Vịng lặp mơ phỏng thực tế ảo thực hiện tất cả các tính tốn. 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 mơ 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 mơ phỏng và tính tốn các hoạt động của người bệnh theo thời gian thực. Nó giao tiếp với phần mềm điều khiển thơng qua các chuẩn truyền thơng của máy tính chủ. Để chạy phần mềm điều khiển, mơ hình mơi 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 thơng 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 tốn 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 mơ 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 q trình thu thập dữ liệu, quy trình tiếp tục kiểm tra xem trạng thái phạm vi hoạt 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 thơng 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 mơi trường ảo và trị chơi ảo
Mơi trường mơ phỏng và các trị 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.
Mơi 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. Mỡi 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 mơ phịng ảo trong q trình tập vật lý trị liệu bao gồm các lớp như sau: bộ điều khiển, lớp điều khiển, lớp chính, lớp tập luyện mơ 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 trị chơi
Phát hiện va chạm trong thực tế Augmented
Phát hiện va chạm là rất cần thiết trong nhiều ứng dụng như trị 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 khơng, 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 hoặc
biểu diễn hình học rắn có tính xây dựng của cảnh và các đối tượng của nó đóng vai trị quan trọng trong việc phát triển các thuật toán phát hiện va chạm. Trong bất kỳ mơi 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 thơng 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, khơng gây chói mắt. Giao diện bao gồm một phần khung nhìn VR, một mơ 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 q trình tập luyện. Đồng thời là các thơng 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.
Mơ hình cơ thể người là mơ 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 mơ hình cũng sẽ báo hiệu khi người sử dụng luyện tập sai bằng cách hiển thi màu đỏ đậm có viền đen tại các khớp có góc chuyển động sai. Từ đó người sử dụng dễ dàng kiểm tra sự chính xác cũng như các bó cơ đang luyện tập.
Khung nhìn thực tế cho người sử dụng được trích xuất từ camera của cảm biến Kinect để cung cấp cho người sử dụng một góc nhìn trực quan, thấy rõ q trình tập luyện của bản thân.
Hai đồ thị mô tả chuyển động tay và chân của người sử dụng là khung nhìn cung cấp nội dung chi tiết về lực cơ tay và chân trong quá trình tập luyện của người sử dụng. Từ đó có thể dễ dàng nhận thấy tác dụng của quá trình luyện tập.
Các thông số cần thiết bao gồm tốc độ luyện tập của cơ tay, cơ chân, độ chính xác của quá trình tập luyện, máy trợ lực và thời gian luyện tập. Các thông số này cho biết số vịng quay trung bình mỡi phút khi luyện tập của người sử dụng, co biết độ chính xác trung bình và mức hoạt động của máy trợ lực. Đồng thời hiển thị thời gian đã luyện tập.
5.5. Giao diện kết nối với bộ điều khiển
Giao diện được hiển thị trên màn hình LCD và kết nối với bộ điều khiển thông qua dây cáp kết nối theo chuẩn HDMI. Bộ điều khiển liện tục cập nhật dữ liệu từ các thiết bị đầu vào là các cảm biến, encoder, … sau đó đưa vào chương trình xử lý và gửi kết quả hiện thị lên màn hình LCD.
Hình 39: Cấu trúc chương trình điều khiển
Giao diện được thiết kế trên nền tảng WPF (Windows Presentation Foundation) của Visual Studio. Với nền màu xanh dương được kết hợp hài hòa với màu trắng tạo ra giao diện mang lại cảm giác nhẹ nhàng, dễ nhìn cho người sử dụng và phù hợp với ngành y tế nhiều áp lực.
Khung nhìn VR tạo sự hứng thú, mang đến trải nghiệm mới cho người sự dụng khi tập luyện, tránh sự nhàm chán dẫn đến mất kiên trì. Đồng thời sẽ có các mốc thời gian để người luyện tập có thêm động lực cố gắng vượt qua kỷ lục cũ, thiết lập kỷ lục mới, nhanh chóng phục hồi chức năng khớp và các bó cơ.
Mơ hình cơ thể người với các bó cơ tiêu chuẩn giúp người luyện tập có cảm giác cơ bắp to chắc đồng thời xác định đúng các bó cơ đang luyện tập để mang lại hiểu quả cao.
Khung nhìn thực tế cung cấp một góc nhìn trực quan nhất giúp cho người tập luyện quan sát đầy đủ, chi tiết quá trình tập luyện trong thực tế của bản thân. Từ đó dễ dàng điều chỉnh các động tác đã tập sai để đạt hiệu quả cao trong trình tập luyện hồi phục chức năng khớp và các bó cơ.
