Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC TẾ ẢO MOVEMENT SIMULATION IN VIRTUAL REALITY ENVIRONMENT Nguyễn Trường Thịnha, Tưởng Phước Thọb Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM a thinhnt@hcmute.edu.vn, bthotp@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, việc đưa ứng dụng công nghệ cao sâu vào đời sống lao động, học tập giải trí ngày phát triển Hệ thống mô môi trường thực tế ảo phương án khả thi cho việc tạo trực quan sinh động học tập giải trí Bài báo đề xuất hệ thống mô hỗ trợ lái xe qua cấu trúc robot song song bậc tự do, mang lại cảm giác chân thực cho người dùng So với hệ thống thực tế ảo khác môi trường ảo, không gian ảo, thực nhân tạo hệ thống đề đơn giản dễ tiếp cận Bên cạnh giá thành phát triển, sản xuất thấp so với sản phẩm có thị trường Từ khóa: mô chuyển động, mô lái xe, hỗ trợ lái xe, thực tế ảo, robot song song ABTRACT With the development of science and technology, applying high-tech products to life is necessary Simulation platform in virtual reality environment is a good method for creating visualization in that fields Paper propose a driving simulation system through degrees of freedom parallel robot, which brings real feeling to users Compared to other virtual reality systems such as virtual environments, virtual space, artificial reality, this system is simpler and more accessible Additionally, development and production cost is also lower than the existing products on the market Research will include the design of mechanical structure; checking durable structure; calculating, choosing motor parameters; and the virtual reality programming Keywords: movement simulation, vehicle-driving simulation, driver-assist system, Virtural -Reality system, parallel robot GIỚI THIỆU Hệ thống mô chuyển động cấu mà người sử dụng có cảm giác, hiệu ứng giống tương tác với môi trường thật chuyển động thật phương tiện vận chuyển Sự chuyển động đồng với hiển thị hình, máy tính,… Còn thực tế ảo hệ thống giao diện cấp cao người sử dụng máy tính, mô vật tượng theo thời gian thực tương tác với người sử dụng qua kênh cảm giác Tất thiết kế cho mang lại cảm giác thật cho người sử dụng [1,2] Ngoài ứng dụng giải trí, mô chuyển động ứng dụng mạnh cho phân tích kỹ thuật – Hình kết cấu hệ thống thực tế ảo mô lái xe Có thể dựa vào mô máy bay để thiết kế thêm khoang chứa xăng nhằm tính toán chất lượng chuyến bay, dựa vào mô lái xe để xem xét độ trễ não nhận, xử lý tín hiệu truyền hành động Nghiên cứu hành vi tài xế, tác hại mệt mỏi, thuốc phiện, phản ứng thể điều kiện hợp pháp phi hợp pháp 