Tổ chức kiến trúc phần mềm tổng thể cho máy trạm phục hồi chức năng PC được hiển thị trong Hình 33. Mô phỏng VR bao gồm bốn bài tập. Mỗi người trong số họ tập trung vào một tham số cụ thể của chuyển động tay: phạm vi, tốc độ, phân số và sức mạnh. Bài tập phạm vi chuyển động được thiết kế để cải thiện khả năng uốn cong và mở rộng ngón tay của bệnh nhân. Bệnh nhân được yêu cầu uốn cong các ngón tay càng nhiều càng tốt và sau đó mở chúng càng nhiều càng tốt. Trong bài tập chuyển động tốc độ, bệnh nhân được yêu cầu mở hoàn toàn bàn tay và sau đó đóng lại càng nhanh càng tốt. Bài tập phân số liên quan đến việc sử dụng các chỉ số, ngón giữa, vòng và ngón tay nhỏ. Mục tiêu của bài tập là uốn cong một ngón tay càng nhiều càng tốt trong khi những ngón còn lại được giữ mở. Bài tập được thực hiện riêng cho mỗi trong
Các ngón tay liên quan là ngón cái, ngón trỏ, giữa và vòng. Bệnh nhân được yêu cầu đóng các ngón tay chống lại các lực tác dụng lên đầu ngón tay. Để giảm mệt mỏi và căng gân, các ngón tay được di chuyển cùng nhau và ngón cái được di chuyển một mình cho tất cả các bài tập ngoại trừ phân đoạn. Bài tập được thực hiện riêng cho ngón tay cái bởi vì, khi toàn bộ bàn tay được đóng lại, ngón cái hoặc bốn ngón tay không đạt được phạm vi chuyển động đầy đủ. Thực hiện các bài tập cho ngón trỏ, ngón giữa, nhẫn và ngón tay nhỏ cùng một lúc là tốt bởi vì, ở đây, các ngón tay không ảnh hưởng đến nhau phạm vi chuyển động của nhau. Quá trình phục hồi được chia thành các phiên, khối và thử nghiệm. Một thử nghiệm bao gồm một thực hiện của mỗi bài tập. Ví dụ, đóng ngón tay cái hoặc ngón tay là một thử nghiệm phạm vi chuyển động. Một khối là một nhóm các thử nghiệm cùng loại bài tập. Một phiên là một nhóm các khối, mỗi khối khác nhau.
Trong bài viết này, một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về thiết bị thường được sử dụng trong các hệ thống đào tạo VR được cung cấp. Sau đây là một đánh giá về cơ sở khoa học và những lợi thế tiềm năng của việc sử dụng các hệ thống VR trong lĩnh vực phục hồi chức năng. Cuối cùng, trạng thái của các ứng dụng VR cho các ứng dụng VR trong phục hồi động cơ đã được xem xét. Các chủ đề ứng dụng đã được sắp xếp theo các danh mục cụ thể chẩn đoán hoặc nhiệm vụ để người đọc dễ tham khảo. Trọng tâm trong bài viết này đã được giới hạn trong lĩnh vực phục hồi chức năng động cơ.
Cấu trúc hệ thống phần mềm sử dụng trong hệ thống tương tác thực ảo VR được mô tả trong hình 34. Phần mềm thu thập/điều khiển/phân tích và mô hình hóa trong môi trường ảo là một ứng dụng chạy theo thời gian thực đích trên nền tảng máy tính. Cốt lõi của nó là một mô hình môi trường ảo giao tiếp với các cổng đầu vào và đầu ra của bộ truyền động và cảm biến của hệ thống tập vật lý trị liệu. Giao diện người nhằm hướng dẫn cho người tập các động tác, tư thế, hoạt động và vận động đúng theo yêu cầu, có thể tahy đổi cường độ theo sự phục hồi hay tăng cường vận động theo thời gian. Trên giao diện này sẽ hiển thi hình ảnh ảo người tập để có thể động viên người tập với những hình ảnh tích cực, nhưng âm thanh và hình ảnh khuyến khích người tập. Quá trình hiển thị này trong môi trường ảo dựa trên dữa liệu thu thập từ camera có phân tích khung xương, đo vị trí và vận tốc cucu4ng như moment tạo ra của 2 bánh
