Mô phỏng chuyển động của con người cho robot sử dụng hệ thống bắt chuyển động theo thời gian thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM NGỌC HƯNG MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI CHO ROBOT SỬ DỤNG HỆ THỐNG BẮT CHUYỂN ĐỘNG THEO THỜI GIAN THỰC Chuyên ngành: Xử lý thông tin Truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Xử lý thông tin Truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN KIM KHÁNH Hà Nội - 2010 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG .5 MỞ ĐẦU .6 Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Cơ Robot .9 1.1.2 Robot giống người – Humanoid 11 1.1.3 Vấn đề mô robot 14 1.1.4 Bài toán tạo chuyển động cho robot giống người 17 1.2 Tổng quan hệ thống 20 1.2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống .20 1.2.2 Hệ thống bắt chuyển động người .21 1.2.3 Biến đổi liệu chuyển động 24 1.2.4 Môi trường mô robot .25 1.2.5 Giới thiệu tảng mô SIGVERSE .26 Chương BIỂU DIỄN CHUYỂN ĐỘNG CON NGƯỜI 31 2.1 Mơ hình khung thể người 31 2.2 Nguyên lý hệ thống bắt chuyển động quang 32 2.3 Biểu diễn chuyển động quay 33 2.3.1 Biểu diễn ma trận quay 34 2.3.2 Biểu diễn góc Euler 36 2.3.3 Biểu diễn cặp góc-trục quay 37 2.3.4 Biểu diễn quaternion .38 2.3.5 Đại số quaternion .38 2.4 Dữ liệu chuyển động người hệ thống Optitrack 40 2.5 Bài toán động học biểu diễn chuyển động 45 Chương MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT 46 3.1 Bộ thư viện phát triển NatNet 46 3.1.1 Giới thiệu thư viện NatNet .46 3.1.2 Lớp NatNetClient .48 Trang Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ 3.2 Biến đổi liệu chuyển động thích nghi với robot 52 3.3 Chương trình xử lý liệu 54 3.4 Sử dụng môi trường mô SIGVERSE 57 3.4.1 Mơ hình sử dụng hệ thống mơ 57 3.4.2 Khởi động SIGVERSE 58 3.4.3 Định nghĩa môi trường ảo SIGVERSE xml 60 3.4.4 Sử dụng chế độ dịch chuyển chế độ điều khiển 65 3.4.5 Tạo trình điều khiển cho tác nhân 65 3.5 Tạo chuyển động cho robot SIGVERSE 66 3.5.1 Các ràng buộc robot 66 3.5.2 Điều khiển chuyển động robot 67 Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 71 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 78 Một số thuật ngữ khoa học robot 78 Trang Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ LỜI CAM ĐOAN Các nội dung trình bày luận văn dựa nỗ lực nghiên cứu tìm hiểu thân, đồng thời nhận hướng dẫn, giúp đỡ thầy hướng dẫn suốt thời gian thực Viện Tin học Quốc gia Nhật Bản (NII) Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST) Tôi xin cam đoan nội dung kết trình bày luận văn hồn tồn xác trung thực Luận văn không chép tác giả Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với luận văn tốt nghiệp thạc sĩ khoa học chuyên ngành xử lý thông tin truyền thông Phạm Ngọc Hưng Lớp Cao học Xử lý Thơng tin Truyền thơng Khóa 2008-2010 Trang Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Robot trạm không gian quốc tế (ISS) Hình 1-2 Một số kiểu thiết kế robot công nghiệp 10 Hình 1-3 Ví dụ robot di động (People Bot) 11 Hình 1-4 Minh họa thành phần người máy 11 Hình 1-5 ASIMO (trái) Honda Robonaut (phải) NASA 14 Hình 1-6 Phần mềm mơ Webots 15 Hình 1-7 Phần mềm mô Microsoft