穿戴式回饋裝置

在文檔中 用於動作引導之穿戴式回饋系統 - 政大學術集成 (頁 27-37)

第三章 研究方法

3.2 穿戴式回饋裝置

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圖3-1 力回饋設計概念

在系統設計上,為模擬前述施力結構並且讓裝置具有可穿戴功能,在裝置硬體結 構組成上分為三大部分(如圖3-2):(1)手臂支架—使裝置具可穿戴能力並乘載伺 服馬達(2)施力臂—L 型槓桿且接觸端為多層材質組成,模擬手指軟硬與觸感(3)

馬達—模擬轉動手腕來帶動施力臂,製造推力感受引導前臂移動。

圖3-2 穿戴式回饋裝置三大主要構件

3.2 穿戴式回饋裝置

系統設計與實作共經歷三次的設計修改過程。根據前述回饋設計與系統組成為概 念,實作第一版可穿戴回饋裝置,並測試是否如真實使用手指推動所產生之移動效 果;在第二版裝置為改善初步測試結果發現的感受不持續問題,嘗試以皮膚形變的方 法,透過轉動推拉皮膚使之產生持續地方向性提示,實驗發現前期推動引導和後期轉

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動提示之方向感受會產生衝突;第三版考量前面裝置設計之問題,從裝置施力結構下 手,改變穿戴與施力方式,並進行實驗測試。

3.2.1 初版裝置實作

根據前述系統設計,以下將針對裝置三大構件在實作部分分別的詳細介紹,了解 裝置規格以及設計原理,並對此裝置進行初步效果測試,裝置如圖3-3 所示。

 

圖3-3 初版裝置組成與穿戴示意圖

●   手臂支架

為維持手臂活動的自由度,以利在各種姿勢下仍可以不受裝置限制,故將整體裝 置設計為可穿戴於前臂上,並且在設計時須考量每個人的手臂長度不相同的情形,所 以在實作部分將其設計成可伸縮的結構,其結構分成三段:

1.   馬達固定基座—用於承載伺服馬達並可在前後伸縮支架上滑動,隨時調整裝 置施力位置,使用硬紙板裁製而成(體積5.4x7.0x4.5 公分)。

2.   前、後段伸縮支架—為兩組相同長度(12 公分)、構造支架,上方附著一個 塑膠材質的穿戴固定環,下方為硬紙板裁製的長軌。塑膠固定環具彈性的特 性可應對各種不同粗細手臂需要調整環扣大小的情況,並於固定環內部黏貼

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粉撲以緩衝運作時產生的反作用力與增加貼合性,而在外部則黏貼魔鬼氈可 於穿戴時將裝置束緊於前臂上。

●   施力臂

施力臂為L 型且可細分為轉動力臂以及接觸力臂兩段。轉動力臂為馬達軸心至接 觸力臂處,其長度約8 公分的塑料材質組合而成;接觸力臂包含三層不同功能材質,

其一為金屬支架,用以模擬骨頭堅硬材質,確保裝置不受反作用力影響而產生形變,

減緩力道大小,其二使用橡膠材質以及粉撲包覆在中間層,以確保施力感受仍有手指 的彈性及粗細,最後則是在與手臂接觸的接觸面貼附人工皮膚包覆在外層,模擬皮膚 觸感,如圖3-4 所示。

圖3-4 接觸力臂結構剖面示意圖

●   馬達

考量減輕裝置重量與電量消耗,採用伺服馬達 MG995R 作為轉動動力(體積 4.07x1.97x4.29 公分,重量 55 公克),供電 6 伏特能達到扭力矩 11 公斤力·公分[9]。

裝置共使用兩顆伺服馬達,分別帶動一根施力臂。由於轉動力臂長度為8 公分,故 透過此裝置單邊可產生1.375 公斤力(11 公斤力·公分=8 公分*1.375 公斤力),同向轉 動整體施力共可產生 2.75 公斤力。系統使用開發板 Bean[10]以藍芽傳遞訊號控制伺服 馬達轉動角度。

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3.2.2 裝置初步測試

為了解目前裝置給予引導效果是否真的如前述力回饋設計方式所帶來的引導效果,在 初步效果測試共徵集4 位受測者(2 位男性、2 位女性),將裝置穿戴於受測者慣用 手。裝置回饋設計是以快速轉動施力臂90 度至接觸皮膚後,持續以 2.75 公斤力施壓 1.5 秒於前臂上。每位受測者共進行 20 次測試,引導彎曲伸直各 10 次。受測者每次測 試後回答引導往哪個方向,以及當下感受。

實驗觀察發現當馬達轉動施力臂接觸至手臂皮膚時,受測者手臂會有瞬間性的移 動,在此狀態後,施力臂持續施壓於手臂,緊貼著皮膚,則受測者不會有持續移動的 情形。根據受測者回饋表示可感受到裝置力道,但只在觸碰瞬間產生的推力會讓手臂 想動一下,沒有持續引導的感受。除此之外,受測者都可以從推動瞬間清楚分辨出裝 置引導方向。根據測試結果得知,目前裝置設計能夠有效讓使用者分辨指引方向,但 在持續引導的效果仍需改善。為了讓前臂動作不受限,必須將裝置整體設計成可穿戴 於前臂內,但卻也導致施力結構發生系統內力的問題,無法使前臂有持續性的相對位 移行為。因此,在此階段測試得到兩點結論:

1.   目前裝置力回饋設計可提供明確方向指引。

2.   在系統結構上,裝置無法達到持續推動效果。

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3.2.3 第二版裝置設計與實作

在第二版本裝置主要為改善引導效果不持續之問題。此版本的裝置設計參考[6]以 皮膚形變的方法產生具持續性引導的觸覺感受。透過接觸面與皮膚之摩擦力,使得裝 置推動皮膚會產生形變,藉由這種方式使皮膚維持在有相對位移的狀態,而有被持續 推動之錯覺。

此階段裝置主要修改部分為將接觸力臂加裝於改良後可持續轉動的伺服馬達上,

使它能做持續性的轉動來對皮膚施力,並於內部測試後,發現施力臂最外層的人工皮 與皮膚之間的摩擦力明顯不足,因此將人工皮去除,由粉撲材質直接接觸皮膚,裝置 圖如3-5 所示。此版裝置的作用方式共分為兩個階段:前期推動引導與後期轉動提 示。前期先給予明確方向力,讓使用者快速知道裝置要引導的方向;後期以持續轉動 使皮膚形變給予提示性方向指引。

圖3-5 第二版裝置原型示意圖

將接觸力臂轉動加入到裝置回饋方式後,總共可組合出四種可能的方向引導,

分別如下:

●   外展:以身體軀幹縱切面為基準,偏離此基準之動作,在此稱為外展。

●   內曲:以身體軀幹縱切面為基準,趨近此基準之動作,在此稱為內曲。

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●   前推:以身體軀幹橫切面為基準,偏離此基準之動作,在此稱為前推。

●   後推:以身體軀幹橫切面為基準,趨近此基準之動作,在此稱之後推。

為製造出這四種方向感受傳達給使用者,針對每種動作逐一設計每顆馬達對應運 作之方式。其中,1、2 號伺服馬達之功能作為前期傳達方向引導的施力;3、4 號伺服 馬達功能為提供後期連續性方向提示,以其旋轉與皮膚產生切線方向力作為推力模 擬,詳細運作方式如圖3-6 所示。

圖3-6 第二版裝置四種方向引導運作方式

3.2.4 帶動方式測試

在此次測試,將同時驗證前述參考文獻之結果,故將前推後推加入實驗中測試。

共徵集十位受測者(五位男性、五位女性),平均年齡31 歲,每位受測者皆穿戴裝置 於慣用手,為避免裝置重量影響造成肌肉疲憊,請受測者手臂放鬆連同裝置放置於桌 面上,在靜態的狀態下進行測試。皮膚形變只能產生平行於前臂的移動感受,垂直於 前臂的力道實質感受無法模擬,因此,在實驗前讓受測者先了解轉動提示的含義,故

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“轉動時沒有什麼想往哪邊動感覺”

此外,在實驗觀察發現,在施以外展引導時,受測者的手臂在一開始會有瞬間的 往內動,接著才往外移動,甚至有受測者只有往內移動後就沒有任何移動反應,這些 反應的結果可能源自於因為前臂肌肉的分佈位置所導致,當前臂立置於桌面時,前臂 中主要較大塊的肌肉包括肱桡肌、尺側腕屈肌會分佈於外側後半部,以至於裝置引導 外展動作時,兩接觸力臂以相同速度接近前臂時會先碰觸到手臂外側後半部肌肉,而 導致短暫的往內屈曲的非預期反應。因此,從實驗回饋與觀察得到以下推論結果:

1.   雙邊施力設計都會存在有接觸到皮膚的瞬間不同時的問題,可能引起使用者錯 誤反應。

2.   後期持續性轉動的效果對於引導使用者做外展、內曲效果不佳,甚至其轉動方 式的衝突感會產生誤導的狀況。

3.2.5 第三版裝置設計與實作

依前兩版實驗結果,為改善持續性與錯誤引導問題的發生,將雙邊施力改為單邊 施力,並且去掉後期持續性轉動提示給予持續指引的設計,藉此也可減去兩顆伺服馬 達重量以減輕裝置整體負重。在第三版最主要為改變裝置施力結構的設計,調整施力 與穿戴位置。將施力位置調整至手腕部分,並且將穿戴位置一併調整至中後端,當裝 置施力於手腕時所產生的力矩會比中後端反作用力產生的力矩大,而產生單方向的移 動,此外,前端沒有支架固定環時,前臂的移動也不會受到限制。

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硬體實作部分將提供持續性轉動的兩顆伺服馬達拔除,並同時使用3D 列印印製一 體成形的施力臂以強化力臂的硬度。此外,將前手臂環扣後改到中間馬達基座上,把 反作用力點全部往後移。因於內部測試發現細微軟硬變化使用者很難觀察到,所以將 內層橡膠部分去除,減輕重量;軟體部分把驅動轉動力臂的伺服馬達運作方式改為只 有單邊力臂會運行,裝置如圖3-8 所示。

圖3-8 第三版裝置實際穿戴圖

3.2.6 靜態引導測試

募集十位受測者(八位男性、兩位女性),平均年齡約26 歲,慣用手皆為右手。

請受測者於座位上將前臂連同裝置放置於桌面,前臂與身體夾45 度且戴耳機避免受聲

請受測者於座位上將前臂連同裝置放置於桌面,前臂與身體夾45 度且戴耳機避免受聲

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