quay trong quá trình tập của người bệnh. Hệ thống phần mềm cũng cho phép người dùng chỉnh các thông số tập cũng như điều chỉnh các chế độ trong quá trình tập luyện. Việc thực thi các hoạt động tập luyện trên nền tảng trò chơi và môi trường ảo là trên một máy tính và giao tiếp của chúng trên nền tảng máy tính thông qua một mạng cục bộ với giao thức gói dữ liệu người dùng. Chương này chúng ta sẽ nói về việc giám sát và thu thập dữ liệu từ các hệ thống cảm biến như camera, encoder, cảm biến lực. Ngoài ra, trong chương này cũng nói về môi trường ảo và cấu trúc giao diện dành cho quá trình vật lý trị liệu. Camera D ữ liệ u kh u n g x ư ơ n g Dữ liệu encoder Dữ liệu cảm biến lực
Tín hiệu điều khiển động cơ
Phần mềm thu thập dữ liệu Phần mềm mô hình hóa ảo Phần mềm phân tích, tính toán Phần mềm phân tích, tính toán Hình 34: Cấu trúc quá trình vật lý trị liệu 5.2. Phần mềm giám sát hệ thống tập
Phần mềm giám sát và điều khiển hệ thống tập là một ứng dụng trên nền tàng máy tính được viết bằng ngôn ngữ C và tuân thủ tiêu chuẩn chức năng của hệ thống vật lý trị liệu trên nền tảng robot. Các khối chức năng dành cho người dùng được tạo trong C và điều này sẽ thực thi cơ sở mã cho phần mềm điều khiển. Mô hình ảo có giao diện với các hệ thống vật lý thông qua nền tảng để được hỗ trợ việc thu tập dữ liệu. Mô hình môi trường ảo thực hiện trong ba giai đoạn. Đầu tiên, giai đoạn khởi tạo mô hình, sau đó là giai đoạn vòng lặp mô phỏng thực và cuối cùng là giai đoạn kết thúc để thực hiện các hướng dẫn. Trong giai đoạn khởi tạo mô hình, các phương thức khởi tạo mô hình trong môi trường ảo kết nối với phần cứng được gọi. Mục đích của hai phương thức này là khai báo một số tham số, khởi tạo trạng thái và tín hiệu ra và
vào, thời gian lấy mẫu và thời gian thiết lập. Trong quá trình thực hiện thời gian mẫu là 1 mili giây. Bắt đầu G ia i đ o ạn 1 G ia i đ o ạn 3 G ia i đ o ạn 2 Khởi tạo ban đầu Vòng mô phỏng
Khởi tạo trang thái bán đầu hệ thống
Khới tạo thời gian lấy mẫu
Thực thi trong môi trường ảo
Chấm dứt quá trình thực thi
Nhận tín hiệu xử lý
Cài đặt tham số điều chỉnh
Xử lý tín hiệu
Cập nhật trạng thái
Tính toán moment
Cài đặt giá trị ra
Hình 35: Phần mềm điều khiển mô tả giai đoạn chính của quá trình thực thi. Vòng lặp mô phỏng thực tế ảo thực hiện tất cả các tính toán. Giai đoạn này Vòng lặp mô phỏng thực tế ảo thực hiện tất cả các tính toán. Giai đoạn này được thực hiện cho đến khi người dùng quyết định chấm dứt quá trình hoạt động. Phương thức này cập nhật ở mỗi chu kỳ mẫu (1 ms) để cập nhật tất cả các đầu ra của từng mô hình điều khiển. Phương thức thực thi thiết lập tất cả các tham số liên quan của người dùng cho hệ thống hoạt động (nút bật, chế độ tập luyện, v.v.), xử lý tín hiệu (chuyển đổi tín hiệu cảm biến), cập nhật trạng thái hệ thống (vị trí đầu cuối, vận tốc và lực) của mô-men xoắn tay quay. Giai đoạn cuối cùng của việc thực hiện là chấm dứt quá trình thực thi.
Hệ thống điều khiển và ứng dụng thu thập dữ liệu đã được phát triển trên nền tảng giao diện đồ họa Unity. Nền tảng này kết nối với các hệ thống thu thập tín hiệu cảm biến để mô phỏng và tính toán các hoạt động của người bệnh theo thời gian thực. Nó giao tiếp với phần mềm điều khiển thông qua các chuẩn truyền thông của máy tính chủ. Để chạy phần mềm điều khiển, mô hình môi trường là một platform trên nền tảng C và khi kích hoạt hệ thống hoạt động thì lệnh start được gọi để khởi động ứng dụng. Để thu thập dữ liệu, các hệ thống cần được trang bị các cảm biến để xác định chính xác giá trị các thông số từ đó có thể trực quan hóa và phân tích dữ liệu từ ứng dụng mong muốn. Những dữ liệu này được số hóa sau đó sẽ được phân tích tính toán để hiển thị ra màn hình tương tác với các giá trị mà người bệnh có thể quan sát trực quan.
