1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Kéo mổ y tế đầu cong (gọi tắt là kéo) là dụng cụ phẫu thuật dùng để cắt các mô như:
Cân, cơ, màng phổi, màng tim, mạch máu… hoặc một số bộ phận của cơ thể. Kéo có cấu
tạo phức tạp, lưỡi cắt cong 3 chiều, lưỡi cắt phải sắc và là đường cong trơn liên tục.
Do điều kiện làm việc đặc biệt, yêu cầu chất lượng cao, hình dạng lưỡi cắt của kéo
phức tạp, việc tính toán, thiết kế, gia công tạo hình lưỡi kéo khó khăn; Cơ sở tính toán,
thiết kế và công nghệ chế tạo kéo ít được công bố. Do vậy với điều kiện trong nước càng
khó tìm kiếm tài liệu tham khảo cũng như tiếp cận tài nguyên dữ liệu phục vụ việc nghiên
cứu.
Kéo mổ y tế đầu cong được sản xuất và bán rộng rãi trên thế giới, nhưng kéo mổ y tế
đầu cong sử dụng trong nước hầu hết phải nhập ngoại, giá đắt. Kéo chế tạo ở trong nước
có chất lượng thấp chủ yếu tập trung ở chất lượng lưỡi cắt (do được mài bằng tay). Vì vậy:
“Nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong nhằm cải thiện
chất lượng làm việc của kéo” để làm chủ tính toán, thiết kế, chế tạo kéo là một nhiệm vụ
cần thiết có tầm quan trọng và ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội rất lớn.
2. Mục đích của đề tài
Nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo, mục đích
nghiên cứu của đề tài luận án là để đưa ra được:
- Phương pháp mô hình hóa lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong, hệ phương trình tính toán
cùng với giải thuật cho phép tính toán, thiết kế các thông số hình học (TSHH) của lưỡi
kéo;
- Phương pháp gia công tạo hình lưỡi kéo để đạt được các thông số thiết kế, với việc
sử dụng công nghệ tiên tiến như: robot, máy CNC;
- Phương pháp thực nghiệm đo TSHH, mài tạo hình và đo lực cắt của lưỡi kéo. Từ đó,
lựa chọn được thông số thiết kế cho kéo mẫu thí nghiệm, mài được lưỡi kéo, so sánh được
lực cắt của kéo mẫu thí nghiệm với một số kéo ngoại nhập từ đó đánh giá sự cải thiện tính
cắt của kéo mẫu;
- Phương pháp điều chỉnh các TSHH của lưỡi kéo trong quá trình gia công tạo hình,
nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo.

5) Các phương pháp thực nghiệm: Quy trình mài lưỡi cắt kéo mẫu thí nghiệm trên
robot 6 trục; Phương pháp xác định thông số hình học của lưỡi cắt của kéo thực bằng kỹ
thuật ngược; Phương pháp đo lực cắt theo 3 phương x, y, z bằng đồ gá chuyên dùng, tích
hợp các cảm biến đo lực.
+ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án đã xây dựng được phương trình lưỡi cắt, trên cơ sở đó đã dùng công nghệ tiên
tiến và các thiết bị hiện đại hiện có tại Việt Nam để mài và kiểm tra quá trình tạo hình lưỡi
cắt của kéo. Kết quả thực nghiệm phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết và số liệu
đo lường gắn với kéo mẫu của nước ngoài. Vì vậy luận án mang ý nghĩa khoa học và là tài
liệu tham khảo tốt cho các nhà công nghệ nên nó cũng mang ý nghĩa thực tiễn.
6. Bố cục và nội dung của luận án
Phần mở đầu
Phần nội dung:
Chương 1. Tổng quan về phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong.
Chương 2. Mô hình hóa lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong.
Chương 3. Nghiên cứu phương pháp mài tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong.
Chương 4. Thực nghiệm tạo hình lưỡi cắt, đo lực cắt kéo mổ y tế đầu cong.
Phần kết luận và kiến nghị
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y
TẾ ĐẦU CONG
1.1 Giới thiệu kéo mổ y tế đầu cong
Đầu
Kéo
1.1.1 Khái niệm, công dụng của kéo mổ y tế đầu
cong
Mang
- Kéo là một loại dụng cụ dùng để cắt, gồm hai
Kéo
phần trái và phải, ta gọi là vế trái và vế phải, được làm
bằng thép các bon hoặc thép hợp kim.

