VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV MECHANIKY TĚLES, MECHATRONIKY A BIOMECHANIKY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV MECHANIKY TĚLES, MECHATRONIKY A BIOMECHANIKY

ING. PETR AXMAN

Návrh a vývoj zařízení pro řešení vybraných biomechatronických problémů Proposal and Development of the Device for Solution of the Selected Biomechanic Tasks

ZKRÁCENÁ VERZE Ph.D. THESIS

OBOR:

INŽENÝRSKÁ MECHANIKA

ŠKOLITEL:

PROF. ING. PŘEMYSL JANÍČEK, DRSC.

OPONENTI:

PROF. ING. CTIRAD KRATOCHVÍL, DRSC. DOC. ING. ČESTMÍR ONDRŮŠEK, CSC. RNDR. VLADIMÍR OPLUŠTIL

DATUM OBHAJOBY: 25. 6. 2009

Klíčová slova Řízení, Elektrický šroubovák, Kostní tkáň, Algoritmus, Krouticí moment Key words Controlling, Electric screwdriver, Bone tissue, Algorithm, Torque

Místo uložení Knihovna VUT FSI v Brně

© Petr Axman, 2009 ISBN 978-80-214-3939-9 ISSN 1213-4198

OBSAH 1  ÚVOD...................................................................................................................... 5  2  ROZBOR ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY ................................................................ 5  2.1  Typy kostí ............................................................................................................................ 5  2.2  Oblast zájmu ........................................................................................................................ 6  2.3  Léčba poranění páteře .......................................................................................................... 6 

3  FORMULACE PROBLÉMU.................................................................................. 8  4  ROZBOR PROBLÉMU .......................................................................................... 8  4.1  4.2  4.3  4.4  4.5 

OBLAST POUŽITÍ ZAŘÍZENÍ .......................................................................................... 9  PRACOVNÍ ČÁST ZAŘÍZENÍ........................................................................................... 9  POHON ZAŘÍZENÍ ............................................................................................................ 9  OVLÁDÁNÍ ZAŘÍZENÍ ..................................................................................................... 9  FUNKCE ŘÍDÍCÍHO SW.................................................................................................... 9 

5  VOLBA VHODNÉHO POHONU PRO ZAŘÍZENÍ ........................................... 10  5.1  5.2  5.3  5.4 

Parametry pohonu .............................................................................................................. 10  Volba převodovky.............................................................................................................. 10  Volba elektrického motoru................................................................................................. 10  Pohonná jednotka zařízení ................................................................................................. 10 

6  MĚŘENÍ PARAMETRŮ ...................................................................................... 11  6.1  Měření krouticího momentu............................................................................................... 11 

7  VOLBA ŘÍDÍCÍHO OBVODU ............................................................................ 12  8  NÁVRH MECHANICKÉ KONSTRUKCE ......................................................... 12  8.1  Volba konstrukce ............................................................................................................... 12  8.2  Výrobené zařízení .............................................................................................................. 13 

9  NÁVRH ŘÍDÍCÍHO SW PRO PC ........................................................................ 13  10 PROVÁDĚNÍ EXPERIMENTŮ........................................................................... 14  10.1  Porovnání průběhů dřevo / kost ......................................................................................... 14  10.2  Stržení závitu...................................................................................................................... 15  10.3  Šroubování do kostní tkáně................................................................................................ 15 

11 NÁVRH ŘÍDÍCÍHO SW ŠROUBOVÁKU .......................................................... 17  11.1  Časové Rozdělení Šroubovacího procesu .......................................................................... 17 

12 VYHODNOCOVÁNÍ DAT .................................................................................. 17  12.1  Okamžik zastavení motoru................................................................................................. 18  12.2  Zastavení motoru................................................................................................................ 19  12.3  Řídící algoritmus................................................................................................................ 20 

3

12.4  Zkušební měření................................................................................................................. 21 

13 ZÁVĚR.................................................................................................................. 23  13.1  Přehled výsledků ................................................................................................................ 23  13.2  Návrhy pro další rozvoj...................................................................................................... 23 

14 LITERATURA ...................................................................................................... 25  15 AUTORŮV ŽIVOTOPIS...................................................................................... 27  16 ABSTRAKT .......................................................................................................... 28 

4

1

ÚVOD

Při mnoha úrazech provázející lidské činnosti dochází k porušení soudržnosti kostí. Toto porušení může mít charakter trhliny až lomu. Při těchto úrazech se provádí znehybnění v oblasti zlomeniny. Míra a způsob znehybnění jsou dány typem poranění. Jedním ze způsobů znehybnění (fixování) poraněných kostí, využívaný již celou řadu let, je využití šroubového spojení, které v lékařském odvětví zaznamenalo největší rozšíření právě v oblasti fixace kostních zlomenin. Šroubová spojení jsou využívána jak pro přímé spojení, tj. fixují přímo úlomky kostí, tak pro nepřímé spojení, kde šrouby slouží pouze jako pomocné fixační součásti. Fixace kostní zlomeniny pomocí šroubového spojení je prováděna ručně lékařem na základě jeho zkušeností a citu. Vzhledem k tomu, že mechanické vlastnosti kostní tkáně se u pacientů značně liší, nelze vyloučit stržení šroubu a to bez ohledu na zkušenosti chirurga. Tato práce nastiňuje způsob zavedení mechatronického prvku do procesu šroubování šroubu do kostní tkáně, který by mohl lékařům zjednodušit práci při aplikaci šroubů do kostních tkání a tím zvýšit komfort a bezpečnost chirurgických prací.