Hình 36: Sơ đồ khối thực thi vòng lặp để thu thập khối dữ liệu lớn.
Hình 36 mô tả việc thực thi các lệnh thu thập dữ liệu, phương thức sử dụng hai đối tượng phạm vi cả hai nhận cùng một dữ liệu nhưng tại các khung thời gian khác nhau, xen kẽ lẫn nhau. Phạm vi đầu tiên được thiết lập hoạt động và kích hoạt khi thực hiện. Trong quá trình thu thập dữ liệu, quy trình tiếp tục kiểm tra xem trạng thái phạm vihoạt động đã kết thúc chưa. Nếu có thì nó được dừng và phạm vi thứ hai được lệnh bắt đầu. Dữ liệu và dấu thời gian của phạm vi đầu tiên được đổ vào một biến sẽ được duy trì thông qua việc thực thi mã. Phạm vi đầu tiên và thứ hai sẽ giữ vai trò xen kẽ là
phạm vi hoạt động, chuyển dữ liệu sang biến. Nội dung của biến sẽ được lưu vào một văn bản định dạng ASCII trong máy tính chủ.
Cấu trúc môi trường ảo và trò chơi ảo
Môi trường mô phỏng và các trò chơi để tập vật lý trị liệu được triển khai bằng nền tảng Unity. Thiết kế tận dụng lợi thế của công cụ mô phỏng và các mẫu mô phỏng hệ thống có sẵn đi kèm với phần mềm.
Môi trường ảo
Công cụ mô phỏng nhằm giải quyết một số vấn đề phát sinh từ một ứng dụng đa quy trình rất phức tạp cho hệ thống cơ điện tử. Những vấn đề như vậy được giải quyết là tốc độ xử lý của phần mềm, khả năng kết hợp và khả năng quan sát trực quan. Công cụ mô phỏng sử dụng một công cụ vật lý gọi là Unity. Môi trường mô phỏng bao gồm các thực thể đại diện cho các đối tượng trong thế giới thực. Mỗi thực thể có các thành phần vật lý và hình ảnh. Thành phần vật lý định nghĩa các tính chất vật lý của đối tượng và xác định sự tương tác giữa đối tượng và môi trường. Thành phần trực quan de nes thuộc tính hình ảnh của đối tượng và liên quan đến kết xuất của đối tượng. Thách thức thực hiện môi trường ảo là trong việc tạo và thao tác hai thành phần này.
Kiến trúc trò chơi
Kiến trúc của mô phòng ảo trong quá trình tập vật lý trị liệu bao gồm các lớp như sau: bộ điều khiển, lớp điều khiển, lớp chính, lớp tập luyện mô phỏng. Đường với mũi tên thể hiện sự kế thừa. Lớp ở đầu mũi tên là lớp cha. Mũi tên với đường chấm chấm biểu thị mối quan hệ lớp trong đó lớp ở đầu mũi tên là ví dụ.
Hình 37: Kiến trúc trò chơi
Phát hiện va chạm trong thực tế Augmented
Phát hiện va chạm là rất cần thiết trong nhiều ứng dụng như trò chơi máy tính, mô phỏng vật lý, robot, tạo mẫu ảo và mô phỏng kỹ thuật để đảm bảo sự xuất hiện thực tế. Trong môi trường AR, phát hiện va chạm là một trong những khía cạnh thiết yếu để tạo ra cách thức tương tác giữa các đối tượng ảo và các đối tượng thực mà chụp bằng webcam xảy ra. Nó thường đề cập đến việc phát hiện một vấn đề có vẻ đơn giản: phát hiện hai hoặc nhiều đối tượng đang giao nhau. Cụ thể hơn, phát hiện va chạm liên quan đến các vấn đề xác định liệu các vật thể có giao nhau hay không, khi nào vụ va chạm sẽ xảy ra hoặc đã xảy ra và làm thế nào các vật thể tiếp xúc với nhau. Để trả lời các câu hỏi đó một cách hiệu quả, hệ thống hoặc thuật toán va chạm phải được thiết kế bằng cách xem xét một số yếu tố như biểu diễn miền ứng dụng, các loại truy vấn khác nhau, tham số mô phỏng môi trường, hiệu suất, độ mạnh và dễ thao tác và sử dụng
[209]. Biểu diễn miền ứng dụng: Các biểu diễn hình học như biểu diễn đa giác
biểu diễn hình học rắn có tính xây dựng của cảnh và các đối tượng của nó đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thuật toán phát hiện va chạm. Trong bất kỳ môi trường AR nào, có thể truyền hình học kết xuất trực tiếp vào hệ thống va chạm; tuy nhiên, tốt hơn là có hình học riêng biệt để đơn giản hóa và tăng tốc độ phát hiện. Ngoài ra, việc cung cấp các hệ thống va chạm chuyên biệt cho các tình huống cụ thể thay vì có một hệ thống phát hiện va chạm bao gồm tất cả là điều khôn ngoan.