Trong hệ tọa độ ba trục vuông góc của không gian R3, phương trình đường cong L có
thể cho dưới dạng tham số:
 x  x t 
(1.1)

 y  y t 

 z  z t 
Từ đó ta lập được phương trình tiếp tuyến, phương trình pháp diện của đường cong tại
điểm M0 và ta có thể xác định được độ cong của nó.
. Mặt cong trong không gian và các đặc trưng hình học
Trong hệ tọa độ ba trục vuông góc của không gian R3, phương trình bề mặt S có thể
biểu diễn trong dạng:
(1.9)
z  f  x, y 
Hoặc

f

 x, y , z   0

(1.10)

Xét tại điểm M0 của S, giả thiết cả ba đạo hàm f x  x, y , z  , f y  x, y , z  , f z  x, y , z  của
(1.10) đều tồn tại, liên tục và không đồng thời triệt tiêu.
Gọi L là một đường cong thuộc S đi qua M0 có phương trình tham số dạng (1.1).
Trường hợp điểm M0 và đường cong L đồng thời nằm trên hai mặt cong, tức L là giao
tuyến của hai mặt cong, thì hệ phương trình xác định L là:

 f  x, y , z   0


Hình 1. 9 Các dạng bề mặt [38]

Từ lưới bề mặt trên hình 1.9, một đường cong tọa độ, chẳng hạn ứng với (u), được gọi
là đường sinh, đường cong thứ hai (v) sẽ gọi là đường hướng. Từ lý thuyết tạo hình bề mặt
[38], có những dạng bề mặt có thể được tạo thành khi trượt đường sinh u theo đường
hướng v. Điều này có thể làm được nếu bề mặt có đường sinh có dạng không đổi. Hoặc
nếu bề mặt cong có đường hướng v không đổi, có thể tạo thành bề mặt khi trượt đường
hướng v theo đường sinh u. Có thể gọi đường cong đó đường sinh hay là đường hướng và
ngược lại.
Theo khả năng tạo hình, người ta phân loại bề mặt thành : Bề mặt tự trượt (hình 1.9.a
– c); bề mặt “tự trượt” theo đường hướng v (hình 1.9.d– f); bề mặt có đường sinh (u) hoặc
đường hướng (v) không đổi(hình 1.9.g); bề mặt có đường u, v thay đổi liên tục (hình
1.9.k).
Công nghệ tạo hình các bề mặt tự trượt được thực hiện bằng việc phối hợp các chuyển
động của chi tiết và dụng cụ bao gồm các chuyển động quay quanh và tịnh tiến.
Thực tế kỹ thuật cho thấy có nhiều loại bề mặt chi tiết không thể cho trực tiếp ở dạng
phương trình toán học như trên. Trên cơ sở phương pháp tạo hình, và từ tính toán thiết kế
hoặc thực nghiệm có thể xác định một lưới điểm của bề mặt cần tạo hình, tức xác định
được giá trị tọa độ các điểm thuộc bề mặt nằm trên một lưới. Từ đó có nhiều phương pháp
nội suy bề mặt để xây dựng được dạng giải tích gần đúng của bề mặt cần gia công.


5
1.2.2 Nguyên lý tạo hình bề mặt bằng dụng cụ cắt
1.2.2.1 Động học tạo hình bề mặt
Trong quá trình gia công tạo hình, dụng cụ cắt và chi tiết chuyển động tương đối với
nhau, kết quả cắt gọt tạo thành bề mặt gia công. Khi thực hiện chuyển động tạo hình, phần
lưỡi cắt của dụng cụ tiếp xúc bề mặt gia công và tạo hình bề mặt, được gọi là biên dạng
của lưỡi cắt (prophin).

với biên dạng lưỡi cắt, bề mặt khởi thủy, tương ứng để thực hiện quá trình tạo hình. Từ
phương pháp biểu diễn bề mặt và xác định đặc trưng hình học của bề mặt đã trình bày, có
thể áp dụng để xác định bề mặt khởi thủy của dụng cụ bằng 3 phương pháp sau:
a. Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy bằng đồ thị
b. Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy bằng giải tích
c. Phương pháp động học xác định bề mặt khởi thủy:
1.2.3. Khái quát về cấu tạo dụng cụ cắt
Kéo mổ y tế đầu cong là một dụng cụ cắt. Vì vậy, kéo có phần thân kéo, phần làm
việc; có mặt trước, mặt sau, lưỡi cắt, góc trước, góc sau … tương tự dao tiện.
- Lưỡi cắt là giao tuyến của mặt trước và mặt sau
- Góc trước : là góc tạo thành giữa vết mặt trước và vết mặt đáy của dao đo trong tiết
diện chính N – N.


