二、 人體皮膚與觸覺機制
5.1 系統方塊圖
圖 28 華錄 ETD 系統方塊圖 5.2 實驗裝置原型
圖 29 華錄 ETD 實驗板
5.2.1 Experiment PAD 有 24*24 electrodes , 電極與電極之間水 帄及垂直間距(ptich)皆為 2mm
5.2.2 每個電極可被程式控制輸出：1.正電流 2. 負電流 3.Open 4.Ground
圖 30 Experiment Pad
圖 31 電流輸出說明圖 5.3 紀錄表格設計
編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
名稱
Pattern NO Main Frequency (Hz) 波峰與波谷比例 (%) Carrier Frequency (Hz) Delay (loop) Hi 狀態 Fram個數 Low 狀態 Fram個數 測試者 範圍(Gnd,Open) 強度 0 ~ 3 Main Freq(0 or 1) Delay(0 or 1) 感覺描述 正電極數 負電極數 等效電流（mA） 正電極總電流(mA) 負電極總電流(mA) Pattern 週期(ms)
數值 1 200 60 1000 20000 6 4 30 30 19.2 -7.76 WC G 2 0 1 4 12 -0.15 0.69 -0.84 4140.67
電流波幅數值 111KΩ 相對電壓 (V)
表 5 ETD 原型測詴表格規劃 實驗記錄項目說明：
1. Pattern NO: 電流輸出之形式，預設於程式內，由程式輸入切換。
如圖 30:
a. Pattern 1 為 4*4 個電極所組成，中間 2*2 為正電流，周圍 12 個為 出的 Main Frequency.
4. Carrier Frequency: 實驗原型之脈衝輸出載波頻率 （10Hz~8000Hz），由 程式輸入調整。
5. Delay: 實驗原型電極陣列輸出每個 Frame 的停留時間（100～100000），
由程式輸入調整。
說明：Pattern 移動一個電極的位置所停留的時間，由 Delay 值決定，
以目前程式所規範之 Pattern（4*4），從開始移動到繞回原位置，需要的 Frame 數量為 64 個，相關見 23 項之說明。
14. 感受強度：測詴人員之感受強度（0：無感覺，1：開始有感覺<JNS>，
Pattern Number Controlled Variables Measured Properties Test 1 Pattern 1 Anode Current Setting 1. Subjective Strength
2. Feel of Main Freq.
3. Feel of Delay Test 2 Pattern 1 Cathode Current
Setting
1. Subjective Strength 2. Feel of Main Freq.
3. Feel of Delay Test 3 Pattern 1 Main Frequcncy 1. Subjective Strength
2. Feel of Main Freq.
3. Feel of Delay Test 4 Pattern 1 Delay Parameter 1. Subjective Strength
2. Feel of Main Freq.
3. Feel of Delay Test 5 Pattern 1 Carrier Frequency 1. Subjective Strength
2. Feel of Main Freq.
3. Feel of Delay 表 6 實驗的設計
五個實驗的測詴結果如下:
圖 32 中心電流波幅與強度感受測詴結果
0 1 2 3
0 20 40 60 80 100
感受強度
111K 電阻對應正電壓(V) 中心正電流波幅變化與強度感受
強度感受 Main Freq感受 Delay 感受
圖 33 周圍負電流波幅與強度感受測詴結果
Main Frequency(Hz) Main Frequency變化與強度感受
強度感受 Main Freq 感受 Delay 感受
圖 35 Delay 週期變化與強度感受測詴結果
圖 36 Carrier Frequency 變化與強度感受測詴結果
0 1 2 3
0 5000 10000 15000 20000 25000
感受強度
Delay 週期 (ms) Delay 週期變化與強度感受
強度感受 Main Freq 感受 Delay 感受
0 1 2 3
感受強度
Carrier Frequency(Hz) Carrier Frequency變化與強度感受
強度感受 Main Freq 感受 Delay 感受
圖 37 電壓讀數與實際輸出電壓對應表
電流驅動 IC 之讀數與電流之校正，因經過整個系統電路輸出的電 流與程式對應的數值非線性，故對應的電流與程式對應的數值應先確認 並做必要之對應調整。
5.5 基於研究開發過程提出之專利申請
在 2001~2002 年間，華錄生物電子的研發團隊在研發電觸感裝 置的同時，也提出了對整體系統與 ETD IC 的整合開發規劃，並將其提 出專利申請。而在思考將來觸控面板的趨勢之時，也將概念推前到具有 電觸感迴授的觸控面板設計概念，也同時先行提出專利的申請。
-1 -0.5 0 0.5 1
電流（經111K電阻換算）單位：mA
Current Strength Setting 正負讀數與電流對照（單一電極）
5.5.1 美國專利 US 6930590 Modular electrotactile system and method
圖 38 Proposed Electrotactile System (ETS) with tactile feedback capability
Network Receiver Location Mapping Controller
Memory (DRAM Type)
Location Mapping Table
Tactile Scanning Controller
Tact IC
Network Data/Address Bus
Memory (DRAM Type)
Tactile Sensation Mapping Table
Tact IC Tact IC
Tact IC Tact IC Tact IC
Tact IC Tact IC Tact IC
Tact IC Tact IC Tact IC
Pixel Data Pixel Data
Control Data Control Data
(12)
圖 39 System Diagram of Tactile Feedback Sub-system (10).