Robotics Studio 16 Hình 1-8 Phần mềm Choregraphe mơ robot NAO 16 Hình 1-9 Sơ đồ mô tả khái quát nghiên cứu Nakaoka [2] 18 Hình 1-10 Sơ đồ mô tả khái quát nghiên cứu Nirut Naksuk [3] 18 Hình 1-11 Hành vi bắt chước người HRP-4 19 Hình 1-12 Chuyển động giống người robot NAO 19 Hình 1-13 Sơ đồ tổng quan hệ thống 20 Hình 1-14 Hình ảnh diễn viên với hệ thống bắt chuyển động loại điện từ 22 Hình 1-15 Hệ thống bắt chuyển động làm phim 23 Hình 1-16 Hệ thống camera (a) bắt chuyển động diễn viên (b) 24 Hình 1-17 Hình ảnh thu thập liệu camera phần mềm Arena 24 Hình 1-18 Mơi trường ảo tạo hệ thống SIGVERSE 28 Hình 1-19 Cấu hình hệ thống mơ SIGVERSE 30 Hình 2-1 Cấu trúc mơ hình khung thể người 32 Hình 2-2 Biểu diễn trục quay góc quay Euler 33 Hình 2-3 Biến đổi phương pháp biểu diễn chuyển động quay 34 Hình 2-4 Hệ tọa độ gắn với vật rắn biểu diễn ma trận quay 35 Hình 2-5 Ví dụ biểu diễn phép quay xung quanh trục z góc 𝜽 35 Hình 2-6 Biểu diễn góc Euler 37 Hình 2-7 Biểu diễn cặp góc-trục quay 37 Hình 2-8 Sử dụng phần mềm Arena 41 Hình 3-1 Sơ đồ tổng quan thành phần giao tiếp thư viện NatNet 46 Hình 3-2 Giao diện minh họa chương trình nhận liệu từ máy chủ NatNet 47 Hình 3-3 Các góc yaw, pitch, roll biểu diễn phép quay điều khiển robot 53 Hình 3-4 Minh họa thích nghi liệu chuyển động cánh tay robot 54 Hình 3-5 Sơ đồ khối hệ thống mô SIGVERSE 58 Hình 3-6 Giao diện Sigverse Viewer 60 Hình 3-7 Ba loại hệ tọa độ giới mô 61 Hình 3-8 Cấu trúc joint robot SIGVERSE 68 Hình 4-1 Thu thập chuyển động 71 Hình 4-2 Mô chuyển động tổng hợp theo thời gian thực 72 Hình 4-3 Quan sát chuyển động tương ứng mơ hình người robot (a) 73 Hình 4-4 Quan sát chuyển động tương ứng mơ hình người robot (b) 73 Trang Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ DANH MỤC BẢNG Bảng Một số hàm API cung cấp hệ thống SIGVERSE 29 Bảng Mô tả loại liệu từ hệ thống Optitrack cung cấp 41 Bảng Mơ tả gói tin DataSet Desciption 42 Bảng Mô tả gói tin FrameOfMocapData 43 Bảng Tập hợp điểm cảm biến gắn với đoạn thể 44 Trang Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ MỞ ĐẦU Khoa học robot lĩnh vực đầu tư phát triển mạnh mẽ nhiều phịng thí nghiệm, trường đại học trung tâm nghiên cứu nhiều quốc gia hàng đầu giới Các nhà khoa học đạt nhiều thành tựu to lớn, thể vai trò quan trọng robot nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Có thể thấy có mặt robot nhiều nơi Robot tham gia dây chuyền sản xuất cơng nghiệp, tự động hóa; y tế, chăm sóc sức khỏe; lĩnh vực giải trí; lĩnh vực khoa học hàng khơng, vũ trụ v.v… Trong đó, hướng nghiên cứu quan tâm nhiều phát triển robot giống người (người máy) thông minh, đại, nhắm tới mục đích ứng dụng người máy hoạt động đời sống thực người, thay người nhiều công việc, tham gia cộng tác với người Lĩnh vực nghiên cứu, phát triển người máy đạt nhiều thành tựu lớn, phiên nhiều người máy đại ASIMO hãng Honda, Nao Aldebaran Robotics, Robonaut NASA, HRP-4…có khả thực hành vi, hoạt động tương tự người Trong nghiên cứu vậy, việc bắt chước hoạt động tương tự người cho người máy vấn đề quan trọng Luận văn trình bày đề tài “Mô chuyển động người cho robot sử dụng hệ thống bắt chuyển động theo thời gian