6
- Góc sau chính : là góc tạo thành giữa vết của mặt sau và vết mặt phẳng cắt gọt đo
trong tiết diện chính.
- N-N - là tiết diện chính vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt đáy.
Các trình bày trên là cơ sở để áp dụng cho việc mô tả chi tiết các góc độ của kéo mổ y
tế đầu cong cũng như xác định các TSHH của kéo để phục vụ cho nghiên cứu tạo hình
lưỡi cắt của kéo.
1.3 Khái quát về tạo hình lưỡi cắt, và công nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong
1.3.1 Khái quát về tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong
Việc chế tạo kéo cũng như tạo hình lưỡi cắt gồm nhiều công đoạn. Luận án chỉ tập
trung nghiên cứu quá trình gia công tinh bằng mài tạo hình lưỡi cắt của kéo.
Chuyển động tạo hình của đá khi mài lưỡi kéo cần đảm bảo bề mặt đá tiếp xúc bề mặt
lưỡi kéo khi di chuyển dọc theo đường cong lưỡi kéo. Tùy thuộc loại đá mài được sử
dụng, sẽ có các chuyển động của đá một cách phù hợp.
Mài mặt trước bằng đá mài hình trụ, hình côn: (hình 1.18).
Mài mặt trước bằng đá mài hình đĩa, hình cầu, hình xuyến: chuyển động tạo hình của

 khi là việc làm việc kéo cắt không trơn, dễ bị nhay.
Vì vậy, luận án sẽ nghiên cứu phương pháp sử dụng các
thiết bị công nghệ cao như robot, các máy CNC để thực
hiện gia công mài tạo hình lưỡi cắt của kéo theo yêu cầu,
hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo.

B

Hình 1. 23 Lòng mo không đều,

1.4 Một số phương pháp đo lực cắt của kéo
lưỡi cắt không đều [8]
1.4.1 Nghiên cứu của nhóm tác giả Mohsen Mahvash;
Liming M. Voo, Diana Kim, Kristin Jeung (nhóm 1), Modeling the Forces of Cutting
with Scissors , 2008, tài liệu [26]
Các nhà khoa học trên đã sử dụng cảm biến ATI Nano-17 để đo lực cắt của kéo thẳng
(hình 1.25), kết quả đo lực khi cắt xem hình 1.26

Hình 1.26 Quan hệ giữa lực cắt và góc
Hình 1.25 Robot đo lực với cảm biến
mở của kéo [26]
ATI Nano-17 [26]
Họ đã sử dụng lý thuyết bảo toàn năng lượng để đưa ra được công thức tính toán lực
tác động của tay người fx khi cắt;
Nghiên cứu đã khẳng định quá trình biến dạng (BD) khi cắt cũng gồm 3 gia đoạn: BD
đàn hồi, BD dẻo và phá hủy.
1.4.2 Nghiên cứu của nhóm tác giả D J Callaghan1, G Rajan, M M McGrath , E
Coyle, Y Semenova and G Farrell, (nhóm 2)
Investigation and experimental measurement of scissor blade cutting forces using
fiber Bragg grating sensors (FBG), (nguồn: [20]

cắt, tạo cơ sở xây dựng phương pháp đo lực kiểm tra mẫu kéo thử nghiệm.
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG
Bằng việc khảo sát hình dạng hình học lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong (gọi tắt là
lưỡi kéo), tiến hành mô hình hóa toán học lưỡi cắt; thiết lập hệ phương trình toán học xác
định đường cong lưỡi cắt; xác định biên dạng mặt trước, mặt sau của lưỡi cắt.
Tiếp theo trình bày giải thuật tính toán và mô phỏng số được thực hiện bằng việc lập
trình. Áp dụng kỹ thuật thiết kế ngược để khảo sát một số mẫu kéo phổ biến, làm cơ sở
phân tích, lựa chọn TSHH cho kéo được thiết kế.
2.1 Phương trình đường cong lưỡi cắt của kéo mổ y tế
đầu cong
2.1.1 Hệ tọa độ khảo sát
Trên hình 2.1 dẫn ra hệ tọa độ khảo sát Oxyz
- Trục x, y nằm trong mặt phẳng cơ sở của kéo, việc
xác định phương chiều trục x, y sẽ được xác định bằng PP
tam diện thuận.
- Trục z nằm dọc theo trục chốt kéo, hướng chiều Hình 2. 1 Hệ trục tọa độ tính toán
của kéo
dương sao cho mũi kéo nằm trên phần dương của trục z.
Hệ tọa độ Oxyz được gọi là hệ tọa độ cơ sở của kéo, được sử dụng để tính toán
TSHH của kéo và thiết kế kéo; tính toán, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho thiết bị gia
công khi dẫn dụng cụ thực hiện chuyển động mài tạo hình lưỡi cắt.
2.1.2 Hình dạng đường cong lưỡi cắt của kéo trên các mặt phẳng tọa độ
Hình 2.2 biểu diễn các hình chiếu Lxy, LyZ của đường cong lưỡi cắt của vế phải kéo trên
các mặt phẳng tọa độ Oxy và Oyz tương ứng.