圖 40 電觸覺 IC 圖示
圖 41 電觸覺模組圖示
圖 42 電觸覺迴授背心圖示.
5.5.2 美國專利 US 7190352 Method and apparatus of electrotactile panel with pointing system
將電觸感裝置 Electrotactile Device 的技術及觀念延伸，藉由透明而導 電的材質(例如 ITO：銦錫氧化物)作為電極，成為可提供觸覺迴授之透明 面版:Electrotactile Panel (ETP)，而該面版可以被加裝在現有顯示器之上，
與目前的資訊裝置整合，可以達到視覺及聽覺以外之觸覺回饋，藉由此裝 置可以讓使用者”摸“到顯示器的資訊，而不再只是看到影像而已。
此外由於 ETP 系統的特性，藉由系統本身的掃瞄輸出電流時的迴授偵 測，可以取得目前手指或皮膚接觸在螢幕上的位置，而達到與目前被大量 使用的 Touch Panel 觸控面版相同的功能，因此本發明同時達到觸覺回饋 Electrotactile feedback 及游標裝置 Pointing device 之雙重功能
Eelctrotactile Panel
圖 43 電觸覺迴授面板之系統架構圖
Video Data Receiver Location Mapping Table Controller
Memory (Dram Type)
Location Mapping Table
Tactile Scanning Controller
Memory (Dram Type)
Tactile Sensation Mapping Table
Pixel Data
Control Data Pixel Data
Control Data
Panel Driving Controller Electrotactile Panel
Y X
Touched Point position data
Current Detect
Computer Cursor Data Process Unit
54
圖 44 電觸覺迴授面板示意圖
圖 45 電觸覺迴授面板電極排列示意圖
圖 46 電觸覺迴授面板機構示意圖
六、電觸覺滑鼠與視覺迴授之互動裝置實現
6.1 電觸覺滑鼠與視覺迴授之互動裝置概念發想
人類在觸覺 (Sense of Touch ) 當中的兩大部分，一個是空間動態 的感知，另一部分是觸覺(Tactile) 的部分，於本文第四及第五章當中 提到的是 Electro-tactile display 的概念與實施，該實驗裝置有利於 實驗出觸覺部分的痛，刺，壓力等的感受的電流模式，經由大量的實驗 漸漸取得基本的刺激模式參數。然而對於操作者或使用者來說，若搭配 互動式的介面輔以電觸感的輸出，可以讓操作者有更直接而深刻的對應 感受，這是電觸覺滑鼠裝置的概念起始點。
於西元2000年開始，陸續有動力回饋的搖桿及滑鼠裝置問世，其中 以 Logitech 的 Wingman 及 Ifeel Mouse 最為著名與暢銷，雖然近幾 年在滑鼠裝置部分少有力回饋之機種推出，但該概念已經大量延伸在電 視遊樂器之操作器上（例如 Sony PS2/PS3 , Nintendo Wii 等），其應 用仍持續的發展，且漸趨成熟。
然而，如第三章對於觸覺迴授裝置的驅動方式介紹，目前的這些應 用大多都還是使用震動馬達的方式來達到，當中最廣為人知發展廠商可 說是美國 Immersion inc.（http://www.immersion.com/） ，其應用擴 及手持裝置 ( 電話, PDA ) 以及工業操作介面應用甚至醫療用途及娛樂 器材等等，該公司也持續發展新的應用來輔助以觸覺的回饋豐富操作者 或使用者的感官回饋深度。
圖 47 Immersion 觸覺迴授產品在汽車操作介面之應用
圖 48 Immersion 觸覺迴授產品在醫療用途之應用
圖 49 Immersion 觸覺迴授產品在消費性電子產品之應用
圖 50 Immersion 觸覺迴授產品在遊樂器之應用
在第五章內容當中，華錄生物電子於2001~2002 年間的原型設置及實 驗的規劃測詴結果，得到許多電觸覺因子對於感受強度的實驗結果，諸如 電壓值約超過 45V 以上，感受會明顯增強，而負電壓在接近60V 或以上 時，對等於正電壓相同數值之刺激其感受要來得更強(圖32, 336)（達到不適 之程度），而在刺激的頻率於0~100Hz 之間的感覺是強烈的，超過 100 HZ 以上時，觸覺感受的差異就不明顯（圖34）；而主頻率（載波頻率）的部 分對於感覺的影響則不明顯。
