結果與討論

每位操作者使用三種輔助方式各進行三次的抓取，共有九組實驗數據，我們 以B 點的抓取軌跡圖為例，如圖 4-9 所示，目標物的位置為(-120,80,-300)，藍色 線為圓錐型，紅色線為鎖定式，綠色線則為無導引的情形，由圖4-9 我們可以發 現有虛擬導引的確比較沒有導引的情況下要來的快速，鎖定式虛擬導引的軌跡曲 線與圓錐型的曲線平滑程度類似，但是可以更快到達目標點的位置，我們認為會 有這種效果的原因有二︰一個是當操作者瞄準目標物時，圓柱狀的導引將操作點 的移動範圍限制的更小，此點由在x 軸上的軌跡可以看出，當夾爪往下移動時，

鎖定式的軌跡較為平滑；另外當操作者在往下移動時，物體保持在攝影機的畫面 中，讓使用者更為放心的移動，這點由 z 軸上鎖定式比圓錐型更快到達底部 可以看出。

圖4-9 三種力導引下的抓取軌跡圖

花費時間為基準(100%)，圓錐型的導引花費的時間約為 73.4%，鎖定式導引花費 的動作，圖 4-11 為使用鎖定式導引之結果，目標物座標為(100,100,-300)。所有 的物體的體積都在 50x10x30mm³左右，由圖可知大小接近的物體，在接近物體 所花費的時間差別不大，然而當夾爪與物體產生些微的碰撞時，軟物體僅產生形 變，而硬物體則會產生位移，因此硬物體比軟物體容易產生實際與虛擬物體位置

的誤差，另外當使用者在夾取物體，夾爪太往下時，軟物體可以由形變來緩衝，

而硬物體則會直接擠壓到操作平台，因此，在使用鐵盒等較硬的物體時，失敗率 較為其他物體來的高。

圖4-10 圓錐型導引引起的震盪軌跡圖

第五章 結論

在遠端操控系統中，由於遠端呈現以及遠端操控的問題，使得操作者無法快 速的完成操作，為了增加操作者對遠端環境的了解以及增進操作上的效率，我們 使用了虛擬導引來輔助操作者。在本論文中，我們利用攝影機與夾爪的組合建構 新的鎖定式虛擬導引，系統讓使用者在操作過程中，能一直觀察到物體，掌握到 物體的動態以及夾爪與物體的相對關係。

我們發現在進行搬運物體的操作時，雖然系統提供了2D 影像以及 3D 場景 的視覺回饋，但使用者對於物體與夾爪相對位置的認知仍然有限，需要多次的矯 正才能到達物品或者是目標點附近，以至於在夾取以及放置物品的階段花費大量 時間。因此，在夾取或放置物品時，虛擬導引的設計對使用者操作效率的影響相 當顯著，基於上述的理由我們設定遠端操控的工作為遠端夾取物體來判別虛擬導 引的優劣，實驗分別使用鎖定式虛擬導引以及圓錐型導引對使用者進行輔助，最 後經由實驗後的數據來討論兩種不同形式導引的差異性。

經過實地操作後證明在操作的過程中，鎖定形式的虛擬導引的確在效率有著 相當好的表現，當使用者在進行夾取的動作時，借助攝影機的輔助，使用者能夠 一直觀察到物體的動態，可以更精準的調整夾爪的位置，在移動上也更有把握，

操作的效率也就因此而提昇，另外，鎖定式虛擬導引也避免在力回饋範圍過小時 產生的震盪，改善了使用圓錐型導引的缺點，鎖定式虛擬導引確實在搬運、堆疊 物體的遠端操作上，有很好的效果，是相當有效的輔助方法。

5.1 未來工作

對於我們所設計出的鎖定形式導引，仍然有許多需要改進以及調整的空間，

首先的問題是力回饋範圍的大小以及導引參數的調整，較小的力回饋範圍固然可 以限制住使用者的移動進而讓使用者更精準的往目標物前進，但是過於狹窄的範 圍將造成震盪的情形發生，我們希望在未來回饋力的計算部份，加入速度方面的 控制，將可以減少震盪的產生，減少虛擬導引本身的誤差。

在本實驗中由於目標物的體積限定在一定的範圍內，針對相似大小的物體我 們設計了對應的力回饋範圍以及導引參數，將來若要對不同大小的物體進行夾 取，勢必將進行範圍以及參數的調整，我們期望屆時能找出描寫物體體積、力回 饋範圍與參數間的關係式，以達到對使用者最大的輔助效果。

其次是Bezier 演算法控制點的選定問題，Bezier 演算法固然可以由控制點得 到想要的近似曲線，但是我們發現隨控制點的移動，近似曲線與原來的路徑誤差 也會改變，此時我們就必須跟著調整控制點以達到最小的誤差，如何找出更適合 的控制點數量以及如何設定更佳的位置，也是日後必須解決的問題。

由於夾取的動作在進行搬運的過程中是最講求精確的部份，因此我們在這次 的實驗中僅對夾取的部份進行實驗，將來我們將對更複雜的動作以及物體進行實 驗，並探討鎖定式導引在其他的動作中對於操作效率的影響，未來也將對力感測 器作進一步的應用，在更複雜的動作中使用力感測器，提供使用者對遠端環境更 擬真的感受。

參考文獻

[1] A. B. Kuang, S. Payandeh, B. Zheng, F. Henigman, and C.

MacKenzie,“Assembling virtual fixtures for guidance in training environments,”

12th International Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, pp. 367–374, 2004.

[2] A. Bettini, S. Lang, A. Okamura, and G. Hager, “Vision Assisted Control for Manipulation Using Virtual Fixtures,” IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 1171-1176, 2001.

[3] A. Bettini, S. Lang, A. Okamura, and G. Hager, “Vision Assisted Control for Manipulation Using Virtual Fixtures: Experiments at Macro and Micro Scales,”

IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 3354-3361, 2002.

[4] A. Bettini, P. Marayong, S. Lang, A. M. Okamura, and G. D. Hager,

“Vision-Assisted Control for Manipulation Using Virtual Fixtures,” IEEE Transactions on Robotics, Vol. 20, No. 6, pp. 953-966, 2004.

[5] A. J. Johansson and J. Linde, “Using Simple Force Feedback Mechanisms as Haptic Visualization Tools,” 16th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, pp. 820-824, 1999.

[6] A. P. Kypson, and W. R. Chitwood, “ Robotic Applications in Cardiac Surgery ”, International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 1, No. 2, pp. 87-92, 2004.

[7] C. H. Ho, C. Basdogan, and M. A. Srinivasan, “Efficient Point-Based Rendering Techniques for Haptic Display of Virtual Objects,” Teleoperators & Virtual Environments, Vol. 8, No. 5, pp. 477-491, 1999.

[8] C. W. Nielsen, M. A. Goodrich, “Comparing the usefulness of video and map information in navigation task,” Proceedings of the 2006 ACM Conference on Human-Robot Interaction, pp. 95-101,2006.

[9] D. Aarno, S. Ekvall, and D. Kragic,“ Adaptive virtual fixtures for machine-assisted teleoperation tasks”,Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1139-1144, 2005.

[10] H. Delingette,“Toward Realistic Soft-Tissue Modeling in Medical Simulation,”

Proceedings of the IEEE, Vol. 86, No. 3, pp. 512-523, 1998.

[11] L. B. Rosenberg, “Virtual Fixtures: Perceptual. Tools for Telerobotic Manipution,” IEEE Virtual Reality Annual Interational Symposium, pp. 76-82, 1993.

[12] M. A. Peshkin, J. E. Colgate, W. Wannasuphoprasit, C. A. Moore, R. B.

Gillespie, and P. Akella, “Cobot Architecture,” IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 17, No. 4, pp. 377-390, 2001.

[13] M. Seelinger, J.-D. Yoder, E. T. Baumgartner, and S. B. Skaar, “High-Precision visual Control of Mobile Manipulators,” IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 18, No. 6, pp. 957-965, 2002.

[14] M. Utsumi, H. Sakai, and J. Akizono, “The State Representing Method for Underwater Remote Controlled Grab,” IEEE TECHNO-OCEAN, pp.

2098-2103, 2004.

[15] P. Marayong. A. Bettini, A. Okamura, “Effect of virtual fixture compliance on human-machine cooperative manipulation”Intelligent Robots and System, 2002. IEEE/RSJ International Conference ,pp.1089- 1095

[16] R. Prada, S. Payandeh, ” A study on design and analysis of virtual fixtures for cutting in training environments,” Eurohaptics Conference, 2005 and

Systems. World Haptics 2005. First Joint, pp.375-380,2005.

[17] R. C. Goertz and R. Thompson, “Electronically Controlled Manipulator”, Nucleonics, pp. 46-47, 1954.

[18] R. C. Luo, C. Y. Hu, T. M. Chen, and M. H. Lin, “Force Reflective Feedback Control for Intelligent Wheelchairs,” IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 918-923, 1999.

[19] S. Otmane, M. Mallem, A. Kheddar, F. Chavand, “Active Virtual Guides as an Apparatus for Augmented Reality Based Telemanipulation System on the Internet” ,33rd Annual Simulation Symposium, pp.185,2000.

[20] S. Payandeh, Z. Stanisic, “On application of virtual fixture as an aid for telemanipulation and training, ” Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, pp.18,2002.

[21] S. Park, R. Howe, and D. Torchiana, “ Virtual Fixtures for Robotic Cardiac Surgery,” 4th International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, pp. 14-17, 2001.

[22] Y. Adachi, T. Kumano, and K. Ogino, “Intermediate Representation for Stiff Virtual Objects,” Virtual Reality Annual International Symposium, pp. 203–210, 1995.

[23] D. U. Zhijiang, and S. Lining, “ Review of Surgical Robotics and Key Techniques Analysis ”, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics, Intelligent Systems and Signal Processing, pp. 1041-1046, 2003.

[24] 陳正翰,虛擬實境網路機器人遠端操控系統:視覺與攝影機校正,國立交通大 學電機與控制工程學系碩士論文,2001.

[25] 林猷長,視覺與力覺整合於機器人遠端操作之應用, 國立交通大學電機與 控制工程學系碩士論文,2006.

[26] Immersion Co., Laparoscopic impulse engine, impulse engine 2000, and impulse stick software development kit, release 5.0, September 2000.