第一章 研究背景介紹、動機與目的
1.1 研究背景介紹
1.1.1 虛擬實境
虛擬實境為一個能夠讓使用者浸入(immersion)、互動(interaction)、想像 (imagination)的人造立體環境，並且會加入多種感官回饋，如視覺、聽覺、
觸覺、嗅覺、味覺等。增加虛擬環境的擬真度，讓使用者有身臨其境的感 受。
1.1.2 虛擬組裝
Jayram et al. (1997)定義虛擬組裝為運用分析、模型預測、視覺顯示、資料 展示等方法，藉由電腦工具去實作或輔助組裝工程以及與其相關的工程選擇。
Seth et al. (2010)則將虛擬組裝定義為在虛擬實境中，藉由擬真的環境模擬和物件 互動，來進行虛擬模型組裝，以取代或減少在真實世界中的組裝雛形測試 (assembly prototyping)。
工業的組裝設計多是使用 CAD 系統來進行組裝評估，以便能提早發覺日後 生產階段可能產生的問題。然而，有些在製造方面的人為操作經驗和知識不容易 透由 CAD 系統來呈現。而虛擬組裝，則是使用一個直覺浸入式的虛擬環境，讓 設計者能夠在設計的前期，將組裝拆卸的設計想法和分析導入虛擬環境中，透由 與虛擬物體的實際互動來感受物體重量、空間關係與碰撞反應等，進而取代真實 的雛形測試，達到減少設計時間、風險和花費，或用來訓練組裝人員，增加組裝 效率和品質。
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1.1.3 力回饋
力回饋(haptic feedback)是一種體感的回饋感受，在虛擬實境中，它更是一種 很重要的人機互動方式，使用者藉由力回饋裝置的使用，來操作並感受虛擬物體。
一般來說，力回饋可以根據感覺受器的不同，分為兩種，肢覺回饋(kinesthetic force feedback)和觸覺回饋(tactile feedback)。如圖 1.1 所示。
圖1.1 力回饋分類示意圖(Hatzfeld & Kern,2014)
肢覺回饋的受器為人體的運動系統，如肌肉、肌腱、關節等，因此，肢覺回 饋多跟關節的位置、四肢的排列、身體的方位，和肌肉的張力的改變有關。
PHANToM Omni® 即為常見的肢覺回饋器。
觸覺回饋是指經由皮膚的感覺受器所獲得的觸覺回饋感受，因此，相較於力 量回饋，觸覺回饋包含較為細緻的機械刺激，如皮膚表面的震動回饋，以及溫度、
電或化學的刺激等，因此，觸覺回饋多與接觸面的表面性質有關。
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1.1.4 人機介面
使用者如何與虛擬實境互動一直是虛擬實境設計者試圖探究的問題。基於科 技的進步與發展，軟硬體設備的技術提升，有越來越多樣化的人機介面產生。而 如何能增加使用者在虛擬實境中的擬真感受，往往促成了不同人機介面的設計。
Wigdor & Wixon (2011)解釋「自然人機介面」Natural user interfaces(NUI)為 能夠讓使用者用自然的方式與之互動的人機介面，「自然」在NUI中並非描述人 機介面本身，而是針對人機介面的使用方式，是否符合人類日常生活習慣。
O’Hara et al. (2012)更提出「自然」是無關乎人機介面硬體端所使用的科技，
而是關於這些硬體端和人機介面如何與使用者互動的。也就是說，NUI是為了能 夠更貼近使用者的日常生活習慣，達到擬真的目的。
1.2 研究動機
虛擬組裝在虛擬實境的領域裡，已經有相當多的研究成果，目前則持續有團 隊正在進行研究與開發。受益於科技技術的推陳出新，有越來越多新形態的軟、
硬體應運而生。各研究團隊也積極地將新技術納入虛擬組裝系統的設計裡，在人 機介面的設計方面，當多數的研究者著眼於使用創新科技技術取代舊有技術的同 時，卻少有研究者根據各人機介面技術的特性加以整合，並且設計成為自然使用 者介面 。因此，本研究試圖結合現有的人機介面技術，並將使用者的日常操作 習慣（雙手直接抓取物體的方式、工具使用的方式）納入人機介面的設計考量，
希望能達成NUI的宗旨。
除此之外，目前已有許多文獻(Lim et al,2007 ,Vo et al,2009)經由比較有無力 回饋對虛擬組裝效率的影響，得出加入力回饋可以降低虛擬組裝時的任務完成時 間。但是，這些文獻中所提到的力回饋都單指肢覺回饋，尚未有文獻針對含有不
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同種力回饋模式（肢覺回饋、觸覺力回饋）的虛擬組裝人機介面進行使用者測試 評估。
1.3 研究目的
建立一個考量使用者日常生活習慣的NUI虛擬組裝系統，擁有擬真的操作 模式並結合肢覺回饋和觸覺回饋的綜合使用，提供使用者雙手直接組裝與工具組 裝的模擬。並且針對多種的人機介面設計進行使用者評估，希望能證實本研究根 據各人機介面技術的特性所設計出來的複合模式（震動力回饋手套加PHANToM Omni® ），能符合NUI的宗旨，並有良好的虛擬組裝效率。
5 Gonzalez-Badillo(2014) Bhatti (2014)皆使用 PHANToM Omni® 肢覺力回饋器作為虛擬組裝 系統的力回饋裝置。
Lieberman＆Breazeal (2007)讓使用者穿戴八個震動力回饋制動器(Tactaid) 在手臂上，藉由震動提示使用者當前動作的正確與否，幫助使用者動作技能學 習(human moter learning)。
Schorr et al. (2013)開發了一種能提供皮膚延展(skin stretch)的觸覺力回饋器 並將此皮膚延展回饋與常見的肢覺回饋進行比較，發現在硬度分辨的實驗中兩 者並無顯著差異，表示皮膚延展回饋可以取代肢覺回饋。應用上，可使用在遠 端操作的虛擬手術中，以避免肢覺回饋在遠端傳輸時的不穩定性。