Luận văn Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật

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. L (mm) XA (mm) YA (mm) Fmax (N) 223 27 116 500 223 37 116 476 223 37 126 451 233 37 126 447 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 18 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) 11 150 16 86 2239 21 150 16 86 2408 11 160 16 86 2283 11 150 26 86 2540 11 150 16 96 2297 B(xB, yB) b) x A(xA,yA) O(0,0) O(0,0) B(xB, yB) L A(xA,yA) a) y O 19 Hình 2.15 a, b. Cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình 3D. b) x O y O(0,0) B(xB, yB) A(xA,yA) O(0,0)B(xB, yB) L A(xA,yA) a) Hình 2.16 a, b Cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình 3D Khảo sát cơ cấu bằng phần mềm SAM ta lần lượt thay đổi các thông số và kiểm tra giá trị lực lớn nhất trong mỗi trường hợp. Kết quả sơ bộ cho ta thấy ảnh hưởng của các thông số đến giá trị lực của cơ cấu chấp hành. Sơ bộ chọn: Sinokoko LM-V10 cho cơ cấu nghiêng 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 = 41.96 w Do đó động cơ cần có công suất như sau: 20 Công suất cần thiết trên trục động cơ:P =  = 43.25 w (1) PCT: công suất cần thiết trên trục (kW) : 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 Như vậy bàn phẫu thuật có vận tốc quay quanh trục là: 25 vòng/phút 1. Động cơ điện 2. Bánh răng chủ động 3. Bánh răng bị động 4. Trục xoay 2 1 4 3 y O z M b) b) Hình 2.17a, b. Cơ cấu xoay mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D. 21 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 trọng 200 kg, do đó chọn cơ cấu LM-LC50 của hãng Sinokoko. 1. Linear actuator 2. Trục xoay 3. Ổ trượt 4. Tấm nâng hạ độ cao y O z 1 3 4 2 b) a) 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 22 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 trên ta có sơ đồ tổng quát của hệ thống điện như sau: Charger Battery AC to DC AC CPU Driver Linear actuator Keyboard LCD switch Power Supply si gn al Signal pwm Sensor DC 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. 23 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. Tính toán sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu α O(0,0) B(xB, yB) L A(xA,yA) x 2+y2=L2 a) O(0,0) B(xB, yB) L A(xA,yA) α x 2+y2=L2 b) 24 O(0,0) B(xB, yB) L A(xA,yA) c) α x 2+y2=L2 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 Tên chức năng Thông số x1 y1 L Lmin (mm) Lmax (mm) |F|max (N) Nâng hạ chân 10 -88 440 356 497,8 49 Nâng hạ lưng 42 -150 451 356,7 602,5 654,4 Nâng hạ đầu -5 -80 300 273,9 350,7 6,8 Theo các thông số trên ta có thể tính mối liên hệ giữa sự dịch chỉnh của actuator và góc quay của cơ cấu nâng hạ chân. Ta có phương trình đường tròn tâm O đi qua B: x + y =  (2) Tọa độ điểm B:  =  !" (3) # = $%&" (4) 25 '( = )( − ,) + (# − #,) = )( !" − ,) + ($%&" − #,)(5) Gải phương trình tính đoạn thẳng AB ta có: Bảng 2.6. Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB. Độ phân giải/360° ADC 8 bit / 360° ADC 10 bit / 360° ADC 16 bit / 360° 1,406250° 0,351563° 0,005493° Nâng hạ chân dABMax 2,173632 0,543435 0,008491 dABMin 0,806599 0,192089 0,002978 Nâng hạ lưng dABMax 3,805361 0,190773 0,003014 dABMin 0,026267 0,000028 0,002925 Nâng hạ đầu dABMax 1,967221 0,481887 0,006048 dABMin 1,552511 0,385743 0,006015 Tính toán vị trí đặt actuator nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn O(0,0) B(xB, yB) L A(xA,yA) α x 2+y2=L2 a) O(0,0) B(xB, yB) L A(xA,yA) b) α x 2+y2=L2 26 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. Tên chức năng Thông số x1 y1 l1 l2 Llưng min (mm) Llưngmax (mm) 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: x + y =  = ./ + . (6) Tọa độ điểm B:  =  !", # = $%&". '( = )( − ,) + (# − #,) = )( !" − ,) + ($%&" − #,) Gải phương trình tính đoạn thẳng AB ta có: 27 Bảng 2.8. Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB. Độ phân giải/360° 8 bit 10 bit 16 bit 1,406250° 0,351563° 0,005493° Nghiêng dọc mặt bàn (mm) dABMax 2,297483 0,577007 0,009033 dABMin 0,216247 0,348093 0,008987 Nghiêng dọc mặt bàn (mm) dABMax 2,050769 0,385363 0,003558 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. Tên chức năng Tên cơ cấu chấp hành Số lượng Thông số kỹ thuật Dòng điện tiêu thụ (A) Điện áp sử dụng (V) Hành trình (mm) Công suất hiệu dụng (W) Nâng hạ lưng LM-V10 1 4,2 24 125 100,8 Nghiêng dọc mặt bàn LM-V10 1 4,2 24 140 100,8 Nghiêng ngang mặt bàn LM-P25 1 3 24 60 72 Nâng hạ mặt bàn LM-LC50 1 4,2 24 300 100,8 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 28 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 và thiết bị phù hợp thì có 2 phương án để thiết kế và lựa chọn như sau. Nguồn DC 24V Nguồn DC 5V Ngõ ra Mạch chuyển đổiĐiện lưới ổn định Ắc quy Bộ sạc Hình 2.22. Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới ổn định DC 24V Bộ nguồn DC 5V Ngõ ra Mạch chuyển đổiĐiện lưới không ổn định Bộ chuyển đổi Bộ chuyển đổi Ắc quy 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. 29 Bảng 2.10. Bảng thông số dòng điện tiêu thụ. Tên cơ cấu chấp hành Số lượng Thông số kỹ thuật Dòng điện tiêu thụ max (A) Hệ số an toàn Dòng điện an toàn Công suất hiệu dụng (W) LM-V10 1 4.2 1.5 6.3 100.8 LM-V10 1 4.2 1.5 6.3 100.8 LM-P25 1 3 1.5 4.5 72 LM-LC50 1 4.2 1.5 6.3 100.8 LM-S113A 3 0.58 1.5 0.87 13.92 Excem 1 4.3 1.5 6.45 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 như hình minh họa phía dưới. Nguồn DC 24V Nguồn DC 5V Ngõ ra 220V Mạch chuyển đổi Mạch sạc Bộ chuyển đổiẮc quy Hình 2.24. Sơ đồ hệ thống điện dùng trên bàn phẫu thuật 30 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, VISIONTrong 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 31 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 32 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). Tên cơ cấu chấp hành Số lượng Dòng điện tiêu thụ Phối Hợp Chuyển Động Điểm 0 Tự động Xoay ±180° Nghiêng mặt bàn Độ cao bàn Góc chân & đầu 33 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 LM-V10 1 4.2

    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     
Thời gian lưu (giờ): UPS UPS 7Ah 0.61 0.45 0.93 2.33 1.67 6.03 Ắc quy 7Ah 5.70 4.17 15.12 21.67 15.48 56.03 65Ah 0.61 0.45 1.63 2.33 1.67 6.03 34 + 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: 35 + 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. 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 Tên cơ cấu chấp hành Số lượng Thông số kỹ thuật Mạch điều khiển Dòng điện tiêu thụ (A) Điện áp sử dụng (V) LM-V10 1 4.2 24 BTS 7960 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 36 2.2.2.5 Cảm biến đo góc quay O(0,0,0) B(xB, yB,0) L Potentiometer A(xA, yA,0) x y O z Hình 2.27. Sơ đồ gắn potentiometer. Slave Driver Linear actuator Keyboard signal pwm Master Potentiometer Limit Switch 1,2 LCD 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: x/ = 353° ± 1.5° A bit (8) 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 37 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°. x = 1080° A bit (9) 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 > 5 % :; (10) Trong đó: R là giá trị điện trở cần lắp thêm (Ω) % :;: 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 38 Mạch điều khiển trung tâm Động cơ nâng hạ Mạch điều khiển con Động cơ lưngMạch điều khiển con Động cơ nghiêng ngang mặt bàn Mạch điều khiển con Động cơ đầuMạch điều khiển con Động cơ chân trái Mạch điều khiển con Động cơ chân phải Mạch điều khiển con Mạch điều khiển con Động cơ xoay thân bàn Động cơ nghiêng dọc mặt bàn Mạch điều khiển con Màn hình hiển thịBàn phím 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 Bảng cấu hình yêu cầu của vi điều khiển Tên cơ cấu Số Chân Điều Khiển Số Lượng Cơ Cấu Tổng Số Chân PWM Tổng Số Chân 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 Công tắc hành trình 1 16 16 Digital 39 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]. Chuẩn giao tiếp Tốc độ truyền đối đa (kbits/s) Khoảng cách truyền tối đa (m) Số lượng node thông thường RS485 10000 1200 32 I2C (Fast mode) 400 2 20 CAN (1 wire) 33 100 32 IEEE-1394 1000 - 4000 72 63 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 việc xậy dựng mạng giao tiếp nhanh chóng và đơn giản. Vdd SCL SDA MASTER SLAVE SLAVE SLAVE SLAVE SLAVE SLAVE Hình 2.30. Hệ thống điều khiển bàn phẫu thuật. 40 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, kết nối với bàn phím điều khiển cần 5 chân. MASTER Slave i Phím chức năng Màn hình hiển thị Hình 2.31. Các chức năng của Master. Đối với Slave: cần có module