2

ROZBOR ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY

Léčba kostní zlomeniny probíhá konzervativní1 nebo operativní léčbou. Spojení šroubu s kostní tkání se týká případů operativní léčby, kdy není možné z jakéhokoliv důvodu použít jiný způsob léčby kostní zlomeniny. Studium vlastností kostní tkáně není předmětem této práce a hodnoty jsou převzaty z jiných prací. 2.1 TYPY KOSTÍ V lidském těle se nachází přes 200 kostí, které je možné rozdělit do čtyř základních skupin: • • • •

dlouhé kosti krátké kosti ploché kosti nepravidelné

- stehenní kost, loketní kost, vřetenní kost - zápěstní kosti, zánártní kosti - lopatky, lebeční kosti - obratle, čéška

Kost, jak bylo uvedeno, je živá tkáň, jejíž vlastnosti jsou u každého jedince rozdílné a prodělává během své existence neustálou přeměnu, kterou reaguje na celkový stav člověka a na míru zatížení. Všechny kosti jsou tvořeny kostní tkání

1

Konzervativní léčba – zahrnuje funkční léčbu, léčbu ortézou, sádrovým korzetem, halo‑fixaci či halo‑trakci. Konzervativně jsou obecně léčeny zlomeniny bez neurologické léze [3], bez většího stupně nestability a deformity.

5

dvou hlavních druhů: kompakta2 a spongióza3. Uvnitř dlouhých kostí a v prostorách mezi trámečky spongiosy je umístěna kostní dřeň. Na povrchu kosti je vazivový obal, okostice, která kryje povrch kosti všude s výjimkou kloubních míst a míst, kde je kost spojena se svalem. V oblasti kloubních spojení se nachází chrupavka. 2.2 OBLAST ZÁJMU Tato práce je řešena na Ústavu mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky. Jednou z hlavních oblastí zkoumání na tomto ústavu je výzkum v oblasti páteřních fixátorů. Důležitost výzkumu v této oblasti je potvrzena i statistikami, které říkají [25]: • poranění páteře tvoří asi 3 % všech úrazů, • ze všech případů poranění páteře je asi 25 % lokalizováno v oblasti krční, 75 % v oblasti hrudní a bederní, • asi třetina případů poranění páteře je spojena s poraněním míchy a nervových kořenů, • každoročně přibývá 20 až 40 lidí s poraněním míchy na jeden milion obyvatel, • v ČR dojde každý rok ke vzniku zhruba 250 míšních postižení a ve dvou třetinách se poranění míchy týká mladých mužů ve věku 15 až 30 let, • nejčastěji tato poranění vznikají při dopravních nehodách, na druhém místě jsou pracovní úrazy, následují sportovní úrazy a násilné trestné činy, • struktura všech ošetřených úrazů - jak ambulantně, tak i za hospitalizace: vedou sportovní (21 %) a pracovní úrazy (14 %), dopravní úrazy činí asi 7 % celkové úrazovosti, 58 % úrazů vzniká při jiné činnosti ve volném čase. 2.3 LÉČBA PORANĚNÍ PÁTEŘE Při rozhodování o léčebném postupu při poranění páteře je nutné provést diagnostiku a klasifikaci poranění páteře. Vedle základních, obecně užívaných vyšetřovacích metod, je nutné provést vyšetření, které umožní posoudit nejen kostní léze4, ale i stav páteřního kanálu, útlak nervových struktur a poškození měkkých tkání. U každého pacienta s podezřením na úraz páteře, musíme toto poranění primárně považovat za nestabilní s rizikem neurologického poškození, dokud nedojde ke klasifikaci, zda jde o poranění „stabilní5“ nebo „nestabilní5“. Při léčení poranění páteře se uplatňují jak konzervativní1 tak operativní postupy v závislosti na 2 3 4

5

6

Kompakta [13] - hutná kostní tkáň tvořící povrch kosti. Spongióza [13] - druh kostní tkáně tvořící výplň některých kostí. Léze [13] - poškození (postižení, porucha) orgánu či tkáně, které má za následek narušenou funkci (v důsledku chorobného procesu nebo úrazu). Nestabilita - ztráta schopnosti páteře udržet postavení obratlů při vystavení fyziologické zátěži v pozici, aby nedocházelo k okamžitému nebo následnému poranění míchy a nervových kořenů. Nestabilita je definována v [4].

typu a závažnosti poranění. U nestabilních poranění páteře je většinou nutné provést operativní stabilizaci. Operativní stabilizace velkou měrou využívá šroubového spojení fixátoru a poraněné kostní tkáně. Toto spojení se provádí za použití tzv. Instrumentária6. Veškeré operace s instrumentáriem jsou prováděny ručně na základě zkušeností a citu lékaře, který operaci provádí a tím dochází do jisté míry k „subjektivnímu ovlivnění“ výkonu operace. 2.3.1

Operativní léčba

Operativní léčba je volena na místech, kde není možné z jakéhokoliv důvodu použít léčbu konzervativní. Základním cílem u poranění páteře je podobně jako u zlomenin dlouhých kostí, osově správná a funkční rekonstrukce. Operativní léčbu páteře je možné provádět několika způsoby. Pro ilustraci umístění fixátoru je tu uveden přední přístup. 2.3.2

Přední přístup

Jedná se náročnou operaci a to jak pro lékaře, který operaci provádí, tak i pro pacienta z důvodu náročného a invazivního přístupu, kterým se musí při operaci lékař dostat na tělo obratle. Na následujících snímcích (Obrázek 1 [13]) je zobrazen boční a) a předozadní b) rentgenový snímek upevněné fixační destičky na obratle krční (C4 - C7) a obratel hrudní (Th1). Obrázek c) ukazuje fotografii upevněné fixační destičky. Veškeré operace se provádí ručně pomocí lékařského instrumentária. Při posuzování, zda jsou nebo nejsou šrouby dostatečně dotaženy, se musí lékař spoléhat na vlastní zkušenosti a cit v rukou. Takto upevněné šrouby by měly být dotaženy tak, aby velikost vytrhávací síly potřebné k uvolnění šroubu z kosti byla co největší.

