工具模擬

在進行物件組裝規劃時，工具的使用可以加速組裝效率和品質，是非常重要 的一環。虛擬實境，作為一個擬真的操作環境，十分適合設計者在設計虛擬組裝 流程時，加入組裝工具的模擬規劃。一般來說，虛擬組裝工具的設計規劃主要有 模型外觀設計、工具選擇方式、工具拿取方式、工具的使用操作邏輯。然而，組 裝工具的多元性，造成了虛擬組裝工具模擬上的困難，因此，虛擬組裝工具的設 計規劃常常被設計者省略。

Jayaram et al. (1999)在其所設計的虛擬系統 VADE 中，加入組裝工具的使用，

如圖 2.7 所示。使用者需要使用像抓取場景中其他物件一樣的抓取方式來抓取工 具。將工具靠近細小結件（如螺絲）時，系統會進行約束基礎的判斷，包括結件 的尺寸和工具接近的方向性。如果皆符合規則，則結件可以被提取，直到碰到了 欲接合的元件時，才再進行新的約束基礎判定。由於此系統所使用的輸入裝置是 CyberGrasp（力回饋手套），如圖 2.6 所示。因此，在抓工具時也可以獲得力回饋 感受。

11

CyberGrasp（力回饋手套）

組裝工具(Jayaram et al.,1999)

Ve ́laz et al. (2013)讓使用者在真實世界中雙手各握取一支細長桿件，作為虛 擬組裝工具的操作模擬。運用 Mocap 系統（無標記影像追蹤系統）在現實世界 中，使用影像追蹤的方式，追蹤使用者手中的桿件位置，並於虛擬實境中同步顯 示出虛擬工具，見圖 2.8(a)所示。不過，研究者為了要統一操作方式，以便進行 系統間的相關比較，不論使用者欲抓取的是虛擬組裝工具還是結件，皆須雙手握 著細長桿件與虛擬環境互動，這種方式在使用者抓取的物體是結件時，便喪失了 擬真度。

12

(a) (b) (c)

(d) (e)

Vélaz et al. (2013)提出的各種人機互動方式((a)雙手握取桿件使用 Mocap 系統追蹤(b)一手桿件一手 PHANToM Omni® 複合式追蹤 (c)兩組 PHANToM Omni® 追蹤。(d)兩組 GRAB 追蹤(e) 一手桿件一手 GRAB 複合式 追蹤)

Hongmin et al. (2010) 提出了在虛擬實境中，組裝工具的設計規劃，如螺絲 起子、板手、自動化工具等。此研究，綜合考慮組裝時的幾何位置邏輯、工程操 作邏輯和物件組裝邏輯，設計出可更換的虛擬組裝工具。其工具的選擇為直接使 用圖表目錄來選擇，接者，使用者依系統的判斷邏輯來抓取符合要求零件（如用 螺絲起子抓取螺絲）。再來，移動工具和零件到正確位置。最後，進行組裝操作，

結束組裝，詳見圖 2.9。此篇文獻最大的意義為提供一種虛擬工具的設計規劃。

研究者更在結尾指出，虛擬工具的操作有助於使用者透過虛擬組裝獲得組裝的知 識與相關經驗。不過，此文獻並未考量追蹤使用者手部位置資訊的人機介面裝置 之擬真度，也未提供使用者操作時的力回饋。

13

工具組裝流程圖(Hongmin et al.,2010)

現今市售的力回饋裝置，多為單點力回饋裝置，如 PHANToM Omni® 。單一 點力回饋裝置，只提供單一點的輸入和輸出，而所有的力回饋的輸出都會集中在 此一點上，對使用者來說「點」的操作十分不直覺。因此，這些市售力回饋裝置 多會搭配操縱桿來使用，如 PHANToM Omni® 的操縱筆。

Suzuki(2009)為了要改善使用者在虛擬實境中，握取力回饋操縱筆與虛擬環 境互動的不擬真，參考人類平時寫字握筆的習慣與姿勢，將力回饋操縱筆直接模 擬成虛擬實境中的「筆」。而使用者握取力回饋操縱筆的力量大小，則會反應在 虛擬實境中的筆跡上，如圖 2.10 所示。

14

虛擬實境中的筆跡(Suzuki,2009)

另外，有些裝置更改變了操縱桿的外形，將其模擬成工具的握把，讓使用者 能有更擬真的操作，如剪刀、按壓器，甚至供遊戲使用的手槍，如圖 2.11，2.12。

（左）剪刀握把（右）按壓器握把(Phantom® Premium)

手槍握把模擬(Novint Technologies, 2015)

15