thực” Nội dung nghiên cứu đề tài không đề cập đến việc thực robot thật mà giới hạn phạm vi sử dụng hệ thống mơ phỏng, nhằm mục đích nghiên cứu, khai thác, ứng dụng tảng mơ Vì môi trường mô mới, phát triển với nhiều tính khác biệt mơi trường mô trước Hơn nữa, nghiên cứu nhắm tới mục tiêu xử lý liệu từ hệ thống bắt chuyển động truyền đến hệ thống mô robot để đạt việc điều khiển robot thời gian thực Điều có ý nghĩa việc nghiên cứu phát triển ứng dụng người điều khiển robot thông qua cử chỉ, hành vi, … Trang Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ ứng dụng hợp tác, giao tiếp robot người Với mục đích vậy, nội dung nghiên cứu đề tài gồm phần chính:  Nghiên cứu biểu diễn liệu chuyển động người từ hệ thống bắt chuyển động  Phân tích phương án áp dụng liệu bắt chuyển động người để tạo chuyển động tương tự cho robot  Khai thác khả hệ thống mơ robot (SIGVERSE) Trong đó, tốn toán để phát triển nhiều ứng dụng khác mà hệ thống mô mong muốn đạt tới (mô giao tiếp xã hội) Luận văn trình bày với bố cục sau:  Phần mở đầu Giới thiệu đề tài, lý thực phương thức tiến hành nghiên cứu Tóm tắt nội dung mục tiêu đề tài  Chương Tổng quan Chương giới thiệu chung vấn đề xoay quanh tốn mơ chuyển động cho robot giống người Đưa mơ hình tổng quan hệ thống nội dung đề tài nghiên cứu giới thiệu khái quát thành phần tham gia hệ thống tổng thể  Chương Biểu diễn chuyển động người Chương tiến hành phân tích vấn đề biểu diễn liệu chuyển động người thu thập từ hệ thống bắt chuyển động  Chương Mô chuyển động người cho robot Trình bày cách sử dụng liệu từ hệ thống bắt chuyển động đề cập, biến đổi thích nghi cho việc điều khiển robot môi trường mô Đồng thời trình bày tìm hiểu khai thác, ứng môi trường mô SIGVERSE  Chương Kết bàn luận: Trình bày kết thực nghiệm tiến hành Trang Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ  Kết luận Luận văn thực khuôn khổ hợp tác nghiên cứu khoa học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Tin học Quốc gia Nhật Bản (National Institute of Informatics, Japan), hướng dẫn Tiến sỹ Nguyễn Kim Khánh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phó giáo sư Tetsunari Inamura, Viện Tin học Quốc gia Nhật Bản Tôi chân thành cảm ơn Tiến sỹ Nguyễn Kim Khánh, người hướng dẫn, bảo tận tình cho tơi q trình thực luận văn Tôi chân thành cảm ơn giáo sư Tetsunari Inamura tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi suốt tháng thực tập phịng thí nghiệm Inamura, Viện Tin học Quốc gia Nhật Bản Tôi chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học Viện Công nghệ Thông tin Truyền thông tạo điều kiện cho trình tham gia chương trình cao học thời gian thực luận văn tốt nghiệp Trang Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ 3.4.4 Sử dụng chế độ dịch chuyển chế độ điều khiển Khi thực mơ phỏng, tác nhân cấu hình phép mơ chế độ điều khiển (control mode) chế độ dịch chuyển (move mode) Chế độ điều khiển cấu hình cách cho phép khả mơ vật lý ODE (thiết lập thuộc tính dynamics giá trị true file định nghĩa xml) Khi sử dụng chế độ này, vị trí tuyệt đối tư (hướng) tác nhân xác định trực tiếp trình điều khiển (controller) mà điều khiển thông qua ngoại lực, mô men