1. 1L ch s0 h th nglái
1.6.3 C!u trúc cách th ng haptics
C m giác xúc giác (haptics) cho phép chúng ta nghiên c u và ựi u khi'n th gi i b/ng c m giác, xúc giác, ựánh giá k t c!u và ph n h i t ự i tư ng s0 d$ng. Haptics r!t quan tr ng trong ự i s ng xã h i và tình c m c a chúng ta. Haptics ựã tr thành m t ph n c a nghiên c u th c t o trong nhi u năm nay, nhưng chi phắ cho vi c xây d ng các thi t b và nghiên c u các thu t toán ựi u khi'n ựã r!t h n ch cho vi c ng d$ng nó.
Hình 1.18a: Sơự c?u trúc giao di n haptics
Môi trư ng o ho c th c t o là phương ti n tắnh toán t o ra các môi trư ng mà con ngư i có th' tương tác ự' t o ra các ho t ự ng khác nhau. H th ng th c t o là m t d án tắnh toán t o ra các hình nh và âm thanh khi ngư i s0 d$ng tương tác ho c ựi u khi'n môi trư ng o nh/m th c hi n các nhi m v$ khác nhau. Không may, không có v t li u nào t t ự' bi'u di(n âm thanh và hình nh, t!t c ự u ựư c gi t o th c t .
Giao di n haptics là thi t b có kh năng tương tác v i môi trư ng o ho c trong các trư ng h p mô ph ng c a chúng ta. Chúng ựư c s0 d$ng cho các nhi m v$
Con ngư i Thi t b haptics
Bi'u di(n haptics đ ng cơ mô ph ng Môi trư ng o Tắn hi u hình nh và âm thanh
thư ng ựư c th c hi n b/ng tay trong th gi i th c. C!u trúc cơ b n c a mô ph ng ph n h i haptics như hình 1.18a: Con ngư i (ngư i s0 d$ng) gi) thi t b haptics trong khi tương tác v i môi trư ng o.
1.6.4 Các thi4t b( giao di n haptics
Nhi u nghiên c u ựã ựư c th c hi n ự' t o ra giao di n con ngư i Ờ cơ khắ (Human Ờ machine) ựư c s0 d$ng trong các h th ng th c t o ho c ựi u khi'n robot t xa (Telerobotic) [9]. Các phương pháp ti p c n khác nhau ựã ựư c th c hi n ự' thêm thông tin xúc giác t i các h th ng này. Ph n sau s+ gi i thi u các lo i thi t b c m giác xúc giác (haptics) ựang ựư c phát tri'n Ờ Thi t b Exoskeletons và Stationary, thi t b Gloves và Wearable, thi t b Point Ờ sources và Specific Task, Locomotive Interfaces, thi t b tắn hi u ự u vào l c ph n h i/thi t b ph n h i l c và hi'n th xúc giác.
M i lo i s+ ựư c trình bày b/ng các khái ni m cơ b n phắa sau m i thi t b . M c dù các thi t b ựã ựư c trình bày là nh)ng thành t u t t nh!t ựã ự t ựư c trong lĩnh v c c a công ngh haptics. T#ng th' nh)ng thi t b ựư c trình bày ựây không th' xem như m t danh sách ự y ự ựư c. đúng hơn là, các thi t b ựư c miêu t ựây ựã ựư c ch n làm ự i di n cho các phương pháp ti p c n khác nhau nh/m thu ựư c các thông tin haptics khác nhau. S tương tác ựư c x0 lý b/ng ự ng cơ mô ph ng v i thu t toán bi'u di'n haptics. Các b chuy'n ự#i s+ chuy'n ự#i các tắn hi u hình nh, âm thanh và l c t ự u vào máy tắnh thành m t tắn hi u, tắn hi u này s+ ựư c ngư i ựi u khi'n nh n bi t. Nét ự c trưng then ch t ựây là các kênh hình nh và âm thanh mang thông tin ch có m t hư ng trong khi phương th c thay ự#i thông tin haptics và năng lư ng là hai chi u (t ngư i s0 d$ng và ự n ngư i s0 d$ng). đ ng cơ nh n l nh ựi u khi'n t ngư i s0 d$ng và ph n h i ngư c tr l i ngư i s0 d$ng [10].
Hình 1.18b: Mô hình haptics tương tác gi@a con ngưAi v i môi trưAng
Visual (see): Th giác
Haptic (Touch): Xúc giác
Auditory (hear): Thắnh giác
Olfactory (Smell): Kh u giác
Gustation (Taste): V giác
Xem hình 1.18b, con ngư i c n s0 d$ng t!t c 5 giác quan ự' c m nh n s tương tác và hi'u môi trư ng th c. Môi trư ng o s0 d$ng r!t nhi u mô hình tương t . Cùng v i mô hình hình nh và âm thanh, m t nghiên c u quan tr ng phát tri'n công ngh haptics ựang ựư c theo ựu#i trên toàn c u ngày nay ự' t o thông tin th gi i o phong phú.