207 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 1: Các hệ thống thực tế ảo Ưu điểm hệ thống mô chuyển động hệ thống mô đảm bảo an toàn, giảm chi phí vấn đề đào tạo, tập huấn Tuy nhiên tồn khuyết điểm như: môi trường thực tế khác với môi trường ảo, tài xế bối rối việc thiếu cảm giác không chuẩn bị cho môi trường thật Vấn đề quan trọng phải giảm thiểu “bệnh mô phỏng” [1], kết trễ chuyển động từ hình hiển thị truyền đến cấu chuyển động THIẾT KẾ CƠ KHÍ [3,4] Với mục tiêu đặt hệ thống mô tương tác thực tế người ngồi xe ô – tô nên chọn kết cấu bậc tự phân bố với trọng tâm tải đặt vào tâm kết cấu Phần đế thiết kế khâu đối xứng chân, phù hợp với nhiều dạng kết cấu ghế lắp vào sau – Hình Kết cấu thiết kết với bậc tự tịnh tiến theo phương vuông góc với mặt đất dẫn động động thông qua cấu tay quay trượt – Hình Hình 2: Khung đỡ đế Hình 3: Thiết kế cấu mô chuyển động bậc tự PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC [3] Để điều khiển cấu thực di chuyển mô chuyển động, cần tính toán toán động học vị trí Robot với sơ đồ động Hình Trong đó, toán động học 208 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV thuận yêu cầu tìm vị trí góc nghiêng bệ di động như: Pz, góc xoay quanh trục x góc xoay quanh trục y biết góc quay động Bài toán động học nghịch yêu cầu tìm tập hợp hay nhiều tập nghiệm khớp biết vị trí hướng bệ di động 3.1 Bài toán thuận θ2i θ1i Hình 4: Các thông số động học cấu Cơ cấu chuyển động theo ba hướng: quay quanh trục y (một góc 𝛼), quay quanh trục x (một góc 𝛽) tịnh tiến theo trục z (tịnh tiến đoạn Pz) [Hình 5] Khi 𝛼 = 0, 𝛽 = 0: hệ trục pnoa trùng với hệ trục pxyz Tọa độ điểm P1, P2, P3 so với hệ trục tọa độ pnoa sau: 𝑅 √3 𝑅 , − 2, P1 = ( 0, R, 0), P2 = ( 𝑅 √3 𝑅 , − 2, 0), P3 = (− 0) Khi bệ di động quay quanh trục x góc 𝛽 , trục y góc 𝛼 tọa độ điểm P1, P2, P3 thay đổi hệ tọa độ pxyz sau: Pxyz = R(x,𝛽).R(y,𝛼).Ppnoa Đặt : A = R(x,𝛽).R(y,𝛼) 0 cos 𝛽 A= [ sin 𝛽 cos 𝛼 − sin 𝛽 ] [ cos 𝛽 − sin 𝛼 cos 𝛼 sin 𝛼 sin 𝛼 sin 𝛼 sin 𝛽 cos 𝛽 − cos 𝛼 sin 𝛽 ] ]=[ − sin 𝛼 cos 𝛽 sin 𝛽 cos 𝛼 cos 𝛽 cos 𝛼 (1) Khi tọa độ điểm P1, P2, P3 hệ trục tọa độ oxyz là: cos 𝛼 P1,xyz= [ sin 𝛼 sin 𝛽 − sin 𝛼 cos 𝛽 cos 𝛼 P2,xy= [ sin 𝛼 sin 𝛽 − sin 𝛼 cos 𝛽 cos 𝛼 P3,xyz= [ sin 𝛼 sin 𝛽 − sin 𝛼 cos 𝛽 cos 𝛽 sin 𝛽 cos 𝛽 sin 𝛽 cos 𝛽 sin 𝛽 sin 𝛼 0 − cos 𝛼 sin 𝛽 ] [𝑅 ]= [𝑅 cos 𝛽 ] cos 𝛼 cos 𝛽 𝑅 sin 𝛽 √3𝑅 cos 𝛼 √3𝑅 sin 𝛼 − cos 𝛼 sin 𝛽 ] [ 𝑅]= cos 𝛼 cos 𝛽 𝑅 √3𝑅 sin 𝛼 sin 𝛽 − cos 𝛽 𝑅 √3𝑅 [− sin 𝛼 cos 𝛽 − sin 𝛽 ] −2 − √3𝑅 − sin 𝛼 − cos 𝛼 sin 𝛽 ] [ 𝑅 ]= −2 cos 𝛼 cos 𝛽 209 (2) [ √3𝑅 cos 𝛼 𝑅 √3𝑅 sin 𝛼 sin 𝛽 − cos 𝛽 2 𝑅 √3𝑅 sin 𝛼 cos 𝛽 − sin 𝛽 ] − (3) (4) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Sau tìm vị trí Pz, theo [Hình 5] tọa độ điểm P1, P2 , P3 theo trục Z hệ trục oxyz sau: Pz1 = a cos 𝜃11 + b sin (𝜃11 + 𝜃21 ) Pz2 = a cos 𝜃12 + b sin (𝜃12 + 𝜃22 ) Pz3 = a cos 𝜃13 + b sin (𝜃13 + 𝜃23 ) Hình 5: Tọa độ P1, P2, P3 bệ di động Vì P trọng tâm tam giác P1P2P3 nên có tọa độ: Pz = 𝑃𝑧1 + 𝑃𝑧2 + 𝑃𝑧3 (5) Tiếp theo tính góc 𝛽 góc xoay quanh trục x: Sin 𝛽 = 𝑃𝑧 − 𝑃𝑧1 𝑅  𝛽 = arcsin ( 𝑃𝑧 − 𝑃𝑧1 𝑅 ) Cuối góc 𝛼 góc xoay quanh trục y, xác định thông qua góc 𝑛2 𝑛3 : Sin 𝑛2 = Mà Sin 𝑛2 = − 𝑃𝑧 − 𝑃𝑧2 𝑅 ; Sin 𝑛3 = √3 𝑅 𝑠𝑖𝑛 𝛼 𝑐𝑜𝑠 𝛽 𝑅 𝑃𝑧 − 𝑃𝑧3 − 𝑠𝑖𝑛 𝛽 𝑅 𝑅 ; Sin 𝑛3 = √3 𝑅 𝑠𝑖𝑛 𝛼 𝑐𝑜𝑠 𝛽 𝑅 − 𝑠𝑖𝑛 𝛽 𝑅 Nên có hệ phương trình sau: { 𝑅 √3 𝑅 𝑠𝑖𝑛 𝛼 𝑐𝑜𝑠 𝛽 − 𝑠𝑖𝑛 2 𝑅 √3 𝑅 𝑃𝑧 − 𝑃𝑧2 = − 𝑃𝑧 − 𝑃𝑧3 = 𝛽 𝑠𝑖𝑛 𝛼 𝑐𝑜𝑠 𝛽 − 𝑠𝑖𝑛 𝛽 (6) Lấy hai phương trình trừ vế theo vế cho nhau, được: 𝑃𝑧2 − 𝑃𝑧3 = √3 𝑠𝑖𝑛 𝛼 𝑐𝑜𝑠 𝛽 Do đó: Sin 𝛼 = 𝑃𝑧2 − 𝑃𝑧3 √3 𝑐𝑜𝑠 𝛽  𝛼 = arcsin ( 𝑃𝑧2 − 𝑃𝑧3 √3 𝑐𝑜𝑠 𝛽 ) (7) Vậy biết trước góc quay động cơ, xác định vị trí điểm P trọng tâm bệ di động 3.2 Bài toán nghịch Bài toán động học nghịch yêu cầu tìm tập hợp hay nhiều tập nghiệm khớp biết vị trí hướng bệ di động (Hình 4) 210 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Tính 𝜽𝟏𝒊 , 𝜽𝟐𝒊 (i=1, 2) theo 𝛼, 𝛽, Pz: - Tìm 𝜽𝟐𝒊 : Chiếu theo phương ngang được: R+a.cos𝜃1𝑖 =R.cos𝑛𝑖 +b.cos(𝜋-(𝜃1𝑖 + 𝜃2𝑖 ))  a.cos𝜃1𝑖 +b cos (𝜃1𝑖 + 𝜃2𝑖 )= R.(cos 𝑛𝑖 -1) (8) Chiếu theo phương đứng được: Pz=R.sin 𝑛𝑖 +b.sin(𝜋-(𝜃1𝑖 + 𝜃2𝑖 ))+a.sin 𝜃1𝑖  a sin 𝜃1𝑖 + b sin (𝜃1𝑖 + 𝜃2𝑖 ) = Pz–R.sin 𝑛𝑖 (9) Bình phương vế phương trình (8) (9) sau cộng vế theo vế: 𝑅 (𝑐𝑜𝑠 𝑛𝑖 −1)2 + (𝑃𝑧−𝑅 𝑠𝑖𝑛 𝑛𝑖 )2 −𝑎2 −𝑏2 cos 𝜃2𝑖 =  2𝑎𝑏 𝜃2𝑖 = arcos ( 𝑅 (𝑐𝑜𝑠 𝑛𝑖 −1)2 + (𝑃𝑧−𝑅 𝑠𝑖𝑛 𝑛𝑖 )2 −𝑎2 −𝑏2 2𝑎𝑏 ) - Tìm 𝜽𝟏𝒊 : Khai triển (8) (9), có hệ phương trình sau: Dùng phương pháp Cramer giải được: 𝑅(𝑐𝑜𝑠 𝑛𝑖 −1) (𝑎+𝑏 𝑐𝑜𝑠 𝜃2𝑖 ) +𝑏 𝑠𝑖𝑛 𝜃2𝑖 (𝑃𝑧−𝑅 𝑠𝑖𝑛 𝑛𝑖 ) Cos 𝜃1𝑖 =  𝜃1𝑖 =arcos ( 𝑎2 + 𝑏2 + 2𝑎𝑏 𝑐𝑜𝑠 𝜃2𝑖 𝑅(𝑐𝑜𝑠 𝑛𝑖 −1) (𝑎+𝑏 𝑐𝑜𝑠 𝜃2𝑖 ) +𝑏 𝑠𝑖𝑛 𝜃2𝑖 (𝑃𝑧−𝑅 𝑠𝑖𝑛 𝑛𝑖 ) 𝑎2 + 𝑏2 + 2𝑎𝑏 𝑐𝑜𝑠 𝜃2𝑖 ) - Tương tự ta tìm 𝜽𝟏𝟏 , 𝜽𝟐𝟏 , 𝜽𝟏𝟐 , 𝜽𝟐𝟐 , 𝜽𝟏𝟑 , 𝜽𝟑𝟐 : 𝜃21 = arcos ( 𝑅 (cos 𝛽−1)2 + (𝑃𝑧−𝑅 sin 𝛽)2 −𝑎2 −𝑏2 2𝑎𝑏 𝜃11 = arcos ( 𝜃22 =arcos ( 𝑅(cos 𝛽−1) (𝑎+𝑏 cos 𝜃21 ) +𝑏 sin 𝜃21 (𝑃𝑧−𝑅 sin 𝛽 ) 𝑎2 + 𝑏2 + 2𝑎𝑏 cos 𝜃21 𝑅 (cos 𝑛2 −1)2 + (𝑃𝑧−𝑅 sin 𝑛2 )2 −𝑎2 −𝑏2 2𝑎𝑏 𝜃12 = arcos ( 𝜃23 =arcos ( ) ) ) 𝑅(cos 𝑛2 −1) (𝑎+𝑏 cos 𝜃22 ) +𝑏 sin 𝜃22 (𝑃𝑧−𝑅 sin 𝑛2 ) ) 𝑎 + 𝑏2 + 2𝑎𝑏 cos 𝜃22 𝑅 (cos 𝑛3 −1)2 + (𝑃𝑧−𝑅 sin 𝑛3 )2 −𝑎2 −𝑏2 𝜃13 = arcos ( 2𝑎𝑏 ) 𝑅 (cos 𝑛3 −1) (𝑎+𝑏 cos 𝜃23 ) +𝑏 sin 𝜃23 (𝑃𝑧−𝑅 sin 𝑛3 ) 𝑎2 + 𝑏 + 2𝑎𝑏 cos 𝜃23 ) 3.3 Jacobi vận tốc Để tìm vận tốc bệ di động, ta đạo hàm phương trình vị trí với tất biến Ta có: Pz = Pz1 + Pz2 + Pz3 𝛽 = arcsin ( Pz − Pz1 𝛼 = arcsin ( 𝑃𝑧2 − 𝑃𝑧3 R √3 cos 𝛽 ) ) Với: Pz1 = a cos 𝜃11 + b sin (𝜃11 + 𝜃21 ) Pz2 = a cos 𝜃12 + b sin (𝜃12 + 𝜃22 ) Pz3 = a cos 𝜃13 + b sin (𝜃13 + 𝜃23 ) 211 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Đạo hàm Pz, 𝛼, 𝛽 theo 𝜃11 , 𝜃12 , 𝜃13 (các góc 𝜃21 , 𝜃22 , 𝜃23 xem số) Khi đưa dạng: 𝜕𝑝𝑧 𝜕𝑝𝑧 𝜕𝑝𝑧 𝜕𝜃11 ̇ 𝜃11 𝑃𝑧̇ 𝜕𝛼 ̇ ] với J = [ 𝛼̇ ] = J[𝜃12 𝜕𝜃11 𝛽̇ ̇ 𝜃13 𝜕𝛽 𝜕𝜃12 𝜕𝛼 𝜕𝜃13 𝜕𝛼 𝜕𝜃12 𝜕𝛽 𝜕𝜃13 𝜕𝛽 [𝜕𝜃11 𝜕𝜃12 (J ma trận Jacobi) 𝜕𝜃13 ] THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN 4.1 Hệ thống điện Hệ thống điện – điều khiển hệ thống mô chuyển động thực tế ảo thiết kế Hình Bộ điều khiển trung tâm bao gồm phần chính: CPU PLC Các liệu nhằm thực nhiệm vụ điều khiển động chuyển động theo môi trường thực tế ảo Đầu tiên chuyển động từ môi trường thực tế ảo liệu hóa gửi CPU CPU nhận tín hiệu này, giải toán động học góc quay cần thiết mà động phải thực để đáp ứng liệu ban đầu cấp CPU gửi lệnh điều khiển vị trí xuống cho PLC, nơi tổng hợp tín hiệu từ hệ thống CPU, mã hóa lệnh truyền cho động thực thi – Hình Hình 6: Sơ đồ mạch điện hệ thống Hình 7: Sơ đồ giao tiếp 4.2 Môi trường thực tế ảo Unity phần mềm lập trình game trực thời gian thực, cho phép thiết kế đồ họa, tương tác, đồ hay nhân vật Cùng với Unity Monodevelop, sử dụng mã nguồn mở hỗ trợ nhiều ngôn ngữ C, C++, C#, Java, Python,… Unity tùy biến thành 212 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV riêng giành lập trình game phần mềm Quá trình thiết kế hệ thống lái xe thực tế ảo bao gồm bước sau Hình 8: Đường đua 4.2.1 Thiết kế đường đua Thiết kế đồ đường đua rộng lớn (có cối, cầu cảng, sông suối,…) Những đối tượng xuất lúc điều khiển xe tạo nên cảm giác thực – Hình 4.2.2 Thiết kế xe đua - Góc nhìn thứ 3: quan sát đối tượng điều khiển Hình 9: Góc nhìn thứ - Góc nhìn thứ 1: quan sát người đua xe tạo cảm giác chân thực, ấn tượng Hình 10: Góc nhìn thứ 213 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 4.2.3 Tương tác xe đường đua Tạo tương tác (va chạm) xe đường đua Cụ thể xe lăn bánh được, nghiêng va chạm vào bên đường,… Các yếu tố thông số cần gửi sang cho điều khiển trung tâm xử lý truyền sang cho động mô theo Hình 11: Tạo va chạm xe đường đua 4.2.4 Truyền liệu từ phần mềm Hình 12 cho thấy khoanh vùng góc nghiêng xe hệ tọa độ OXYZ Phần mềm game đua xe phần điều khiển trung tâm điều nằm CPU, điều giảm độ sai sót thông số gửi sang Vấn đề lúc khả đáp ứng động so với thông số có được, đáp ứng tức cảm giác chân thực Hình 12: Lấy liệu từ Unity 3D Quá trình truyền nhận diễn theo sơ đồ Hình 13: Hình 13: Sơ đồ truyền nhận liệu 214 