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

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


-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

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
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.

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.
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
-11-
- 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 đoán bệnh trong lĩnh vực chấn
thương chỉnh hình.
- Góp phần thúc đẩy 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 hình hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương bằng

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
-13-
Chƣơng 1: Tổng quan

Ngày nay, đo lường điện các chỉ tiêu không điện là công cụ sắc bén thúc
đẩy sự phát triển khoa học công nghệ, cần thiết trong nghiên cứu, thiết kế, kiểm tra,
thử nghiệm, đánh giá chất lượng sản phẩm và trong đo lường điều khiển tự động.
Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện là biến đổi các đại lượng
không điện thành tín hiệu điện thông qua các hiện tượng vật lý.
Một trong những vấn đề quan tâm trong kỹ thuật là đo lực, biến dạng, ứng
suất nên từ lâu người ta đã nghiên cứu chế tạo các loadcell và hiện nay các nhà sản
xuất đã phát triển chế tạo ra nhiều loại loadcell đa dạng và phong phú.
Tuy nhiên hệ thống đo lực ứng dụng trong y học đặc biệt trên lĩnh vực
chấn thương chỉnh hình chỉ mới bắt đầu từ thập niên 70 trở lại đây. Có rất nhiều
nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu về vấn đề này, điển hình là giáo sư Burny ở
Bỉ, giáo sư Churches ở Anh .v.v
Từ năm 1965 đến năm 1981 người ta đã xây dựng các hệ thống đo lực
dụng sử dụng một strain gauge để khảo sát sự biến dạng của 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 triaxial rosette
gauges.
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
-14- 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 không đổi. Hình 1.2 . Một hệ thống đo lực điển hình của National Instruments
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
-16-
Chƣơng 2: Phƣơng pháp đo lực thông qua các đại lƣợng điện
2.1. Sơ đồ hệ thống đo lực


Lực tác
dụng

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống 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
-17-
Điện trở của cảm biến được xác định bởi biểu thức:
l
R
S



Mối liên hệ giữa R và :
ln ln ln ln
l
R R l S
S

    

dR d dl dS
R l S


  

Phương trình sai phân:

  
   
      

Trong đó:
(1+2) biểu thị sự thay đổi điện trở phụ thuộc vào việc tăng chiều dài và
giảm diện tích dây điện trở;

/
.(1 2 )C





biểu thị hiệu ứng áp điện trở (C=1: Hằng số Bridman)
Đặt K =
//
(1 2. )
RR




  
; K gọi là hệ số đầu đo. Trong giới hạn đàn
hồi, hệ số đầu đo không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng.
Lúc này:
R
l

K
(T-T
o
)]
K
o
- hệ số đầu đo ở nhiệt độ chuẩn T
o
( thường T
o
=25
o
C)

K
- hệ số phụ thuộc vật liệu. Với Nichrome V thì 
K
=-0.04%/
o
C, constantan 
K

=+0.01%/
o
C.
- Độ nhạy ngang: ngoài các nhánh dọc có điện trở R
L
cảm biến còn có các đoạn
nhánh ngang có tổng độ dài l
t

tích q phụ thuộc vào kích thước hình học của chuyển đổi:
q= -d
1
(y/x).F
y
Trong đó:
d
1
: hằng số áp điện ( gọi là modul áp điện)
y, x: Kích thước chuyển đổi theo trục X và Y.

Hình 2.4. Nguyên lý hoạt động cảm biến áp điện
2.2.3. Cảm biến áp từ
Cảm biến áp từ hay cảm biến từ giảo hoạt động dựa trên hiệu ứng từ giảo.
Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình học hoặc
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
-21-
tính chất cơ học ( hệ số Young). Hiện tượng này gọi là hiệu ứng từ giảo. Khi có tác
dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay đổi đường cong từ
hóa của chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ dư thì có thể xác
định được độ lớn của lực tác dụng. Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch.
Cấu tạo của cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ
tạo thành một mạch từ kín ( Hình 2.5.)
Dưới tác dụng của lực F lõi từ bị biến dạng kéo theo sự thay đổi độ từ thẩm 
làm cho từ trở của mạch từ thay đổi. Sự thay đổi tương đối của L, R hoặc  tỉ lệ với
ứng lực , nghĩa là với lực cần đo F thì ta có:
.
RL

của tấm cao su, khoảng cách giựa các hạt dẫn điện ở phần đó ngắn lại, điện trở
giảm xuống, dòng điện tăng lên( hình 2.6b). Toạ độ của vùng có dòng điện tăng lên
sẽ xác định vị trí của lực tác dụng và giá trị của nó xác định giá trị của lực Hình 2.6. Cảm biến xúc giác
a) Hệ thống cực đo b) Tác dụng của lực lên điện cực

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
-23-
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

Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình cố định xương


Tín hiệu
điện áp
khuếch
đại
Truyền
dữ liệu
Lực tác
dụng
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
-24-

Hình 3.2.Khung Hoffman II của Stryker.

Lý thuyết tính toán khung cố định xương được đề cập trong tài liệu [9] bao
gồm việc phân tích mối liên hệ giữa độ cứng vững của khung với chiều dài, số
lượng, vị trí của thanh nối và chốt. Từ đó nhận thấy, số lượng chốt tối thiểu phải là
2, cụm kẹp chốt phải được siết chặt gần với xương đồng thời thanh nối càng ngắn
càng tốt.
Mô hình khung cố định xương được lựa chọn nghiên cứu như hình 3.3.

Hình 3.3. Mô hình khung cố định xương
1. Thanh nối 2.Chốt 3.Xương 4.Vùng gãy xương
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
-25-

Hình 3.4. Khung cố định xương chụp bằng X-Quang