Hệ thống cảm biến chuyển động cơ thể người

Việc mô phỏng các chuyển động cơ thể người cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: phim ảnh 3D, trò chơi tương tác với người, phân tích chuyển động của vận động viên thể thao… Từ đó, đề ra phương án rèn luyện cho vận động viên và chiến thuật thi đấu, điều khiển cánh tay robot trong công nghiệp… Đặc biệt, việc ứng dụng chuyển động cơ thể người cho phép phân tích và đưa ra các chẩn đoán chính xác liên quan đến các vấn đề xương khớp trong lĩnh vực y sinh như: chỉnh hình và phục hồi chức năng…

Nhóm tác giả đã tìm hiểu thuật toán ước lượng góc quay ba trục để xây dựng một bộ thiết bị cảm biến chuyển động cơ thể người. Chuyển động cơ thể người dựa trên 20 vị trí khớp ở tư thế đứng và 9 vị trí khớp ở tư thế ngồi. Nhóm đã sử dụng 12 module, mỗi module gồm 1 MCU STM32F405 được kết hợp trực tiếp với 1 bộ ước lượng góc quay ba trục. Các module này được gắn trên các vị trí khớp: cổ, lưng giữa, khuỷu tay trái - phải, cẳng tay trái - phải, bàn tay trái - phải, khuỷu chân trái - phải, cẳng chân trái - phải. Bộ ước lượng góc quay ba trục gồm ba cảm biến lấy dữ liệu: 3 trục vận tốc góc quay, 3 trục gia tốc và 3 trục từ trường. Bằng cách sử dụng thuật toán ước lượng bộ lọc Kalman, nhóm ước lượng được vị trí và góc quay của mỗi khớp. Bộ lọc Kalman đã giúp lọc nhiễu, trôi dữ liệu và ước lượng chính xác các dữ liệu góc quay đọc được về từ cảm biến. Dữ liệu ước lượng được từ các khớp cuối cùng được gửi lên máy tính thông qua chuẩn truyền không dây. Máy tính sẽ sử dụng các dữ liệu này để thực hiện mô phỏng lại các chuyển động của người đeo thiết bị. Mô hình người trên máy tính được xây dựng bằng phần mềm Unity3d. Bằng cách kết hợp giữa các dữ liệu góc quay các khớp và thuật toán chuyển động viết bằng ngôn ngữ C# để hiển thị thời gian thực các chuyển động của người thật.

Bạn Trần Văn Quốc cho biết, khả năng ứng dụng của bộ cảm biến chuyển động cơ thể người là rất lớn, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: phim ảnh, trò chơi tương tác, y sinh, công nghiệp… Việc đưa hệ thống cảm biến phân tích chuyển động cơ thể người sẽ thúc đẩy sự phát triển của các lĩnh vực khác. Sắp tới, nhóm sẽ đưa các vị trí chuyển động của cơ thể người trong không gian thành các chuyển động trong không gian ảo thời gian thực trên máy tính. Tiến hành cân chỉnh các vị trí mô hình người trên máy tính phù hợp với người đeo thiết bị cảm biến để các chuyển động trở nên nhịp nhàng, mềm mại, tối ưu hóa hệ thống. Đánh giá sai số các giá trị góc chuyển động mô hình người trên máy tính so với người đeo thiết bị; đưa chuẩn giao tiếp không dây giữa các module, tích hợp để hệ thống cảm biến trở nên gọn nhẹ, dễ sử dụng; đóng gói các giá trị chuyển động sử dụng cho các ứng dụng thực tế: điều khiển cánh tay robot, trò chơi tương tác…