Máy kéo cột sống

Giới thiệu

Tổng quan đề tài

Bệnh cột sống đang ngày càng phổ biến, không chỉ ở người già mà còn ở người trẻ do thói quen ăn uống không hợp lý và lối sống ít vận động Các bệnh như thoái hóa cột sống và thoát vị đĩa đệm đang gia tăng, đòi hỏi cần có biện pháp hạn chế và phục hồi chức năng cột sống Bên cạnh việc bổ sung dinh dưỡng và điều trị y tế, vật lý trị liệu là phương pháp hiệu quả trong việc chữa trị các bệnh cột sống Hiện nay, việc tập luyện có thể diễn ra dưới sự hướng dẫn của các điều trị viên hoặc thông qua các thiết bị chuyên dụng Tôi muốn thiết kế và thi công máy kéo cột sống, một thiết bị hỗ trợ vật lý trị liệu có thể sử dụng tại bệnh viện cũng như tại nhà.

Mục đích sử dụng máy kéo cột sống là giảm căng thẳng và mệt mỏi do công việc, đồng thời giảm triệu chứng đau và thoái hóa cột sống Đề tài "Thiết kế máy kéo cột sống cổ - cột sống thắt lưng" yêu cầu nghiên cứu nguyên lý hoạt động của máy, phân tích các yếu tố chế tạo và định hướng sản phẩm Máy cần đảm bảo chức năng hoạt động đúng yêu cầu và đặc biệt chú trọng đến tính an toàn để bảo vệ người sử dụng khỏi chấn thương nguy hiểm.

Mục tiêu đề tài Error! Bookmark not defined 1.3 Nội dung đề tài

Nghiên cứu và điều khiển máy kéo cột sống được điều chỉnh phù hợp với từng giai đoạn luyện tập của bệnh nhân, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình tập luyện Điều này không chỉ mang lại sự yên tâm mà còn tạo cảm giác thoải mái cho bệnh nhân khi sử dụng thiết bị.

Các bài tập phục hồi chức năng cho cột sống cần được thực hiện đúng cách để đảm bảo hiệu quả và không gây hại cho sức khỏe bệnh nhân Tùy thuộc vào phác đồ điều trị, bác sĩ sẽ điều chỉnh lực kéo, vận tốc kéo và chu kỳ tập luyện một cách phù hợp.

1.3 Nội dung của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế cơ khí

Chương 4: Hệ thống điều khiển

Chương 5: Kết quả và thực nghiệm

Chương 6: Đánh giá và kết luận

Thiết kế đầu máy kéo cột sống cổ- cột sống thắt lưng điều khiển bằng 2 phương pháp : tùy chỉnh trực tiếp trên máy hoặc qua wifi.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu về việc lựa chọn phương án thiết kế và tính toán các thành phần cơ khí Bên cạnh đó, chúng tôi sẽ tìm hiểu và lập trình máy hoạt động theo các bài tập được quy định theo phương pháp PHCN-VTTL Cuối cùng, chúng tôi sẽ kiểm nghiệm máy để đảm bảo hoạt động đúng với lực kéo, thời gian, ổn định các thông số trong quá trình hoạt động và đảm bảo an toàn cho người tập.

Giới thệu đề tài

2.1 Giới thiệu về cột sống và các đặc tính sinh học của cột sống.

Cột sống, hay xương sống, trong giải phẫu người bao gồm 33 đốt sống, xương cùng, các đĩa điệm cột sống và xương cụt, nằm ở phía lưng và tách biệt bởi các đĩa cột sống Cột sống không chỉ chứa mà còn bảo vệ tủy sống bên trong ống tủy sống.

Hình 2.1 Cấu tạo cột sống.[1]

2.1.2 Cấu trúc của cột sống.

Người trưởng thành có 33 đến 35 đốt sống

Các đốt sống được phân loại theo vùng và vị trí, bắt đầu từ phần cổ (cervical) với 7 đốt sống (C1–C7) Trong đó, C1 được gọi là "atlas", hỗ trợ đầu, C2 là "trục", và C7 là đốt sống cổ nhỏ hay đốt sống cổ thứ 7 Đáng lưu ý, quá trình hình thành gai đốt sống không xảy ra ở C1 và C7, và chỉ có đốt sống cụt có lỗ ngang Thêm vào đó, các đốt sống cổ có thân nhỏ.

sở lý thuyết

Giới thiệu về cột sống và các đặc tính sinh học của cột sống

Cột sống, hay còn gọi là xương sống, trong giải phẫu người bao gồm 33 đốt sống, xương cùng, các đĩa điệm cột sống và xương cụt Cột sống nằm ở phía lưng, được tách biệt bởi các đĩa cột sống và có chức năng chứa và bảo vệ tủy sống bên trong ống tủy sống.

Hình 2.1 Cấu tạo cột sống.[1]

2.1.2 Cấu trúc của cột sống.

Người trưởng thành có 33 đến 35 đốt sống

Các đốt sống được phân loại theo vùng và vị trí, bao gồm 7 đốt sống cổ (C1–C7), trong đó C1 được gọi là "atlas" nâng đỡ đầu, C2 là "trục", và C7 là đốt sống cổ nhỏ Gai đốt sống chẻ đôi không hình thành ở C1 và C7, và chỉ có đốt sống cụt có lỗ ngang Đặc điểm nổi bật của các đốt sống cổ là thân nhỏ và sự hiện diện của các mặt (khớp) biên để kết nối với phần đầu của các xương sườn, với kích thước đốt trung bình nằm giữa đốt sống lưng và cổ.

Phần thắt lưng(lumbar): 5 đốt (L1–L5) oCó kích thước lớn. okhông có các mặt khớp biên cũng không có hình thành lỗ ngang Đốt sống cùng (pelvic): 5 (hợp nhất) đốt (S1–S5).

Xương cụt: 4 (3–5) (hợp nhất) đốt (xương đuôi).[2]

2.1.3 Vai trò của cột sống.

Cột sống, bao gồm các đốt xương sống, là chuỗi khớp xương kết nối thân với đầu và các chi, giúp con người vận động linh hoạt và thoải mái Đồng thời, cột sống cũng bảo vệ tủy sống, phần tiếp theo của não bộ, nơi xuất phát của các rễ thần kinh điều khiển mọi hoạt động của cơ thể.

Cột sống, xương sườn và xương chậu tạo nên khung xương vững chắc cho cơ thể, giúp các cơ bám vào và bảo vệ các nội tạng quan trọng trong lồng ngực và ổ bụng.

Cột sống có hình dạng gần giống chữ S với hai đoạn ưỡn ở cổ và thắt lưng, cùng một đoạn gù ở ngực Hình dáng này giúp phân tán lực tác động lên cơ thể, cột sống và hai chân nhờ vào sự hoạt động của các đĩa đệm.

Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các đốt sống, dây chằng và cơ bắp cùng với khả năng thay đổi hình dạng của các đĩa đệm tạo nên sự linh hoạt và đa dạng trong vận động của cột sống.

Các bệnh thường gặp của cột sống

Vì giữ nhiều chức năng quan trọng trong các vận động, vì thế cột sống có thể mắc phải rất nhiều các bệnh lý như:

Bệnh thoái hóa cột sống thường gặp ở người trên 30 tuổi, là quá trình lão hóa tự nhiên của cơ thể, bị ảnh hưởng bởi lao động quá sức, dinh dưỡng không hợp lý và lối sống ít vận động Tổn thương chủ yếu xảy ra ở sụn và xương dưới sụn, dẫn đến cơn đau tại các vị trí như cổ, gáy và thắt lưng Cơn đau này thường xuất hiện thoáng qua, sau đó tăng dần, gây cảm giác khó chịu và có thể dẫn đến biến dạng cột sống, làm dáng đi không bình thường và lưng còng.

Hình 2.2 Thóa hóa đốt sống cổ[4].

Người bệnh thường xuyên cảm thấy mệt mỏi và mất ngủ, dẫn đến hiệu quả làm việc kém và giảm chất lượng cuộc sống Khi bệnh tiến triển nặng, cơn đau xuất hiện nhiều hơn, gây cảm giác nhói buốt và lan tỏa đến các vùng khác như vai, thần kinh tọa, hông, đùi, cẳng chân và bàn chân, thậm chí khiến người bệnh không thể đi lại được.

Bệnh thoát vị đĩa đệm là một trong những bệnh lý phổ biến nhất liên quan đến cột sống Đĩa đệm đóng vai trò quan trọng trong việc giảm sốc và tạo sự linh hoạt cho cột sống Tuy nhiên, khi cột sống bị thoái hóa, các thành phần như sụn và xương dưới sụn bị tổn thương, dẫn đến các triệu chứng đau đớn Người bệnh thường cảm thấy đau khi nằm nghiêng, và cơn đau có thể tăng lên khi ho hoặc đi đại tiện Nếu cơn đau lan xuống vùng mông và đùi, có thể kèm theo triệu chứng tê, teo cơ và yếu liệt ở các chi.

Theo tiêu chuẩn của Arseni K, 1973 thì bệnh thoát vị đĩa đệm cột sống có 4 giai đoạn:

 Giai đoạn I: Đĩa đệm lồi ra.

 Giai đoạn II: Hội chứng thắt lưng hông dương tính, kích thích rễ thần kinh.

 Giai đoạn III: Khối thoát vị lồi hẳn ra ngoài chèn ép vào rễ thần kinh.

– Giai đoạn IIIa: mất một phần dẫn truyền thần kinh.

– Giai đoạn IIIb: mất hoàn toàn dẫn truyền thần kinh.

 Giai đoạn IV: đĩa đệm thoát ra ngoài rất nặng, cơn đau thắt lưng dai dẳng khó phục hồi.

Hình 2.3 Các trường hợp bệnh liên quan đến đĩa đệm[7].

Bệnh thoái hóa đĩa đệm

Thoái hóa đĩa đệm là quá trình lão hóa tự nhiên của đĩa đệm, chịu tác động từ thời gian và áp lực trong sinh hoạt hàng ngày Sụn đĩa đệm nhanh chóng xuống cấp, dẫn đến mất độ đàn hồi, tính linh hoạt và khả năng chống sốc cho cột sống Tình trạng này khiến cột sống trở nên cứng nhắc, hạn chế chuyển động và gây đau đớn Ở giai đoạn đầu, cơn đau chỉ xuất hiện tại vị trí đĩa đệm bị thoái hóa, nhưng nếu không được điều trị kịp thời, cơn đau có thể lan ra các khu vực khác như mông, đùi và bàn chân, làm giảm khả năng vận động và có thể dẫn đến tàn phế.

Hình 2.4 Bệnh vẹo cột sống.[9]

Vẹo cột sống là một bệnh lý phổ biến hơn nhiều người nghĩ, với nhiều người mắc phải tại Việt Nam Bệnh có thể xảy ra ở mọi lứa tuổi và đối tượng, dẫn đến sự biến đổi cấu trúc của cột sống, khiến nó bị uốn cong không theo đường cong sinh lý bình thường Dấu hiệu nhận biết dễ nhất của bệnh là sự không cân xứng giữa hai vai, với một bên cao hơn bên còn lại.

2.3 Quy trình thực hiện phục hồi chức năng và điều trị.

Các bệnh về cột sống chủ yếu ảnh hưởng đến hai khu vực chính là cột sống cổ (C1-C7) và cột sống thắt lưng (L1-L5) Do đó, việc điều trị nhằm phục hồi chức năng và giảm triệu chứng liên quan đến các bệnh cột sống tập trung chủ yếu vào hai vùng này.

Nội dụng quy trình thực hiện được tóm tắt như sau:

Hình 2.5 Quy trình phục hồi chức năng. a Nguyên tắc phục hồi chức năng và điều trị các bệnh cột sống:

- Giảm đau, giảm co rút cứng cơ.

- Phục hồi tầm vận động cột sống thắt lưng.

- Phục hồi hoạt động các chức năng hằng ngày.

Trong quá trình điều trị nội khoa kéo dài, bác sĩ sẽ thường xuyên theo dõi các chỉ định để quyết định thời điểm cần thiết cho điều trị ngoại khoa Bên cạnh đó, các phương pháp và kỹ thuật phục hồi chức năng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ bệnh nhân hồi phục sức khỏe.

- Điều trị bằng nhiệt vùng thắt lưng: Có thể chọn một trong các phương pháp nhiệt sau: Hồng ngoại Đắp paraphin hoặc bùn khoáng Từ trường nhiệt.

- Điện phân dẫn thuốc chống viêm giảm đau như Natrisalicylat 3% đặt tại vùng cột sống thắt lưng.

- Siêu âm hoặc siêu âm dẫn thuốc chống viêm giảm đau dòng xung liều dọc vùng cơ hai bên cạnh cộtsống.

Kéo giãn cột sống thắt lưng có thể thực hiện ngắt quãng hoặc liên tục để giảm đau và cải thiện sức khỏe Để hỗ trợ điều trị, cần điều chỉnh chế độ ăn uống hợp lý và giữ ấm cho vùng thắt lưng, đặc biệt trong mùa đông Ngoài ra, nên nghỉ ngơi và tránh các tư thế vận động đột ngột để bảo vệ cột sống.

2.4 Phương pháp kéo giãn cột sống:

2.4.1 Các chế độ kéo dãn cột sống: a Chế độ kéo liên tục

Chế độ kéo liên tục là phương pháp mà lực kéo tác động ổn định lên một vùng cột sống trong suốt quá trình điều trị, thường được áp dụng cho trường hợp đau cấp tính khi các cơ cạnh sống bị co cứng Các phương pháp này giúp giảm đau và cải thiện tình trạng cơ bắp.

Kéo giãn bằng trọng lực trên bàn dốc sử dụng một đai cố định để giữ nách, ngực hoặc đầu bệnh nhân vào tấm ván nghiêng Lực kéo chủ yếu đến từ trọng lượng của bệnh nhân, có thể điều chỉnh thông qua độ dốc của tấm ván Lực này được phân bố đều từ vị trí cố định xuống dưới và mang tính định lượng tương đối, phụ thuộc vào khả năng chịu đựng và trọng lượng của bệnh nhân.

Kéo giãn bằng lực đối trọng là phương pháp kéo giãn liên tục sử dụng trọng lực Phần cột sống cần kéo sẽ được kết nối với đai kéo và dây kéo, sau đó thông qua một ròng rọc nối với hệ thống trọng lực để tạo ra lực kéo theo yêu cầu.

Hình 2.6 Kéo cột sống bằng phương pháp đối trọng[12].

Kéo liên tục bằng máy kéo: Là phương pháp sử dụng chế độ kéo liên tục của b Chế độ kéo ngắt quãng

Kéo ngắt quãng là chế độ điều trị cho phép lực kéo thay đổi trong quá trình thực hiện, nhằm giảm thiểu mỏi cơ và căng thẳng cho cột sống Phương pháp này thường được áp dụng cho những bệnh nhân mắc chứng đau mạn tính với tình trạng cơ cứng nhẹ Các kiểu kéo ngắt quãng có thể được áp dụng linh hoạt tùy theo nhu cầu điều trị.

Kéo ngắt quãng không có lực nền hoặc lực nền bằng 0 gây ra sự thay đổi lớn về lực trong quá trình kéo, điều này có thể khiến cột sống không có đủ thời gian để thích nghi.

Kéo ngắt quãng có lực nền là phương pháp hợp lý nhất cho cột sống, giúp đảm bảo thời gian nghỉ hợp lý và hạn chế sự thay đổi lực quá mức.

Hình 2.7 Kéo cột sống ngắt quãng bằng máy kéo hiện đại[15]. 2.4.2 Phương pháp kéo dãn cột sống. a Đối với cột sống cổ

Trên hộp sọ, thiếu các ụ nhô để khung treo bám vào, nên thường sử dụng hai vị trí tỳ: tay kéo dài phía trước tỳ vào xương hàm dưới và tay kéo ngắn phía sau tỳ vào xương chẩm.

Phần cơ thể phía dưới có thể không cần cố định hoặc có thể dùng hai điểm tỳ cố định ở trên vai.[16]

Hình 2.8 Kéo cột sống cổ.[17]

Phương kéo theo mặt phẳng trước sau: chọn phương kéo sao cho làm cột sống hơi gấp ra trước 20-30 0 , làm mở rộng lỗ tiếp hợp.

Phương pháp kéo dãn cột sống

Để bảo vệ sức khỏe cột sống, cần điều chỉnh chế độ ăn uống hợp lý và giữ ấm cho vùng thắt lưng, đặc biệt là trong mùa đông Ngoài ra, nên nghỉ ngơi và tránh các tư thế vận động đột ngột để giảm nguy cơ chấn thương.

2.4 Phương pháp kéo giãn cột sống:

2.4.1 Các chế độ kéo dãn cột sống: a Chế độ kéo liên tục

Chế độ kéo liên tục là phương pháp tác động không thay đổi lên một vùng cột sống, thường được áp dụng trong trường hợp đau cấp tính khi các cơ cạnh sống bị co cứng Các phương pháp trong chế độ này giúp giảm đau và thư giãn cơ bắp hiệu quả.

Kéo giãn bằng tự trọng trên bàn dốc là phương pháp sử dụng một đai cố định ở nách, ngực hoặc đầu bệnh nhân gắn vào một tấm ván nghiêng Lực kéo chủ yếu đến từ trọng lượng của bệnh nhân, và lực này có thể được điều chỉnh thông qua độ dốc của tấm ván Lực được phân bố đều từ vị trí cố định xuống dưới, mang tính định lượng tương đối và phụ thuộc vào khả năng chịu đựng cũng như trọng lượng của bệnh nhân.

Kéo giãn bằng lực đối trọng là phương pháp kéo giãn liên tục sử dụng trọng lực Cột sống cần kéo được kết nối với đai và dây kéo, sau đó thông qua ròng rọc kết nối với hệ thống trọng lực để tạo ra lực kéo theo yêu cầu.

Hình 2.6 Kéo cột sống bằng phương pháp đối trọng[12].

Kéo liên tục bằng máy kéo: Là phương pháp sử dụng chế độ kéo liên tục của b Chế độ kéo ngắt quãng

Chế độ kéo ngắt quãng là phương pháp điều trị giúp điều chỉnh lực kéo trong quá trình thực hiện, nhằm giảm thiểu tình trạng mỏi cơ và căng thẳng kéo dài cho cột sống Phương pháp này thường được áp dụng cho những trường hợp đau mạn tính với mức độ cơ cứng cơ nhẹ Kéo ngắt quãng có nhiều kiểu khác nhau để phù hợp với từng nhu cầu điều trị.

Kéo ngắt quãng không có lực nền hoặc với lực nền bằng 0 dẫn đến sự thay đổi lớn về lực trong quá trình kéo, điều này có thể khiến cột sống không kịp thích nghi.

Kéo ngắt quãng có lực nền là phương pháp tối ưu cho sức khỏe cột sống, giúp cột sống có thời gian nghỉ ngơi hợp lý mà không bị thay đổi lực quá nhiều.

Hình 2.7 Kéo cột sống ngắt quãng bằng máy kéo hiện đại[15]. 2.4.2 Phương pháp kéo dãn cột sống. a Đối với cột sống cổ

Trên hộp sọ, thiếu các ụ nhô để khung treo bám vào, nên thường sử dụng hai vị trí tỳ: tay kéo dài phía trước tỳ vào xương hàm dưới và tay kéo ngắn phía sau tỳ vào xương chẩm.

Phần cơ thể phía dưới có thể không cần cố định hoặc có thể dùng hai điểm tỳ cố định ở trên vai.[16]

Hình 2.8 Kéo cột sống cổ.[17]

Phương kéo theo mặt phẳng bên – bên có thể thực hiện bằng cách kéo thẳng hoặc kéo nghiêng từ bên không đau, với góc nghiêng khoảng 10-15 độ, nhằm mở rộng lỗ tiếp hợp bên đau.

Hình 2.9 Kéo cột sống thắt lưng.[19]

Khi thực hiện kỹ thuật kéo giãn cột sống cổ, việc điều chỉnh độ dốc tăng giảm lực một cách từ từ là rất quan trọng để tránh kích thích chuỗi hạch giao cảm, có thể dẫn đến các triệu chứng như tăng nhịp tim và chóng mặt Cột sống cổ rất nhạy cảm và dễ bị tổn thương, do đó việc giảm lực chậm rãi giúp bảo vệ cột sống và hạn chế các phản ứng không mong muốn.

Lực kéo cột sống cổ nên được thiết lập trong khoảng 10%-30% thể trọng của bệnh nhân để đạt hiệu quả tối ưu Bắt đầu với 15% thể trọng và tăng dần từ 0,5-1kg cho đến khi đạt khoảng 20% thể trọng, sau đó duy trì lực kéo này cho đến khi kết thúc đợt điều trị Cần căn cứ vào tình trạng sức khỏe của bệnh nhân để điều chỉnh lực kéo, với mục tiêu tạo cảm giác căng vừa phải và dễ chịu Trong trường hợp co cứng cơ nhiều, có thể sử dụng lực kéo cao ngay từ đầu để đạt hiệu quả giãn cơ tốt hơn, sau đó giảm lực kéo khi bệnh nhân cảm thấy đỡ đau Thời gian kéo nên từ 15-20 phút cho mỗi lần, và thực hiện trong khoảng 15-20 ngày.

Ngoài ra, theo sản phẩm máy hiện của Hill Labotary(Hoa Kỳ), lực kéo bằng

10lbs-30 lbs (khoảng 4,5 kg-13,5kg).

 Các tư thế kéo cột sống.

Kéo giãn cột sống cổ bằng trọng lực là phương pháp sử dụng trọng lượng cơ thể kết hợp với dây kéo cố định ở vị trí cao và phía trước ghế Bệnh nhân ngồi hoàn toàn thư giãn, với thắt lưng gấp, hai chân duỗi thẳng và hai tay để sát thân Thời gian kéo thường là 5 phút mỗi ngày Ban đầu, bệnh nhân nên thực hiện tại cơ sở y tế để làm quen, sau đó có thể tự tiến hành tại nhà.

Kéo giãn cột sống cổ khi ngồi là phương pháp điều trị hiệu quả, trong đó bệnh nhân ngồi thoải mái trên ghế với phương kéo nghiêng ra trước từ 20-30 độ, giúp cột sống hơi gấp Tuy nhiên, phương pháp này có thể khiến bệnh nhân cảm thấy lo lắng và không thoải mái, dẫn đến nguy cơ tai biến như choáng trong quá trình kéo.

Kéo giãn cột sống cổ trong tư thế nằm giúp bệnh nhân cảm thấy thoải mái, với phương kéo nghiêng 20-30 độ so với mặt giường để cột sống cổ hơi gấp Tư thế này mang lại sự thoải mái và không gò bó cho bệnh nhân trong quá trình kéo Đối với cột sống thắt lưng, việc thực hiện kéo giãn cũng cần chú ý đến tư thế để đạt hiệu quả tối ưu.

Trên hộp sọ, các ụ nhô để khung treo bám vào rất hiếm, vì vậy thường sử dụng hai vị trí tỳ: tay kéo dài phía trước dựa vào xương hàm dưới và tay kéo ngắn phía sau dựa vào xương chẩm.

Phần cơ thể phía dưới có thể không cần cố định hoặc có thể dùng hai điểm tỳ cố định ở trên vai.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

2.5.1 Các nghiên cứu ngoài nước: a Máy kéo INDOTRAC của HMS(Ấn Độ):

Chương trình kéo giãn theo chu kỳ và kéo dãn liên tục rất hiệu quả trong việc điều trị cột sống Nó cho phép điều chỉnh thời gian luyện tập và hiển thị thời gian giữ và thả bằng hai đèn LED 7 đoạn, giúp người dùng dễ dàng theo dõi quá trình điều trị.

Theo dõi điều trị bằng thời gian thực kỹ thuật số Thời gian giữ: 20s, 40s, 60s, 80s.

Thời gian luyện tập :0-99 phút Lực kéo dãn :5-120kg.

Cuối chu trình luyện tập, việc thông báo và tự động giảm dần lực tác động là rất quan trọng Công tác an toàn được thực hiện nhằm bảo đảm an toàn cho bệnh nhân trong trường hợp có sự cố Máy kéo cột sống lưng và đốt sống cổ BTL-16 PLUS từ Cộng hòa Séc là một thiết bị hỗ trợ hữu ích trong quá trình điều trị.

Hình 2.11Máy kéo cột sống lưng và đốt sống cố BTL 16-PLUS.[25]

Các đặc điểm của máy:

Chương trình máy kéo liên tục và kéo ngắt quảng phù hợp với điều trị bệnh cột sống lưng và đốt sống cổ.

Hiển thị thời gian luyên tập, thời gian giữ, thời gian thả với các Led số.

Cài đặt chương trình luyện tập với thời gian thực kỹ thuật số.

Để xây dựng một chương trình luyện tập an toàn, cần thiết phải tích hợp nút dừng khẩn cấp, âm thanh thông báo khi kết thúc chương trình tập, cùng với âm thanh cảnh báo khi nút dừng khẩn cấp được nhấn.

Máy còn được sử dụng chung với giường điều trị BTL 1100.[26] c Máy kéo giãn TM-400 ITO (Nhật Bản).

Hình 2.12 Máy kéo cột sống ITO[27]. Đặc điểm của máy:

Màn hình LCD rộng và dễ quan sát hỗ trợ hiển thị bằng 10 ngôn ngữ khác nhau Sản phẩm cung cấp 8 dạng kéo giãn, bao gồm kéo ngắt quãng, kéo liên tục, kéo tăng dần, kéo giảm dần, kéo theo chu kỳ và dạng kết hợp, mang lại sự linh hoạt cho người sử dụng.

Tốc độ kéo có thể chọn trong 5 giá trị 1:1, 1:2, 1:4, 1:6, 1:8 tùy theo tình trạng bệnh nhân.

Số bước tăng giảm trong mỗi dạng kéo có thể lực chọn từ 2 đến 9 bước với thời gian nghỉ mỗi bước từ 2 đến 20 giây.

Bộ nhớ cho phép cài đặt tối đa 30 chương trình, giúp tránh nhầm lẫn khi thiết lập tham số cho bệnh nhân và tăng tốc quá trình chuẩn bị kéo Hệ thống tự động điều chỉnh lực kéo để đảm bảo luôn duy trì lực kéo đã được thiết lập.

Trong quá trình luyện tập, giá trị và giá trị lực kéo được hiển thị liên tục trên màn hình Giường kéo giãn cột sống NIKITA-YH0013 từ Nhật Bản mang đến trải nghiệm hiệu quả cho người sử dụng.

Hình 2.13Giường kéo giãn cột sống NIKITA-YH0013.[29] Đặc điểm của máy:

Chiều dài có thể thay đổi : 1,4-1,9 m Điều chỉnh lực kéo nhờ tay quay.

Kết cấu cơ khí khá đơn giãn.

Người tập tự cảm nhận giới hạn lực cần thiết và tự điều chỉnh hoặc nhờ điều trị viên hỗ trợ.[30]

2.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước. a Máy M-01 của Ths Lê Phạm Bá Khánh. Đây là sản phẩm do tự tác giả thiết kế và chế tạo ra sản phẩm Máy khá khác so với các sản phẩm máy kéo tự động hiện nay Phương pháp kéo được áp dụng ở đây là kéo đối trọng.

Hình 2.14 Máy kéo cột sống M-01 Nguồn:VNExpress. Đặc điểm của máy:

Kéo bằng phương pháp đối trọng, lựa chọn mức tạ phù hợp.

Có các chế độ kéo liên tục và kéo ngắt quảng. Điều khiển giao tiếp qua nút nhấn và hiển thị các thông số thời gian qua led 7 đoạn.

Thiết kế máy cứng cáp gồm phần cố định và phần di động. b Máy tăng chiều cao TVF3042(Việt Nam):

Hình 2.15 Máy tăng chiều cao TVF3042.[31] Đặc điểm của máy:

Sử dụng máy theo nguyên lý kéo giãn ngược. Điều chỉnh lực góc nghiêng của máy

Người tập tự cảm nhận an toàn khi tập.

Các thiết bị cơ khí đơn giản, giá thành rẻ.

2.6 Lựa chọn loại máy thiết kế.

Sau khi nghiên cứu các máy đã được phát triển, nhóm đã tổng hợp được một số phương án thiết kế, trong đó có phương án 1: Sử dụng sức nặng của con người để thực hiện việc kéo.

Hình2.16 Sơ đồ nguyên lý dùng tạ cát để kéo.

3 Các puly dẫn hướng của lực kéo.

Người tập thực hiện các bước cần thiết để tạo lực kéo, trong khi điều trị viên sẽ từ từ đặt các tạ cát lên tấm lót tạ cát nhằm tăng cường lực kéo Tốc độ kéo sẽ phụ thuộc vào tốc độ mà điều trị viên đặt tạ lên tấm lót, và sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được lực kéo phù hợp Ngoài ra, có thể tạo lực kéo bằng sức nước theo sơ đồ nguyên lý đã được thiết lập.

Hình 2.17 Tạo lực kéo bằng sức nước.

2 Đường ống dẫn nước vào.

3 Đường ống dẫn nước ra.

Sau khi hoàn tất các bước chuẩn bị, người dùng tương tác với bộ điều khiển để bơm nước từ bình chứa ngoài vào bình chứa chính, tạo ra lực kéo Lực kéo này sẽ tăng dần khi lượng nước được bơm vào cho đến khi đạt mức đã cài đặt, lúc này bơm sẽ ngừng hoạt động Khi không còn muốn kéo nữa, người dùng sẽ xả nước trở lại bình cũ qua ống dẫn nước Phương án 3 cho phép người dùng tự tạo lực kéo bằng trọng lực cơ thể.

Hình 2.18 Phương pháp tự kéo bằng trọng lực.

Sau khi chuẩn bị cho việc tập, người tập sẽ đứng lên máy và nghiêng người về phía sau Khi góc mở từ 90 độ đến 180 độ, lực tác động kéo dãn cột sống sẽ tăng dần Ở vị trí 180 độ, người tập sẽ hướng đầu xuống đất, lúc này lực kéo đạt mức lớn nhất Phương án 4 liên quan đến giường di chuyển.

Sau khi hoàn tất các bước chuẩn bị, người tập sẽ chọn chế độ luyện tập phù hợp Khi chế độ được chọn, phần di chuyển của giường sẽ tự động di chuyển ra xa, tùy thuộc vào lực mà người tập đã chọn Động cơ điện sẽ điều khiển phần di động của giường để đạt được lực mong muốn và duy trì trạng thái này cho đến khi người tập ngừng luyện Phương án 5 đề xuất sử dụng động cơ điện điều khiển số để tối ưu hóa quá trình luyện tập.

Hình 2.20 Sử dụng động cơ điện có điều khiển số.

Sau khi hoàn tất các bước chuẩn bị luyện tập, người tập chọn mức kéo phù hợp Cơ điện sẽ truyền động qua các bánh răng đến trục chứa tang quấn dây Tang quấn thu dây qua các trục puly và puly chứa loadcell, tạo ra lực kéo.

Bảng 2.1 Tổng hợp ưu nhược điểm của các phương án thiết kế.

Sử dụng tạ cát để kéo

 Lực kéo phụ thuộc vào các tạ có sẵn không thể điều chỉnh nhiều.

 Không th ể thực hiện chế độ kéo ngắt quãng, lực kéo luôn căng cho đến khi lấy tạ xuống khỏi tấm lót tạ.

Tạo lực kéo bằng  sức nước

 Giá thành tương đố i rẻ.

Tự tạo lực bằng trọng lượng cơ thể

Sử dụng động cơ điện điều khiển số

Nhóm đã quyết định chọn phương án số 5 cho thiết kế vì nó có nhiều ưu điểm nổi bật, đặc biệt là khả năng thực hiện các bài tập phục hồi chức năng đúng chuẩn Phương án này cho phép cài đặt và điều khiển trọng lượng luyện tập một cách chính xác, từ đó nâng cao hiệu quả luyện tập.

2.7.1 Yêu cầu về lực kéo. Đối với cột sống cổ: Lực kéo bằng 10% thể trọng đủ để thắng được áp lực gian đốt, khi tăng lực đến 30% trọng lượng cơ thể thì độ giãn của khoang gian đốt cột sống cổ đạt tối đa, khi đó nếu có tăng lực thêm nữa thì khoang gian đốt cũng không giãn thêm Thông thường lực kéo cột sống cổ trong khoảng từ 4,5kg đến 13,5 kg. Đối với cột sống thắt lưng: Thông thường hay sử dụng lực kéo tối đa bằng 2/3 trọng lượng cơ thể Với phương pháp kéo ngắt quãng, sử dụng lực kéo nền bằng khoảng 1/3 đến 1/2 thể trọng. Đối với cần nặng của người Việt, theo VNEXPRESS ,nam giới cân nặng trung bình 58 kg và nữ là 45 kg Đương nhiên đó chỉ là cân nặng trung bình và chúng ta không thể lấy cân nặng này để làm lực kéo tối đa cho máy nên nhóm quyết định lựa chọn cân nặng tối đa đối với người tập máy là 100 kg Việc chọn cân nặng nhằm xác định được lực cần kéo cho bệnh nhân, vậy lực kéo mà máy kéo tối đa là 50kg Giới hạn người tập 100 kg không ảnh hưởng nếu người tập vượt quá số kilogram trên vì lực kéo có thể di động trong khoảng từ 0-50 kg nên vẫn có thể đáp ứng được lực kéo nếu bệnh nhân cần trong khoảng trên.

Kết luận: Vậy lực kéo để thực hiện cho các bài tập là 500N.

2.7.2 Yêu cầu về phương kéo.

Lựa chọn máy thiết kế

3.1 Thông số đầu vào. Đầu tiên, để thực hiện các thiết kế cơ khí, nhóm đã tổng hợp lại các yêu cầu thiết kế ban đầu như sau:

Bảng 3.1 Tổng hợp yêu cầu thiết kế cơ khí.

Các đại lượng yêu cầu

Ngoài ra, các yếu tố phụ khác cũng ảnh hưởng để việc thiết kế như

Giảm đáng kể tiếng ồn của máy vì đây là máy sử dụng trong y tế.

Kích thước máy thon gọn, dễ sử dụng. Đặc biệt phải thay đổi được hướng kéo của máy.

Phác họa sơ đồ kết cấu:

Hình 3.1 Sơ đồ kết cấu.

Bánh răng (1) là bánh răng chủ động, được gắn trực tiếp lên trục động cơ, trong khi bánh răng (2) và bánh răng (3) là bánh răng tải, được lắp đặt trên trục của tang kéo.

Thiết kế cơ khí Error! Bookmark not defined.7 3.1.Thông số đầu vào Error! Bookmark not defined.7 3.2 Lựa chọn, bố trí loadcell Error! Bookmark not defined.8 3.3 Lựa chọn giải pháp truyền động

Tính chọn tang quấn Error! Bookmark not defined.3 3.6 Chọn động cơ Error! Bookmark not defined 3.7 Thiết kế bánh răng Error! Bookmark not defined.7

Momen xoắn lớn nhất của trục ra của bộ động cơ

Tốc độ lớn nhất của động cơ đạt được

Công suất Điện áp của động cơ

Vậy động cơ thỏa yêu cầu đặt ra trong việc yêu cầu tính toán thiết kế máy

Bảng 3.7 Thông số truyền động của các trục.

3.7.1 Chọn vật liệu và xác định ứng suất cho phép

Chọn vật liệu 2 cấp bánh răng như sau:

Cụ thể theo bảng 6.1 tài liệu [TKDDCK1] chọn:

Bánh nhỏ: Thép C45 tôi cải thiện đạt độ rắn

HB = 245, có b1 = 850 MPa, ch1 = 580 MPa

Bánh lớn: Thép 45 tôi cỉa thiện đạt đọ rắn

HB = 230, có b2 = 750 MPa, ch2 = 450 Mpa

Theo bảng 6.2 tài liệu TKDDCK1 thép C45 tôi cải thiện đạt độ rắn HB = 180 350.

Chọn độ rắn bánh nhỏ HB 1 = 245, độ rắn bánh lớn HB 2 = 230.

Theo công thức 6.5 tài liệu [TKDDCK1]:

N HE2 > N HO2 do đó K HL2 = 1

Như vậy theo sơ bộ xác định được:

Với cấp nhanh sử dụng răng thẳng: [ H

Với cấp chậm sử dụng răng nghiêng.

Theo bảng 6.4 tài liệu TKDDCK1 ta xác định được m F = 6

Thấy N FE2 > N F0 do đó K FL2 = 1

Theo 6.2a tài liệu TKDDCK1 bộ truyền quay một chiều nên K FC = 1. Ứng suất quá tải cho phép theo 6.13 và 6.14 tài liệu [TKDDCK1].

