Nghiên cứu các phương pháp tạo lực phản hồi lên người điều khiển phương tiện từ xa thông qua giao diện Haptics

Nội dung text: Nghiên cứu các phương pháp tạo lực phản hồi lên người điều khiển phương tiện từ xa thông qua giao diện Haptics

1. NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO LỰC PHẢN HỒI LÊN NGƯỜI ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG TIỆN TỪ XA THÔNG QUA GIAO DIỆN HAPTICS A STUDY OF METHODS FOR CREATING FORCE FEEDBACK TO HUMAN OPERATORS THROUGH HAPTICS INTERFACES (1)TS. Nguyễn Bá Hải; (2)KS. Đinh Văn Cường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM (1)bahai@hcmute.edu.vn; (2)cuongckd83@gmail.com Tóm tắt Bài báo này giới thiệu một số phương pháp tạo lực phản hồi cho người điều khiển từ xa thông qua giao diện phản hồi xúc giác (haptic interface). Việc tạo lực phản hồi từ giao diện phản hồi xúc giác lên người điều khiển các phương tiện từ xa đã được công bố rời rạc trong rất nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới ở nhiều dạng khác nhau. Do vậy, trong bài báo này tác giả thực hiện việc tổng hợp, phân tích và so sánh các phương pháp đã có để cung cấp cơ sở lý thuyết tổng quan về việc tạo xúc giác cho người điều khiển trong điều khiển phương tiện từ xa. Đồng thời, nhóm tác giả đề xuất giải pháp tái tạo các loại cảm giác xúc giác nhằm nâng cao chất lượng phản hồi xúc giác trong các ứng dụng điều khiển từ xa ở ba khía cạnh: áp suất (cứng, mềm), áp suất liên tục (rung theo tần số), nhiệt độ (nóng, lạnh). Từ khóa: Phản hồi xúc giác, giao diện haptics, điều khiển từ xa, phản hồi lực, phải hồi xúc giác. Abstract This paper introduces some methods of generating force feedback to human operator through haptics interface. The creation of haptic force feedback to human operator published in numerous discrete research projects around the world in many different forms. Therefore, in this paper the authors perform the synthesis, analysis and compare methods to provide theoretical of the creation of force feedback to human operator in vehicle. At the same time, the authors propose solutions renewable types of tactile sensation to enhance quality of haptics feedback in teleoperation applications in three aspects: pressure (hard, soft), pressure continous (vibration), temperature (hot, cold). Keywords: tactile feedback, haptic interface, teleoperation. 1. Giới thiệu dùng. Để nâng cao hiệu suất điều khiển từ xa thì cần Điều khiển các phương tiện từ xa (ô tô, robot di động) phải có thông tin phản hồi từ môi trường hoạt động của đã trở nên cần thiết trong hoạt động của con người như phương tiện đến người điều khiển. Vấn đề này đã có rất trong sản xuất, quân sự, y học Nó đã xuất hiện từ nhiều công trình nghiên cứu đã công bố với các thông trong thế chiến thứ nhất với các thiết bị điều khiển từ tin phản hồi khác nhau lên người điều khiển như: âm xa bằng sóng vô tuyến nhằm hướng dẫn các tàu hải thanh, hình ảnh, lực tương tác bằng các phương pháp quân Đức đâm vào tàu của quân Đồng Minh. Tuy khác nhau. Trong bài báo này, tác giả chỉ tổng hợp nhiên, vấn đề khó khăn trong điều khiển các phương phân tích và so sánh các phương pháp tạo lực phản hồi tiện từ xa đó là cảm giác điều khiển bị mất đi do sự là chính. Qua đó, rút ra các ưu nhược điểm của mỗi tương tác ảo với phương tiện qua một giao diện người phương pháp và đề xuất phương pháp mới về phản hồi