6

Instrumentárium obsahuje sadu nářadí a pomůcek používaných lékaři.

7

a) boční rtg. snímek

b) předozadní rtg. snímek

c) fotografie fixátoru

Obrázek 1: Fixace krčních obratlů - operační léčba

3

FORMULACE PROBLÉMU

Byl naznačen přední přístup operativní stabilizace krční páteře. Tento postup, stejně jako další v sobě skrývají celou řadu problémů. Jeden z těchto problémů je skryt v samotném dotahování šroubu do kostní tkáně, které je prováděno ručně za pomoci nástrojů lékařského instrumentária. Při šroubování šroubu do kostní tkáně a při jeho dotahování do jeho konečné polohy dochází k nárůstu krouticího momentu, který je nutné vyvinout pro dotažení šroubu a tím upevnění fixátoru na tělo obratle. Před vlastním dotažením šroubu není jednoduché (či je dokonce nemožné) určit koncovou velikost potřebného krouticího momentu pro správné dotažení šroubu do jeho koncové polohy. Z tohoto důvodu se může v některých případech stát, že je šroub nedostatečně dotažen nebo došlo k jeho přetočení přes hodnotu maximálního krouticího momentu a tím ke stržení závitu v kostní tkáni. Pokud bychom chtěli vyvinout zařízení schopné nahradit ruční šroubování a zajistit správné dotažení šroubu, museli bychom do něho implementovat schopnost lékaře vyvinout potřebný krouticí moment a schopnost kontrolovat a řídit dotahovací proces. Na základě požadavků z praxe a potřeb biomechaniky byl formulován následující problém: Navrhnout a vytvořit zařízení umožňující nedestruktivní aplikaci šroubů do kostních tkání, jehož součástí bude řídící algoritmus utahování šroubů.

4

ROZBOR PROBLÉMU

Při formulaci problému se hovoří o návrhu zařízení umožňující nedestruktivní aplikaci šroubů do kostních tkání s vhodným řídícím algoritmem. Tato formulace směřuje tuto práci ke konstrukci elektromechanického zařízení (mechatronického 8

zařízení) umožňující dotahování šroubů do materiálu, které je vybaveno vyhodnocovacím algoritmem umožňující včasné zastavení šroubovacího procesu. Práce se dále odvíjela v následujících etapách: • • • • • • • •

vymezení technických parametrů, volba vhodného pohonu pro zařízení, volba způsobu řízení, návrh a výroba mechanické konstrukce zařízení, návrh a výroba elektrické části, návrh a výroba řídící softwaru + vývoj řídícího algoritmu, provedení zkoušek a kalibrace zařízení, úpravy zařízení (HW + SW) dle výsledků z provedených zkoušek.

4.1 OBLAST POUŽITÍ ZAŘÍZENÍ Zařízení bylo vyráběno jako prototyp zařízení pro ověření funkce automatického dotahování šroubů do materiálu v laboratoři ústavu. 4.2 PRACOVNÍ ČÁST ZAŘÍZENÍ Výsledné zařízení bude používáno pro dotahování šroubů do materiálu. Protože velikost a tvar drážky šroubu nejsou pevně definovány, bude zařízení zkonstruováno tak, aby bylo možné zvolit jak délku šroubu, tak i tvar drážky (rovná drážka, vnitřní šestihran, křížová drážka, hvězdice, …). 4.3 POHON ZAŘÍZENÍ Zařízení bude používáno v laboratoři, předpokládá se proto použití čistého zdroje energie, tj. použití elektrické energie (baterie, elektrická síť, …). 4.4 OVLÁDÁNÍ ZAŘÍZENÍ Zařízení by mělo dle zadání umožňovat automatické dotahování šroubů do materiálu, což vede k použití řídicího systému. Každý řídicí systém komunikuje nějakým způsobem s okolím (tlačítka, přepínač, indikační prvky, počítač, …). Toto zařízení bylo zkonstruováno pro komunikaci s obsluhou především pomocí počítače (z důvodu adaptability řídícího SW při vývoji). 4.5 FUNKCE ŘÍDÍCÍHO SW Řídící SW kromě řídících funkcí implementuje také komunikační funkce mezi zařízením a připojeným počítačem, vyhodnocovací funkce a funkce zpracování dat (načítání, ukládání, zobrazení, atd.).

