Chương 1: Tổng quan về điều khiển mô phỏng chuyển động cơ thể.1 Định nghĩa về mô phỏng và điều khiên mô phỏng: Mô phỏnglà việc nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ thống thực, mô phỏng là tiến hành thử nghiệm trên mô hình. Đó là quá trình tiến hành nghiên cứu trên vật thật nhân tạo, tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần để quan sát và làm thực nghiệp, từ đó rút ra kết luận tương tự vật thật. Ta có thể thực hiện việc mô phỏng từ những phương tiện đơn giản như giấy, bút đến các nguyên vật liệu tái tạo lại nguyên mẫu (mô hình bằng gỗ, nhựa, sợi thủy tinh…) kết hợp với việc đo đạc đánh giá với mô hình trên máy tính, cũng như các thiết bị đo đạc chuyên dụng. Minh họa cho hệ thống mô phỏng lắp ráp máy cơ khí và hệ thống mô phỏng chuyển động cánh tay trên máy tính.
Điều khiển mô phỏngsử dụng mô tả tham số đầu vào, mô hình củ thực ở dạng tín hiệu điện tương tự hoặc số để ứng dụng trong điều khiển một hệ thống xác định. Điều khiển mô phỏng thường được sử dụng rất có hiệu quả để nghiên cứu trạng thái động của nguyên mẫu trong những điều kiện nếu nghiên cứu trên vật thật sẽ khó khăn, tốn kém và không an toàn. Điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay là điều khiển sử dụng tham số đầu vào hoặc các mô hình của cánh tay ở dạng tín hiệu điện để điều khiển đặc tả cơ cấu chấp hành theo một chuyển động - 10 - nào đó của cánh tay. Điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay là một mảng nhỏ trong điều khiển mô phỏng sinh học.
Bên cạnh việc mô tả hình dáng bên ngoài của cánh tay, các nhà khoa học hiện nay còn sử dụng phương pháp trích xuất đặc trưng chuyển động của cánh tay thông qua đặc trưng tín hiệu EMG hoặc EEG tương ứng với cử động. Đó không chỉ là một phương pháp tiếp cận mới mà còn là một cách tiếp cận vô cùng khoa học, đi thẳng vào vấn đề của điều khiển là thực hiện các lệnh theo ý của người điều khiển. Thực tế, mô phỏng là một dạng tạo hiệu ứng, truyền sinh khí và chuyển động cho những đối tượng khô khan. Mô phỏng chuyển động cánh tay và tính hiệu của cánh tay là xu hướng phát triển mới của điều khiển học hiện đại, hiện đã và đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực.
Nó góp phần không nhỏ trong quá trình tối ưu hóa các thao tác trong khi khai thác vận hành, sử dụng các hệ thống. Thay vì việc sử dụng cơ chế điều khiển bằng bàn phím thông thường, người điều khiển có thể áp dụng ngay những cử động của mình vào việc xử lý công việc một cách đa dạng hơn. Tuy là phương pháp mới với nhiều ưu điểm nhưng do là công nghệ ra đời sau nên việc điều khiển sử dụng mô phỏng chuyển động cánh tay vẫn còn rất nhiều điểm tồn tại cần nghiên cứu thêm so với công nghệ panel điều khiển hoặc bảng điểu khiển sử dụng nút bấm vốn đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm. Trong lĩnh vực cơ sinh, việc thiết kế hệ thống điều khiển có ứng dụng mô phỏng kết hợp cơ cấu chấp hành sẽ tạo cho sinh viên nhiều kỹ năng như: khả năng hoạt động quan sát (các hình ảnh tĩnh hoặc động), khả năng thao tác trên đối tượng, khả năng tự do phát triển tư duy, lựa chọn con đường tối ưu để nhận thức và phát triển các hệ thống mới dựa trên hệ thống điều khiển thế hệ trước.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh.
Các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực trong cuộc sống nhưng tập trung chính trong giải dạy tại - 11 - các trường đại học, trong các ngành như xây dựng, công nghiệp nhẹ, và đặc biệt là trong y học. Các đột phá trong việc xử lý các tín hiệu y học đã tạo tiền đề cho việc phát triên các phương thức mô phỏng rất chính xác và có khả năng đáp ứng cao với nhiều điều kiện hoạt động.1 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay trên t hế giới Thế giới không còn quá xa lạ với các công nghệ điều khiển học và tự động dựa vào sự mô phỏng sinh học các trạng thái của con người. Điển hình là tại Mỹ, năm 2012, TS. Nitish Thakor cùng nhóm đồng sự đã tiến hành nghiên cứu, phát triển và cho ra đời sản phẩm là cánh tay thay thế cho người khuyết tật với 22 bậc tự do được điều khiển dựa trên tín hiệu thần kinh của con người.
Với cách tiếp cận trực tiếp tín hiệu điện não đồ EEG và xử lý chúng dựa trên nền tảng VSLI, hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động này của TS Thakor và các đồng sự tại Khoa Y Sinh trường ĐH John Hopkins đã cho thấy sự tiềm năng, cũng như tính hiệu quả khi khai thác triệt để các thành tựu của các ngành cơ sinh, xử lý tín hiệu trên đối tượng xử lý là tín hiệu sinh học. Bên cạnh đó cơ cấu chuyển động mô phỏng cánh tay này cũng được đánh giá là có độ tin cậy cao khi thực hiện các động tác mô phỏng chuyển động của cánh tay thật. Bên trái: Cánh tay 22 dùng cho người khuyết tật với 22 bậc tự do. Bên phải: Myo Gesture control band của Myo, Mỹ.
