การจ าลองการเคลอนทของเตยงชางเพอการผาตดชาง The Motion Simulation of Bed for Elephant Surgery

คมสน เมยนเพชร1* และ สจจาทพย ทศนยพนธ1

Komsan Mianpet1* and Satjarthip Thusneyapan1

บทคดยอ เนองจากประชากรชางในประเทศไทยมจ านวนลดลงอยางตอเนอง ความจ าเปนในการรกษาชวตชางจาก

การเจบปวยจงเปนสงส าคญ โรคและการบาดเจบของชางท าใหสตวแพทยตองท าการผาตด การผาตดชางตางกบคน โดยชางตองใหยนและชวงพกฟน ชางจะอยในทานอน ชางทโตเตมทมน าหนกมากถง 5 ตน จงเปนเรองยากในการเคลอนยายไปยงทตองการ โดยเฉพาะเมอไมมเครองมอชวย งานวจยนเสนอสแนวความคดกลไกของเตยงผาตดชางทสามารถเปลยนต าแหนงจากนอนไปเปนยนสลบไปมาได ประสทธภาพของแตละแบบ ประเมนไดโดยจ าลองการเคลอนทของชางโดยใชคอมพวเตอรชวยออกแบบและวศวกรรม (CAD/CAE) การเปรยบเทยบการท างาน โดยพจารณาจากต าแหนง ความเรวและความเรง ทจดตางๆ ของตวชาง คาเหลานไดใชเปนเงอนไขทจะลดความหวาดกลวของชาง ในขณะทเตยงเคลอนท ผลจากการศกษาสามารถน าไปใชออกแบบเตยงผาตดชางทเหมาะสมในอนาคตได

ABSTRACT With continually declines in elephant population in Thailand, the need for saving the elephant

life from illness is concerned. Disease and injury cause veterinarians to perform the surgery. Unlike human surgery, the elephant has to be in the standing posture; and during recovery, it need to lay down. An adult elephant has the mass as heavy as five tons. Without assisting equipment, it is difficult to move the elephant to the required posture. This research presented four mechanism concepts for the surgery bed, which capable of moving the elephant from horizontal to vertical, and vice versa. The effectiveness of each concept was simulated the elephant motion by using Computer-Aided Design/Computer-Aided Engineering (CAD/CAE). Comparisons of the concepts are position, velocity and acceleration at points on the elephant. There values could be used for evaluating conditions for elephants to feel less frightening during the motion. Results can be used for future design a suitable bed for the elephant surgery.

Key Words: elephant, surgery, bed, mechanism, CAD/CAE, veterinary * Corresponding author; e-mail address: arm_robotic@hotmail.com 1ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร กรงเทพฯ 10900 1Department of Botany, Faculty of Science, Kasetsart University, Bangkok, 10900