9

5

VOLBA VHODNÉHO POHONU PRO ZAŘÍZENÍ

Pro realizaci zmíněného zařízení bylo nutné zvažovat takový pohon, který pokud možno přímo vyvozuje potřebné silové působení pro aplikaci (utahování) šroubů nebo lze jeho silové působení na potřebné co nejjednodušším a nejméně ztrátovým způsobem převést. Při této úvaze nešlo zvolit jinak než použití elektrického pohonu a to elektrického motoru. 5.1 PARAMETRY POHONU Pro určení druhu pohonu (dále jen motoru) bylo nutné nadefinovat některé vstupní hodnoty, podle kterých se mohly provést patřičné výpočty pro zjištění parametrů potřebného motoru. Tyto hodnoty byly určeny ze znalostí souvisejících s řešeným problémem. Tabulka 1 zobrazuje vstupní parametry pro určení vhodných vlastností motoru a převodovky. Tabulka 1: Vstupní parametry pro výběr pohonné jednotky Parametr  Potřebný krouticí moment na výstupní hřídeli vyvíjeného zařízení  Otáčky na výstupní hřídeli  Napájecí napětí elektrického motoru 

         

Hodnota  = ± 5 N.m  ~ 150 RPM  = 24 V DC 

5.2 VOLBA PŘEVODOVKY Použitá převodovka by měla odpovídat zadaným hodnotám, tj. musí snést spojité zatížení a poměr vstupních a výstupních otáček by měl umožnit zvolit motor s odpovídajícími nominálními otáčkami. Dle katalogu zvoleného výrobce motoru a příslušenství [22] byla vybrána na základě uvedených parametrů planetová převodovka GP 32 C. 5.3 VOLBA ELEKTRICKÉHO MOTORU Elektrický motor byl volen na míru ke zvolené planetové převodovce. Pro pohon zařízení byl zvolen motor RE 35. 5.4 POHONNÁ JEDNOTKA ZAŘÍZENÍ Pro pohon zařízení byla zvolena pohonná jednotka, která se skládá ze stejnosměrného elektrického motoru RE 35, planetové převodovky GP 32 C. Poloha a následně rychlost rotoru motoru (výstupní hřídele) je určována pomocí MR enkodéru. Sestavu pohonné jednotky zobrazuje Obrázek 2.

10

Obrázek 2: Sestava pohonné jednotky

6

MĚŘENÍ PARAMETRŮ

Zařízení využívá dva externí snímače. Snímač krouticího a inkrementální snímač polohy. Zapojení snímačů zobrazuje Obrázek 3.

momentu

6.1 MĚŘENÍ KROUTICÍHO MOMENTU Pro správnou funkci utahovacího zařízení je velikost krouticího momentu jeden z nejdůležitějších měřených parametrů. Měření krouticího momentu bylo možné provádět několika způsoby, které se odvíjí od konstrukce zařízení. Popis jednotlivých způsobů měření je možné získat v [19]. V konstruovaném zařízení je využito měření krouticího momentu pomocí tenzometrického snímače. Při konstrukci zařízení je použito plného tenzometrického mostu (čtyři tenzometry) nalepeného na ocelové trubce, jak zobrazuje Obrázek 4. PWR - napájecí zdroj PC - řídící počítač CE - řídící elektronika QE - qadraturní enkodér M - motor PG - planetová převod. TS - tenzometr. snímač Obrázek 3: Zapojení externích snímačů krouticího momentu a polohy

11

Obrázek 4: Zapojení plného mostu pro měření krouticího momentu 6.1.1

Připojení tenzometrického snímače

Měřící zesilovač byl umístěn do blízkosti snímače krouticího momentu tak, aby byl co nejvíce eliminován vliv přívodních kabelů tenzometrů. Tenzometrický most je připojen na přístrojový zesilovač INA125. Obvod je použit jako zesilovač a jako zdroj referenčního napětí pro tenzometrický most. Pro převod analogové hodnoty krouticího momentu je použit integrovaný AD převodník komunikačního mikroprocesoru DSP56F802.

7

VOLBA ŘÍDÍCÍHO OBVODU

Při volbě řídícího obvodu, kterým je osazeno zařízení pro dotahování šroubů do kostních tkání se vycházelo z několika faktorů. Mezi tyto faktory patří: vybavenost obvodu periferiemi pro připojení jednotlivých částí zařízení bez složitých přizpůsobovacích členů a dostupnosti na trhu. Během řešení projektu se vyskytla možnost využití programovacího prostředí Processor Expert firmy UNIS. Tato skutečnost spolu s možností zakoupení vývojového prostředí firmy Motorola vedla k využití zmíněného vývojového prostředí a programovacího prostředí CodeWarrior a Processor Expert a mikroprocesorů firmy Motorola řady 56F800E. Pro řízení a komunikaci s PC byl zvolen mikropočítač Freescale 56F8367. Pro snímání hodnot krouticího momentu a rychlosti otáčení v těle šroubováku byl použit mikroprocesor Freescale 56F802.

8

NÁVRH MECHANICKÉ KONSTRUKCE

Při návrhu mechanické části elektronicky řízeného momentového šroubováku se vycházelo z předpokladů, že zařízení bude využíváno při experimentu v laboratoři a bude mít k němu přístup široký okruh lidí včetně studentů. Zároveň se předpokládá další pokračování na projektu a tím rozšiřování okruhu využití zařízení. 8.1 VOLBA KONSTRUKCE Samotná konstrukce zařízení je dána způsobem měření hlavní veličiny a tou je velikost krouticího momentu. Možnosti, jak měřit velikost krouticího momentu pro zpracování řídícím algoritmem je několik a liší se způsobem umístění snímače. Podle umístění snímače je potom nutné přenášet informace o velikosti krouticího 12

momentu z pohybující se či z nepohybující se části zařízení. Větší počet argumentů vedl pro upevnění snímače na pevnou nepohybující se část mechanické konstrukce, proto byla zvolena dále popisovaná varianta. Konstrukce mechanické části byla navržena tak, aby byl co nejvíce eliminován vliv ohybových momentů. Sestavu šroubováku zobrazuje Obrázek 5. 8.1.1

