1. 1T ng quan chun gv lĩnh vực nghiên cu
2.5 Xúc giác trên xe là gì?
Xúc giác trên xe là c m giác mà ng i điều khiển xe c m nhận đ ợc thông qua việc t ơng tác trực tiếp với các bộ phận c a xe trong lúc điều khiển xe. Ví d nh khi t ơng tác với vô lăng, bàn đ p ga, bàn đ p phanh, ghế ngồi, cần số…
2.5.2 M t số c m giác xúc giác mƠ con ng i c m nh n đ c khi đi u khi n xe 2.5.2.1 T ng tác v i vô lăng
Khi t ơng tác với vô lăng thì ng i lái sẽ nhận đ ợc các c m giác do hệ thống lái tác động tr l i nh mô men quán tính, mô men c n các khớp, mô men giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng sinh ra do xúc giữa bánh xe với mặt đ ng thông qua các cơ cấu cơ khí trong hệ thống lái truyền ng ợc lên vô lăng và tác động đến tay ng i lái đ ợc hiểu nh là c m giác lái.
Hình 2.10: T ơng tác với vô lăng
2.5.2.2 T ng tác v i bƠn đ p ga
Khi t ơng tác với bàn đ p ga thì ng i điều khiển nhận đ ợc ph n lực từ bàn đ p ga tác động lên chân ng i điều khiển. Ph n lực này ch yếu bao gồm lực hồi vị c a lò xo và c a các cơ cấu cơ khí.Cơ cấu hồi vịchân ga giúp cho bàn đ p có kh năng hồi vị về vị trí ban đầu khi ng i lái không tác d ng lực lên bàn đ p. Cơ cấu hồi vị đồng th i đ m nhận ch c năng t o c m giác lực cho ng i điều khiển. Việc
Mô men lái
t o c m giác cho ng i điều khiển khiến họ hiểu đ ợc đã đ p bàn đ p chân ga điều khiển đến m c nào, thông qua m c nhấn sâu (chân ga nặng), nhấn ít (chân ga nhẹ). Ng i điều khiển từ xa không còn ngồi trực tiếp trên xe nên họ bị mất đi nhiều c m giác thực nh : không gian xung quanh xe, gia tốc xe, vận tốc c a xe, sự rung động c m giác từ bàn đ p ga truyền lên,vv. Do vậy, ngoài c m giác bàn đ p ga còn rất nhiều yếu tố khác nh h ng tới quá trình điều khiển ga trong việc điều khiển ga gián tiếp từ xa.
Hình 2.11: T ơng tác với bàn đ p ga
2.5.2.3 T ng tác v i bƠn đ p phanh
Hoàn toàn t ơng tự khi t ơng tác với bàn đ p ga ta cũng có những lực và ph n lực nh vậy nh ng độ lớn có thể khác. Ngoài ra, ph n lực từ bàn đ p phanh tác động lên chân ng i điều khiển còn có sự tham gia c a môi chất công tác trong hệ thống phanh nh là dầu phanh. Điều này có thể gi i thích là theo định luật Pascal chất lỏng là chất không chịu nén, khi áp suất đ ợc đặt vào chất lỏng trong một hệ thống kín, áp suất đó sẽ phân phối bằng nhau và giữ nguyên tất c các h ớng. Nh vậy, áp suất trong dẫn động phanh truyền đến các xilanh bánh xe là nh nhau, khi đó lực đẩy lên guốc phanh sẽ ph thuộc vào đ ng kính đỉnh pít tông xy lanh công tác. Khi tăng lực tác d ng lên bàn đ p sẽ làm cho áp suất trong xy lanh phanh chính tăng lên, lực đẩy lên guốc phanh cũng tăng lên. Do đó, dẫn động phanh thuỷ lực b o đ m đ ợc sự làm việc đồng th i c a các cơ cấu phanh, b o đ m tỷ lệ thuận giữa lực tác d ng lên bàn đ p và lực đẩy lên guốc phanh t c là b o đ m tính “tuỳ động”c a hệ thống phanh.
Lực mà chân người điều khiển tác dụng lên bàn đ p ga
Hình 2.12: T ơng tác với bàn đ p phanh
2.5.2.4 T ng tác v i cần sang số
Khi t ơng tác với cần sang số thì lực t ơng tác ch yếu là kéo và đẩy (g t), thông qua đó ng i điều khiển nhận đ ợc c m giác nặng, nhẹ khi vào số. Khi bị kẹt số thì c m giác cần sang số sẽ dịch chuyển êm mà sẽ bị c ng.