ค าน า เนองจากการขยายตวทางเศรษฐกจของประเทศไทย เปนผลใหเกดการเจรญเตบโตของจ านวนประชากรคนและการขยายตวของเขตชมชน ท าใหพนปาซงเปนทอยอาศยของชางลดนอยลง สงผลใหพบชางในเขตชมชนบอยขน และเปนสาเหตใหชางลมปวยและเกดอบตเหตเพมขน สาเหตของการบาดเจบ ไดแก โดนรถชน เหยยบกบระเบด ถกลาเอางาไปขาย หรอถกท ารายจากชาวบาน ชางทบาดเจบแลวลม ท าใหไมสามารถยนและเดนไดดวยตวเอง ท าใหยากล าบากในการเคลอนยายชางไป รกษายงสถานพยาบาล และเมออยในสถานพยาบาล การรกษาบาดแผลกท าไดยากล าบาก เนองจากชางเปนสตวบกทมขนาดใหญ การผาตดชางตางกบการผาตดคนและสตวขนาดเลก กลาวคอ ชางตองอยในต าแหนงยน การใชชางนอนผาตดท าใหสตวแพทยท างานยากล าบากในการเขาสต าแหนงอวยวะทตองผาตดหรอรกษาแผล อปสรรคทเกดขนในการผาตดชางคอ การควบคมใหชางอยในทายน และการพกฟนหลงผาตดจะใหชางอยในทานอน แลวเมอตองท าการผาตดเพมเตม กจ าเปนตองจบใหชางอยในทายน เหลาน คอปญหาทสตวแพทยผ ท าการรกษาพบ จงเปนความตองการของสตยแพทยในการจดหาอปกรณลกษณะเปนเตยง เพอการผาตดทสามารถท างานได ภายใตเงอนไขเหลาน งานวจยนจงมงเนนไปทการออกแบบและพฒนาเตยงส าหรบการผาตดทสามารถจบชางใหยน เพอใหสตวแพทยเขาถงต าแหนงทตองการผาตดไดงาย และสะดวกในขณะท าการผาตดและลดจ านวนพนกงาน ทตองมาชวยเหลอ งานวจยนไดท าการพจารณาความเปนไปไดของการท างานของเตยงชางแบบตางๆ จ านวน 4 แบบ โดยใชซอฟตแวร Computer-Aided Design/ Computer-Aided Engineering หรอ CAD/CAE ท าการออกแบบเตยงผาตดโดยสรางเปนแบบ Solid Model สามมต เพอศกษาเปรยบเทยบกลไกการท างานและใชวเคราะหการเคลอนท นอกจากนยงไดใช CAE ศกษาระยะเคลอนท ความเรว และความเรง ทจดตางๆ บนตวชาง เพอประเมนปจจยทจะท าใหชางเกดความหวาดกลวในขณะทชางเคลอนทไปพรอมกบเตยง

วธการและอปกรณ วธการรวบรวมขอมล การรวบรวมขอมลเกยวกบของกบการผาตดชาง สรระของชางไทยและขอมลของเตยงชางทเคยมการสรางใชงาน รวมถงลกษณะความตองการเตยงชางทสตวแพทยมประสบการณไดด าเนนการท สถาบนคชบาลแหงชาตในพระอปถมภฯ จงหวดล าปาง (Figure 1)

Figure 1 Information about elephants at the Elephant Hospital in Lampang: a) a sick elephant with a wounded leg, b) and c) medical treatment on the standing elephant inside a cage.

(a) (b) (c)

วธการจ าลองการเคลอนทของเตยงผาตดชาง รปแบบตางๆ ของเตยงผาตดไดใชวธการจ าลองใหเปนแบบสามมต เพอใหงายตอการตรวจสอบการท างานของกลไกและการเคลอนทของชาง โดยใชโปรแกรม CAD สรางและประกอบชนสวนของเตยงและของตวชางเปนแบบ Solid Model โดยใหโครงสรางเปนเหลกและใหชางมน าหนก 5 ตน แลวใช CAE จ าลองการเคลอนทของโครงสราง และก าหนดจดบนตวชาง เพอศกษาระยะเคลอนท ความเรวและความเรง การเปรยบเทยบการท างานของเตยงแตละแบบ ไดก าหนดใหใชเวลาในการพลกชางจากต าแหน งนอนไปเปนยนเปนเวลา 90 วนาท แลวค านวณความเรวทตองใชในการหมนเพอบงคบการเคลอนททจดหมนของเตยงแตละแบบ แลวแสดงผลของระยะเคลอนท ความเรว และความเรง ตามต าแหนงตางๆ ของชางเปนกราฟ การจ าลองการเคลอนทเสมอนจรง สามารถแสดงเปนภาพเคลอนไหวตามก าหนดในชวง 0 ถง 90 วนาท

อปกรณ โปรแกรมคอมพวเตอรทใชในการสรางรปแบบของเตยง เปนโปรแกรม CAD/CAE ชอ Pro/ENGINEER Wildfire v3.0 Student Edition ซงใชเทคโนโลยการจ าลองรปทรงสามมตแบบ Feature Based Parametric Solid Model ซงใหความสะดวกและรวดเรว ในการออกแบบแนวความคด (concept design) ของเตยงและใช Pro/Mechanism ซงเปน CAE ในการวเคราะหการเคลอนทและแสดงเปนภาพเคลอนไหว