Hình 2. 2 Hình chiếu đường cong lưỡi cắt của kéo trên các mặt phẳng tọa độ

Từ phân tích hình dạng các bề mặt tạo nên đường cong lưỡi cắt đã xác định: Lưỡi cắt
là giao của mặt trụ với mặt xuyến (hình 2.3 và hình 2.5). Vì vậy ta chọn cách biểu diễn


Gọi góc  là góc giữa đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vòng xuyến và mặt
phẳng cơ sở của kéo; còn  là góc giữa đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vòng
xuyến và đường thẳng nối tâm vòng xuyến với điểm trên đường cong lưỡi cắt của kéo.
(2.3)
0    2 , 0    2
Hệ phương trình xác định đường cong lưỡi cắt của kéo (2.4) :
 x  xe  rs sin 
 y  y  ( r  r cos  ) cos 
e
e
s

 z  z  ( r  r cos  ) sin 
e
e
s

 x  x  2   y  y  2  r 2
c
c
c


(2.4)

xc , yc là tọa độ tâm O2 của mặt trụ trong hệ tọa độ OdXdYdZd.; rc là bán kính trụ.
Tổng quát, bán kính mặt trụ, bán kính vòng tâm xuyến, bán kính vòng tròn tiết
diện xuyến có thể thay đổi dọc theo các điểm trên đường cong lưỡi cắt của kéo, và do vậy



nằm trong mặt phẳng tọa độ Oyz.
- Pr: mặt phẳng đáy.
- PF: mặt phẳng tiếp xúc với mặt trước
lưỡi cắt tại điểm khảo sát.
- k: vector tiếp tuyến của đường cong lưỡi
cắt.
- d: hình chiếu của vector tiếp tuyến của
đường cong lưỡi cắt trên mặt đáy Pr.
- C: mặt phẳng chứa tiết diện chính đi qua
điểm khảo sát và vuông góc với d.
- Giao tuyến mặt phẳng C với mặt phẳng
PF là đường thẳng DE, với mặt đáy là đường
thẳng GH.
Hình 2. 9 Biểu diễn góc trước lưỡi cắt
- Góc trước là góc giữa các đường thẳng
DE và GH hay góc giữa 2 véc tơ , η.
Để tính toán, xác định góc trước  ta áp dụng phép tính vector. Ta giả sử có thể dựng
được hệ tọa độ ba trục vuông góc Okkbknk tại mỗi điểm khảo sát trên đường cong lưỡi cắt
như hình 2.9, trong đó:
- Trục k tiếp tuyến với đường cong lưỡi cắt, chiều dương hướng về phía mũi kéo.
- Trục nk pháp tuyến với mặt trước của lưỡi cắt, chiều dương hướng ra ngoài.
- Trục bk tạo thành hệ tọa độ thuận, bk tiếp tuyến với mặt trước. Mặt phẳng Okbknk sẽ
là pháp diện của lưỡi cắt tại điểm khảo sát.


11
Các bước tính toán được thực hiện như sau:
- Các phương trình từ (2.8) đến (2.13) cho phép tính được các vector chỉ phương của
các trục k, d, η , nk, bk
- Vì  vuông góc với d ta nhận được hệ phương trình xác định  có dạng:


(2.15)

Vector chỉ phương bk, tiếp tuyến với mặt trước, được xác định:
 bk 1   nk 2 k 3  nk 3 k 2 
bk  bk 2    nk 3 k 1  nk 1 k 3 

 


 bk 3 
 
 nk 1 k 2  nk 2 k 1 


(2.16)

Việc biểu diễn mặt trước bởi các phương trình giải tích, nhưng khá phức tạp vì
nhiều phép biến đổi nên thường kết hợp rời rạc hóa tính toán bằng số. Như thế, dù số điểm
tính toán có thể rất lớn thì mặt trước được xác định vẫn là một mặt cong rời rạc điểm. Ta
gọi mặt trước là mặt cong giải tích-số, hoặc đơn giản
là mặt cong số.
2.2.2 Biểu diễn mặt sau của lưỡi cắt của kéo
Mặt sau của lưỡi cắt của kéo là mặt trong của
vòng xuyến và ta còn gọi là mặt có dạng lòng mo. Để
biểu diễn được góc sau ta sẽ tìm hai đường thẳng.
Đường thẳng thứ nhất đi qua điểm khảo sát trên
đường cong lưỡi cắt và là giao tuyến giữa mặt phẳng
cắt t và mặt phẳng đi qua điểm khảo sát và pháp
tuyến với hình chiếu của đường cong lưỡi cắt trên

trong nước đang sử dụng phổ biến trên thị
trường.
2.3.2.2 Ứng dụng máy Scan ATOS-I-2M
và phần mềm GOM để quét đo kéo mẫu
Bằng phương pháp quét và thiết kế
ngược (Scan ATOS-I-2M và phần mềm
Atos) đã khẳng định: Hệ phương trình mà tác
giả đưa ra hoàn toàn có thể áp dụng chung
cho các loại kéo, vì có thể xác định được các
Hình 2.16 Sơ đồ quét kéo trên máy quét Scan
thông số ban đầu của kéo phù hợp với HPT
ATOS-I-2M
(2.4)
Sau khi thiết kế có thể so sánh ngược lại với đám mây điểm đã quét thấy độ lệch giữa
mô hình CAD và đám mây điểm rất bé. Sai lệch của mô hình trong khoảng  0.05 mm (
màu xanh lá cây). Xem hình 2.22.

