables for all weight

categories and surgical applications (Axis 400-800) [online], từ <

http://www.schaerermedical.ch/ >

[8]. Schaerer Medical AG (2012). Mobile operating tables (Arcus 601) For all

surgical applications [online], từ < http://www.schaerermedical.ch/ >

[9]. BERCHTOLD Corporation (2011). Operon® d 850 surgical tables

(Berchtold Operon D850) [online], từ < www.berchtoldusa.com >

[10]. Alvo Medical (2011). Operating table (Alvo Menuet 4-00) [online], từ <

www.alvo.plc >

[11]. BERCHTOLD Corporation (2011). Operon® d 820 surgical tables

(Operon D820) [online], từ < www.berchtoldusa.com >

[12]. Skytron. Elite series surgical tables Model elite 6000n/6001n

Maintenance manual (Skytron 6000) [online], từ < http://www.berchtold.biz/en >

[13]. Eschmann Holdings Ltd. Operating table [online], từ <

www.eschmann.co.uk >

[14]. Philips Semiconductors (2003). Application note [online], từ <

http://www.semiconductors.philips.com/i2c >

PHỤ LỤC A

HÌNH PHÂN BỐ TRỌNG LƯỢNG TRÊN CƠ THỂ NGƯỜI

PHỤ LỤC B

HÌNH PHÂN BỐ CHIỀU CAO TRÊN CƠ THỂ NGƯỜI

PHỤ LỤC C

SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CHO VI ĐIỀU KHIỂN ĐẢM NHIỆM MASTER

PHỤ LỤC D

SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CHO VI ĐIỀU KHIỂN ĐẢM NHIỆM SLVAE

PHỤ LỤC E

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 6733 : 2000

BÀN MỔ ĐA NĂNG

Universal operating table

Lời nói đầu

TCVN 6733 : 2000 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn TCVN/TC150 "Trang thiết bị

y tế” biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa

học, Công nghệ và Môi trường (nay là Bộ Khoa học và Công nghệ) ban hành.

Tiêu chuẩn này được chuyển đổi năm 2008 từ Tiêu chuẩn Việt Nam cùng số

hiệu thành Tiêu chuẩn Quốc gia theo quy định tại khoản 1 Điều 69 của Luật

Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật và điểm a khoản 1 Điều 6 Nghị định số

127/2007/NĐ-CP ngày 1/8/2007 của Chính phủ quy định chi tiết thi hành một

số điều của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật.

BÀN MỔ ĐA NĂNG

Universal operating table

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này áp dụng cho bàn mổ đa năng điều khiển bằng thủy lực (sau đây

gọi là bàn mổ), sử dụng cho các ca mổ từ đơn giản đến phức tạp.

Bàn mổ có thể điều chỉnh để cố định người bệnh một cách nhanh chóng, chính

xác trong suốt quá trình phẫu thuật, đảm bảo hạn chế tới mức tối đa các rủi ro

có thể xảy ra.

2. Tiêu chuẩn trích dẫn

TCVN 1691 - 75 Mối hàn hồ quang điện bằng tay.

3. Hình dáng và kích thước cơ bản

Hình dáng các bộ phận chính và kích thước cơ bản của bàn mổ được minh họa

trên Hình 1. Sai lệch kích thước cho phép là ± 5 %.

Kích thước tính bằng milimét

4. Vật liệu

4.1. Các loại thép dùng làm bàn mổ có thể là thép không gỉ hoặc thép thường.

4.2. Mặt bàn và các cụm đỡ chân, đỡ tay, đỡ đầu được bọc lớp đệm mút dày

50 mm, đệm được bọc bằng vật liệu không thấm nước.

4.3. Tất cả các cụm đỡ vai, đỡ sườn, đỡ tay, đỡ đùi được bọc một lớp đệm mút

độ dày 8 ÷ 12 mm, đệm được bọc bằng vật liệu không thấm nước.

4.4. Các bánh xe làm bằng vật liệu chịu mài mòn và chịu áp lực lớn hoặc vật

liệu khác có độ bền tương đương.

4.5. Dầu dùng cho bàn mổ hoạt động là dầu công nghiệp 90 hoặc dầu khác có

độ nhớt tương đương.