1.6.4.1 Thi4t b( khung k4t n*i (Exoskeletons) và c*ự(nh (Stationary)
Là thi t b ựư c phát tri'n cho các ng d$ng th c t o và ựi u khi'n robot t xa (Telerobotic) ựó là các thi t b Exoskeletons và Stationary. Các thi t b haptics hi n nay ựã ựư c phân lo i như exoskeletons là các h th ng l n và ự ng yên mà ngư i dùng ph i k t n i v i thi t b . L i ắch c a thi t b exoskeleton, ựư c hi'n th trong hình 1.19, s0 d$ng t trư ng ự' truy n thông tin l c t i ngư i s0 d$ng [Luecke và Chai, 1997, và VRAC Website].
Môi trư ng th c t
Môi trư ng o
Hình 1.19: Thi1t b ph,n h i l0c Exoskeleton
Các h th ng khác t n t i nh/m cung c!p thông tin haptics t i cánh tay, ch3ng h n như v phương di n thương m i h th ng CyberForce t các công ngh o, ựư c hi'n th trong hình 1.20, ựây là thi t b haptics v i ph n c ng ph n h i l c ự' cung c!p thông tin l c c# tay và bàn tay [Immersion Corporation, Cyberforce, Website]. Các l c t o ra t các ngón tay b/ng cách s0 d$ng h th ng gi ng như dây cáp ng su!t.
Hình 1.21: FREFLEX [Ohio University Website, Robert L. Williams]
FREFLEX, the Force REFLecting Exoskeleton t khoa k* thu t cơ khắ c a trư ng đ i h c Ohio [Williams, et al, 1998, và Website c a trư ng ự i h c Ohio], ựư c th' hi n trong hình 1.21, là h th ng cung c!p thông tin qua thi t b tắn hi u ự u vào c ựnh mà theo sau là các chuy'n ự ng do con ngư i ựi u khi'n.
Các nhà nghiên c u phòng thắ nghi m t i trư ng ự i h c Southern Methodist ựã phát tri'n m t thi t b exoskeleton ựư c g i là cánh tay chắnh, cánh tay này ho t ự ng v i các cơ c!u th y l c [Hurmuzlu, et al, and, Systems Laboratory Website]. Thi t b , th' hi n trong hình 1.22, m t tay lái ựi u khi'n b/ng nhôm v i 4 kh p quay. Nó theo dõi các chuy'n ự ng c a vai Ờ khu]u tay c a cánh tay ph i c a ngư i ựi u khi'n. Tay lái ựi u khi'n ựư c c ựnh m t ự u vào cái gh trong khi ự u kia c a tay lái ựi u khi'n ựư c gi) ch t b i ngư i ựi u khi'n. Có th'ựi u ch nh ự dài khác nhau phù h p v i t ng ngư i ựi u khi'n khác nhau.
Hình 1.22: Cánh tay chắnh ỘMaster ArmỢ trưAng ự i hHc Southern Methodist
1.6.4.2 Găng tay và các thi4t b( tay c+m (Gloves and Wearable Devices)
M t ph n quan tr ng k ti p c a nghiên c u là phát tri'n các thi t b có th'ựeo, thi t b s+ không b tr ng i hơn so v i thi t b exoskeleton ựư c miêu t trên. Thi t b này s+ nh g n hơn các thi t b exoskeleton, nhưng không ph i lúc nào cũng có hình d ng c a găng tay. L i ắch chắnh c a thi t b có th' ựeo mang này là ngư i s0 d$ng có th' di chuy'n t nhiên hơn mà không b ựè n ng b i m t kh i lư ng l n gi ng như exoskeleton (b xương ngoài) ho c các thi t b tĩnh khác. M$c ựắch c a vi c xây d ng h th ng haptics nh/m ựưa ngư i s0 d$ng vào trong môi trư ng o ho c môi trư ng ựi u khi'n t xa. Có r!t nhi u h th ng ựang ựư c phát tri'n. MasterII t phòng thắ nghi m giao di n Human - Machine Rutgers. Trư ng ự i h c c a New Jersey [Bouzit, et al, 2002, and Human Machine Interface Laboratory Website], ựư c trình bày trong hình 1.23, là m t găng tay s0 d$ng h th ng khắ nén ự' cung c!p thông tin l c. Các nhà thi t k ch s0 d$ng 4 cơ c!u ch!p hành, không dùng cơ c!u ch!p hành cho ngón tay nh nh!t, ự' gi m s ph c t p cho h th ng. Các lo i khác c a các thi t b có th' ựeo mang t n t i ựó là có ựôi lúc cũng không ph i lúc nào cũng có hình d ng c a m t găng tay, ch3ng h n như WearableMaster, hình 1.24, b i phòng thắ nghi m VR t i trư ng ự i h c Tsukuba, Japan [phòng thắ nghi m th c t o, Japan, Website]. Nó có ba b c t do, c n ựi u
Hình 1.23: Master II, Rutgers University
Hình 1.24: Thi1t b hi n th l0c gi@
c a bàn tay
Thi t b găng tay ph n h i l c khác là thi t b CyberGrasp, ựư c phát tri'n b i công ngh o. H th ng CyberGrasp bao g m 2 b ph n: CyberGlove và exoskeleton, xem hình 1.25 và hình 1.26. CyberGlove là m t găng tay có tr ng lư ng nh. v i các c m bi n linh ho t, c m bi n này ựo v trắ và s chuy'n ự ng c a các ngón tay và c# tay. L c ựi u khi'n h th ng CyberGrasp ựư c cung c!p b i h th ng exoskeleton có tr ng lư ng nh. bao g m các cơ c!u ch!p hành ựư c d n ự ng b/ng dây cáp ựư c bao ngoài CyberGlove.