5.3. Tương tác giữa người sử dụng và hệ thống
Hệ thống sử dụng ba phương thức cơ bản để người dùng có thể tương tác với hệ thống. Phương thức thứ nhất là thông qua các nút nhất cơ bản (lên, xuống, trái, phải và nút chọn, xóa) được gắn trên máy, từ đó người sử dụng có thể dễ dàng tìm kiếm và lựa chọn bài tập phù hợp, dễ dàng thiết lập các thông số của hệ thống. Phương thức thứ hai là sử dụng các thiết bị cơ bản như chuột máy tính, bàn phím máy tính kết nối với hệ thống thông qua cổng usb để thao tác, lựa chọn bài tập, kiểm tra các thông số của hệ thống. Đối với phương pháp tương tác này, người sử dụng có thể truy cập vào một số chức năng nâng cao và tinh chỉnh một số thông số của hệ thống mà phương pháp thứ nhất không thể thực hiện được. Phương pháp thứ ba là người dùng trực tiếp tương tác với phần cơ học của hệ thống. Đây là phương pháp chính và chủ yếu cho người dùng sử dụng máy tập phục hồi chức năng. Trước khi bắt đầu luyện tập, người dùng cần kiểm tra máy về tính phù hợp của hệ thống đối với cơ địa cá nhân. Từ đó điều chỉnh hệ thống phù hợp bằng cách thay đổi khoảng cách từ các trục quay đến ghế ngồi, điều chỉnh cấp độ ma sát của trục quay để phù hợp với bài tập. Khi bắt đầu luyện tập, người dùng sẽ tương tác với hệ thống bằng các quay và đạp các trục quay, các cảm biến và encoder sẽ nhận dữ liệu và gửi về cho hệ thống xử lý, sau đó hệ thống sẽ thông báo lên màn hình kết quả sau khi xử lý để người sử dụng điều chỉnh tư thế, tốc độ, cấp độ luyện tập cho phù hợp.
5.4. Giao diện với người sử dụng
Khi khởi động hệ thống sẽ xuất hiện màn hình chào mừng người sử dụng để người dụng lựa chọn bài tập. Khi bắt đầu vào bài tập, giao diện hiển thị tương tự như hình 38.
Hình 38: Giao diện phần mềm
Giao diện được thiết kế với tông màu chủ đạo là màu xanh dương tạo cảm giác thân thiện, không gây chói mắt. Giao diện bao gồm một phần khung nhìn VR, một mô hình cơ thể người, một khung nhìn thực tế cho người sử dụng, hai đồ thị mô tả chuyển động của tay và chân trong quá trình tập luyện. Đồng thời là các thông số cần thiết cho người sử dụng như tốc độ luyện tập của cơ tay và cơ chân, độ chính xác...
Khung nhìn VR là một chương trình được thiết kế từ nền tảng Unity để tạo khung cảnh người đạp xe trên đường. Khi người sử dụng luyện tập cơ tay và cơ chân, nhân vật trong khung nhìn VR cũng chuyển động đạp xe và di chuyển với vận tốc tỷ lệ thuận với tốc độ luyện tập trung bình của người sử dụng.
Mô hình cơ thể người là mô hình thể hiện các bó cơ chính trên cơ thể. Khi người sử dụng luyện tập, hệ thống sẽ thu thập dữ liệu thông qua các cảm biến và encoder để xử lý và đưa ra kết quả các bó cơ đang được luyện tập. Từ đó hiển thị lên giao diện bằng cách đổi màu các bó cơ đang hoạt động sang màu đỏ nhạt. Đồng thời mô hình cũng sẽ báo hiệu khi người sử dụng luyện tập sai bằng cách hiển thi màu đỏ