5. Yêu cầu kỹ thuật

5.1. Yêu cầu chung

5.1.1. Bàn mổ phải điều chỉnh được dễ dàng theo các phương và phải cố định chắc

chắn ở mỗi tư thế điều chỉnh, sao cho bệnh nhân được cố định chắc chắn ở những

vị trí thuận lợi nhất để phẫu thuật. Phạm vi điều chỉnh được quy định như sau:

- Góc quay mặt bàn quanh trụ đỡ, độ: 360;

- Chiều cao mặt bàn, mm: 750 ÷ 1030 (tính từ mặt sàn);

- Góc nghiêng ngang mặt bàn, độ: (-25) ÷ (+25);

- Góc nghiêng dọc mặt bàn, độ: (-27) ÷ (+27);

- Góc nghiêng khung đỡ đầu, độ: (-22) ÷ (+22)

- Góc nâng khung đỡ lưng, độ: 0 ÷ 70;

- Chiều cao tấm mổ thận, mm: 0 ÷ 130 (tính từ mặt bàn);

- Góc quay khung đỡ đầu, độ: 0 ÷ (+25).

5.1.2. Bàn mổ phải chịu được tải trọng 100 kg trong và giữ nguyên vị trí suốt quá

trình phẫu thuật. Các khung giá đỡ phụ cũng phải chịu được tải trọng tương ứng

và được quy định như sau:

- Giá đỡ chân chịu được tải trọng: 20 kg/giá;

- Giá đỡ đùi chịu được tải trọng: 20 kg/giá;

- Giá đỡ tay chịu được tải trọng: 10 kg/giá;

- Giá đỡ đầu chịu được tải trọng: 10 kg/giá;

- Giá đỡ vai chịu được tải trọng: 50 kg/2giá;

- Giá đỡ sườn chịu được tải trọng: 50 kg/3giá.

Trong suốt quá trình phẫu thuật, tất cả các khung giá đỡ phụ không được tự xoay,

tụt hoặc nới lỏng.

5.1.3. Các mối hàn phải ngấu, không khuyết lõm, rỗ nứt, theo TCVN 1691 - 75.

5.1.4. Bàn mổ phải đủ cứng vững đảm bảo không bị biến dạng hoặc rung lắc ở bất

kỳ vị trí điều chỉnh.

5.1.5. Toàn bộ các chi tiết lộ ra ngoài, các góc cạnh, các vít, đai ốc phải được làm

cùn cạnh sắc bằng vát mép, vê tròn đầu, làm sạch ba via.

Toàn bộ các chi tiết bằng thép không gỉ được đánh bóng bằng phương pháp điện

hóa.

Toàn bộ các chi tiết bằng thép cacbon lộ ra ngoài được sơn phủ một lớp sơn bột tĩnh điện hoặc mạ niken-crom, lớp mạ dày 10 ÷ 15 m m. Lớp mạ sáng bóng, đều,

không bong hoặc chân kim.

5.1.6. Bàn mổ phải có khả năng chịu được môi trường nóng ẩm mà không bị gỉ,

các chi tiết mạ hoặc sơn không bị bong rộp.

5.1.7. Các khung, giá đỡ phụ được lắp ráp và tháo rời khỏi bàn một cách dễ dàng,

thuận lợi.

5.1.8. Bàn mổ sau khi lắp ráp phải cân xứng, vững chắc và cố định ở vị trí điều

chỉnh thích hợp. Khi mặt bàn ở vị trí nằm ngang thì 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.

5.2. Yêu cầu đối với các bộ phận chính

5.2.1. Các đệm mút phải được cố định chắc chắn với mặt bàn và các tấm đỡ phụ

khác. Đệm mút phải có kết cấu tháo lắp dễ dàng và dễ lau rửa, không ngấm nước

và các chất lỏng khác. Đệm phải không giữ mùi sau khi làm sạch.

5.2.2. Chiều cao mặt bàn phải nâng hạ được theo yêu cầu của bác sỹ phẫu thuật.

Bơm dầu nâng hạ bàn phải làm việc nhẹ nhàng, không kẹt cứng hoặc rơ lỏng.

Hành trình nâng lên của bàn sau mỗi lần đạp phải đạt 8 mm ÷ 10 mm. Lực đạp

khi có tải 100 kg không lớn hơn 50 N.

5.2.3. Đế bàn mổ phải chắc chắn, đảm bảo bàn ổn định ở mọi vị trí điều chỉnh của

mặt bàn. Đế bàn được lắp bốn bánh xe bằng vật liệu chịu mài mòn. Bốn bánh xe

phải tiếp xúc đều trên nền phẳng. Các bánh xe quay trơn nhẹ, không kẹt cứng hoặc

rơ lắc. Khi hãm, bàn phải được cố định chắc chắn.

5.2.4. Tất cả tay quay, cần đạp, núm vặn để điều chỉnh phải được để ở những vị

trí thuận lợi cho việc thao tác, nhưng không được ảnh hưởng tới người phục vụ

và bác sỹ phẫu thuật. Các thao tác điều chỉnh phải nhẹ nhàng, không kẹt cứng

hoặc rơ lỏng. Lực quay khi điều chỉnh không lớn hơn 10 N. Các cơ cấu điều chỉnh

phải êm nhẹ, không gây tiếng ồn và không rung động mạnh.

