Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CHO QUÁ TRÌNH NẸP XƢƠNG THEO PHƢƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH NGOÀI DÙNG CẢM BIẾN BIẾN DẠNG NGUYỄN HỒ QUANG Thái nguyên - 2010 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CHO QUÁ TRÌNH NẸP XƢƠNG THEO PHƢƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH NGOÀI DÙNG CẢM BIẾN BIẾN DẠNG Học viên: Nguyễn Hồ Quang Lớp: Cao học K11 Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe KHOA ĐÀO TẠO SĐH NGƢỜI HƢỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe HỌC VIÊN Nguyễn Hồ Quang Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- MỤC LỤC Trang MỤC LỤC 1 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 3 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 4 MỞ ĐẦU 7 Chương 1. Tổng quan 11 Chương 2. Phương pháp đo lực thông qua các đại lượng điện. 14 Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương bằng tensomet( strain gauge rosettes). 21 3.1. Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương. 21 3.2. Thiết kế cơ cấu nẹp xương. 21 3.3. Thiết kế load cell dùng tensomet lắp trên cơ cấu nẹp xương. 23 3.3.1. Phần tử biến dạng. 23 3.3.2. Tensomet( cảm biến biến dạng). 24 3.3.3. Thiết kế cầu Wheatstone. 30 3.3.4. Thiết kế mạch khuếch đại. 33 3.4. Xây dựng công thức biểu thị mối liên hệ giữa lực tại vị trí cần đo và biến dạng của phần tử biến dạng tại vị trí gắn cảm biến dựa trên phần mềm Ansys để làm cơ sở cho việc lập trình. 38 3.5. Card thu nhận dữ liệu để kết nối máy tính. 45 3.6. Ứng dụng Phần mềm Labview để lập trình và quan sát kết quả. 55 Chương 4: Thí nghiệm và kết quả. 60 4.1. Các kết quả thí nghiệm. 60 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- 4.2. Đánh giá kết quả và nhận xét. 62 4.3. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo. 62 PHỤ LỤC 64 Phụ lục 1 64 Phụ lục 2 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số UART Bé truyÒn nhËn d÷ liÖu cña vi ®iÒu khiÓn Strain gauge Cảm biến biến dạng Strain gauge rosettes Cảm biến biến dạng đa nhánh Loadcell Cảm biến đo lực Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -6- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Đo biến dạng trong xương sử dụng triaxial rosette gauges Hình 1.2 . Một hệ thống đo lực điển hình của National Instruments Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống đo lực Hình 2.2. Cách cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát Hình 2.3. Một số loadcell của hãng Siemens Hình 2.4. Nguyên lý hoạt động cảm biến áp điện Hình 2.5. Cảm biến từ giảo có từ thẩm biến thiên Hình 2.6. Cảm biến xúc giác Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình cố định xương Hình 3.2.Khung Hoffman II của Stryker. Hình 3.3. Mô hình khung cố định xương Hình 3.4. Khung cố định xương chụp bằng X-Quang Hình 3.5. Các loại phần tử biến dạng. Hình 3.6. Phần tử biến dạng- thanh nối khung cố định xương Hình 3.7.Cảm biến điện trở kiểu lực căng Hình 3.8. Vị trí strain gauge khi chịu tải trọng kéo nén đúng tâm Hình 3.9. Một số loại strain gauge thông dụng của hãng Omega Hình 3.10. Vị trí strain gauge rosettes trong trường hợp tải trọng phức tạp Hình 3.11. Hình 3.12. Đặc tính Strain gauge FLA-6-11 Hình 3.13. Cầu đo 4 vai tích cực Hình 3.14. Mạch cầu Wheastone Hình 3.15. Sơ đồ mạch cầu Hình 3.16. Khuếch đại đảo dấu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7- Hình 