Trái lại, chế độ dịch chuyển cấu hình cách không cho phép khả mô vật lý ODE (thiết lập thuộc tính dynamics giá trị false file định nghĩa xml) Với chế độ này, tác nhân điều khiển trực tiếp trình điều khiển gắn với Vị trí tuyệt đối, tư góc khớp nối (joints) thiết lập trực tiếp, lực, momen hay áp suất phận thể tác nhân lại khơng thể áp dụng 3.4.5 Tạo trình điều khiển cho tác nhân Để tạo trình điều khiển cho tác nhân, người sử dụng viết tệp tin mã nguồn C++ dựa thư viện cung cấp sẵn Sigverse Trong tính điều khiển hoạt động tác nhân sử dụng dễ dàng thơng qua hàm APIs có sẵn thư viện Ví dụ mẫu trình điều khiển (controller) sau: #include "Controller.h" /* * TestController class * controller nothing */ // inherit Controller class class TestController : public Controller { // no implementation }; /* * createController function Trang 65 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ * create controller instance extern "C" (make sure to have it) */ extern "C" Controller * createController () { // return created controller class with new return new TestController; } Sau đó, tệp tin mà nguồn biên dịch thành tệp tin thư viện: % g++ -shared -o TestController.so -fPIC -DUSE_ODE DCONTROLLER -I $SRCDIR/model -I $SRCDIR/model/commonlib TestController.cpp Cuối cùng, trình điểu khiển dạng tập tin biên dịch “gắn” cho tác nhân tương tứng môi trường mô (trên máy chủ sigverse), sử dụng công cụ “runac” theo cú pháp tương tự ví dụ: % $(SRCDIR)/model/runac -l TestController.so -n Agent1 -p 6000 3.5 Tạo chuyển động cho robot SIGVERSE 3.5.1 Các ràng buộc robot Một người máy (humanoid robot) thông thường thiết kế để có cấu trúc thể giống người có thể, chuyển động giống người đi, ngồi, … thực người máy Tuy nhiên, có nhiều điểm khác người máy thể người Các khác biệt trở thành hạn chế ràng buộc chuyển động bắt từ người cần chuyển sang tương tự cho người máy Các ràng buộc làm cho việc bắt chước giống hoàn toàn Việc cố gắng phát triển hệ thống phần cứng robot giúp loại bỏ ràng buộc vấn đề quan trọng nghiên cứu Tuy nhiên, với cơng nghệ có thời điểm tại, tập trung tạo chuyển động bắt chước từ chuyển động thể người tốt cho robot Việc nắm rõ chi tiết ràng buộc robot cần thiết trình tạo chuyển động cho robot Trang 66 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ Một người máy có cấu trúc khớp liên kết (joint) có khác biệt so với cấu trúc thể Một khác biệt số bậc tự (DOF), biểu diễn số trục khớp dịch chuyển Robot SIGVERSE có 28 DOF: – DOF cánh tay x 2, – DOF chân x 2, – DOF cổ Điều đủ phép thực chuyển động tương tự người Tuy nhiên, thể người cấu trúc phức tạp xương cơ, có khoảng 100 DOF Nếu so chi tiết với robot, số bậc tự robot hạn chế Đối với chuyển động phức tạp, khác biệt trở thành hạn chế ràng buộc đáng kể Ngoài ra, phạm vi giới hạn chuyển động góc quay khớp liên kết (joint) robot hạn chế Robot giơ tay chân đến nhiều vị trí khó người vị trí nằm ngồi phạm vi giới hạn robot Hình dạng vật lý robot làm hạn chế chuyển động Một vấn đề quan trọng khác cấu trúc robot có điểm khác thường Ví dụ, khớp vai robot cấu tạo khí để quay quanh trục pitch, yaw, roll Khi robot giơ cánh tay (quay quanh phương ngang) số bậc