ผลและวจารณผลการทดลอง ผลการรวบรวมขอมลของเตยงชาง การรวบรวมขอมลของเตยงผาตดชางและอปกรณรกษาพยาบาลชางท มใชในประเทศไทย พบหลกฐานจากภาพถายทโรงพยาบาลชางจงหวดสรนทร (Figure 2a) สวนสตวเปดเขาเขยว อ าเภอศรราชา จงหวด ชลบร (Figure 2b) ปจจบนไมพบการตดตงใชงานอยางถาวร สวนทสถาบนคชบาลแหงชาตในพระอปถมภฯ จงหวดล าปาง ใชรอกอตสาหกรรมยกชางใหยน (Figure 3a) และถาชางมขนาดใหญจะตองใชรถยกมาชวยเสรม (Figure 3b) โดยรถยกตองวาจางจากภายนอกมาด าเนนการ จงท าใหมคาใชจายสง

ผลการจ าลองแบบสามมตตของการท างานของเตยงผาตดชาง ผลจากการศกษาขอมลจากภาพถายของเตยงผาตดชางตามรป (Figure 2b) สามารถน ามาสรางเปนแบบจ าลองสามมตไดตามแสดงใน Figure 4 สงเกตวาเตยงนมจดหมนอยกลางเตยงและใชระบบขบเคลอนเปนแบบเกยรทด เม ออยในทานอน ชางจะอยสงกวาพน การเคลอนทหลกของเตยงน จะไดน าเสนอในแบบจ าลองท 4 ผลการออกแบบและศกษาการเคลอนทของเตยงผาตดชาง โดยในเบองตนของงานวจยน ยงไมรวมรายละเอยดในอปกรณส าหรบการผยงล าตวชาง ใหทรงตวอยในทายน และไมรวมอ ปกรณส าหรบการขบเคลอน การออกแบบเบองตนน จงเนนเพอหาขอสรปในหลกการเคลอนท โดยแบบตางๆ ทไดออกแบบเปนแนวคด (concept) ม 4 รปแบบ ดงน

Figure 2 (a) Preparation for elephant surgery on the bed at Surin Elephant Hospital. (b) Elephant surgery bed at an open zoo in Chonburi.

Figure 3 a) The use of an industrial overhead crane for lifting an elephant, b) additional truck-mounted crane for a large elephant.

Figure 4 A reproduction of the bed and its operation, of the bed in Figure 2b, into 3D solid model.

แบบท 1 เปนแนวความคดทออกแบบใหมความเรยบงายตอการสราง โดยมโครงเหลกสเหลยม 2 โครง ประกบกน และมจ ดหมนอยท ขอบดานยาวของโครงสราง โครงสรางจ งมอ สระการหมนเคลอนท (Rotation Degree of Freedom, R-DOF) เทากบหนง โครงสรางเตยงแบบน มหลกการพนฐานของการท างานแบบเดยวกบเตยงใน (Figure 2a) ภาพจ าลองแบบประกอบ (assembly model) และแบบกลไก (mechanism model) ของเตยงแบบแรกน ไดแสดงใน Figure 5. แบบท 2 เปนแบบทมความซบซอนของการท างานมากกวาแบบแรก โดยมแกนในแนวดงดนใหเตยงยกสงขน ในขณะทเตยงยกสงขนกจะมการหมนเตยงควบคไปพรอมกน (Figure 6) ดงนนการท างานจงมอสระการเคลอนทเชงเสน (Translation Degree of Freedom, T-DOF) เทากบหนง และ R-DOF เปนหนง สงเกตวามมเตยงทหมายเลข 1 สามารถก าหนดใหสมผสพนไดตลอดเวลา แบบท 3 ใชหลกการแกวงของชงชาโดย Figure 7 แสดงแบบจ าลองการท างานภายใตเงอนไขใหชางนอนอยในระดบพน ดงนนเม อมการหมน ต าแหนง แฟรมฐาน (Base) จะลอยตวขน เตยงนจ งม T-DOF เทากบหนง และ R-DOF เทากบหนง ถาตองการใหเตยงนม หนง R-DOF แฟรมฐานตองยกใหสงจากพนอยางถาวร

(a) (b) (c)

(a) (b)

(a) (b)

แบบท 4 มหลกการท างานแบบเดยวกบ Figure 4 โดยเปลยนการขบเคลอนจากการใชเฟองทดเปนระบบไฮดรอลกดนในแนวนอนทใตเตยงแทน (Figure 8) การเคลอนทของเตยงนม หนง R-DOF ส าหรบหมนชางและหนง T-DOF ส าหรบดนใหเตยงหมน

Figure 5 Assembly model and mechanism model of the first concept design, this bed has one R-DOF.