Hình 2. 22 Hình ảnh đám mây điểm và thiết kế ngược, so sánh kết quả thiết kế.

Tác giả đã dùng kỹ thuật ngược để khảo sát 05 mẫu kéo mổ y tế đầu cong phổ biến
trên thị trường.
Bằng cách sử dụng phần mềm quét và thiết kế ngược chuyên dụng để khảo sát, tác giả
đã xác định và chỉ ra được sự biến đổi thực tế của các TSHH của kéo mổ y tế đầu cong
trong hệ phương trình đường cong lưỡi cắt (2.4). Các TSHH của chúng luôn biến đổi trên
suốt chiều dài lưỡi cắt. Tuy nhiên cùng với vị trí trên vòng xuyến ta có thể xác định được
cung cong giới hạn lớn nhất, nhỏ nhất cho sự biến đổi đó.
Biểu đồ biểu diễn thông số lưỡi cắt vế phải kéo 3 như hình 2.24, 2.25.


13

Đây cũng chính là cơ sở để tiến hành thực nghiệm mài và xác định TSHH lưỡi cắt kéo
mẫu thí nghiệm ở chương 4.


14
Chương 3. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MÀI TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ
Y TẾ ĐẦU CONG
Để mài tạo hình lưỡi cắt, đá mài cần thực hiện các chuyển động theo 3 phương để bám
theo đường cong lưỡi cắt của kéo; Ngoài ra, để tạo thành mặt trước, mặt sau tùy theo hình
dạng của đá, mà đá mài cần chuyển động quay quanh 2 hoặc 3 trục để tạo hướng tương
đối giữa đá mài và kéo, sao cho bề mặt đá tiếp xúc với bề mặt kéo mà không bị cắt lẹm.
Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị công nghệ cao. NCS trình bày quá
trình tính toán, mô phỏng mài trên robot và máy CNC bao gồm: Thiết kế mô hình robot,
máy CNC dựa trên mô hình thực, xây dựng giải thuật tính toán và lập trình mô phỏng quá
trình mài.
3.1 Các phương pháp mài thông thường
3.1.1 Mài mặt sau
a. Phương án 1: Đá có biên dạng định hình Rđ = Rs và mài theo phương pháp định
hình.
b. Phương án 2: Trục đá nằm trong mặt phẳng mang kéo và song song với trục Oy
Khi Rđ = Rm; Nếu Rđ < Rm thì ta xoay trục đá đi 1 góc và kéo có thêm chuyển động lắc.
3.1.2 Mài mặt trước: Được thực hiện bằng tay (tựa theo bề mặt kéo đã dập với lượng dư
mài thô + tinh khoảng 0,2mm).
Như đã nêu ở trên, lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong, cong 3 chiều do vậy phương pháp
mài phải tạo ra cho đá và kéo có 3 chuyển động tạo vị trí và 3 chuyển động tạo hướng.
Các chuyển động đó có thể được thực hiện bằng tay trên máy mài 2 đá hoặc đá đĩa… song
chất lượng tạo hình sẽ không ổn định, khó đảm bảo độ chính xác, … Vì vậy cần cải tiến
mài trên máy công nghệ cao như robot hoặc máy CNC.
3.2 Các phương pháp mài bằng robot
Bằng việc ứng dụng robot cho quá trình mài giúp đảm bảo lưỡi cắt hình thành với các

OE xE yE zE  OF xF yF zF

Hình 3.7; 3.8; 3.9. Tam diện trùng theo của lưỡi kéo
Hệ tọa độ OkXkYkZk biểu diễn đặc trưng hình học của lưỡi cắt và được gọi là tam diện
trùng theo của lưỡi kéo, có thể biểu diễn trong hệ tọa độ kéo OdXdYdZd bởi ma trận biến
đổi tọa độ thuần nhất dApk.
d

Apk

 c11k
c
  21k
 c31k

 0

c12 k
c22 k
c32 k
0

c13k
c23k
c33k
0

xk 
yk 



Tại các điểm trên đường cong lưỡi kéo, trạng thái (vị trí và hướng) của tam diện đá
mài khi đang thực hiện thao tác công nghệ lên đối tượng gia công được biểu diễn trong hệ
tọa độ cơ sở bởi ma trận 0AEk có dạng (chỉ số k biểu diễn các điểm trên đường cong LC):