2. xúc giác lên người điều khiển thông qua giao diện tin phản hồi từ môi trường hoạt động của ô tô lên haptics. người điều khiển. 2. Tổng quan hệ thống điều khiển từ xa 3.Tổng hợp các phương pháp tạo lực phản hồi cho Hệ thống được giới thiệu trên hình 2.1 là một hệ thống người điều khiển phương tiện từ xa điều khiển từ xa hai cổng chủ - nô với các thành phần 3.1Phương pháp dựa trên thông tin khoảng cách vật của nó đã được trình bày trong [11] cản Trong trường hợp này, master là một PhanTom, slave là một robot di động. Thông tin phạm vi vật cản thu được từ cảm biến khoảng cách (ra – đa siêu âm hoặc cảm biến laser) được gửi lại master. Lực phản hồi lên master được tạo ra dựa trên thông tin phạm vi vật cản. Chiến lược lệnh vị trí - vận tốc được sử dụng phần lớn Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển ô tô từ xa với trong các ứng dụng điều khiển từ xa robot di động. Tốc giao diện haptic độ của robot di động thay đổi liên quan với master. Vai trò các khối trên hình 2.1 được giải thích như sau: Chiến lược điều khiển này được dựa trên phương trình: Người điều khiển: Đưa ra các lệnh điều khiển như vị trí, vận tốc. V kv 0 ym (3.1) Giao diện haptic (Master): Nhận các lệnh của người  0 k xm điều khiển và phản hồi thông tin hoạt động của ô tô từ Trong đó : kv, kω là các hệ số tỉ lệ do người lập trình đặt xa cho người điều khiển. Giao diện haptic dùng để điều trước khiển ô tô từ xa có thể là joystick, vô lăng, bàn đạp. Lực phản hồi được biểu diễn thông qua việc đo khoảng Kênh truyền thông tin: Trao đổi dữ liệu giữa master và cách giữa vật cản và robot di động theo công thức sau: slave. Kênh truyền thông tin này thường là một mạng ∆, < (3.2) = không dây sử dụng các chuẩn TCP/IP hoặc UDP 0, ≥ Ô tô (Slave): Đối tượng cần điều khiển. = R0 – R (3.3) Môi trường: Địa điểm hoạt động của ô tô, nó bao gồm Trong đó: các yếu tố tác động đến ô tô như gió, các điều kiện mặt Fm : Lực phản hồi từ master lên người điều khiển robot đường và nhiều thứ khác. di động Người điều khiển đưa ra các lệnh để điều khiển ô tô K : Hệ số lực phản hồi giữa xe với vật cản (độ cứng của bằng cách tác động vào giao diện haptics thông qua các lò xo ảo được đặt giữa xe và vật cản) bộ phận trên cơ thể như tay hoặc chân. Kênh truyền : Độ biến dạng lò xo ảo thông tin sẽ trao đổi dữ liệu giữa master và slave. Bộ R : Khoảng cách giữa robot và vật cản thu thập xà xử lý tín hiệu được gắn trên ô tô từ xa sẽ R0: Khoảng cách bắt đầu xuất hiện lực phản hồi, với R nhận và xuất tín hiệu điều khiển các cơ cấu châp hành = R0 – R trên ô tô làm cho ô tô hoạt động theo mong muốn của Hệ số K tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách với vật cản, Fm người điều khiển. Để người điều khiển nhận biết tốt và là các đại lượng vô hướng đối với trường hợp đơn hơn về tình trạng và môi trường hoạt động cần có thông giản. Tuy nhiên, trong hệ thống thực tế chúng có thể là
3. những véc tơ, vì các khoảng cách với vật cản có thể Lực phản hồi trong trường hợp robot di động di chuyển được đo từ nhiều cảm biến khác nhau. trong không gian rộng sẽ nhỏ hơn trong trường hợp mobile di chuyển không gian hẹp : F’ 0 nghĩa là robot di động không tiếp cận pháp Fuzzy logic) vật cản và không có khả năng va chạm. Trong hình 3.2a, robot di động làm việc trong môi Nếu dR/dt = 0 thì khoảng cách giữa robot di động và trường rộng và không có nhiều vật cản thì robot di vật cản là không đổi. động sẽ di chuyển ít va chạm với vật cản. Do đó xác suất va chạm giữa robot di động với vật cản là thấp. Ngược lại khi robot di động di chuyển trong không gian hẹp thì xác xuất va chạm với vật cản là rất lớn.