Hai đồ thị được thiết kế đơn giản, dễ quan sát để người sử dụng kiểm tra lực tay và lực chân trong q trình chuyển động. Từ đó nhận biết người tập luyện có đang bị mất sức trong quá trình tập luyện hoặc cấp độ luyện tập đã phù hợp hay chưa để điều chỉnh cho phù hợp với từng trường hợp.
Các thông số cung cấp cho người sử dụng một các cụ thể nhất về kết quả của quá trình luyện tập. Người sử dụng dễ quan sát thấy tốc độ của tay và của chân, độ chính xác trung bình trong cả bài tập. Đây là thông số quan trọng và dễ so sánh đối chiếu với các lần tập trước để tìm ra phương án cải thiện chất lượng bài tập. Cùng với đó phần trăm máy trợ lực, thơng số này sẽ tăng lên khi người sử dụng khơng đủ sức để tự luyện tập. Khi đó hệ thống sẽ trợ lực cho người sử dụng để hoàn thành bài tập. Đây là thơng số giúp những người có lực cơ thấp so sánh đối chiếu với các lần tập luyện trước đó về hiệu quả tập luyện. Cùng với đó là thơng số thời gian để người sử dụng sắp xếp thời gian luyện tập phù hợp.
Sau q trình lựa chọn, thiết kế tơi đã hồn thành giao diện với tiêu chí thân thiện, trực quan, dễ sử dụng, dễ tương tác, mang lại cảm xúc tích cực cho người sử dụng. Đồng thời giúp người sử dụng kiểm sốt tồn bộ q trình luyện tập, cung cấp đầy đủ các thông số, các công cụ cần thiết đễ người tập luyện phát hiện các lỗi sai trong bài tập và có thể dễ dàng sửa lại cho đúng tư thế bằng cách sử dụng các khung nhìn, cơng cụ trong giao diện. Từ đó tối ưu q trình tập luyện, mang lại hiệu quả cao nhất cho bài tập
CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 6.1. Giới thiệu 6.1. Giới thiệu
Trong phần này, hệ thống phát triển ở trên được thử nghiệm để cho thấy hiệu quả của nó và kết quả từ các thí nghiệm đã được cơng bố trong [218, 268]. Trong thử nghiệm, hai giai đoạn đã được thực hiện: giai đoạn đào tạo và giai đoạn thử nghiệm. Trong giai đoạn huấn luyện, tất cả những người tham gia đã nhận được một số buổi đào tạo về cách thao tác AIRS sau đó là giai đoạn thử nghiệm trong đó người tham gia được yêu cầu thực hiện HỆ THỐNG một cách độc lập. Kết quả từ cả giai đoạn đào tạo và thử nghiệm cũng được phân tích và thảo luận trong phần này.
6.2. Những người tham gia
Mười lăm người tham gia với thị lực bình thường và cảm giác liên lạc đã tham gia thí nghiệm. Trong số đó, 14 người tham gia thuận tay phải và một người thuận tay trái. Tất cả những người tham gia đã ký một tài liệu đồng ý trước khi thí nghiệm được tiến hành. Bảy người tham gia được yêu cầu thực hiện chương trình đào tạo cánh tay trái, trong khi những người còn lại thực hiện chương trình đào tạo cánh tay phải.
6.3. Q trình hệ thống
Phần này mơ tả các quy trình trong khi thao túng hệ thống. Trước khi bắt đầu bài tập, người dùng yêu cầu chọn tập luyện tay trái hoặc tay phải tùy thuộc vào bên nào của cánh tay bị tê liệt (trong trường hợp này được yêu cầu). Ngoài ra, ba cấp độ trị liệu phục hồi khác nhau: cấp độ ban đầu (Chế độ ngưỡng), cấp độ trung gian (Chế độ dự đoán) và cấp độ nâng cao (Chế độ dự đốn) có sẵn trong hệ thống và người dùng cần
chọn một trong các cấp độ dựa trên / mức độ suy yếu cánh tay. Sau đó, mức độ phù hợp sẽ được hiển thị cho người dùng.
6.4. Thực nghiệm trong bệnh viện
Một trong những mục tiêu của các hệ thống phục hồi được phát triển của chúng tôi là nhằm giảm tải vật lý trị liệu, bằng cách thay thế bằng các trò chơi dựa trên thực tế tăng