- 12 - Bên cạnh ứng dụng dành cho ngành y tế, các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động còn có giá trị rất lớn trong lĩnh vực thực tại ảo. Điển hình là sản phẩm Myo Gesture Control Armband của Hãng Myo – Mỹ. Là sản phẩm khai thác tín hiệu sEMG – tín hiệu điện cơ bề mặt, Myo Gesture Control Armband đo đạc và trích xuất các đặc trưng tín hiệu sEMG trong các chuyển động cánh tay, qua đó phân tích và xử lý các tín hiệu này để thực hiện các lệnh thao tác đã được lập trình trước. Thiết bị này có khả năng tương thích rất cao với các loại smart TV, smart phone.
Với nền tảng giao tiếp Bluetooth Smart và công nghệ cảm biến Medical Grade EMG stainless steel – công nghệ cảm biến EMG y tế sử dụng điện cực sắt không gỉ, Myo Gesture Control Armband có thể thực hiện các công việc thay thế cho hầu hết các bộ điều khiển không dây có thể kết nối đến máy tính, điện thoại thông minh và máy tính bảng. Trên đây chỉ 2 là 2 ví dụ tiêu biểu về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay trên thế giới. Các sản phẩm này đã đánh dấu bước tiến mạnh mẽ của công nghệ nhận diện tín hiệu sinh học trong lĩnh vực điều khiển.2 Sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay ở Việt Nam Tại Việt Nam, các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay vẫn chưa thực sự phát triển mạnh. Có thể điểm đến một số nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu như cánh tay cứu hộ các tai nạn công trình của Nghiên Cứu Sinh – Thạc sỹ Đào Mạnh Hùng công bố năm 2012, cánh tay cứu hộ này hoạt động dựa trên các cảm biến gia tốc nhằm mô phỏng lại chuyển động của cánh tay.
Sử dụng động cơ thủy lực trong cơ cấu chấp hành để nâng các vật nặng, và cơ cấu kẹp cang cua để giữ các vật nặng này. Bên cạnh đó là các nghiên cứu của các nhóm sinh viên chuyên ngành điện tử Tử Y sinh của các trương đại học Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa Đà Nẵng khi nghiên cứu và mô phỏng các tín hiệu sEMG và EEG để thực hiện mô phỏng chuyển động của cánh tay như nghiên cứu “thiết kế mô hình điều khiển cánh tay 2 bậc tự do sử dụng tín hiệu điện cơ bề mặt” của nhóm sinh viên Nguyễn Minh - 13 - Phương và Phạm Quốc Anh,v.… Các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu sơ khởi, các cơ cấu chấp hành còn nhiều thiết sót trong mô tả chuyển động, tốc độ phản hồi, tốc độ xử lý của hệ thống xử lý còn thấp và chưa cao. Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu này đều rất tiềm năng nếu được đầu tư và phát triển đúng hướng. Trên đây là vài nét về điều khiển mô phỏng cơ thể con người và sơ lược về các hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động của cánh tay.
Ta thấy được sự phong phú trong các tiếp cận của các nhóm phát triển, tham số điều khiển có thể là tín hiệu sEMG, EEG sinh ra trong quá trình chuyển động của cánh tay như cách tiếp cận của Hãng Myo, có thể là các giá trị góc của cánh tay trong quá trình vận động như cách tiếp cận của cánh tay cứu hộ. Qua đó ta có thể thấy sự tiềm năng của các công nghệ mô phỏng thông qua các ứng dụng đa dạng mà chúng có thể đóng góp đối với cuộc sống của chúng ta. - 14 - Chương 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển mô phỏng chuyển động cánh tay. Với phương pháp tiếp cận là xác định độ biến dạng hình dáng của ngón tay trong các cử động co-duỗi và sự thay đổi về vị trí dẫn đến sự thay đổi về góc của cánh tay trong các chuyển động nhằm mô phỏng lại chuyển động của cánh tay.
Trong Chương 2 này, nội dung chính đề cập đến các vấn đề là cánh tay của con người, cảm biến thu nhận tín hiệu của chuyển động cánh tay và thuật toán được dùng cho vi điều khiển mô phỏng lại chuyển động cánh tay thông qua tín hiệu thu nhận được từ cảm biến.1 Cánh tay và chuyển động của các bộ phận trên cánh tay 2.1 Cấu tạo cánh tay Cánh tay hay chi trên là bộ phận linh hoạt nhất của con người. Chi trên chịu trách nhiệm cho hầu hết mọi hoạt động trong cuộc sống hàng ngày. Chi trên được chia làm 3 phần : Cánh tay, cẳng tay và bàn tay. Cấu tạo xương cánh tay.
Cánh tay là phần nối của chi trên với vai. Cấu tạo gồm 1 xương lớn là xương cánh tay. Đầu nối với vai có cấu tạo giống như 1 khớp động dạng khớp tròn xoay. Khớp động này có thể tạo 1 góc xoay 3 chiều rất linh hoạt lên tới 142 0.
- 15 - Cẳng tay là phần nối giữa cánh tay và bàn tay. Cấu tạo gồm 2 xương chính là xương quay và xương trụ. 2 xương này được nối với nhau bởi màng gian cốt. Cấu tạo của cẳng tay khá đắc biệt cho phép cẳng thay thực hiện động tác xoay quanh trục là xương trụ.