4. Phần này trình bày cách tính cảm giác lái trong hệ thống lái không trục lái dựa trên phương pháp đo dòng điện trực tiếp của tác giả Nguyễn Bá Hải và Jee-Hwan Ryu [04]. Trong đó, nhóm tác giả đã đề xuất sử dụng cảm biến dòng để ước lượng lực xoắn trên trục lái, tương tự như khi đo mô-men xoắn bằng cảm biến lực. Tín hiệu cường độ dòng điện tại motor quay thước lái nối với hai bánh xe chứa các thuộc tính lốp xe, tình Hình 3.3: Biểu diễn lực phản hồi lên người điều trạng đường, mô men góc đặt bánh xe và động lực học khiển theo phương pháp Fuzzy logic của xe. Ngoài ra, các đặc tính này chi phối cảm giác lái trong 3.3 Tạo lực phản hồi với độ cứng lò xo ảo K biến hệ thống lái thông thường. Do đó, dựa trên tín hiệu cảm thiên biến dòng để tái hiện cảm giác lái cho người lái xe. Theo công thức (3.4), K* là đầu ra của bộ điều khiển Trong nghiên cứu này, điều khiển trợ lực lái được phát mờ và chính là độ cứng của lò xo ảo đặt giữa robot di triển để duy trì lợi ích của trợ lực lái. động và vật cản. Thực nghiệm chỉ ra rằng, trong hệ Một động cơ DC được gắn vào cơ cấu lái để dẫn động thống điều khiển từ xa robot di động nếu K* là hằng số các bánh xe, tín hiệu cường độ dòng điện tại động cơ thì hệ thống sẽ mất ổn định. Do đó, để phân tích tính ổn này tỷ lệ với tín hiệu cường độ dòng tại vô lăng nhằm định của hệ thống thì hệ số K* phải thay đổi. Mục tiêu cung cấp cảm giác lái. chính trong phần này là sự thay đổi hệ số K* dựa trên Đối với động cơ điện DC, cường độ dòng điện của khoảng cách đến vật cản là R và đạo hàm của R theo motor điện tăng tuyến tính với tải mô- men như trong thời gian t là dR/dt. Hệ số K* được xác định là : phương trình sau: ∗ (3.6)  motor i.Kt . ⎧ , ⎪ 1 Trong đó: = ( − ) + , − < (3.5) ⎨−  : Mô-men xoắn đầu ra của động cơ điện DC. ⎪ motor ⎩ , i : Cường độ dòng điện của động cơ. Trong đó : : Hệ số mô-men của động cơ điện. kmin và kmax : là các các giá trị biên nhỏ nhất và lớn nhất Kt của hệ số phản hồi. : Hiệu suất động cơ điện động cơ.  : là tốc độ giới hạn tương đối của robot di động và vật Trong phương trình (3.6), giá trị của tín hiệu dòng điện cản phụ thuộc vào tải trọng áp dụng (hoặc mô-men xoắn) kmin và kmax được chọn có xét đến lực lớn nhất của thiết trên trục động cơ điện. bị haptic và khả năng độ cứng và khoảng cách nhỏ nhất Mô-men xoắn này có chứa các thuộc tính của tình trạng giữa robot di động và môi trường từ lúc mà lực phản đường, mô men của góc đặt bánh xe, và động lực của hồi bắt đầu được tạo ra. hệ thống lái. 3.4 Tạo cảm giác lái dựa trên phương pháp đo dòng Ngoài ra, lực trợ lực để làm giảm lực cản của hệ thống điện lái cũng được tính toán thành τassit tương tự nguyên lý
5. trợ lực trong hệ thống lái thủy lực hay trong hệ thống trong các công trình nghiên cứu [1], [2], [3],[4]. Qua đó lái trợ lực điện trước đây. nhóm tác giả có nhận xét về các phương pháp như sau: Trong phương pháp đo lường được đề xuất, một bộ Đối với các phương pháp được mô tả trong phần 3.1 và cảm biến dòng được kết nối để đo tín cường độ dòng 3.2 có ưu điểm là việc tạo lực phản hồi khá dễ dàng vì điện tại động cơ DC cơ cấu lái và vô lăng. chỉ dựa trên việc đo khoảng