3.17. Khuếch đại đảo dấu thực tế Hình 3.18. Khuếch đại đảo dấu có biến trở Hinh 3.19. Mạch khuếch đại đo lường Hình 3.20. Mạch khuếch đại tầng 1 Hình 3.21. Mạch khuếch đại tầng 2, 3 Hình 3.22. Mạch cảm biến và khuếch đại tín hiệu Hình 3.23. Mô hình hệ thống khung cố định xương khi liền xương Hình 3.24. Lưới hoá kết cấu khung cố định xương Hình 3.25. Tối ưu hoá quá trình lưới hoá kết cấu khung cố định xương Hình 3.26. Tính toán và mô phỏng biến dạng Hình 3.27. Tính toán và mô phỏng Ứng suất pháp Hình 3.28. Tính toán và mô phỏng Ứng suất tiếp Hình 3.29. Biến dạng của khung cố định xương khi chưa liền xương Hình 3.30. Phân vùng biến dạng Hình 3.31. Phân bố ứng suất pháp Hình 3.32. Phân bố ứng suất tiếp Hình 3.33. Sơ đồ khối hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu. H×nh 3.34: m« h×nh Atmega8 H×nh 3.35. S¬ ®å khèi cña bé ADC H×nh 3.36. Thanh ghi ADMUX H×nh 3.37. Thanh ghi tr¹ng th¸i vµ ®iÒu khiÓn H×nh 3.39. Thanh ghi ®iÒu khiÓn vµ so s¸nh tÝn hiÖu analog Hinh 3.40. Thanh ghi I/O H×nh 3.41. S¬ ®å khèi cña bé truyÒn th«ng nèi tiÕp UART H×nh 3.42. Thanh ghi ®iÒu khiÓn vµ tr¹ng th¸i ®-êng truyÒn H×nh 3.43. Thanh ghi ®iÒu khiÓn vµ tr¹ng th¸i Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -8- H×nh 3.44. Thanh ghi ®iÒu khiÓn vµ tr¹ng th¸i ®-êng truyÒn H×nh 3.45. Thanh ghi UBRRH và UBRRL H×nh 3.46. Thanh ghi UDR Hình 3.47. M¹ch ghÐp nèi vi ®iÒu khiÓn Atmega8 Hình 3.48. Mạch in mạch ghép nối vi điều khiển Hình 3.49. Sơ đồ mạch Max232 Hình 3.50. Cài đặt cấu hình Labview để truyền thông Hình 3.51. Lập trình trên Labview Hình 3.52. Giao diện lập trình trên Labview Hình 3.53. Mô phỏng kết quả trên Labview Hình 4.1. Mạch đo lường Hình 4.2. Mô hình hệ thống đo lực nẹp xương Hình 4.3. Kết quả đo lực hiển thị trên máy tính Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9- MỞ ĐẦU Phẫu thuật chỉnh hình cơ sinh là một lĩnh vực bao gồm việc phân tích tải trọng tác dụng lên hệ thống xương, những kỹ thuật hướng đến việc nghiên cứu cơ tính của mô sinh học, và cả việc lựa chọn những hệ thống thay thế các mô khi chúng bị hỏng. Đó là một ngành công nghiệp rộng lớn trong lĩnh vực chăm sóc sức khoẻ và mang đến nhiều cơ hội cho các nhà kỹ thuật quan tâm đến những vấn đề về y học cũng như sinh học. Có rất nhiều vấn đề kỹ thuật lý thú liên quan đến sự lựa chọn vật liệu cấy mô, độ bền và khả năng tương thích của vật liệu trong cơ thể, và việc thiết kế vật liệu cơ khí gắn liền với vật liệu sinh học Một trong những vấn đề cần quan tâm là việc phân tích tải trọng tác dụng lên các chi của bệnh nhân bị gãy xương. Khi một người bị gãy vỡ xương chân thì các ứng dụng các sản phẩm đúc bằng nhựa hoặc sợi thuỷ tinh để thay thế sẽ không còn hiệu quả để cho phép tái tạo và hàn gắn xương. Xương là dạng mô sống và nó có thể hoàn toàn được tái tạo và thay thế. Thực tế, ứng suất là yếu tố rất quan trọng trong việc bắt đầu cũng như duy trì quá trình hàn gắn xương. Ví dụ như nhà du hành vũ trụ trong trạng thái không trọng lượng ở không gian một thời gian dài sẽ dẫn đến giảm xương do thiếu ứng suât của lực hấp dẫn. Đối với xương bị gãy trầm trọng như là vỡ thành nhiều mảnh thì những phát minh về hệ thông cơ sinh sẽ thường được sử dụng và nó được biết đến như là hệ thống nẹp xương ở phía ngoài. Nó bao gồm một thanh thép không gỉ nằm phía ngoài cơ thể, được lắp chặt với các chốt cũng làm bằng thép không gỉ. Các chốt này xuyên qua và giữ đoạn xương bị gãy cho đến khi mô xương được hàn gắn. Và vì thế kết cấu này có thể mang tải trọng của bản thân khi người di chuyển. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -10- Một vấn đề quan trọng được đặt ra liên quan đến việc xác định tải trọng tác dụng lên bộ nẹp xương khi bệnh nhân di chuyển. Vì thông tin này rất cần thiết để xác định kích thước của bộ nẹp để nó không biến dạng quá mức và ngăn cản sự hàn gắn của xương. Một trong những nét đặc trưng của quá trình hàn gắn xương là nếu tất cả ứng suất không có trong xương và không có sự chuyển động tương đối xảy ra giữa các đoạn xương bị gãy thì xương sẽ không được hàn gắn nhưng nếu sự chuyển động tương đối đó quá nhiều thì lại cản trở sự hàn gắn của xương. Để đo lường độ lớn của tải trọng làm dữ liệu cho việc nghiên cứu cứu sự liền xương, giám sát lực tác dụng lên hệ thống nẹp trong quá trình di chuyển mà không cần đến chụp X-Quang thì cần thiết kế một hệ thống đo lực phù hợp. Tín hiệu lực đo được có thể dùng để dự báo sự dài ra của xương và can xương(callus), làm tín hiệu phản hồi để tự động điều chỉnh thống nẹp sao cho phù hợp, hoặc có thể quyết định thời gian tháo nẹp. Ngoài ra, ta có thể biết được sự hồi phục của xương bằng cách khảo sát moment uốn tại vị trí gãy có giảm đi hay không thông qua sự biến dạng của nẹp xương nhờ vào việc đo lực. Rõ ràng, hệ thống đo lực nẹp xương sẽ là một công cụ hỗ trợ mạnh mẽ cho lĩnh vực chấn thương chỉnh hình trong y học. Tuy nhiên, việc nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng hệ thống này vẫn còn khá mới mẻ trong ngành cơ sinh của nước ta. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu: 1. Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đo lực bằng tensơmét. 2. Phạm vi nghiên cứu: Đo lực nẹp xương theo phương pháp cố định ngoài. Phƣơng pháp nghiên cứu: Lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Nhiệm vụ nghiên cứu. [...]... thông qua các đại lượng điện Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương bằng tensomet( strain gauge rosettes) 3.1 Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương 3.2 Chọn khung cố định xương 3.3 Thiết kế load cell dùng tensomet lắp trên cơ cấu nẹp xương 3.3.1 Phần tử biến dạng 3.3.2 Tensomet( cảm biến biến dạng) 3.3.3 Thiết kế cầu Wheatstone Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học... thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết đo lực bằng cảm biến biến dạng - Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương bằng tensomet - Đo lực tại điểm nối mô hình xương chân thông qua bộ nẹp xương và kết luận Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Tạo điều kiện cho việc tự động điều chỉnh hệ thống nẹp xương - Làm công cụ hỗ trợ cho công tác chẩn đo n bệnh trong lĩnh vực... thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Chƣơng 3: Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình cố định xƣơng bằng tensomet( strain gauge rosettes) 3.1 Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xƣơng Xương chày Máy tính+ Labview Lực tác Khung cố dụng định ngoài Truyền dữ liệu ADC Phần tử biến dạng Tín hiệu điện áp khuếch đại Biến dạng Strain gauge Điện trở biến thiên Khuyếch Đại Tín hiệu điện... nghệ chế tạo máy Chƣơng 2: Phƣơng pháp đo lực thông qua các đại lƣợng điện 2.1 Sơ đồ hệ thống đo lực Lực tác