16

0

AEk

0

 cEk 11
c
  Ek 21
 cEk 31

 0

CEk
AEk   T
0

cEk 12
cEk 22
cEk 32
0


công là tam diện OEkXEkYEkZEk của đá mài và tam diện lưỡi cắt OkXkYkZk trùng nhau tại
mỗi điểm của đường cong lưỡi cắt của kéo.
Như vậy, hệ (3.5) gồm 6 phương trình trong đó 3 phương trình đầu biểu diễn quan hệ
về vị trí gốc hệ tọa độ, 3 phương trình cuối biểu diễn về hướng.
Để đá mài đạt được vị trí và hướng thỏa mãn hệ phương trình (3.5), tam diện của đá
cần có 6 bậc tự do chuyển động, do vậy robot mang và di chuyển đá phải có 6 bậc tự do.
3.2.1.2. Lựa chọn phương án lập trình mài kéo mổ y tế đầu cong
Có 3 phương án mài kéo trên robot thông thường: Chi tiết (CT) đứng yên, đá thực
hiện các chuyển động (CĐ) mài (Đá đĩa), Ngược lại đá đứng yên, CT chuyển động; Đá trụ
CĐ , CT đứng yên. Luận án lựa chọn phương án chi tiết đứng yên, đá thực hiện các
chuyển động mài tạo hình.
3.2.1.3 Lập trình mài trên robot 6 bậc tự do
a. Phương trình động học robot (PA3)
Luận án sử dụng robot hàn 6 bậc tự do để cho quá
trình mài lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong đang được
nghiên cứu.
Trên hình 3.17 chỉ ra cấu trúc động học của các loại
robot gia công cơ khí có dạng như trên hình 3.17. Áp dụng
phương pháp Denavit-Hartenberg (DH), các hệ tọa độ
khâu và hệ tọa độ cơ sở được xây dựng. Bảng 3.1 chỉ ra
các tham số động học DH.
Hình 3. 17. Cấu trúc động học, các
Bảng 3.1 Tham số động học DH
hệ tọa độ của robot 6 bậc tự do
Joint
1
2

i
1

6

di
d4
0

ai
0

i

0

5

4

6
0
3
d3
a3
d6
a6
Áp dụng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất DH ta tính được các ma trận truyền biến
đổi tọa độ thuần nhất trên chuỗi động học của robot 0A1(q1), 1A2(q2),.., 5A6(q6). Ma trận
biến đổi tọa độ thuần nhất 0AE(q) của khâu thao tác được xác định bởi:
3



b. Quỹ đạo chuyển động của robot
Trước hết ta chọn hệ tọa độ bàn máy kẹp chi tiết gia công, chính là hệ tọa độ của lưỡi
kéo, ký hiệu OdXdYdZd, xác định trong hệ tọa độ cơ sở bởi các tham số x d, yd, zd, rotx,
roty, royz. Với các tham số này, ma trận 0Ad sẽ tính được.
Để các phần tử ma trận dApk tính được theo các hệ phương trình các góc trước , hoặc
góc sau , trong hệ tọa độ kéo OdXdYdZd, ta cho các tọa độ tâm mặt trụ và bán kính mặt
trụ xc, yc, zc, rc, tâm mặt xuyến và bán kính vòng xuyến x e, ye, ze, re, và bán kính vòng tròn
của mặt xuyến rs. Với các tham số đã tính được giải hệ phương trình động học robot (3.8)
ta tính được quỹ đạo chuyển động của robot.
3.2.1.4. Kết quả tính toán và mô phỏng
a. Các thông số tính toán
Bảng 3.3. Bảng giá trị tham số động học DH
Joint
i
 i Joint  i
i
di
ai
di
ai
0
1
0,415 0,160 90
4
0
-900
 4 -0,680
1
2
3


-0,020

0

Bảng 3.4. Tham số định vị hệ tọa độ kéo
xd
yd
zd
rotx roty
royz
1.0
0
0,065
0
0
5/18
Bảng 3.5. Tọa độ tâm và bán kính mặt trụ
xc
yc
zc
rc
-0.54372
-0,01735
0
0,55
Bảng 3.6. Tọa độ tâm, bán kính vòng xuyến và bán kính vòng tròn tiết diện mặt xuyến.
xe
ye
ze

lưỡi kéo và bề mặt đá

Hình 3. 27, 3.28 Mô phỏng quá trình mài mặt trước, mặt
sau của lưỡi cắt của kéo trái bằng robot 5 trục

3.2.3 Mài bằng robot tác hợp
Hệ robot tác hợp (Mechanism of Relative Maipulation MRM) [6,7,16,17,37] được giới
thiệu (Hình 3.29) gồm một robot dụng cụ ba bậc tự do kết hợp với robot đồ gá hai bậc tự
do mang chi tiết gia công. robot dụng cụ ba bậc tự do với hai bậc tự do quay, bậc tự do
thứ ba là chuyển động tịnh tiến của khâu thứ ba mang đá mài. robot đồ gá gồm hai bậc tự
do quay quanh hai trục vuông góc với nhau để tạo hướng cho bề mặt mài. Lưỡi kéo được
kẹp chặt vào mâm kẹp là một khâu của robot đồ gá. Nguyên tắc mài ở đây là đá sẽ di
chuyển dọc theo quỹ đạo là đường lưỡi kéo để thực hiện quá trình mài mặt trước, mặt sau
của LC.