cách giữa đối tượng điều Từ vị trí điều khiển với vật cản và sử dụng một lò xo ảo có độ cứng khiển không đổi ( K = const). Tuy nhiên, nhược điểm của Bộ khuếch đại chúng là với độ cứng K = const thì hệ thống sẽ mất ổn định và gây nhiễu lên thiết bị điều khiển trong trường hợp khoảng cách giữa vật cản và đối tượng điều khiển quá gần, vì lúc đó lực phản hồi tạo ra rất lớn. Do đó, Cảm biến dòng người điều khiển sẽ không còn định hướng chính xác cho đối tượng điều khiển nữa. Để khắc phục tình trạng đó, phương pháp tạo lực phản hồi với độ cứng K biến thiên được giới thiệu trong phần 3.3. Phương pháp này Động cơ Đc RW đã làm cho hệ thống điều khiển từ xa ổn định hơn tuy nhiên việc xác định K là khá phức tạp, hơn nữa trong Hình 3.4: Sơ đồ kết nối cảm biến dòng trường hợp lực do cơ bắp người điều khiển tạo ra cân Căn cứ vào dòng đo được, cảm giác lái được tính như bằng với lực phản hồi thì đối tượng điều khiển không phương trình (3.7): chuyển động được gần mục tiêu mà chỉ dừng lại với = ( − ) + (3.7) một khoảng cách nào đó. Phương pháp sử dụng cảm Trong đó : biến dòng để ước lượng thông tin phản hồi lực lên người điều khiển của tác giả Ba-Hai Nguyen và Jee- : Mô-men phản hồi cảm giác lái Hwan Ryu là một phương pháp dễ thực hiện và giá G feel : Hằng số cảm giác thành thấp nên nó mang tính thương mại cao. Kt : Hằng số mô-men của động cơ điện Bảng so sánh ưu, nhược điểm các phương pháp tạo lực i : Cường độ dòng điện phản hồi từ master lên người điều khiển phương tiện từ xa assit : Mô-men trợ lực Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm  fc : Mô-men điều khiển tự do Sử dụng cảm - Đơn giản Gây nhiễu cho biến khoảng - Phản hồi được master trong 4. Phân tích và so sánh các phương pháp tạo lực cách và một lò thông tin trường hợp phản hồi cho người điều khiển phương tiện từ xa xo ảo với hệ số khoảng cách của khoảng cách Trong phạm vi giới hạn một bài báo, chúng tôi chỉ có k không đổi đối tượng điều giữa đối tượng thể giới thiệu được 4 phương pháp tạo lực phản hồi trên khiển và vật cản điều khiển và các giao diện haptic điều khiển từ xa được công bố vật cản quá gần
6. nên điều khiển lạnh). Việc nghiên cứu này với mục đích giảm tải cho không chính xác kênh thông tin thị giác trong điều khiển từ xa bởi vì Sử dụng cảm - Giải quyết -Việc xác định thông tin phản hồi hình ảnh trong điều khiển từ xa là rất biến khoảng được sự nhiễu hệ số k biến hạn chế do nhiều yếu tố khác nhau như kênh truyền cách và một lò của master trong thiên là rất phức thông tin, chất lượng hỉnh ảnh thu được, điều kiện thời xo ảo với hệ số trường hợp tạp tiết Tác giả tin tưởng rằng trong tương lai không xa, k biến thiên khoảng cách -Đối tượng điều việc cảm nhận thông tin về đối tượng điều khiển từ xa giữa đối tượng khiển không di sẽ không chú trọng dựa vào thị giác mà sẽ là xúc giác. điều khiển và chuyển tới gần Tài liệu tham khảo vật cản quá gần mục tiêu trong [1] Ildar Farkhatdinov, Jee-Hwan Ryu, “A User Study - Phản hồi được trường hợp lực of a Robot di động Teleoperation,” In Proc. of the 4th thông tin do cơ bắp người International Conference on Ubiquitous Robots and khoảng cách của điều khiển