6. Phương pháp thử

6.1. Trước khi kiểm tra, bàn mổ được lắp ráp theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

6.2. Kiểm tra hình dáng, kích thước cơ bản và các mối hàn bằng mắt thường và

bằng các dụng cụ đo thông thường (thước lá, thước cặp, thước đo độ).

6.3. Kiểm tra khả năng chịu tải

Đặt bàn mổ trên nền phẳng. Nâng bàn lên vị trí cao nhất. Đặt tải trọng 400 kg,

phân bố đều trên mặt bàn trong thời gian 60 s.

Lần lượt đặt các tải trọng 200 kg lên cụm đỡ chân, đỡ tay, đỡ đầu, đỡ đùi, đỡ vai,

đỡ sườn trong thời gian 60 s.

Kết quả được coi là đạt nếu: Các khung không bị biến dạng. Các mối hàn không

bị bong. Các mối ghép không bị nới lỏng. Các lớp sơn mạ không bị bong tróc.

6.4. Kiểm tra độ bền cơ

6.4.1. Kiểm tra độ vững chắc mặt bàn (Hình 2)

Dùng tải thử là một vật hình cầu, bán kính khoảng 125 mm, khối lượng 10 kg

bằng gỗ cứng hoặc vật liệu tương đương. Đệm thử là tấm mút mềm bọc

polyetylen, dày 50 mm.

Để bàn mổ nằm ngang. Đặt đệm thử lên mặt bàn. Cho tải thử rơi tự do 1 000 lần,

với tốc độ 6 lần/phút từ độ cao 150 mm tính từ điểm rơi xuống mặt bàn. Điểm rơi

ở bốn góc bàn, tâm của bàn và đầu của cụm đỡ chân.

Kết quả được coi là đạt nếu: Bàn mổ không bị bong nứt mối hàn. Tại các điểm tác

dụng lực, các lớp mạ và lớp sơn không bong tróc. Các mối ghép không bị nới

lỏng. Mặt bàn bị võng không lớn hơn 5 mm.

Hình 2 - Sơ đồ vị trí các điểm rơi.

6.4.2. Kiểm tra độ bền va đập (Hình 3)

Dùng tải thử là một vật hình cầu bằng gỗ có khối lượng 2 kg làm quả lắc, bán kính

lắc 300 mm. Đặt bàn trên nền phẳng, bốn bánh xe có con lăn cao 15 mm. Đặt quả

lắc ở vị trí nằm ngang, cho rơi tự do đập vào thân bàn lần lượt 10 lần tại các điểm

giữa của khung bàn.

Kết quả được coi là đạt nếu: Khung bàn tại các điểm lực tác dụng không bị biến

dạng. Các mối hàn không bị bong. Các bộ phận khác không bị hư hỏng.

6.5. Kiểm tra ổn định vị trí

6.5.1. Đặt bàn mổ trên nền phẳng. Đặt tải trọng 200 kg và điều chỉnh bàn ở vị trí

cao nhất trong thời gian 24 h.

Kết quả được coi là đạt nếu: Mặt bàn hạ xuống không lớn hơn 5 mm.

6.5.2. Điều chỉnh bàn ở vị trí cao nhất. Đặt bàn mổ trên mặt phẳng nghiêng 10°

so với mặt ngang (Hình 4). Bốn chân bánh xe được chặn bằng con chặn cao 15

mm. Trên mặt bàn đặt tải trọng 100 kg. Điều chỉnh cho mặt bàn ở tư thế kém ổn

định nhất.

Kết quả được coi là đạt nếu: Bàn mổ không bị nghiêng đổ. Các bánh xe phía đối

diện không bị nhấc lên khỏi mặt sàn. Các bộ phận điều chỉnh không bị mắc kẹt.

Bơm dầu hoạt động tốt.

6.6. Kiểm tra khả năng chống gỉ

Kiểm tra khả năng chống gỉ trong các điều kiện: đặt bàn mổ ở môi trường thử có

nhiệt độ 28 °C, độ ẩm 90 % trong 16 h liền. Sau đó phun nước đã khử ion (nước

mềm) có nhiệt độ 40 °C trong 6 ngày.

Kiểm tra được coi là đạt nếu: Các bề mặt bàn mổ không bị gỉ. Các chi tiết mạ

không bị bong rộp.

7. Ghi nhãn và bao gói

7.1. Nhãn hiệu hàng hóa của cơ sở sản xuất được gắn tại nơi dễ nhận biết.

7.2. Trước khi bao gói, toàn bộ các bộ phận gá phụ (đỡ chân, đỡ tay, đỡ sườn, đỡ

vai và khung chân) được tháo rời.