Uchycení šroubováku

Šroubovák je možné využít jak pro ruční utahování šroubů, tak pro strojní utahování. V případě strojního utahování je možnost uchycení šroubováku do vrtačkového stojanu. Pro tento účel byl navržen tvar příruby, jejíž přední průměr (Ø43) je shodný s vnitřním průměrem upínací části vrtačkového stojanu. 8.2 VÝROBENÉ ZAŘÍZENÍ Zařízení bylo vyrobeno ve spolupráci s firmou ARTECO. Vyrobené zařízení zobrazuje Obrázek 6. Na obrázku je zobrazena dotahovací část šroubováku, napájecí zdroj výkonové části a ovládací konzola s řídící elektronikou.

9

NÁVRH ŘÍDÍCÍHO SW PRO PC

Program pro ovládání zařízení pomocí osobního počítače je vytvořen v programovacím prostředí Borland Delphi. Komunikace s řídící konzolou probíhá po sériové komunikační lince RS232. Komunikace mezi zařízením a počítačem je provedena prostřednictvím komunikačního protokolu CAN Aerospace upraveného pro sériové komunikační rozhraní. Řídící SW umožňuje dvě základní varianty spuštění šroubovacího procesu: ruční a automatickou. Pomocí ručního ovládání je možné provádět regulaci otáček od minimální hodnoty po maximální hodnotu otáček v obou směrech. Při automatickém procesu jsou veškeré ruční zásahy do řídícího procesu blokovány (kromě zastavení motoru).

Jednotlivé pozice představují části dle následujícího číslování: 13

1 2 3 4 5 6 7 8

- výstupní hřídel - výstupní ložisko - levá příruba vnějšího válce - vnější kroužek ložiska - válečky ložiska - vnitřní kroužek ložiska - levá příruba vnitřního válce - planetová převodovka

9 10 11 12 13 14 15 16

- vnější válec (pravá část) - motor + inkrementální snímač - vnitřní válec - pravá příruba vnitřního válce - vnější válec (levá část) - přívodní konektor - tenzometrický snímač - pravá příruba vnějšího válce

Obrázek 5: Konstrukce momentového šroubováku

Obrázek 6: Vyrobené zařízení pro dotahování šroubů do materiálu

10 PROVÁDĚNÍ EXPERIMENTŮ Veškeré experimenty při odlaďování řídícího algoritmu byly prováděny do smrkového dřeva nebo do prasečích obratlů. Vzhledem k omezenému množství možných experimentů prováděných do kostní tkáně, byl algoritmus převážně laděn na materiálu ze smrkového dřeva. 10.1 POROVNÁNÍ PRŮBĚHŮ DŘEVO / KOST Na následujících obrázcích je možné posoudit vhodnost náhrady kostní tkáně materiálem ze smrkového dřeva.

14

MK[Nm]

MK[Nm] ω[s-1] ω[s-1]

a) kostní tkáň

b) smrkové dřevo

Obrázek 7: Průběhy krouticího momentu a rychlosti šroubování do kosti a smrkového dřeva 10.2 STRŽENÍ ZÁVITU Při překročení hodnoty maximálního (mezního) krouticího momentu při dotahování šroubů do materiálu dochází k postupnému vzniku trhliny, která má za následek oddělení materiálu závitu (viz Obrázek 8). 10.3 ŠROUBOVÁNÍ DO KOSTNÍ TKÁNĚ Kromě experimentů na smrkovém dřevě se prováděli experimenty i na kostní tkáni. Pohled na způsob zavádění šroubů do kosti zobrazuje Obrázek 9. Pro lepší manipulaci se vzorkem (obratlem) byl obratel zalit sádrou do připravené formy tvaru kvádru.

15

Obrázek 8: a) Pohled na zašroubovaný šroub s trhlinami u kořenů drážek závitu, b) zvětšený pohled na trhlinu, c) pohled se zakresleným průběhem trhliny

3 4 1

4

5

~0°

1

2

~30°

~- 45°

3

5

2

Obrázek 9: Šroubování šroubu do kostní tkáně s vyznačením směru

16

11 NÁVRH ŘÍDÍCÍHO SW ŠROUBOVÁKU Program zařízení je navržen pro možnost práce s řídícím počítačem nebo samostatně. Protože se jedná o testovací zařízení, je primárně pro řízení zařízení použit řídící počítač. Toto je dáno tím, že u počítačového řízení je umožněno lepší zpracování a ukládání dat. Program celého zařízení je vytvořen ve vývojovém prostředí Processor Expert. Pro překlad programového kódu je použito prostředí CodeWarrior. Program je napsán v jazyce ANSI-C. 11.1 ČASOVÉ ROZDĚLENÍ ŠROUBOVACÍHO PROCESU Při odlaďování programu a řídícího algoritmu pro dotahování šroubů bylo nutné provést rozdělení celého úseku šroubovacího procesu na několik časových úseků (oken). Toto rozdělení bylo nutné z důvodu zavedení odlišného chování programu v jednotlivých časových oknech. Průběh krouticího momentu při šroubování šroubu do materiálu zobrazuje Obrázek 10.