tạo ra Ambient Intelligence, Pohang, POSTECH, Korea, đối tượng điều cân bằng với lực 2007. khiển và vật cản phản hồi của [2] Ildar Farkhatdinov, Jee-Hwan Ruy and Jury master Poduraev “Rendering of Environmental Force Sử dụng cảm Phản hồi được Không phản hồi Feedback in Robot di động Teleoperation based on biến dòng thông tin lực được thông tin Fuzzy Logic”, Computational Intelligence in Robotics Giá thành thấp, khoảng cách and Automation (CIRA), 2009 IEEE International tính thương mại Symposium on 15-18 Dec. 2009 ,pages 503 - 508 cao [3] Ildar Farkhatdinov, Jee-Hwan Ryu “Stability Analysis of Robot di động Teleoperation with 5. Hướng nghiên cứu Variable Force Feedback Gain” International Qua việc tổng hợp, phân tích và so sánh các phương Conference, EuroHaptics 2010, Amsterdam, July 8-10, pháp tạo lực phản hồi lên giao diện điều khiển từ xa 2010. Proceedings, Part I chúng ta thấy đối với mỗi phương pháp điều có ưu, [4] Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu “ Direct Current nhược điểm riêng. Hơn nữa, nếu chỉ sử dụng thông tin Measurement Based Steer – By – Wire System For phản hồi lực lên người điều khiển thông qua giao diện Realistic Driving Feeling”, Industrial Electronics điều khiển thì việc cảm nhận thông tin về phương tiện IEEE (ISIE 2009). điều khiển từ xa sẽ bị bó hẹp lại và không phong phú, [5] S. Lee, G. S. Sukhatme, G. J. Kim, and C.-M. Park chất lượng điều khiển sẽ không cao. Do đó, để làm “Haptic control of a robot di động: A user study”. In phong phú thông tin phản hồi lên người điều khiển các Proc. of IEEE/RSJ IROS 2002, Lausanne, Switzerland, phương tiện từ xa, nhóm tác giả sẽ nghiên cứu và đề October 2002. xuất thêm các phương pháp tạo thông tin phản hồi lên [6] Nicola Diolaiti, Claudio Melchiorri “Haptics người điều khiển dựa trên các cảm nhận xúc giác của teleoperation of a robot di động”, DEIS -Dept. of con người khi tương tác với một vật thể đó là cảm giác Electronics, Computer Science and Systems University về áp suất (cứng, mềm), rung xóc, nhiệt độ (nóng, of Bologna – Italy,2003.
7. [7]I.Farkhatdinov, J-H.Ryu,“Hybrid position-position and positionspeed command strategy for the bilateral teleoperation of a mobile robot”, International Conference on Control, Automation and Systems 2007, Oct. 17-20, 2007, COEX, Seoul, Korea. [8] Park, J.B. Lee, B.H. Kim, M.S “Remote control of a robot di động using distance-based reflective force”.IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2003, Proceedings, Volume: 3, pp. 3415- 3420 vol.3. [9] N. Diolaiti and C. Melchiorri “Haptic teleoperation of a robot di động” In Proceedings of the 7th IFAC Symposium of Robot Control, pages 2798-2805, 2003 [10] Ildar Farkhatdinov, Jee-Hwan Ryu, Jury Poduraev “A user study of command strategies for robot di động teleoperation” Journal on Intelligent Service Robotics: Volume 2, Issue 2 (2009), Page 95. [11]Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu “Haptic interface for intuitive teleoperation of wheeled and tracked vehicles”, International Journal of Automotive Technology,2012
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.