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THỰC NGHIỆM Hệ thống mô chuyển động môi trường thực tế ảo Hình 14 sau hoàn thành phần có thông số kỹ thuật Bảng 1: Hình 14: Hệ thống mô chuyển động hoàn chỉnh Bảng 1: Thông số kỹ thuật hệ thống Số bậc tự tịnh tiến, xoay Kích thước tổng thể 2000x2500x1500 mm Tải tối đa 150 kilogram Phạm vi hoạt động 2000x2500x1800 mm Điện áp cung cấp 220VAC – 50Hz Công suất động 600 W Cơ cấu thực nghiệm để đánh giá thông số để đáp ứng yêu cầu hệ thống thực tế ảo Hình 15 - đồ thị đáp ứng chuyển động tịnh tiến theo trục Z chiều cao bệ di động so với bệ di động hệ thống mô chuyển động, tức sau nhận giá trị điểm đặt hệ thống có nằm vị trí hay không Tiến hành đánh giá sau 13 lần đặt vị trí Mỗi điểm đặt, đo nhiều lần lấy trung bình lại Qua đồ thị cho thấy sai số theo phương Z 2mm, phù hợp với ứng dụng mô Hình 15: Đánh giá đáp ứng tịnh tiến theo trục Z 215 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 16 đồ thị đáp ứng xoay quanh trục Y trục X bệ di động, phương pháp đo tương tự đánh giá đáp ứng tịnh tiến theo trục Z Với đường màu đỏ giá trị đặt, đường màu xanh đáp ứng đo Qua đồ thị cho thấy, đáp ứng hệ thống tốt, sai số chấp nhận cho hoạt động mô thực tế ảo Hình 16: Đánh giá đáp ứng xoay quanh trục Y, trục X KẾT LUẬN Về bản, hệ thống mô chuyển động môi trường thực tế ảo hoàn thành kết cấu khí, điều khiển trích xuất liệu từ hệ thống thực tế ảo Hệ thống phát triển cho trình mô hệ thống lái, game thực tế ảo với chi phí thấp độ đáp ứng cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wikipedia, Motion simulator, link https://en.wikipedia.org/wiki/Motion_simulator [2] Vũ Hữu Tiến, Công nghệ thực ảo – hướng ứng dụng phát triển đào tạo ngành đa phương tiện, link: http://cdit.ptit.edu.vn/wp-content/uploads/2014/03/49.TienVH_Hien-thuc-ao_12.3.pdf [3] Nguyễn Trường Thịnh, Kỹ thuật Robot, NXB ĐHQG – HCM, TP HCM, 2014 [4] Hamid D Taghirad, Parallel robots: Mechanics and control, CRC Press, 2013 216 ... khiển động chuyển động theo môi trường thực tế ảo Đầu tiên chuyển động từ môi trường thực tế ảo liệu hóa gửi CPU CPU nhận tín hiệu này, giải toán động học góc quay cần thiết mà động phải thực. .. học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THỰC NGHIỆM Hệ thống mô chuyển động môi trường thực tế ảo Hình 14 sau hoàn thành phần có thông số kỹ thuật Bảng 1: Hình 14: Hệ thống mô chuyển động hoàn... thấy, đáp ứng hệ thống tốt, sai số chấp nhận cho hoạt động mô thực tế ảo Hình 16: Đánh giá đáp ứng xoay quanh trục Y, trục X KẾT LUẬN Về bản, hệ thống mô chuyển động môi trường thực tế ảo hoàn thành