3.7.2 Xác định các thông số ăn khớp

Số răng bánh nhỏ:Z 1 =Z 2= 24răng

Số răng bánh lớn: Z 3 rrăng

Tỷ số truyền thực sẽ là:

3.7.3 Các thông số bộ truyền.

Góc profin gốc:20 0 (theo TCVN 1065 – 71)

Theo bảng 6.1 tài liệu [TKDDCK1] ta xác định được: Đường kính vòng chia: d 1 m. d 3 m cos z 3

1 90(mm) Đường kính đỉnh răng: d a1 = d 1 + 2.m = 30+ 2.1,25 = 32,5(mm) d a2 = d 2 + 2.m = 90 + 2.1,25 = 92,5(mm) Đường kính đáy răng: d f1 = d 1 – 2,5.m = 30 – 2,5.1,25 = 26.875 (mm) d f2 = d 2 – 2,5.m = 80 – 2,5.1,25 = 86,875(mm) Chiều rộng vành răng: b w = ba a w1 = 0,315.60 = 18.9(mm).

3.7.4 Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc.

Z m : Hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp, theo bảng 6.5 tài liệu [1]: Z m = 274 (Mpa 1/3 ).

Z H : Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc, theo công thức 6.34 tài liệu

Hệ số trùng khớp ngang : theo 6.38b ,ta có:

Z : Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng:

K H : Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng thẳng:

Vận tốc vòng của bánh răng: v d 1 n 1 3,14.40.8 0.017 m / s

60000 60000 Tra bảng 6.13 tài liệu [TKDDCK1] ta được cấp chính xác của bánh răng là cấp 9

Theo công thức 6.16 tài liệu [TKDDCK1] ta có: g 0 = 73

Theo công thức 6.15 tài liệu [TKDDCK1] ta có: H 0,004

K H K H K H K Hv 1,02.1,09.1,3 1,45 Ứng suất tiếp trên bề mặt làm việc:

Theo 6.1 tài liệu [1]: v = 1,28 Z v = 0,925.5,23 0,05 1 Cấp chính xác 8 nên cần gia công đạt độ nhám: R a = 0.32 0,16 m

Do đó theo công thức 6.1 và 6.1a tài liệu [TKDDCK1] ta có:

Ta thấy H H vậy răng đã chọn thỏa mãn độ bền tiếp xúc 3.7.5

Kiểm nghiệm về độ bền uốn răng Theo công thức 6.43 tài liệu [TKDDCK-1]:

Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng:

Tra bảng 6.18 tài liệu [TKDDCK1] ta được: Y F1 = 4,08 ; Y F2 = 3,61

Hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vòng ăn khớp khi tính về uốn:

Thay vào công thức 6.46 tài liệu [TKDDCK-1] ta có:

Hệ số tải trọng kki tính về uốn: theo công thức 6.45 tài liệu [TKDDCK-1].

Suy ra: Ứng suất uốn sinh ra tại chân bánh răng chủ động:

F1F1464Mpa Ứng suất uốn sinh ra tại chân bánh răng bị động:

Hệ số quá tải: Ứng suất tiếp xúc cực đại:

F 2 maxF 2.K qt 37,32 Mpa F 2 max360 Mpa

Vậy thỏa mãn điều kiện biến dạng dư hoặc phá hỏng tĩnh mặt lượn chân răng.

Tính chọn puly

Puly trong máy chủ yếu hoạt động ở chế độ nhẹ và trung bình, do đó lực kéo không lớn và thời gian sử dụng không kéo dài như thiết bị công nghiệp Vì vậy, vật liệu như gang xám, inox hoặc nhựa cứng thường được sử dụng, đặc biệt là trong phòng tập gym Tuy nhiên, cần tính toán kích thước sơ lược trước khi gia công hoặc lựa chọn kích cỡ có sẵn để đảm bảo đáp ứng yêu cầu làm việc.

Theo sách "Máy và thiết bị nâng", đường kính tối thiểu của puly được xác định là Dp = 8 dc, trong đó dc là đường kính của dây cáp Bán kính puly được tính từ tâm puly đến điểm giao nhau với dây cáp quấn.

Ta có dc=6mm, vậy đường kính puly tối thiểu là Dp=8x6Hmm Chọn DpPmm.

Ngoài ra, puly dẫn hướng cần tính những thành phần khác như: Đáy rãnh puly(trên hình ): r=(0,53÷0,6) dc.Chọn r=3.5mm

Chiều cao h=(2÷2,5)dc=(2÷2,5)x6÷15mm Chọn hmm.

Góc nghiêng của 2 thành bên là 60 độ.

Bề rộng rãng cáp b=(2÷2,25)dc=(2÷2,25)x6÷13.5mm Chọn bmm Trục của puly sẽ được tính toán trong phần thiết kế trục để đảm bảo yêu cầu làm việc.

Hình 3.12 Các thông số của puly[43].

Tính toán trục

Chọn vật liệu chế tạo các trục là thép C45 tôi, thường hóa có giới hạn bền b 600 Mpa ; và giới hạn chảy ch 340Mpa

3.9.2 Tính toán trục bộ truyền bánh răng

Hình 3.13Các lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng.

Do cặp bánh răng trụ răng thẳng (1) và (2):

Do cặp bánh răng trụ răng thẳng (2) và (3):

Lực hướng tâm:F r3 = F r4 = Ft3.tgα = 238,8.tan(20) = 86,9(N). cosβ 1

3.9.3 Tính thông số trục a Xác định thông số sơ bộ đường kính trục: d k

Ta lấy đường kính trục sơ bộ là 10 mm.

Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực:

Chiều dài mayơ bánh răng trụ trên trục I Xác định theo công thức 10.10 tài liệu [TKDDCK1]

Chiều dài mayơ bánh răng trụ răng thẳng trên trục II: l m24 = (1,2 1,5).10= 12 15 mm; chọn l m22 = 12mm.

Chiều dài mayơ bánh răng trụ răng thẳng trên trục III: l m24 = (1,2 1,5).10= 12 15 mm; chọn l m22 = 15mm.

- Khoảng cách giữa gối đỡ 0 và bánh răng trụ răng thẳng trục

- Khoảng cách giữa gối đỡ 0 và gối đỡ 1 của trục 3:

- Khoảng cách giữa gối đỡ 0 và tang quấn dây của trục 3:

- Khoảng cách giữa gối đỡ 0 và lò xo đàn hồi của trục 3:

Hình 3.14 Sơ đồphân bố và các điểm đặt lực của trục 3.

Xét phương trình mômen tại điểm O:

Phương trình tổng lực theo phương y:

Phương trình tổng lực theo phương x:

Hình 3.15 Biểu đồ lực của trục III. Đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm:

Chọn đường kính lắp bánh răng thẳng B là d B (mm).

Chọn đường kính gối đỡ: d B =d A (mm).

Kiểm nghiệm bền mỏi:Tại tiết diện B tiết diện nguy hiểm nhất (bánh răng trụ răng thẳng B).

Thép C45 tôi thường hóa có: b = 600 Mpa

Theo bảng 10.7 tài liệu [TKDDCK1]: 0,05; 0

S j : Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp Theo công thức 10.20 tài liệu

+Hệ số ảnh hưởng của ứng suất: = 0,05(bảng 10.7)

+Hệ số tập trung ứng suất:K =1,76(bảng 10.12) Ứng suất pháp cực đại: max = max

Do trục quay: a = max 1,8 MPa. m=0 (10.22)

Vậy trục II thỏa yêu cầu thiết kế.