7.2.1. Các chi tiết bằng kim loại được phủ lớp dầu bảo quản mỏng, bọc một lớp

giấy chống ẩm hoặc đựng trong túi polyetylen.

7.2.2. Thân bàn mổ được cho vào hòm gỗ không mối mọt. Đế bàn được cố định

chắc chắn với đáy hòm, xung quanh chèn bìa cactong chống xô lệch.

7.2.3. Đệm mút đựng trong túi polyetylen và dán kín để cùng hòm với thân bàn.

7.2.4. Các bộ phận đỡ phụ và phụ tùng kèm theo được đặt trong hòm gỗ không

mối mọt. Các bộ phận được buộc chặt với nhau để tránh xây xước khi vận chuyển.

7.3. Mỗi thùng phải kèm theo túi đựng tài liệu: hướng dẫn lắp ráp và phiếu bao

gói, dụng cụ tháo lắp kèm theo (clê, tuốc-nơ-vít, kìm...).

7.4. Ngoài thùng bao bì phải có nhãn ghi rõ các nội dung sau:

- Tên sản phẩm;

- Tên và địa chỉ cơ sở sản xuất;

- Khối lượng tịnh, khối lượng cả bì của sản phẩm;

- Số đăng ký;

- Số lô sản xuất;

- Tên tiêu chuẩn áp dụng;

- Ngày tháng xuất xưởng;

- Dấu hiệu bảo quản: tránh mưa, tránh va đập...

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật

TRẦ N THANH TRƯỜ NG HÀ O

NGHIÊN CỨ U THIẾ T KẾ , ĐIỀ U KHIỂ N BÀN

PHẪU THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số ngành: 60520114

TRẦ N THANH TRƯỜ NG HÀ O

NGHIÊN CỨ U THIẾ T KẾ , ĐIỀ U KHIỂ N BÀN

PHẪU THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số ngành: 60520114

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN TẤ N TIẾ N

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CÁM ƠN

TÓM TẮT

ABSTRACT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

CHUONG TRINH

BAN PHAU THUAT

MODE

AUTO

ENTER

CLEAR

Giải thuật chọn chế độ Auto / Manual

Giải thuật quét phím

a, Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ đầu

b, Giải thuật chương trình con điều nâng hạ lưng

a, Giải thuật chương trình con điều khiển chân trái

b, Giải thuật chương trình con điều khiển chân phải

a, Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng dọc mặt bàn

b, Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng ngang mặt bàn

a, Giải thuật chương trình con điều khiển xoay mặt bàn

a, Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ mặt bàn

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM

Nâng hạ đầu

Nâng hạ lưng

Nâng hạ chân trái

Nâng hạ chân phải

Nghiêng ngang mặt bàn

Nâng hạ mặt bàn

Xoay toàn mặt bàn

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Có thể bạn quan tâm

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và tính toán động lực học robot công nghiệp ba bậc tự do

Đồ án môn học: Thiết kế và điều khiển robot ba bậc tự do

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara 3 bậc tự do

Đồ án: Thiết kế thi công điều khiển máy phay CNC

Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống cơ khí robot SCARA ba bậc tự do

Bài giảng Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thuật toán điều khiển mô hình robot Omni 4 bánh bám quỹ đạo cho trước

Đồ án tốt nghiệp: Công nghệ IoT và ứng dụng cho hệ thống giám sát ắc quy

Tài liệu chỉ dẫn kỹ thuật phần cơ điện Khu du lịch Minh Tuấn - Hồ Tràm

Đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loại vật cho robot song song Triglide robot 3 bậc tự do

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo máy cnc 4 trục gia công mô hình

Đồ án môn học Thiết kế hệ thống cơ khí: Thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động

Đồ án môn học Thiết kế hệ thống cơ khí: Thiết kế hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC

Đồ án tốt nghiệp Cơ điện tử: Thiết kế mô hình nhà thông minh

Đồ án tốt nghiệp Cơ điện tử: Thiết kế và chế tạo máy phay mạch in

Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật Cơ điện tử: Thiết kế và chế tạo mô hình quadrocopter để thu thập không ảnh

Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật Cơ điện tử: Thiết kế và thi công dây chuyền kiểm tra hoàn thiện sản phẩm dùng S7-200

Đồ án tốt nghiệp Cơ điện tử: Thiết kế, chế tạo hệ thống bơm tưới tiêu sử dụng năng lượng mặt trời

Báo cáo đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo robot khử khuẩn

Đồ án tốt nghiệp Cơ điện tử: Thiết kế và gia công máy bơm keo PVC tự động

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử