力回饋裝置

除了視覺與聽覺之外，觸覺是人與環境互動溝通的重要媒介，有了力回饋裝

置的加入，使用者可以有更擬真的感受。本研究共使用了兩種力回饋裝置，分別 是能提供力量回饋的 PHANToM Omni® 以及提供震動觸覺回饋的自製力回饋手 套。

3.1.1 PHANToM Omni®

SensAble Technologies, Inc.生產的 PHANToM Omni® 為現今最廣為人知且 經濟實惠的商業化力回饋裝置。PHANToM Omni® 擁有六個追蹤自由度，分別為 位置位移 X、Y、Z 和旋轉量(pitch, roll and yaw)。並有六個可動關節(joint)，j1~ j6，如圖 3.1 所示，其中，在 j1~ j3上各配有一個電阻式的 DC 直流馬達，操作 PHANToM Omni® 裝置時，藉由馬達控制連桿機構的運動，在 PHANToM Omni®

的操縱筆尖處，提供使用者 XYZ 三方向的單一點力回饋。

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圖3.1 PHANToM Omni® 裝置的六個 joint (SensAble Technologies, 2015) 使用者可以藉由 PHANToM Omni® 的操縱筆，在虛擬實境之中，感受 3D 虛 擬物體的表面紋理及剛性作用，也可以經由環境力的設定，感受到如重力、空氣 黏滯力等，遍布於環境之中的力場。

PHANToM Omni® 的優點為在使用上可提供使用者精準的定位和擬真的力 回饋感受，因此常被拿來作為虛擬實境中的力回饋裝置，而其力回饋的方式為單 一點力回饋，因此，需要使用者藉助操縱筆或其他形式的握把來與虛擬環境互動，

並且透過按鈕來傳達操作指令。本研究將利用這個特點，把的操縱筆模擬為組裝 工具的握把，讓使用者用平時握取工具的方式來握拿操縱筆。PHANToM Omni®

仍然存在一些缺點，像是裝置的有效工作範圍僅有 160 W x 120 H x 70 D mm，

且底座是固定在桌上的。

3.1.2 震動力回饋手套

本系統使用 Chang(2015)所研發的震動力回饋手套。對震動力回饋的制動器 有以下幾個需求，首先必須是既輕且小的，因為這樣安裝在使用者的手上才不會 因為長時間的配戴而產生疲勞感。第二，必須能夠對於不同的波型輸出產生即時 且相對應的震動，因為本研究希望觸覺力回饋可以真正模擬人體皮膚受器所產生 的即時回饋反應。第三，震動效果必須良好，由於人的手指所能感應的振動頻率 約在 1Hz~ 500Hz 之間 (Goldstein, 2010)，所以要選擇在此頻率間能夠有明顯震 動的力回饋裝置。而 CUI Inc.所生產的微型喇叭規格為直徑 20mm，高 3.1mm，

重量 2.3g 以及 8 歐姆的直流電阻，其頻率響應在 70Hz~600Hz 間存在著穩定的

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線性關係，如圖 3.3 所示，因此，被本研究選為觸覺回饋制動器，如圖 3.2 所示。

而後我們將微型喇叭放置每只手指的指腹上用以提供使用者震動力回饋，如圖 3.4 所示。

每個微型喇叭皆串聯一個10 Ohm的電阻用來降溫，避免操作時溫度過高。

整個裝置包含手臂端的微型電路以及手端提供力回饋的電路板。為了要達成即時 指令傳輸並且維持輕巧，裝置架設了一個micro-controller unit (MCU)電路結合藍 牙建立的虛擬COM port傳輸訊號，使得虛擬系統可以和力回饋手套無線傳輸訊 息。micro-controller unit (MCU)電路透過程式的執行可以產生多種訊號來操控手 套的力回饋。此手套在使用時，還會再多加一層黑色的棉質手套包復在外，以免 微型喇叭的反光影響到追蹤裝置Leap Motion的手部偵測。

圖3.2 微型喇叭致動器

圖3.3 微型喇叭頻率響應

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圖3.4 自製力回饋震動手套