Figure 6 Assembly model and mechanism model of the second concept design, this bed has one T-DOF and one R-DOF.

Figure 7 Assembly model and mechanism model of the third concept design, this bed has one R-DOF.

Figure 8 Assembly model and mechanical model of the fourth concept, this concept has one R-DOF for turn the elephant and one T-DOF in the horizontal to control the rotation.

(b) (c)

(a)

(a) (b) (c) (d)

(a) (b) (c)

(a) (b) (c)

1 1 1

1

BASE

ผลการวเคราะหการเคลอนทของชางบนเตยงผาตด

จากการจ าลองการเคลอนทของชางบนเตยงชางของ 4 แนวคด โดยการพจารณา ระยะเคลอนท ความเรว และความเรง ทเปลยนแปลงบนจดตางๆ ของชางขณะเตยงเคลอนท โดยจดบนตวชางทพจารณามทงหมด 6 จด คอ ศรษะ จดศนยกลางของน าหนกของชาง (จดศนยถวง หรอ Center of Gravity, CG ) เทาหนาขางขวาและซาย และเทาหลงขางขวาและซาย จดตางๆ เหลานไดแสดงใน Figure 9. ผลการวเคราะหโดยใช CAE เพอศกษาการเปลยนแปลง ทจดตางๆ บนตวชางทง 6 จด ในชวงเวลาการเคลอนทจากแนวนอนเปนแนวตง โดยก าหนดเวลาทใช 90 วนาท โดย Figure 10 แสดงกราฟของการเปลยนแปลง ของระยะเคลอนทในแนวดงทง 6 จด จาก 0 ถง 90 วนาท ของเตยงแบบท 1 ถง 4 ตามภาพ a ถง d ตามล าดบ

Figure 9 Location of points on elephant for study the motion.

Figure 10 The vertical displacement at six locations on the elephant body from 0 to 90 seconds (to upright) position of concept 1 to 4 in graph, a to d respectively.

Concept 1 Concept 2

Concept 3 Concept 4

(a) (b)

(c) (d)

เนองดวยต าแหนงทเทาชางไมมผลตอความรสกทจะท าใหชางเกดอาการหวาดกลวในขณะเตยงเคลอนท ดงนนจงท าการพจารณาเฉพาะทศรษะและจด CG โดยความเรวของการเคลอนทท าใหทราบ momentum และความเรงท าใหทราบแรงทเปลยนแปลงทต าแหนงนนๆ การเปลยนแปลงของความเรวและความเรงทศรษะและจด CG ของชางบนเตยงทง 4 แบบ ไดแสดงเปนกราฟใน Figure 11 และ 12 ตามล าดบ

ผลเปรยบเทยบการเคลอนท ขอมลจากกราฟใน Figure 10 ถง 12 สามารถสรปเปนตารางเปรยบเทยบคาสงสดของระยะการเคลอนท ( x ) ความเรว ( v ) และความเรง ( a ) ไดตาม Table 1.

Figure 11 Comparing the velocity and acceleration at a point on the elephant head of the four concepts during the motion to upright position.

Figure 12 Comparing the velocity and acceleration at the center of gravity of the elephant of the four concepts during the motion to upright position.

Concept Elephant Head Elephant CG x ( m ) v ( m/sec ) a ( m/sec2 ) x ( m ) v ( m/sec ) a ( m/sec2 )

1 2.52 0.0427 0.74 x 10-3 1.93 0.0323 0.56 x 10-3

2 2.60 0.0523 1.83 x 10-3 2.52 0.0490 1.71 x 10-3

3 2.42 0.0458 0.84 x 10-3 1.83 0.0365 0.65 x 10-3

4 2.55 0.0139 0.24 x 10-3 2.26 0.0089 0.16 x 10-3

Table 1 Comparing the maximum displacement ( x ), velocity ( v ) and acceleration ( a ) at the elephant head and CG of the four concepts.