Hình 3. 29 Mô hình mài lưỡi kéo bằng robot tác hợp

Với cùng thông số đầu vào, cho kết quả đầu ra giống như mài trên robot 6, 5 bậc tự
do (hình 3.31), hình 3.32 là vị trí chuyển động của các khâu của robot tác hợp.


19

Bảng 3. 30 Biên dạng đường cong lưỡi cắt
mài bằng robot tác hợp

Bảng 3. 31 Vị trí các khâu theo
thời gian t(s)

3.3 Mài trên trung tâm gia công CNC

Chương 4. THỰC NGHIỆM TẠO MÀI HÌNH LƯỠI CẮT, ĐO LỰC CẮT KÉO MỔ
Y TẾ ĐẦU CONG
Nhằm chứng minh sự phù hợp của hệ phương trình (2.4) xác định đường cong lưỡi cắt
kéo mổ y tế đầu cong; Tính đúng đắn của phương pháp tạo hình các bề mặt tạo nên lưỡi
cắt; Sự khác biệt về lực cắt kéo kéo mẫu thí nghiệm được mài theo luận án với một số kéo
mẫu trên thị trường, từ đó xác định phương án cải thiện tính cắt sắc của kéo, hướng tới cải
thiện chất lượng làm việc của kéo.
4.1 Thiết kế kéo mẫu thí nghiệm
4.1.1 Lựa chọn mẫu kéo mẫu thí nghiệm
4.1.2 TSHH của kéo mẫu thí nghiệm
TSHH của kéo mẫu thí nghiệm được cho như sau:
a. Lưỡi cắt trái 25.160.125 (góc trước  = 25°, bán
kính lòng mo Rm 160mm, bán kính xuyến Rx
125mm). Cung r giữa mặt trước, mặt sau r ≤ 0.02mm. Hình 4.2. Phôi kéo mẫu thí nghiệm
b. Lưỡi cắt phải 25.160.165 (góc trước  = 25°,
bán kính lòng mo Rm 160mm, bán kính xuyến Rx 165mm). Cung r giữa mặt trước, mặt
sau r ≤ 0.02mm.
4.2. Thực nghiệm mài lưỡi cắt
4.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm
4.2.1.1. Chuẩn bị phôi kéo mẫu thí nghiệm
Phôi kéo mẫu thí nghiệm là kéo bán tinh được mua trên thị trường còn đủ lượng dư để
mài tạo hình lưỡi cắt theo các thông số ở mục 4.1.2.
4.2.1.2 Tiến trình gia công lưỡi cắt của kéo
- Gia công mặt trụ Rc trên máy phay CNC;
- Mài bán tinh lòng mo đảm bảo bán kính Rs (để lượng dư 0,1mm);
- Mài mặt trước đảm bảo góc trước  (hình 4.10) trên robot
- Mài lòng mo đảm bảo bán kính Rs;

Hình 4.10. Sơ đồ mài kéo bằng robot
OTC


Hình 4. 19. Biểu đồ so sánh chênh lệch kích thước thiết kế và kích thước thực theo phương z , x
của vế phải mẫu kéo mẫu thí nghiệm

4.4 Thực nghiệm đo lực cắt
4.4.1 Cơ sở lý thuyết về đo lực cắt kéo mổ đầu cong


22
4.4.2 Điều kiện thực nghiệm đo lực cắt
4.4.3 Thiết kế trang thiết bị đo lực cắt
Sơ đồ khối đo lực: Toàn bộ phần cứng của hệ thống được thiết lập, hình 4.22. Gồm đồ
gá , kéo, cảm biến đo lực FUTEK, Bộ khuếch đai, Màn hình hiển thị, phần mềm Dasylab.
Đồ gá và Kéo

Cáp
bọc
DASYLab
11.0

USB

Hình 4.24 Sơ đồ khối phần cứng hệ thống đo lực ba chiều

4.4.4 Thí nghiệm đo lực cắt
+ Dùng các kéo thí nghiệm lắp trên thiết bị đo lực cắt và cùng cắt một mẫu vật liệu
thay thế như nhau. Dùng phần mềm Dasylab để ghi và xử lý kết quả đo, hình 4.26- 4.28

Hình 4. 26 Lực cắt của kéo mẫu Hình 4.27 Lực cắt
thí nghiệm

Xuyến RX
125/165
107/115
125/165

kéo Hình 4.28 Lực cắt kéo moayo
160 (Pakistan 2.3)