Hình 1.25: Thi1t b CyberGlove Hình 1.26: Thi1t b CyberGrasp
1.6.4.3 Thi4t b( Point Sources and Specific Task
Lo i k ti p c a h th ng ựi u khi'n robot t xa và th c t o là thi t b Point Ờ Source và Specific-Task. Các thi t b này ựã ựư c chuyên môn hóa trong công ngh ho c trong ng d$ng c a chúng. Thi t b này s+ cung c!p nhi u thông tin mà các thông tin này r!t ph c t p và khó phát tri'n. Tuy nhiên, nó cho phép các nhà thi t k t p trung vào thi t b ự' th c hi n nhi m v$ t t hơn.
Thi t b Specific Ờ Task có hai hình thái chung ựó là: ch có m t ựi'm trong giao di n thi t b và thi t b ch th c hi n có m t nhi m v$ ự c trưng. Vắ d$ v thi t b ch có m t ựi'm trong giao di n thi t b ựó là Phantom, hình 1.27. Các h th ng m t ựi'm khác là Pantograph c a trư ng ự i h c McGill ựư c hi'n th trong hình 1.28, h th ng này cung c!p cho duy nh!t m t ngón tay r i chuy'n thành thông tin ph n h i l c [Hayward, et al, 1994, and Haptics Laboratory].
Hình 1.27:Thi1t b Phantom Hình 1.28: Thi1t b Pantograph c a
trưAng đ i hHc McGil
T m$c ựắch chắnh trong vi c cung c!p h th ng haptics ự' có th' t o ra nhi u mô ph ng th c t hơn, m t phương pháp ựó là thi t k các h th ng nh/m m$c ựắch cung c!p l c ph n h i cho mô ph ng. B ph n khoa h c máy tắnh c a trư ng ự i h c Hull ựã phát tri'n thi t b mô ph ng ph1u thu t ựư c g i là VEKATS Ờ H th ng ựào t o ph1u thu t ự u g i trong môi trư ng o, hi'n th trong hình 1.29a [Sherman, et al, 2001, and Simulation and Visualization Research Group website].
Nó ựư c s0 dùng cho vi c ựào t o bác sĩ ph1u thu t trong ph1u thu t ự u g i. Thi t b ựư c chuyên môn hóa, hi'n th trong hình 1.29b nh/m ự' quan sát và c m nh n ựư c các d$ng c$ ph1u thu t. Các d$ng c$ này ựư c thi t k tương t như các d$ng c$ ph1u thu t th c t , chúng có th' cung c!p chắnh xác s mô ph ng cho các m$c ựắch ựào t o [Simulation and Visualization Research Group website].
(a) (b)
Hình 1.29: (a) H th ng ựào t o phIu thuGt ựBu g i và (b) Thi1t b kắnh xoay kh p gi, (Mock Arthroscope) (bên trên) ựư/c so sánh v i thi1t b th0c t1 (bên dư i)
C n ựi u khi'n ph n h i l c, chu t, các bánh xe ựi u khi'n và các thi t b khác ựư c hi'n th trong hình 1.30 ựã ựư c phát tri'n.