1

2

4

3

1

2

4 3

2

1

3

4

2

1

3 4

ขอสรปทไดจาก Table 1 พบวา เตยงแบบท 2 และ 3 มการเคลอนทขนลงและหมน (1 T-DOF และ 1 R-DOF) พรอมกนท าใหความเรวและความเรง ณ ต าแหนงศรษะและศนยกลางมวลสงกวาแบบท 1 และ 4 โดยเตยงแบบท 2 มคา

maxx maxv และ maxa สงสด ทงนเปนผลเนองจากการเคลอนทแนวดงพรอมกบการ

หมน ดงนนเมอคาการเคลอนททงสองมารวมกน จงท าใหมคาสงกวาแบบอน สวนแบบท 3 มคานอยกวาเนองจากระยะการเคลอนทในแนวดงสนกวา ขอดของแบบท 2 คอ ใชพนทบนแนวราบนอย ส าหรบเตยงแบบท 1 และแบบท 4 มคา

maxv และ maxa ต ากวา เนองจากทงสองแบบมเพยง 1 R-DOF โดยแบบท 4 มคาต าสด เนองจากแกนหมนอยใกลแนวแกนกลางของตวชาง (elephant centerline, Figure 9) ในขณะทแบบท 1 มคามากกวา เพราะแกนหมนอยทระดบเทาของชาง ระยะการเคลอนทสงสด ( maxx ) ของแบบท 4 มคามากเพราะจดหมนอยสงกวาพน ซงเปนขอเสยของแบบท 4 ทใหต าแหนงเตยง เมออยในแนวนอนมความสงจากพนมาก จงอาจเปนอนตรายตอชางและสตวแพทยทอาจตกจากเตยงได เพอพจารณาจากกราฟ Figure 11 และ Figure 12 พบวามการเปลยนแปลง (เทยบกบคาสงต าในชวง 90 วนาท) ของความเรวและความเรงของแบบท 1 และ 4 นอยมาก เมอเทยบกบแบบท 2 และ 3 ดงนนเตยงแบบท 1 และ 4 จงมผลตอการรสกหวาดกลวของชางนอยกวา

สรป งานวจยนไดแสดงการน า CAD/CAE มาใชออกแบบการท างานของเตยงผาตดชาง เพอประเมนความเปนไปไดของแตละแนวความคด โดยผลทไดแสดงเปนภาพสามมตและภาพเคลอนไหว พรอมแสดงกราฟของระยะเคลอนท ความเรว และความเรง ทจดตางๆ บนตวชาง เพอประเมนความรสกหวาดกลวของชางในขณะทเตยงท างาน โดยผลการวเคราะหการท างานของเตยง สามารถน าไปใชเปนขอมลประกอบการประเมนความเปนไปไดใหแกสตวแพทย และด าเนนการออกแบบทางวศวกรรมตอไป

กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ น.สพ.มล. พพฒนฉตร ดศกล น.สพ.ทวโภค องควานช และ สพ.ญ.วรางคณา ลงการพนธ

และคณะสตวแพทยทกคนทโรงพยาบาลชาง สถาบนคชบาลแหงชาตในพระอปถมภฯ ทใหการสนบสนนในเรองของขอมล สถานท ค าแนะน าในการออกแบบเตยงชางส าหรบผาตด และสนบสนนการเดนทางในการไปรวบรวมขอมล

ขอขอบคณหนวยปฏบตการวจยการออกแบบทางกลและผลตภณฑ (MPDRL) ทสนบสนนใหใชโปรแกรมวเคราะหออกแบบทางวศวกรรม (CAD/CAE) และคอมพวเตอรเพอการท างานวจยในครงน

เอกสารอางอง Richard G. Budynas and J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design. 9th ed. The McGraw-Hill Companies, Inc, New York. Murray E. Fowler and Susan K. Mikota. 2006. Biology Medicine, and Surgery of Elephants. Blackwell Publishing Ltd, Oxford.