Fx
-1.19
0.94
-1.40

F (max) (N)
Fy
Fz
12.89
16.14
19.01

13.88
16.48
51.11

F
tổng
18.98
23.09
54.55


giới để ứng dụng vào mài tạo hình lưỡi cắt trên máy công nghệ cao, xác định TSHH và đo
lực cắt của kéo mẫu thí nghiệm, luận án đã đạt được một số kết quả mới như sau:
1) Đã tìm ra Phương pháp toán học mô hình hóa lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong
bao gồm các phương trình xác định đường cong lưỡi cắt, các phương trình biểu diễn góc
trước, góc sau, mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong, tạo cơ sở khoa học
cho việc thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm mài tự động lưỡi cắt trên các máy công nghệ
cao;
2) Đã sử dụng kỹ thuật ngược để xác định các thông số của phương trình (2.4) và tham
khảo bộ TSHH của lưỡi kéo (do CHLB Đức, Pakistan và Việt Nam sản xuất) đang được
sử dụng phổ biến tại Việt Nam, làm thông số tham khảo để thiết kế cho kéo mẫu thí
nghiệm.
3) Đề xuất sử dụng robot và máy CNC từ 5, 6 bậc tự do thực hiện gia công mài tạo
hình tự động lưỡi cắt; quỹ đạo chuyển động gia công tạo hình được thiết lập cho phép áp
dụng khi gia công bằng robot và máy CNC.
4) Giải thuật và chương trình máy tính cho phép tính toán xác định TSHH của lưỡi cắt
của kéo; mô phỏng quá trình mài tự động mặt trước, mặt sau lưỡi kéo trên các thiết bị
công nghệ tiên tiến như robot và máy CNC; cho phép điều khiển linh hoạt để mài tạo hình
lưỡi kéo với TSHH mong muốn.
5) Các phương pháp thực nghiệm: Quy trình mài lưỡi cắt kéo mẫu thí nghiệm trên
robot 6 trục; Phương pháp xác định TSHH của lưỡi cắt của kéo thực bằng kỹ thuật


24
ngược; Phương pháp đo lực cắt theo 3 phương x, y, z bằng đồ gá chuyên dùng, tích hợp
các cảm biến đo lực.
Ngoài ra đã nghiên cứu và thực nghiệm đo được lực cắt theo 3 phương trong không
gian 3 chiều Fx, Fy, Fz, lực cắt tổng hợp Fmax và so sánh được lực cắt của kéo mẫu thí
nghiệm sau mài với lực cắt của kéo mẫu ngoại nhập (của CHLB Đức & Pakistan), kết quả
cho thấy :
- Đồ thị đo lực cắt của cả 3 loại kéo cùng một bán kính lòng mo (Rs) khảo sát theo 3



25

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Phan Bùi Khôi, Lê Văn Thắm, Bùi Ngọc Tuyên (2013) Nghiên cứu về Lực cắt của
Kéo mổ y tế và biện pháp cải thiện chất lượng làm việc của Kéo; Kỷ yếu hội nghị Cơ khí
toàn quốc lần thứ 3, 2013
2. Phan Bùi Khôi, Bùi Ngọc Tuyên, Lê Văn Thắm (2015) Mô hình hóa hình học lưỡi
cắt của Kéo mổ y tế đầu cong, Tạp chí khoa học công nghệ 109(2015) 061-066;
3. Lê Văn Thắm, Phan Bùi Khôi, Bùi Ngọc Tuyên, Cù Xuân Hùng, Nguyễn Đức
Toàn (2016) Thiết kế quĩ đạo chuyển động của Robot ứng dụng mài kéo mổ y tế đầu cong,
Kỷ yếu hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và tự động hóa, ngày 7-8
tháng 10 năm 2016, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trang 467-473;
4. Phan Bui Khoi, Le Van Tham, Bui Ngoc Tuyen, Do Duc Trung (2017) Application
of the 5-dof robot for grinding the cutting blade of the curved-tip medical surgical scissor,
American Journal of Engineering Research (AJER) 2017 American Journal of
Engineering Research (AJER) e-ISSN: 2320-0847 p-ISSN : 2320-0936 Volume-6, Issue8, pp-103-111 www.ajer.org Research Paper Open Access.
5. Phan Bui Khoi, Le Van Tham, Bui Ngoc Tuyen, Về một giải pháp mài lưỡi cắt kéo
mổ y tế đầu cong bằng Robot tác hợp (2017). Tuyển tập công trình khoa học, Hội nghị cơ
học toàn quốc lần thứ X, ngày 8-9/12/2017, Tập 1. Động lực học và điều khiển, Cơ học
máy, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ, trang 1013 -1026 (Đã thẩm định và
được chấp nhận đăng).