Hình 1.30: CBn ựi u khi n ph,n h i l0c Sidewinder, Microsoft Corp và chuEt ph,n h i l0c WingMan, Logitech
1.6.5 Mô ph<ng c:u trúc th c t4/o
đ' mô ph ng c m giác th c ho c o nh/m m$c ựắch ự' ngư i s0 d$ng có th' tương tác v i môi trư ng o, ng d$ng th c t o (VR) cho phép ngư i s0 d$ng
c m nh n ựư c các ự c tắnh khác nhau c a môi trư ng o. Thông thư ng ch m t ph n nh c m giác này ựư c s0 d$ng, ựi'n hình là th giác, thắnh giác và xúc giác ựã ựư c k t h p ch t ch+ v i nhau trong các h th ng. M t ng d$ng cơ b n v VR bao g m các ph n t0 sau [11]:
a. đ ng cơ mô ph ng;
b.Th giác, thắnh giác và các thu t toán bi'u di'n haptics; c. Các b chuy'n ự#i.
C m giác haptics thu ựư c khi ngư i s0 d$ng gi) ho c mang thi t b haptics, thi t b này s+ chuy'n thông tin có liên quan ự n tương tác v i môi trư ng o. Trong khi s ph n h i âm thanh và hình nh ch theo m t hư ng duy nh!t t ự ng cơ t i ngư i s0 d$ng, nhưng tương tác haptics l i là hai chi u.
Hình 1.31: Sơ ự c?u trúc cơ b,n cho các ng d ng th0c t1,o k1t h/p âm thanh, th giác và ph,n h i haptics
1.6.6 Các thu8t toán bi1u di=n haptics
Giao di n haptics ựư c bi'u di'n b/ng m t ự i di n (avatar) trong môi trư ng o và các tương tác v i môi trư ng ựư c th c hi n b i nó (avatar). Tương tác gi)a avatar và môi trư ng o t o ra các l c ho t ự ng và l c ph n h i. Các l c này ựư c tắnh toán b/ng các thu t toán haptics [11]. M t thu t toán như v y bao g m các thành ph n sau: Con ngư i Hình nh & âm thanh Bi'u di(n âm thanh Ờ hình nh đ ng cơ mô ph ng Bi'u di(n haptics Thi t b haptics
a. Thu t toán phát hi n s va ch m, thu t toán này phát hi n s va ch m gi)a các ự i tư ng và avatar, cũng như t o ra thông tin v v trắ, th i gian và m c ự c a s va ch m.
b. Các thu t toán ph n h i l c t o ra các l c tương tác b/ng cách s0 d$ng thông tin t thu t toán phát hi n s va ch m.
c. Các thu t toán ựi u khi'n s+ làm gi m sai s gi)a l c lý tư ng v i l c th c t ự n m c t i thi'u.
Các thành ph n ự' t o thành vòng l p haptics là:
Hình 1.32: Sơ ự các kh i cơ b,n c a mEt thuGt toán bi u diJn haptics
a. V trắ c a các kh p n i v n ựư c s0 d$ng;
b.V trắ c a avatar ựư c tắnh toán b/ng thu t toán ự ng h c;
c. Thu t toán phát hi n s va ch m v n s0 d$ng thông tin v trắ ự' xác ựnh các va ch m và ự lún sâu;
d.L c tương tác gi)a avatar và các ự i tư ng o là ựư c tắnh toán;
e. L c ựư c tắnh toán sau ựó ng d$ng thu t toán ựi u khi'n thông qua thi t b haptics ự'ựưa t i ngư i s0 d$ng, trong khi ựó v n duy trì ựư c s #n ựnh.
Hai lo i thu t toán bi'u di(n l c thư ng ựư c s0 d$ng là: Thi t b haptics Phát hi n s va ch m đ ng cơ mô ph ng Bi'u di(n âm thanh L c ph n h i Các thu t toán ựi u khi'n X X, S X = Thông tin v trắ S = Thông tin ti p xúc Fd = L c tương tác Fr = L c ph n h i
Thu t toán bi'u di'n l c ph$ thu c vào hình h c ph3ng: Các l c tương tác ựư c xem xét ựây là ph$ thu c vào hình h c c a ự i tư ng. Lo i ựơn gi n c a thu t toán này là dùng ự' xác ựnh v trắ c a ngư i ựi u khi'n và t o ra l c tác ự ng t i ngư i ựi u khi'n d c theo m t hư ng không gian. Khi bi'u di(n m t b c tư ng o, do tắnh ch!t riêng bi t c a tương tác haptics, s+ luôn có m t s thâm nh p vào tư ng.
a. Thông tin này ựư c s0 d$ng ự' tắnh toán l c tương tác. M t thu t toán ựơn gi n ự' bi'u di(n b c tư ng o ựó là:
0 Trong ựó: x: là v trắ avatar c a thi t b haptics
xw: là v trắ c a b c tư ng o, và k ≥ 0 là ự c ng c a b c tư ng o.
Hình 1.33a: Khái ni m b c tưAng ,o miêu t, s0 tương tác mEt bGc t0 do (1DOF)