Hình 2.13:T ơng tác với cần sang số
2.5.2.5 T ng tác v i gh ng i
Trong điều khiển xe thì ghế lái là một bộ phận góp phần quan trọng vào chất l ợng điều khiển. Thông qua t ơng tác với ghếlái, ng i điều khiển có thể nắm bắt đ ợc khá nhiều thông tin về tình tr ng mặt đ ng: lồi lõm, lên, xuống dốc, tăng, gi m tốc, độ êm dịu hay c ng rắn c a hệ thống gi m sóc, vì rõ ràng là thông tin từ mắt không thể cung cấp cho ng i điều khiển một cách toàn diện vềmôi tr ng xe đang ho t động. Dựa vào những c m nhận khi t ơng tác với ghế lái, ng i điều khiển sẽ ra quyết định điều khiển xe cho phù hợp.
Hình 2.14: T ơng tác với ghế ngồi
Khi t ơng tác với ghế ngồi thì vùng đùi ch yếu c m nhận sự ma sát với lòng ghế, khi xe bị nghiêng hay khi quay vòng do lực ly tâm đều làm cho ng i điều khiển có xu h ớng văng ra ngoài. Do vậy, ng i điều khiển ph i áp sát vùng đùi xuống ghế để không bị tr ợt khỏi ghế. Một phần trọng lực c a ng i điều khiển áp xuống lòng ghế cọ sát với ghế và ng i điều khiển sẽ không bịtr ợt nh ma sát với lòng ghế.Vùng mông (x ơng chậu) ch yếu c m nhận sự rung xóc từ mặt đ ng truyền lên và cũng nhận đ ợc sự ma sát với ghế ngồi.Vùng l ng hay thân ng i điều khiển ngoài sự ma sát với ghế còn nhận đ ợc sự nghiêng, lắc. Lấy ví d nh khi xe đi vào đ ng mấp mô thì ng i điều khiển sẽ c m nhận rõ rệt sự rung xóc từ mặt đ ng truyền lên thông qua sự lắc l c a vùng hông và l ng, khi xe tăng tốc hoặc lên dốc thì do lực quán tính l ng ng i điều khiển sẽ áp m nh hơn vào l ng ghế, khi xe gi m tốc hay xuống dốc thì l ng ng i điều khiển có xu h ớng nhấc khỏi l ng ghế. Từ những c m giác này mà ng i điều khiển sẽ c m nhận đ ợc thông tin mặt đ ng cũng nh tình tr ng ho t động c a xe.
2.5.2.6 T ng tác v i nút nhấn
Khi t ơng tác với các nút nhấn thì ng i điều khiển c m nhận ch yếu là biên d ng nút nhấn và ph n lực từ nút nhấn tác động tr l i tay.
Hình 2.15:T ơng tác với nút nhấn
Nh vậy, ta đã phân tích đ ợc một số c m giác xúc giác mà con ng i c m nhận đ ợc khi điều khiển xe trực tiếp. Tuy nhiên, trong điều khiển từ xa thì các c m giác xúc giác này không còn nữa và ng i điều khiển sẽ không thể nào điều khiển xe đ ợc chính xác đ ợc. εuốn tăng độ chính xác trong điều khiển ô tô từ xa cần ph i tái t o l i các c m giác xúc giác cho ng i điều khiển. Vậy công nghệ nào có thể thực hiện đ ợc điều này? Đó chính là công nghệ Haptics. Thực chất công nghệ này là gì, làm thế nào nó có thể t o đ ợc xúc giác cho con ng i, nó có ng d ng gì trên ô tô?
2.6 Gi i thi u công ngh Haptics
Haptic là từ gốc Hy δ p để chỉ c m giác xúc giác (Sense of Touch). Nói chung, Haptic bao gồm lực tác động (c ng, mềm), c m giác về bề mặt (thô, nhám, sắc, trơn…) c m giác về chuyển động mà con ng i có thể c m nhận thông qua tiếp xúc, cầm, nắm, s …Công nghệ Haptics là công nghệ tái t o l i các c m giác xúc giác đó, với m c độ chân thực và chi tiết khác nhau, nhằm tái t o l i toàn bộ hay một phần c m giác xúc giác c a con ng i khi tiếp xúc với thiết bị. Hãy t ng t ợng một ví d thế này, nếu chúng ta có thể chế t o ra một d ng c nh găng tay haptics, khi con ng i đeo nó vào, và đeo thêm một cái kính xem phim 3D (nh khi xem Avatar), chúng ta có thể không chỉ nhìn thấy một vật trong thế giới o (Virtual Reality), mà còn tiếp xúc đ ợc với nó, s , nắm, c m giác đ ợc độ c ng, bề mặt c a nó, những rung động c a nó, và thậm chí là t ơng tác, dịch chuyển nó.