tự khớp vai giảm robot tự thay đổi tất hướng cánh tay từ tư Tuy nhiên, thể người, khớp vai chuyển động theo tất hướng mà không phụ thuộc vào tư Một hướng tiếp cận để tránh vấn đề điểm khác thường tăng số lượng khớp liên kết (joint) Tuy nhiên, điều gặp trở ngại độ phức tạp khí, khơng dễ dàng thêm cấu khớp liên kết chấp hành hạn chế khơng gian thiết kế, làm tăng độ phức tạp điều khiển 3.5.2 Điều khiển chuyển động robot Để điều khiển robot Sigverse với liệu chuyển động thu thập được, cần có trình điều khiển (robot controller) gắn vào robot mơi trường mơ tạo Trình điều khiển làm nhiệm vụ nhận gói liệu tương ứng với khung hình chuyển động gồm chuỗi joint góc quay tương ứng joint dựa cấu trúc joint robot mô tả sau: Trang 67 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ Hình 3-8 Cấu trúc joint robot SIGVERSE Dữ liệu chuyển động sau biến đổi dạng biểu diễn góc Euler ánh xạ tương ứng đến góc quay điều khiển joint, chương trình đóng gói gói liệu tương ứng với khung hình để gửi vào mơi trường SIGVERSE qua socket Như vậy, gói liệu nhận gồm chuỗi joint góc quay tương ứng joint mà ánh xạ dựa định nghĩa tập joint điều khiển robot sau đây, phía gửi phía nhận sử dụng chung định nghĩa enum joint_name { AXIS_ANGLE=200, HEAD_JOINT0, HEAD_JOINT1, WAIST_JOINT0, WAIST_JOINT1, RARM_JOINT1, RARM_JOINT2, RARM_JOINT3, RARM_JOINT4, RARM_JOINT5, LARM_JOINT1, LARM_JOINT2, LARM_JOINT3, LARM_JOINT4, LARM_JOINT5, RLEG_JOINT1, RLEG_JOINT2, RLEG_JOINT3, RLEG_JOINT4, RLEG_JOINT5, Trang 68 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ RLEG_JOINT6, LLEG_JOINT1, LLEG_JOINT2, LLEG_JOINT3, LLEG_JOINT4, LLEG_JOINT5, LLEG_JOINT6 }; Trình điều khiển robot SIGVERSE (robot controller) sau nhận liệu khung hình chuyển động, dựa vào định danh joint góc chuyển động tương ứng joint để điều khiển thông qua hàm API setJointAngle Sigverse cung cấp Hàm đây, viết để thực việc điều khiển void my_setAngle(SimObj *robot, int joint, float rad) { switch (joint){ //head case HEAD_JOINT1 : robot->setJointAngle("HEAD_JOINT1", rad); break; case HEAD_JOINT0 : robot->setJointAngle("HEAD_JOINT0", rad); break; //wait case WAIST_JOINT0 : robot->setJointAngle("WAIST_JOINT0", rad); break; case WAIST_JOINT1 : robot->setJointAngle("WAIST_JOINT1", rad); break; //left arm case LARM_JOINT1 : robot->setJointAngle("LARM_JOINT1", rad); break; case LARM_JOINT2 : robot->setJointAngle("LARM_JOINT2", rad); break; case LARM_JOINT3 : robot->setJointAngle("LARM_JOINT3", rad); break; case LARM_JOINT4 : robot->setJointAngle("LARM_JOINT4", rad); break; //right arm case RARM_JOINT1 : robot->setJointAngle("RARM_JOINT1", rad); break; case RARM_JOINT2 : robot->setJointAngle("RARM_JOINT2", rad); break; case RARM_JOINT3 : robot->setJointAngle("RARM_JOINT3", rad); break; case RARM_JOINT4 : robot->setJointAngle("RARM_JOINT4", rad); break; //left leg case LLEG_JOINT3 : Trang 69 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 robot->setJointAngle("LLEG_JOINT3", case LLEG_JOINT2 : robot->setJointAngle("LLEG_JOINT2", case LLEG_JOINT1 : robot->setJointAngle("LLEG_JOINT1", case LLEG_JOINT4 : robot->setJointAngle("LLEG_JOINT4", case LLEG_JOINT6 : robot->setJointAngle("LLEG_JOINT6", case LLEG_JOINT5 : robot->setJointAngle("LLEG_JOINT5", //right leg case RLEG_JOINT3 : robot->setJointAngle("RLEG_JOINT3", case RLEG_JOINT2 : robot->setJointAngle("RLEG_JOINT2", case RLEG_JOINT1 : robot->setJointAngle("RLEG_JOINT1", case RLEG_JOINT4 : robot->setJointAngle("RLEG_JOINT4", case RLEG_JOINT6 : robot->setJointAngle("RLEG_JOINT6", case RLEG_JOINT5 : robot->setJointAngle("RLEG_JOINT5", } } Trang 70 Luận văn thạc sĩ rad); break; rad); break; rad); break; rad); break; rad); break; -rad); break; rad); break; rad); break; rad); break; rad); break; rad); break; -rad); break; Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Các thực nghiệm tiến hành phịng thí nghiệm Inamura, Viện Tin học Quốc gia Nhật Bản Chúng sử dụng hệ thống Optitrack để thu thập liệu chuyển động diễn viên, chuyển động mô lại cho robot môi trường mô SIGVERSE Các liệu thu thập ghi lại kho liệu liệu phục vụ cho trình nghiên cứu, thử nghiệm Kịch thu thập liệu chuyển động người thực gồm:  Thu thập chuyển động (các chuyển động đơn giản, riêng rẽ thành phần thể) Mục đích để xác định, kiểm chứng việc điều khiển joint robot (neck, shoulder arms, elbow arms, waist, hip, knees)  Thu thập chuyển động phức tạp hơn, kết hợp tổng thể vận động nhiều thành phần thể (ví dụ hoạt động đi, cúi chào, hoạt động chơi thể thao golf, tennis, …), đồng thời liệu truyền trực tiếp qua mạng đến môi trường mô sigverse theo thời gian thực (sử dụng máy tính hệ thống máy chiếu để quan sát trực quan) Hình 4-1 Thu thập chuyển động Trang 71 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ Hình 4-1 mơ tả hoạt động thực nghiệm bắt chuyển động diễn viên Theo thứ tự từ trái qua phải xuống, gồm chuyển động khớp: left shoulder roll 900, left shoulder pitch 900, right shoulder roll 900 left shoulder pitch 900, hip 900, knees 900 Các chuyển động dùng để xác định riêng rẽ điều khiển khớp (joint) robot SIGVERSE, mục đích xác định xác tương ứng thành phần (đoạn thể) chuyển động mô hình người cấu trúc robot Sau xác định điều này, tiến hành thực nghiệm với chuyển động phức tạp toàn thể Hình 4-2 minh họa thực nghiệm bắt chước chuyển động toàn thể truyền thời gian thực Hình 4-2 Mơ chuyển động tổng hợp theo thời gian thực Phần mềm Arena (của hệ thống bắt chuyển động Optitrack, quan sát thấy chiếu phía trái) cung cấp luồng liệu chuyển động qua mạng, chuyển động robot mô (quan sát chiếu phải) bắt chước chuyển động diễn viên Thực tế, để thuận lợi trình làm việc quan sát, sử dụng kho liệu chuyển động thu thập lưu trữ lại Thực chương trình phân tích, xác định tương ứng khớp chuyển động diễn viên Trang 72 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ robot thơng qua mơ hình số diễn viên phần mềm Arena Hình minh họa chuyển động số khớp (khuỷu tay, vai, đầu gối, …) tương ứng mơ hình người robot Hình 4-3 Quan sát chuyển động tương ứng mơ hình người robot (a) Hình 4-4 Quan sát chuyển động tương ứng mơ hình người robot (b) Thơng qua thực nghiệm quan sát, thành công việc chuyển liệu chuyển động người vào robot mô theo thời gian thực Các chuyển động xác hầu hết khớp (joint) Tuy nhiên, khác biệt cấu trúc phức tạp khớp vai mơ hình người mơ hình robot, khiến cho số chuyển động liên quan đến khớp chưa hoàn toàn tương Trang 73 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ ứng Ngoài ra, vấn đề ràng buộc cấu trúc robot hạn chế khả mô nhiều chuyển phức tạp Trang 74 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ KẾT LUẬN Nội dung nghiên cứu đề tài tập trung vào việc mô chuyển động giống người cho robot dựa liệu thu thập từ hệ thống bắt chuyển động người theo thời gian thực Kết nghiên cứu rằng, liệu bắt chuyển động người sau biến đổi thích nghi truyền thành cơng tới robot mơi trường mơ Robot giống người thực hành vi, chuyển động tương tự người theo thời gian thực với độ tương đồng cao Luận văn đạt kết nghiên cứu phân tích phương pháp biểu diễn liệu chuyển động người phương án xử lý liệu để phù hợp với mơi trường robot Ngồi ra, nội dung nghiên cứu trình bày hệ thống mơ SIGVERSE với nhiều điểm mạnh hướng nghiên cứu khác biệt phát triển Nghiên cứu kiểm chứng cho khả sử dụng, khai thác hệ thống mô Tuy nhiên, với phương án xử lý biến đổi liệu đề cập đề tài, tồn vấn đề chưa tương thích hồn tồn khớp vai robot khác cấu trúc khớp vai robot mơ hình người Nghiên cứu giải tốn bản, gặp nhiều toán khác nghiên cứu, phát triển ứng dụng SIGVERSE tiếp theo, hướng nghiên cứu mô giao tiếp xã tác nhân, hoạt động hợp tác robot người Trang 75 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Pollard, J Hondgins, M.J.Riley, C Atkeson “Adapting human motion for the control of a humanoid robot” In Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.1390-1397, 2002 [2] Shinichiro Nakaoka, Atsushi Nakazawa, Kazuhito Yokoi, Hirohisa Hirukawa, Katsushi Ikeuchi “Generating Whole Body Motions for a Biped Humanoid Robot from Captured Human Dances” in IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp 3905–3910, 2003 [3] Nirut Naksuk and C S George Lee and Shirley Rietdyk “Whole-Body Humanto-Humanoid Motion Transfer” In Proceedings of 2005 5th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots [4] Marcia Riley, Ales Ude, Christopher G Atkeson “Methods for motion generation and interaction with a humanoid robot: Case studies of dancing and catching” AAAI and CMU Workshop on Interactive Robotics and Entertainment 2000, April 2000 [5] Daisuke Matsui, Takashi Minato, Karl F MacDorman, and Hiroshi Ishiguro “Generating Natural Motion in an Android by Mapping Human Motion” [6] Qiang HUANG, Zhaoqin PENG, Weimin ZHANG, Lige ZHANG, and Kejie LI “Design of Humanoid Complicated Dynamic Motion Based on Human Motion Capture” [7] Feng DUAN, Jeffrey Too Chuan TAN and Tamio ARAI “Using Motion Capture Data to Regenerate Operator’s Motions in a Simulator in Real Time” Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics Bangkok, Thailand, February 21 - 26, 2009 [8] Roman Filkorn, Marek Kocan “Simulation of Human Body Kinematics” [9] Wael Suleiman, Eiichi Yoshida, Fumio Kanehiro, Jean-Paul Laumond and Andr´e Monin “On Human Motion Imitation by Humanoid Robot” 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Califorina : United States [10] Alla Safonova, Nancy S Pollard, and Jessica K Hodgins “Optimizing Human Motion for the Control