Obrázek 10: Rozdělení šroubovacího procesu do časových úseků (oken)

12 VYHODNOCOVÁNÍ DAT Při rozhodování o okamžiku ukončení šroubování se vycházelo ze skutečnosti, že vyhlazenou křivku krouticího momentu je možné rozdělit na stejné časové úseky, ve kterých je možné posuzovat velikost změny krouticího momentu (viz Obrázek 11). Na základě této informace bylo možné vytvořit řídící algoritmus, který umožňuje zastavení dotahovacího procesu před dosažením maximálního krouticího momentu. 17

Obrázek 11: Zpracování měřeného signálu 12.1 OKAMŽIK ZASTAVENÍ MOTORU Okamžik zastavení dotahovacího procesu je stanoven na základě úsekového tvaru křivky krouticího momentu. Při prováděných experimentech bylo zjištěno, že při dotahování šroubu do různých materiálů má křivka krouticího momentu přibližně stejný průběh. Především se měnily: • strmost náběhu krouticího momentu při dosednutí hlavy šroubu na materiál • délka přechodu přes hodnotu maximálního krouticího momentu • velikost krouticího momentu Této skutečnosti bylo využito při odladění řídícího algoritmu. Z následujícího obrázku je patrné, jak s rostoucí hodnotou krouticího momentu klesá velikost změny krouticího momentu. Při poklesu pod určitou hodnotu lze říci, že se hodnota krouticího momentu blíží svému maximu. V tomto okamžiku dojde k zastavení dotahovacího procesu. Velikost změny krouticího momentu lze posoudit z následujících průběhů. Pro správné posouzení jsou uvedené průběhy pro dvě rychlosti šroubování zobrazeny v okně o šířce 1000 vzorků.

18

Obrázek 12: Křivka krouticího momentu při různé šroubovací rychlosti 12.2 ZASTAVENÍ MOTORU Existuje několik možností, jak provést zastavení motoru a ukončení dotahovaní. Cílem bylo zajistit takový průběh, aby došlo k co nejrychlejšímu zastavení motoru. Byly posuzovány tři způsoby zastavení motoru: • Volné zastavení motoru – odpojení svorek motoru od napájení. • Regulované snížení otáček – nastavení žádané hodnoty regulátoru. • Brzdění protiproudem – nastavení svorek motoru na PWM střídu 50%. Způsob zastavení motoru je možné posoudit z následujících průběhů (a – volné zastavení motoru, b – regulované snížení otáček, c – brzdění protiproudem)

Obrázek 13: Zastavení motoru Cílem je zastavit motor bez překmitu na reverzní stranu dotahování, aby nedošlo k opětovnému povolení šroubu. 19

12.3 ŘÍDÍCÍ ALGORITMUS Po zpracování všech prováděných měření bylo rozhodnuto o způsobu ukončení dotahovacího procesu. Během dotahování, tj. v okamžiku, kdy je již spuštěn řídící algoritmus, dochází k postupnému poklesu změn krouticího momentu v měřených časových intervalech 10 vzorků. Této skutečnosti bylo využito při tvorbě řídícího algoritmu. Řídící algoritmus sleduje určitý počet po sobě následujících hodnot úsekového tvaru křivky krouticího momentu (sledované hodnoty nemusí po sobě bezprostředně následovat). Jednotlivé hodnoty (podmínky), které musí být zaregistrovány řídícím algoritmem, musí být v mezích dle následujícího vztahu:

Kde je sledovaná úroveň úsekového tvaru, je koeficient pozice je hodnota maximálního dosažitelného krouticího sledovaného vzorku , je proměnná definující vliv vstupů do řízeného momentu zařízením a procesu. Při sledování jednotlivých hodnot úsekového tvaru křivky krouticího momentu jsou jednotlivé podmínky testovány postupně od vzorku 1 a nelze zaměnit jejich pořadí. Tímto je dosaženo postupného nárůstu krouticího momentu a snížení velikosti změny krouticího momentu až po hodnotu, kdy dojde ke splnění poslední podmínky. Počet podmínek je možné definovat například na základě použité kombinace šroub materiál. Pro zkušební měření byly zvoleny 2 podmínky. První podmínka definovala zapnutí řídícího algoritmu a druhá podmínka definovala zastavení motoru. Zkušební měření se provádělo do smrkového dřeva počáteční rychlostí 40 % maximální rychlosti šroubování. je proměnná, která v sobě zahrnuje vlivy na průběh krouticího momentu spojené s dotahováním šroubu do materiálu. Jedná se o ovlivnění rychlostí šroubování, typem materiálu, typem šroubu, apod. je koeficient, který definuje poměr mezi skutečnou změnou krouticího momentu a maximální velikostí krouticího momentu pro danou podmínku (viz Obrázek 14).

Obrázek 14: Stanovení hodnoty koeficientu

20

a

pro

a

12.4 ZKUŠEBNÍ MĚŘENÍ Provedené zkušební měření zobrazuje Obrázek 15. Na obrázku je zobrazen průběh při šroubování šroubu do smrkového dřeva. Proces šroubování byl proveden tak, aby došlo k automatickému zastavení dotahovacího procesu na základě vyhodnocení regulátorem a následně byl dotahovací proces opětovně spuštěn, aby byla porovnatelná hodnota krouticího momentu při zastavení dotahovacího procesu a maximální hodnota při stržení závitu v materiálu.