dụng Máy tính+ Labview Cảm biến ( đầu đo) Truyền dữ liệu ADC Mạch chuyển đổi Tín hiệu điện được khuếchđại Tín hiệu điện Khuyếch Đại Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống đo lực 2.2 Các loại cảm biến dùng để đo lực 2.2.1 .Cảm biến điện trở lực căng Dưới tác dụng của ứng lực cơ học, trong môi trường chịu ứng lực. .. kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Hình 1.2 Một hệ thống đo lực điển hình của National Instruments Vấn đề đo lực, biến dạng để nghiên cứu sự liền xương khi xương chịu tác động của một hệ lực biến thiên như trong trường hợp bệnh nhân di chuyển là khá phức tạp nên đề tài được tác giả giới hạn nghiên cứu hệ thống đo lực của khung cố định xương trong trường hợp xương chịu tác dụng của tải trọng... chọn như hình 3.6 Hình 3.6 Phần tử biến dạng- thanh nối khung cố định xương 3.3.2 Cảm biến biến dạng Hiện nay, người ta sử dụng phổ biến 2 loại cảm biến biến dạng: + Cảm biến điện trở là loại cảm biến thụ động, được chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, có kích thước nhỏ từ vài mm đến vài cm và khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu... việc nghiên cứu lĩnh vực cơ sinh trong nhà Trường Nội dung nghiên cứu Chương 1: Tổng quan Giới thiệu một cách tổng quan về quá trinh nghiên cứu chế tạo các hệ thống đo lực và ứng dụng cảm biến để đo lường trong y học trên thế giới và ở Việt Nam Chương 2: Phương pháp đo lực thông qua các đại lượng điện Giới thiệu nguyên lý và một số phương pháp đo lực thông qua các đại lượng điện Chương 3: Thiết kế mô... đồ hệ thống đo lực cho quá trình cố định xương 3.2 Khung cố định xƣơng Đối với xương bị gãy trầm trọng như là vỡ thành nhiều mảnh thì những phát minh về hệ thống cơ sinh sẽ thường được sử dụng và nó được biết đến như là hệ thống cố định xương ở phía ngoài Nó bao gồm một thanh thép không gỉ nằm phía ngoài cơ thể, được lắp chặt với các chốt cũng làm bằng thép không gỉ Các chốt này xuyên qua và giữ đo n... hiện biến dạng Sự biến dạng của các cấu trúc ảnh hưởng rất lớn tới khả năng làm việc cũng như độ an toàn khi làm việc của kết cấu chịu lực Mặt khác giữa ứng lực và biến dạng có mối quan hệ với nhau và từ đó có thể xác định được ứng lực khi đo biến dạng do nó gây ra Vì thế đo biến dạng là một vấn đề rất đáng quan tâm trong kỹ thuật Khi đo, cảm biến được gắn vào bề mặt của cấu trúc cần khảo sát, kết quả... khung cố định xương làm cơ sở cho việc nghiên cứu, đánh giá các quá trình liền xương của hơn 500 bệnh nhân Năm 1989 các nhà khoa học ở Canada đã phát triển nghiên cứu hệ thống đo biến dạng trên xương dụng rectangular strain gauge rosettes thay vì dùng một strain gauge như trước đây Năm 1997 Cristofolini L., Viceconti M đã sử dụng nghiên cứu hệ thống đo ứng suất chính trong xương đùi sử dụng uniaxial và . phạm vi nghiên cứu: 1. Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đo lực bằng tensơmét. 2. Phạm vi nghiên cứu: Đo lực nẹp xương theo phương pháp cố định ngoài. Phƣơng pháp nghiên cứu: Lý thuyết kết hợp. THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CHO QUÁ TRÌNH NẸP XƢƠNG THEO PHƢƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH NGOÀI DÙNG CẢM BIẾN BIẾN DẠNG NGUYỄN. thuyết đo lực bằng cảm biến biến dạng. - Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương bằng tensomet. - Đo lực tại điểm nối mô hình xương chân thông qua bộ nẹp xương và kết luận.