Công nghệ Haptics ch yếu mang l i hai lo i c m giác tiếp xúc: c m giác về lực (force feedback) và c m giác tiếp xúc (tactile). C m giác lực mang l i cho con ng i c m giác về lực tác động, nhằm tái t o sự hiện diện c a sự vật thông qua lực tác động c a nó với t cách đối t ợng trong thế giới o với con ng i. Trong khi đó, c m giác xúc giác (tactile) mang l i các c m giác chi tiết hơn về bề mặt c a vật, tái t o các đặc tính thô, nhám, trơn… Trên thực tế, không có sự khác biệt rõ ràng trong cách phân lo i này, nh ng sự khác biệt chỉ nằm cách thực thi chúng.
C m giác lực thông th ng đ ợc thực hiện thông qua việc điều khiển một cơ cấu chấp hành (actuators), cơ cấu này sẽ tái t o c m giác về lực qua tác động với con ng i. Cơ cấu chấp hành có thể bao gồm các động cơ điện, động cơ khí nén, hoặc th y lực.
Hình 2.16: T ơng tác với thế giới o
Trên hình 2.17 mô t một ví d đơn gi n nhất về cơ cấu tái t o c m giác lực: cơ cấu 1 bậc tự do sử d ng động cơ điện một chiều. Trong tái t o c m giác lực, nhiệm v c a điều khiển cơ cấu chấp hành không ph i là điều khiển lực tác động, mà là điều khiển mối t ơng quan giữa vị trí, vận tốc và lực tác động, hay từ chuyên môn là Impedance Control. Ví d , khi b n đang t ơng tác với một lò xo o, lực tác động đ ợc điều khiển sao cho càng ấn sâu vào lò xo, lực ph n hồi l i tay b n càng lớn.
Hình 2.17: Cơ cấu Haptic một bậc tự do
Vấn đề nghe thì có vẻ đơn gi n, nh ng không hoàn toàn nh vậy. B i dù chúng ta đang tái t o một thực tế o, nh ng chúng ta l i dựa trên những thiết bị thực, với những h n chế c a nó. Các nghiên c u lỦ thuyết chỉ ra rằng các cơ cấu nh vậy luôn có thể đem l i sự mất ổn định. Ví d , nếu lò xo o có độ c ng cao, t ơng tác giữa ng i với lò xo có thể bất ổn định và không thể kiểm soát đ ợc, gây ra nguy hiểm cho con ng i. Vì thế hiện nay, việc nâng cao độ c ng c a đối t ợng trong khi vẫn đ m b o độ ổn định cho nó là một thách th c đối với các nhà nghiên c u. Hãy t ng t ợng khi chúng ta gõ tay vào mặt bàn, độ c ng có thể lên tới hàng nghìn kN/m. Một vấn đề nữa là áp d ng bài toán trong tr ng hợp cơ cấu nhiều bậc tự do. Có thể nói, việc điều khiển c m giác lực có liên quan mật thiết về mặt lỦ thuyết với bài toán điều khiển lực (impedance control) cho cánh tay robot. Vì thế, với sự phát triển c a lỦ thuyết Impedance control trong công nghệ Robot ngày nay, h a hẹn những đột phá mới cho cộng nghệ Force Feedback c a Haptics.
2.7 Các ng d ng c a công ngh haptics
2.7.1 Các ng d ng v i haptics trên ô tô
- Tái t o c m giác lái thông qua thiết bị giao diện điều khiển xe từ xa đ ợc nghiên c u và thực hiện b i Tiến sĩ Nguyễn Bá H i
Hình 2.18: Giao diện Haptics dùng trong điều khiển xe từ xa
Với giao diện hình 2.18 có ba bậc tự do, mỗi bậc tự do có trang bị một biến tr , giao diện là hình d ng c a vô lăng, ng i thực hiện điều khiển bằng trực giác có thể thay đổi các tín hiệu nh tốc độ, chân gas, tiến, lùi…Khi chúng ta điều khiển giao diện bằng trực giác, điều này làm thay đổi vị trí, góc lái, tốc độ, rẽ trái, rẽ ph i…C m giác này truyền trực tiếp lên vô lăng đến tay ng i lái nh một c m giác, xúc giác.
B ng điều khiển bằng xúc giác iDrive Touch c a BεW. B ng xúc giác có thể đ ợc sử d ng để nhập liệu và phóng to hình nh khi ng i lái xem b n đồ. Ngoài ra, khi hãng BMW bổ sung tính năng trình duyệt, b ng xúc giác sẽ có ch c năng chỉnh con trỏ chuột bằng cách rê ngón tay trên bề mặt núm xoay.
Hinh 2.19: B ng điều khiển bằng xúc giác iDrive Touch c a BεW ( nh:http://autopro.com.vn)
2.7.2 ng d ng haptics trong y học
Hiện nay, có thể nhiều b n đã biết về hệ thống robot phẫu thuật Da Vinci. Nó cho phép phẫu thuật viên có thể ngồi tr ớc màn hình 3D và điều khiển các cánh tay robot đ ợc gắn các d ng c phẫu thuật. Hệ thống này không những cho phép thực
hiện các ca phẫu thuật nội soi, nó còn cho phép ca phẫu thuật đ ợc thực hiện từ xa - phẫu thuật viên và bệnh nhân có thể cách nhau nửa vòng Trái Đất. Phẫu thuật viên có thể c m thấy đ ợc s c c n khi các d ng c ch m vào mộtmô bất kì gần nh ngay lập t c. Nó giúp phẫu thuật viên thao tác dễ dàng, không khác gì đang thực hiện phẫu thuật trực tiếp trên bệnh nhân. Ngoài ra, phẫu thuật viên có thể ngồi bất c đâu ch không cần ph i luôn đ ng bên c nh bệnh nhân nữa.
Công nghệ Haptics từ xa đ ợc thể hiện khá rõ trong ngành y tế với những thành qu đ t đ ợc hiện nay. Các Robot điều khiển từ xa này ho t động trên qui tắc giống nh qui trình xử lỦ vấn đề trên con ng i thông qua c m giác xúc giác.
Từ bên mặt da, não bộ nhận biết đ ợc vị trí và lực từ đó đ a lệnh tới các bộ phận thực hiện cơ để thực hiện chuyển động theo mong muốn và vị trí và lực đ ợc cập nhật liên t c thông qua bề mặt da. Các c m biến sẽ nhận biết về vị trí và lực và gửi về máy tính xử lỦ và đ a ra tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành để thực hiện chuyển đông theo quy định. Các c m biến cập nhật liên t c vị trí và lực c a cơ cấu chấp hành gửi về máy tính và máy tính đ ơc ra các tín hiệu điều khiển liên t c để có thể đ t đ ợc vị trí yêu cầu.
Hình2.20: T ơng tác với hình nh ba chiều thông qua cánh tay robot
Các kỹ s và khoa học gia c a Canada vừa phát triển một robot với xúc giác khá nh y cho phép các bác sĩ thực hiện những ca vi phẫu thuật não ng i.
Hình 2.21: T ơng tác với hình nh 3D để phẫu thuật từ xa
Dự kiến robot này, đ ợc gọi là neuroArm, sẽ đ ợc sử d ng trong ca phẫu thuật đầu tiên t i bệnh viện Foothills thuộc Đ i học Calgary. Nó cho phép các bác sĩ phẫu thuật não thực hiện công việc đầy may r i c a mình trên các bệnh nhân với một máy ch p cắt lớp cộng h ng từ (MRI), cung cấp khá rõ hình nh 3D c a c những dây thần kinh nhỏ nhất.“Nó sẽ giúp phẫu thuật các khối u não mà các bác sĩ con người không đủ khéo léo để thực hiện”, nhà gi i phẫu thần kinh Garnette Sutherland thuộc Đ i học Calgary, ng i đ ng đầu dự án nói (Nguồn: http://www.engadget.com).
Hình 2.22:Tiến sĩ Garnette Sutherland đang giới thiệu neuroArm t i Đ i học Calgary ( nh: Reuters)
2.7.3 Haptic cho ng i mù
"Mắt thần" cho ng i mù là dự án dành cho ng i mù c a Tiến sĩ Nguyễn Bá H i - gi ng viên Trung tâm bồi d ỡng giáo viên và đào t o nhân lực công nghệ cao, Đ i học S ph m Kỹ thuật TP.HCε. Ng i mù chỉ cần đeo thiết bị vào đầu, không cần dùng gậy vẫn không bị va ch m vào ng i, vật c n.Tất c nh hai “mắt
thần” gắn trên thiết bị. Khi gặp vật c n tr ớc mặt,c m biến sẽ gửi tín hiệu về cho máy tính từ đó máy tính, máy tính xử lỦ và đ a ra tín hiệu điều khiển cho một motor