Automatické zastavení dotahovacího procesu

Hodnota krouticího momentu v okamžiku zastavení dotahování

Opětovné ruční spuštění dotahovacího procesu

Maximální hodnota krouticího momentu při stržení závitu

Obrázek 15: Testování funkce regulátoru Následovalo několik ověřovacích a ladících experimentů. Na následujícím obrázku je zobrazeno 12 po sobě provedených měření přes podložku do předvrtaného otvoru 2,5 mm.

21

Obrázek 16: Testování zvoleného způsobu řízeného dotahování (k0 = 0,2; k1 = 0,025; vs = 1) Obrázek 16 zobrazuje průběhy dotahování šroubů do smrkového dřeva. V jednom případě (Obrázek 16 - m) řídicí systém nevyhodnotil okamžik zastavení správně. Pro 22

tyto případy byl dodatečně implementován příkaz pro okamžité zastavení dotahovacího procesu v okamžiku, kdy dojde k porušení monotónnosti průběhu.

13 ZÁVĚR 13.1 PŘEHLED VÝSLEDKŮ Podstatným výstupem této práce je funkční prototyp testovacího zařízení pro aplikaci šroubů do kostních tkání. Celé zařízení je navrženo tak, aby bylo možné hledat nové principy řízení dotahování šroubů do materiálu s možností okamžitého odzkoušení pomocí implementace regulátoru jak na PC, tak do řídícího mikropočítače. S pomocí tohoto zařízení byl nalezen algoritmus regulace motoru pro řízení dotahovacího procesu bez stržení závitu ve šroubovaném materiálu. V průběhu práce se používal jako náhrada kostní tkáně materiál ze smrkového dřeva. Ukázalo se, že zvolený způsob dotahování šroubů je možné použít i pro jiné materiály, než pro který bylo zařízení navrhováno. Použitá metoda řízení a hledání optimálního okamžiku pro zastavení motoru je navržena tak, aby byla co nejméně náročná na strojový čas procesoru, čímž se dosáhne možnosti jednoduššího převodu algoritmu z PC na řídící mikroprocesor a možnosti implementace i na jednodušších a pomalejších procesorech, než je použit v zařízení, anebo využití výpočetní kapacity pro implementaci dalších výpočetních algoritmů, které by mohly zkvalitnit proces šroubování. Nejlepší přesnost a robustnost vykazuje zařízení při nižších rychlostech šroubování. Celková kvalita regulace se znatelně snižuje při použití vyšších rychlostí dotahování, což by se mohlo odstranit využitím přesnějšího snímače krouticího momentu a použité elektroniky. Týká se to hlavně zpracování signálu ze snímače krouticího momentu. Při využití algoritmu pro dotahování šroubů do kostních tkání se vyskytly jisté problémy vzniklé kombinací použitého materiálu (trámčité složení kostní tkáně) a rozkmitanosti měřených hodnot krouticího momentu, které se projevily menší úspěšností zastavení dotahovacího procesu před vlastním maximem krouticího momentu. Předpokládá se, že tyto problémy by mohly být překonány dodatečnými úpravami elektroniky a případným rozšířením filtračních funkcí pro zpracování vstupních dat (větší hloubkou filtrace, přidání filtrů, atd.). 13.2 NÁVRHY PRO DALŠÍ ROZVOJ Návrhy na vylepšení lze rozdělit dle toho, zda se týkají přístrojového vybavení (hardware), anebo způsob implementace dané metody řízení (software). 13.2.1 Vylepšení HW Zařízení je navrženo do laboratorního prostředí a použité komponenty, včetně použitého vrtačkového stojanu jako základna pro zařízení, jsou navrženy tak, aby 23

zařízení mohlo být co nejjednodušším a nejméně nákladným způsobem upravováno. Tato skutečnost se vyplatila autorovi při vývoji zařízení (HW i SW), je však nevhodná pro širší využití. Toto je první směr dalšího vývoje zařízení. Zároveň by se mělo docílit co nejpřesnějšího měření hodnoty krouticího momentu. Lze to provést vylepšením způsobu měření krouticího momentu a přenosu signálu ze šroubovacího zařízení do ovládací konzoly a následně do PC. 13.2.2 Vylepšení SW V případě algoritmů pro zastavení motoru ve správném okamžiku bude vždy prostor pro vylepšování. U realizované metody je to v prvé řadě zastavení motoru na základě měřených hodnot krouticího momentu. Při vylepšování algoritmu by se mohlo přistoupit k řešení, které by pro řízení celého procesu kombinovalo větší počet vstupních parametrů (mechanické veličiny, elektrické veličiny, materiálové charakteristiky). Dalším problémem je co nejpřesnější identifikace parametrů regulované soustavy, tak aby bylo možné přesně popsat její chování. Na základě identifikace soustavy by mohl vzniknout její matematický model, který by mohl přispět k lepšímu chování celého regulačního algoritmu a případnému předvídání hodnot maximálního krouticího momentu. Celá tato práce bude po domluvě pro případné vážné zájemce k dispozici ([email protected]). Kromě textů uvedených v této tištěné verzi budou k dispozici i jednotlivé zdrojové kódy (Šroubovák, Ovládací konzola, PC).