3.9.5 Tính toán thiết kế trục III

Hình 3.16 Sơ đồ các lực tác dụng lên trục III.

Phương trình tổng lực theo phương x:

Hình 3.17 Biểu đồ lực của trục III. Đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm:

Mtd= M y 2 M x 2 0,75.T 2 Đường kính trục: d 3 M td

Chọn đường kính lắp tang quấn D và lò xoE là d D =d E (mm).

Chọn đường kính gối đỡ: d B =d A (mm).

Chọn đường kính bánh răng trụ răng thẳng: d C (mm).

Theo bảng 10.7 tài liệu [TKDDCK-1]: 0,05; 0

S j : Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp Theo công thức 10.20 tài liệu [TKDDCK1]:

+Hệ số tăng bền bề mặt: =2( bảng 10.9  thấm C).

+Hệ số kích thước: =0,92 (bảng 10.10).

+Hệ số ảnh hưởng của ứng suất: = 0(bảng 10.7)

+Hệ số tăng bền bề mặt: =1,54( bảng 10.9  thấm C).

+Hệ số tập trung ứng suất:K =1,5(bảng 10.12) Ứng suất tiếp cực đại:

Vậy trục III thỏa yêu cầu thiết kế.

3.9.6 Tính toán trục puly IV và VI

Hình 3.18Sơ đồ các lực tác dụng lên trục IV và VI.

Hình 3.19 Biểu đồ phân bố lực của trục IV và VI. Đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm:

Chọn đường kính lắp puly là d B (mm).

Chọn đường kính gối đỡ: d A (mm).

Theo bảng 10.7 tài liệu [TKDDCK-1]: 0,05; 0

S j : Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp Theo công thức 10.20 tài liệu [TKDDCK1]:

+Hệ số tập trung ứng suất:K =1,76(bảng 10.12) Ứng suất pháp cực đại: max = max M

Vậy trục IV và VI thỏa yêu cầu thiết kế.

Hình 3.21 Biểu đồ phân bố lực của trục IV và VI. Đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm:

Mtd= M y 2 M x 2 0,75.T 2 Đường kính trục: d 3 M td

Chọn đường kính lắp puly là d B (mm).

Chọn đường kính gối đỡ: d C =d A (mm).

Theo bảng 10.7 tài liệu [TKDDCK1]: 0,05; 0

S j : Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp Theo công thức 10.20 tài liệu

Vậy trục V thỏa yêu cầu thiết kế.

3.10.1 Tính toán chọn ổ lăn cho trục 3

Xét tỷ số F r 0 vì F a = 0, nên ta chọn ổ bi đỡ 1 dãy cho các gối đỡ A và C.

Dựa vào đường kính ngõng trục d A = d C = 17 mm, chúng ta chọn ổ bi đỡ 1 dãy cỡ đặc biệt nhẹ với ký hiệu 6003 Ổ bi này có đường kính trong d = 17 mm, đường kính ngoài D = 35 mm, khả năng tải trọng động C = 2,53 kN, khả năng tải trọng tĩnh C o = 1,51 kN, chiều rộng B = 7 mm và bán kính r = 0,5 mm Tiến hành kiểm nghiệm khả năng tải động để đảm bảo ổ bi hoạt động hiệu quả trong điều kiện tải trọng thực tế.

Tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ 0:

F rA F xA 2 F yA 2 620,3 2 94,4 2 627,4 (N ) Tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ 1:

Vậy ta kiểm nghiệm với ổ chịu tải trọng lớn hơn F r = F rB = 627,4 (N)

F r : Tải trọng hướng tâm (kN).

V: Hệ số kể đến vòng nào quay V = 1

K t : Hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ K t = 1

K d : Hệ số kể đến đặc tính tải trọng, theo bảng 11.3: K d = 1,2

X: Hệ số kể đến đặc tính tải trọng X = 1 vì chỉ chịu lực hướng tâm.Y: Hệ số tải trọng dọc trục y = 0 vì F a = 0.

(3.30) Khả năng tải trọng động theo công thức 11.1 tài liệu [TKDDCK1]:

Với m = 3;L H : tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay.

Theo bảng 6.4 tài liệu [1]: K HE = 0,125

Khả năng tải trọng động của ổ lăn được đảm bảo b Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:

Ta có F a = 0, theo công thức 11.19 tài liệu [TKDDCK1].

Q t1 = X 0 F r (X 0 = 0,6 theo bảng 11.6 tài liệu [TKDDCK1]) (3.32)

Vậy khả năng tải tĩnh của ổ lăn được đảm bảo.

Bảng 3.8 Dữ liệu tính toán của ổ lăn trục 17.[45]

3.10.2 Tính toán chọn ổ lăn cho trục 4,5 và 6

Dựa vào đường kính puly dA = mm, tham khảo bảng P2.7 trong tài liệu [1], chúng ta chọn ổ bi đỡ 1 dãy cỡ đặc biệt nhẹ với ký hiệu 6000 Ổ bi này có đường kính trong d = 10 mm, đường kính ngoài D = 26 mm, khả năng tải trọng động C = 10 kN, khả năng tải trọng tĩnh Co = 6,3 kN, chiều rộng B = 8 mm và bán kính r = 0,5 mm.

- Kiểm nghiệm khả năng tải động:

Tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ 0:

Q = (V.X.Fr + Y.Fa).Kt.Kd Trong đó:

Fr: Tải trọng hướng tâm (kN).

V: Hệ số kể đến vòng nào quay V = 1

K t : Hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ K t = 1

K d : Hệ số kể đến đặc tính tải trọng, theo bảng 11.3: K d = 1,2

Y: Hệ số tải trọng dọc trục y = 0 vì F a = 0.

Khả năng tải trọng động theo công thức 11.1 tài liệu [TKDDCK1]:

Với m = 3;L H : tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay.

Theo bảng 6.4 tài liệu [1]: K HE = 0,125

Khả năng tải trọng động của ổ lăn được đảm bảo

- Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:

Ta có F a = 0, theo công thức 11.19 tài liệu [TKDDCK1].

Q t1 = X 0 F r (X 0 = 0,6 theo bảng 11.6 tài liệu [TKDDCK1])

Q 0 = max[Q t1 ; Q t2 ] = 0,5(kN) < C 0 = 6,3 (kN) Vậy khả năng tải tĩnh của ổ lăn được đảm bảo.

Hình 3.23 Kích thước các thông số của ổ lăn puly6000.[46]

Bảng 3.9 Dữ liệu tính toán của ổ lănpuly.[47]

Hình 3.24 Máy sau khi thiết bằng 3D-1.

Hình 3.25 Máy sau khi thiết kế 3D-2.

Bộ ly hợp của máy, với 3 bánh răng ăn khớp, là bộ phận truyền động chính Khi máy hoạt động và kéo dây, nam châm sẽ hút, khiến các bánh răng kết nối, giúp động cơ thu dây trên tang quấn Khi quá trình hoàn tất, động cơ ngừng hoạt động và bộ ly hợp sẽ tách rời.

Hình 3.26Máy sau khi thiết kế thực tế-1.

Sau khi động cơ truyền động qua bộ truyền bánh răng, trục tang bắt đầu thu dây, dây được dẫn hướng qua các puly Đồng thời, loadcell sẽ đọc giá trị lực kéo và thực hiện các bài tập hiệu quả.