of a Humanoid Robot” [11] Tetsunari Inamura and et al “Simulator platform that enables social interaction simulation SIGVerse: SocioIntelliGenesis simulator” Special Interest Group: http://socio.iir.nii.ac.jp/index-e.html [12] Takashi Hashimoto, Tetsunari Inamura, Tomohiro Shibata and Hideaki Sena: "Combining constructive and realistic simula-tions: Development of SIGVerse as an integrative simulator for sociointelligenesis," 4th International Nonlinear Science Con-ference(INSC 2010), 2010 [13] SIGVerse manual Trang 76 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ http://www.sociointelligenesis.org/SIGVerse/manual/eng/ [14] Optitrack – Optical motion capture solutions http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/motion-capture/ [15] Noel H Hughes “Quaternion to Euler Angle Conversion for Arbitrary Rotation Sequence Using Geometric Methods” Braxton Technologies, Colorado Springs, Colorado, 80915 [16] Raquel Urtasun Human Motion Analysis, Lecture 2: Human Body Representations Trang 77 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Luận văn thạc sĩ PHỤ LỤC Một số thuật ngữ khoa học robot Robot thiết bị điện gồm nhiều bậc tự (degree of freedom), lập trình để thực nhiều nhiệm vụ khác Robotics lĩnh vực khoa học nghiên cứu robot DOF (degree of freedom – bậc tự do), số chuyển động độc lập mà robot thực Minh họa bậc tự robot Manipulator (cơ cấu vận hành), thiết bị điện có khả tương tác với mơi trường End-effector phận tiếp xúc, gắn điểm cuối cấu vận hành, để thực nhiệm vụ hữu ích Workspace (trường cơng tác), vùng khơng gian mà điểm cuối vận hành (end-effector) với tới, bao gồm vị trí hướng Position (vị trí), xác định định vị tuyến tính (trên đường thẳng) đối tượng Orientation (hướng), xác định định vị quay (theo góc) đối tượng Trong robotics, hàng khơng, hướng thường xác định góc roll, pitch, yaw Pose (tư thế), bao gồm vị trí hướng đối tượng Trang 78 Phạm Ngọc Hưng Lớp Xử lý Thông tin Truyền thông C0810 Link Luận văn thạc sĩ (khâu liên kết), phận khí rắn dùng để kết nối khớp (joints) robot Joint (khớp liên kết), phận cho phép chuyển động tương đối khâu (link) robot Có nhiều loại joint khác nhau: quay (R), tịnh tiến (P), cầu (S), đa (U) Minh họa kiểu khớp liên kết (joint) Kinematics (động học), lĩnh vực chuyển động mà không quan tâm đến lực, mômen Dynamics (động lực học), lĩnh vực chuyển động mà quan tâm đến lực mômen Actuator (cơ cấu chấp hành), cung cấp lực, mômen cho chuyển động robot Sensor (cảm biến), nhận thông tin thay đổi chuyển động robot để sử dụng điều khiển Trang 79 ... vậy, việc bắt chước hoạt động tương tự người cho người máy vấn đề quan trọng Luận văn trình bày đề tài ? ?Mô chuyển động người cho robot sử dụng hệ thống bắt chuyển động theo thời gian thực? ?? Nội... diễn liệu chuyển động người thu thập từ hệ thống bắt chuyển động  Chương Mơ chuyển động người cho robot Trình bày cách sử dụng liệu từ hệ thống bắt chuyển động đề cập, biến đổi thích nghi cho việc... văn thạc sĩ hệ thống: hệ thống bắt chuyển động, hệ thống mô chương trình xử lý truyền liệu theo thời gian thực Mơ hình tổng quan hệ thống trình bày phần tiếp sau 1.2 Tổng quan hệ thống 1.2.1