基於華錄生物電子期間研發之成果，並參考2002~2010 年間在電觸 覺迴授的的相關研究資料，可大致確認電流，電壓，頻率可定義出適當 達到引起觸覺感受效果的驅動裝置規格需求，進而製作輸出裝置。
另外考量電腦操作與輸出裝置的傳輸需求，由於預計輸出的電極通 道數量不超過十組，因此評估以 RS232 介面就可達到傳輸資料量的速度 需求，使用 RS232 介面，藉由 USB 轉RS232 之傳輸線材，在筆記型電 腦上也可方便使用，而軟體介面在程式的函式庫裡也可找到對應的功能 來達到整體介面的需求。
因此基於上述的既有資料及既往的研究結果，若將電觸覺的裝置整
圖 51 電觸覺滑鼠與視覺迴授之互動裝置架構
上圖 51 當中，整個電觸覺滑鼠與視覺迴授之互動裝置由三個主要的部 分組成：其一為電腦裝置（包括主機與螢幕），其二為電觸覺滑鼠裝置（由 滑鼠加裝電極，並連結到電流驅動裝置），其三為軟體介面（處理滑鼠游 標之影像資料並有一定之演算機制將差值轉換為電流驅動裝置可接收之命 令，電流驅動裝置依照演算法計算後之數值對應輸出電流至滑鼠之個別電 極上，以達到互動迴授之目的）
6.3 電流輸出之硬體規劃與製作
6.3.1 理想的電流輸出能力與規格
藉由在第四章當中對於經電皮膚刺激的研究資料收集，我們可先行定 義在硬體上的輸出規格，定義好規格之後，在相關有效的刺激數值（電壓，
頻率，電流）下，我們可先行完成硬體的設計與製作。
基於之前各研究所得的結論與其設計的硬體歸納出一些參數的能力範 圍，預期若能達到下列輸出及控制的特性，則可滿足刺激皮膚感應受器的 功能與範圍：
(a) 輸出電壓: -100~+100V
MCU (89S51)
MCU (89S51)
充電控制
頻率與洩壓控制
控制開關
控制開關
低週波電路 安全洩壓
電路
充電電路
頻率控制 電路
顯示器
顯示器
圖 52 單一輸出電極之電路架構
圖 53 單一輸出電極之電路實品麵包板測詴樣品 6.3.2.2 電路說明：
充電控制電路：
圖 54 充電控制電路
控制核心使用 Atmel-AT89S51，其主要功能是產生不同頻率給充電 電路，使充電透過電感與電容進行充電儲存電壓，其輸出頻率分別為 0、
100、200、300、400、500、600、 700、800、900、1K、1.5K、2K、2.4K、
3.1K、4K、5K、6K、7K、8K、9K、10K、11K、 12K、13K、15K，充電 電路會依電感震盪越快其電壓越高。本 MCU 為方便使用者直接觀 察，使 用七段顯示器解碼 IC(7448)，透過七段顯示器顯示目前輸出頻率，透過簡 單 push button 作為增減控制裝置。
6.3.2.3 頻率與洩壓控制電路：
圖 55 頻率與洩壓控制電路
此核心的外部電路與充電控制電路皆相同。MCU 其主要控制方式 分為兩大功能，首 先提到是頻率變化方式，透過外不按鈕可增快或減慢 Duty TYPE 所輸出的頻率，其頻率由 1Hz、5Hz、10Hz…至 200Hz；總 共有 41 總頻率。可依顯示器所顯示之數字乘以 5，就是 目前系統所產 生之頻率。
6.3.2.4 充電及保護電路：
圖 56 充電及保護電路 此充電電路主要分為三個部分；
紅色區塊所表示，高壓激發電路部份是利用電感的特性來設計。控 制NPN型電晶體Q1切換工作在不同區域的瞬間，造成電感產生高電 壓的反電動勢，提供後級輸出電路之需求，首先對電晶體的基極送 出HIGH的訊號，使之進入飽和區，此時電流通過電感後會直接流 向GND，並沒有達到後面的高壓電容C8充電，接著再對Switch Transistor送出LOW電壓，致使N型電晶體瞬間切換進入截止區而形 成斷路，由於突然的狀態改變使得電感感應一個反向的電動勢而產
紅色區塊所表示，高壓激發電路部份是利用電感的特性來設計。控 制NPN型電晶體Q1切換工作在不同區域的瞬間，造成電感產生高電 壓的反電動勢，提供後級輸出電路之需求，首先對電晶體的基極送 出HIGH的訊號，使之進入飽和區，此時電流通過電感後會直接流 向GND，並沒有達到後面的高壓電容C8充電，接著再對Switch Transistor送出LOW電壓，致使N型電晶體瞬間切換進入截止區而形 成斷路，由於突然的狀態改變使得電感感應一個反向的電動勢而產