Chương 4: Hệ thống điều khiển

Hình 4.1Sơ đồ khối điều khiển.

Bảng 4.1Chức năng của các khối

Hình 4.2Lưu đồ điều khiển-1. Đầu tiên chương trình sẽ khởi động, tại 1 thời điểm người dủng chỉ có thể chọn 1 trong 2 phương thức điều khiển là:

Trực tiếp từ nút nhấn.

Sau khi chọn xong, người dùng sẽ thiết lập các thông số của máy và nhấn nút Start Máy sẽ hoạt động và gửi dữ liệu lên server để theo dõi Khi hết thời gian hoặc khi nhấn Stop, máy sẽ từ từ dừng lại và nhả ra.

Sơ đồ nguyên lý

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lí Arduino Mega 2560.

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lí NodeMCU.

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lí nút nhấn.

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lí khối hiển thị,DAC,buzzer.

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lí khối led RGB, relay.

Thành phần khối điều khiển

Việc lựa chọn bộ điều khiển cho thiết bị rất quan trọng, bao gồm tính đáp ứng của vi điều khiển và giá thành sản phẩm Trong trường hợp này, do yêu cầu không cần độ chính xác quá cao, chỉ cần điều khiển on/off động cơ, giao tiếp qua nút nhấn và hiển thị trên LCD, nhóm đã quyết định chọn vi điều khiển Arduino Mega 2560.

Hình 4.8 Vi điều khiển Arduino Mega 2560.[48]

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của Arduino Mega.[49]

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật ESP8266.[51]

Wifi Điện áp hoạt động Điện áp vào

Kết luận: Arduino điều khiển máy và truyền các thông số cài đặt qua giao tiếp UART đến ESP8266 Sau đó, ESP8266 gửi các thông số này lên Cloud MQTT để ứng dụng có thể hiển thị.

Thành phần khối đầu vào

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lí khối nút nhấn.

Nhóm sử dụng 5 nút nhấn để điều khiển máy:

Nút Back, Next, Up điều chỉnh các thông số của máy.

Nút Start để bắt đầu chạy.

Mạch sử dụng domino 8 chân để gắn nút nhấn, trờ thanh 10K để vẽ mạch PCB cho thuận lợi.

Giá trị điện áp từ loadcell rất nhỏ (0-20mV), vì vậy vi điều khiển không thể đọc trực tiếp tín hiệu này mà cần sử dụng thiết bị khuếch đại điện áp Nhóm lập trình đã chọn module KM02A, một bộ khuếch đại chuyên dụng cho ngành điều khiển công nghiệp, có khả năng đọc, chuẩn hóa và khuếch đại tín hiệu từ loadcell Với thiết kế chống nhiễu hiệu quả, module này được ưa chuộng trong các hệ thống trạm trộn, nơi có nhiều động cơ và biến tần hoạt động Tùy vào ứng dụng, tín hiệu đầu ra có thể là 4-20 mA hoặc 0-10V.

Hình 4.12Sơ đồ chân module KM02A.[50]

Tín hiệu trả về sẽ được đọc bằng 2 chân Dout và GND của module kết nối với chân của vi điều khiển.

4.5.3 Khối nguồn. a Khối nguồn tổ ong: Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng trong, trong y tế, chúng ta sử dụng điện áp 24VDC để cung cấp cho các bộ phận điện hoạt động của máy Nhóm quyết định sử dụng nguồn tổ xung 24VDC vì tiện lợi, dễ sử dụng và giữ áp tốt.

Nguồn xung 24V10A (nguồn tổ ong):

Sử dụng cho các mạch công suất

Biến đổi nguồn điện xoay chiều AC thành nguồn điện một chiều DC.

Thường thì sử dụng cho hệ thống tủ điều khiển tự động, đèn led hoặc hệ thống camera…

Nguồn có công tắc chọn điện áp xoay chiều AC220V hoặc AC110V.

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý nguồn tổ ong.[52]

Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong.[53] Điện áp vào Điện áp ra

Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lí của LM2596.[54]

Hình 4.17 Mạch hạ áp LM2596 thực tế.[55]

Mạch này có chức năng hạ áp 24V từ nguồn tổ ong xuống 9V để cung cấp nguồn cho Arduino thông qua adapter, đồng thời còn có một mạch giảm áp xuống 5V để cung cấp nguồn cho khối Relay, giúp giảm thiểu nhiễu.

Khối đầu ra

4.6.1 Khối hiển thị a.Module led 7 đoạn

Nhóm đã chọn sử dụng module hiển thị LED 7 đoạn với IC 74HC595 để hiển thị các giá trị tương tác với người dùng Việc sử dụng IC 74HC595 giúp nhóm tiết kiệm GPIO, chỉ cần 3 chân GPIO của vi điều khiển để điều khiển 18 LED 7 đoạn.

Hình 4.19Module hiển thị led 7 đoạ n.[56] b Đèn báo.

RGB1 (Operation ): khi ở đang cài đặt thì đèn Operation sáng màu vàng, máy chạy thì sáng màu lục, máy dừng thì sáng màu đỏ.

RGB2(Rest>Hold): khi máy kéo vô sáng màu lam, khi máy nhả ra màu cam.

Led-Green(Overload): khi Now Force>Max Force thì sáng.

4.6.2 Khối DAC (MCP4921): Để điều khiển tốc độ động cơ bằng việc cấp áp cho 2 chân VRM và chân VRL, nhóm lựa module MCP4921 là một module chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu analog 12bit, giao tiếp với module bằng phương thức SPI.

Để điều khiển và sử dụng thư viện MCP4912, chúng ta cần tính toán giá trị cấp động cơ, từ đó quy đổi thành số cần cấp cho MCP4921 trong khoảng từ 0 đến 4095, với 4095 tương ứng với 5V và 0 tương ứng với 0V.

Trong phần điểu khiển nhóm sử dụng 2 module 4 relay để thực hiện điều khiển đèn và kích cho động cơ hoạt động.

Nhóm sẽ trình bày về driver điều khiển động cơ, một phần quan trọng trong hệ thống điều khiển, nhằm hỗ trợ các tính toán cơ khí đã được giới thiệu trước đó.

Hình 4.24 Driver để điều khiển servo.

Vi điều khiển sẽ cung cấp tín hiệu cho driver để kích hoạt động cơ, trong khi tốc độ của động cơ sẽ được xác định bởi áp lực cấp vào các chân điều khiển vận tốc.

Hình 4.25 Sơ đồ các chân của driver.[59]

Cụ thể để động cơ hoạt động ta cần điều khiển các chân:

Bảng 4.5 Các yếu tố điều khiển động cơ.[60]

START/STOP(11) RUN/BRAKE(12) CW/CCW(13)

Cloud MQTT

- MQTT là 1 giao thức gửi dạng Publish/Subcribe sử dụng cho các thiết bị

IoT với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định.

Trong 1 hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (gọi là mqtt client –gọi tắt là client) kết nối với 1 MQTT server (gọi là broker) Mỗi client sẽ đăng kí 1 vài kênh (topic), ví dụ như “client1/chanel1”, “client2/chanel2” Quá trình đăng kí này gọi là Subcribe, giống như chúng ta đăng kí nhận kênh trên Youtube vậy Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu bất kì trạm nào khác gửi dữ liệu vào kênh đã đăng kí Khi 1 client gởi dữ liệu đến kênh đó được gọi là Publish.

Kết quả và thực nghiệm

Đánh giá và kết luận

Định dạng
Số trang	142
Dung lượng	3,95 MB