24

14 LITERATURA [1] Lekeš, R.: Deformačně napěťová analýza soustavy šroub-kostní tkáň, zkrácená verze doktorské práce, VUT, FSI ÚMTMB,2002 [2] Wendsche P.: Léčení úrazů krční páteře, Standardy pro ČLS JEP, rukopis uvedeny na www.unbr.cz/spinunit/krcni.htm [3] www.spineuniverse.com: Anterior Cervical Spine Fixation Material Technology [4] White, A.A., Southwick, W.O., Panjabi MM.: Clinical instability in the lower cervical spine: A review of past and current conceps. Spine 1, 1997, s. 15-27. [5] Brousek, R.: Nové směry v ošetřování zlomenin páteře, www.chirurgie.cz/aa.asp?id=31 [6] Firma MAXDORF: Velký lékařský slovník, www.maxdorf.cz/maxdorf/ls.html [7] Krbec, M.: Poranění páteře, Ortopedická klinika FNB a MU, www.med.muni.cz/Traumatologie/Ortopedie_B/Ortopedie_2/Ortopedie_2.htm [8] Špačková, K.: Lidská kostra, www.hzp.cz/main/clanek.php?id=1078 [9] Brousek, R.: Nové směry v ošetřování zlomenin dlouhých kostí, www.chirurgie.cz/aa.asp?id=29 [10] Lužný, A.: Pojednání k SDZ, Výpočtové modelování Harrisovy acetabuloplastiky využitím MKP. [11] Internetová encyklopedie „Cojeco“: www.cojeco.cz [12] Laszló, I.: Pojednání k SDZ, Vytvoření a aplikace výpočtového modelu pro deformačně napěťové analýzy totálních endoprotéz kyčelního kloubu. [13] Valenta, J., Konvičková, S.: Biomechanika člověka svalově kosterní systém díl I, ČVUT Praha 1996 [14] Valenta, J., Konvičková, S.: Biomechanika člověka svalově kosterní systém díl II, ČVUT Praha 1997 [15] Lekeš R.: Pojednání k SDZ - Deformačně napjatostní analýza šroubů zavrtaných v kostní tkáni, VUT FSI Brno, 2000 [16] Stránky lůžkového oddělení OTHERS, www.orthes.cz/anatomy.htm [17] Linde, F., Hvid, I., Pongsoipetch, B.: Energy absorptive properties of human trabecular bone specimens during axial compression, J. Orthop. Res., 1989 [18] Rohlmann, A., Zilch, H., Bergman, G.L.: Material properties of femoral cancellous bone in axial loading. Part I: Time independent properties, Arch Orthop. Trauma Surgery, 1980 [19] Axman, P.: Diplomová práce, Návrh momentového šroubováku pro dotahování šroubů do kostních tkání, VUT FSI Brno, ÚMT, 2002 [20] Janíček, P., Ondráček, E., Vrbka, J., Burša, J.: Mechanika těles, Pružnost a pevnost I, Akademické nakladatelství CERM, Brno 2003 25

[21] Chudý, V. a kol.: Meranie technických veličín, STU Bratislava, 1999 [22] Katalog Maxon 04/05, Maxon motor 2004 [23] Elektronická dokumentace programového prostředí Processor Expert, soubor {PE directory}\DOCs\FreescaleSdk\beans\MotorControl\MotorControl.chm [24] Stránky firmy UNIS, a.s. a použitého programového prostředí Processor Expert www.processorexpert.com/mcBeansLib.html [25] Chrobok, J., Prokop, L.: Úrazy páteře, článek na stránkách http://sestra.cz [26] Elektronická dokumentace firmy Motorola, dokumentace obvodu 56f8367. [27] Valtera, J.: Regulace, článek na stránkách http://www.mybox.cz/valter /Pdf/regulace.pdf [28] Učební texty VSB na stánkách http://www.352.vsb.cz/uc_texty /synteza/text02d3.htm

26

15 AUTORŮV ŽIVOTOPIS Osobní údaje Jméno a příjmení, titul: Datum narození: E-mail: Vzdělání 2002 – 2009

Petr Axman, Ing. 17. 3. 1978 [email protected]

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky obor: Inženýrská mechanika (Doktorandské studium)

1997 – 2002

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky obor: Mechatronika (Inženýrské studium)

1992 – 1996

ISŠ-COP Blansko obor: Mechanik elektronik

Pracovní zkušenosti 2006 – dosud UNIS, a.s. Programátor v oblasti mechatronických systémů 2002 – 2006

UNIS, s. r. o. Programátor v oblasti embedded systémů

Výzkumná činnost 2008 – dosud Spoluúčast na řešení evropských projektů 2007 – dosud

Spoluúčast na řešení národních projektů

2005

Řešení projektu FRVŠ 3561 / 2005, Tém. okruh G1

2004

Řešení projektu FRVŠ 1518 / 2004, Tém. okruh G1

Jazykové znalosti Anglický jazyk aktivní Ruský jazyk aktivní Německý jazyk pasivní

27

16 ABSTRAKT Tato práce se zabývá vývojem biomechatronického zařízení směřovaného pro zvýšení komfortu a bezpečnosti chirurgických prací. Tato práce se svojí aktuálností vychází z konkrétní spolupráce ústavu a Úrazové nemocnice v Brně, kde je specializované pracoviště traumatologické páteřní chirurgie. Tato oblast se v současné době neobejde bez řady fixátorů, jejichž nedílnou součástí jsou šrouby. Aplikace šroubů v tak nebezpečné části lidského těla, jakou je páteř, se provádí na základě citu chirurga. Vzhledem k tomu, že mechanické vlastnosti kostní tkáně se u pacientů značně liší, nelze vyloučit stržení šroubu a to bez ohledu na zkušenosti chirurga. Aktuálnost této práce vyplývá i z narůstajícího počtu úrazů páteře souvisejících především s rekreací a sportovním vyžitím člověka.

28