4. 合作搬運應用
4.2 合作搬運應用之系統調整
圖 4-4 修改合力後推動示意圖
圖 4-5 多人時的合力方式
4.3 調整後的系統實踐
圖4-6 針對合力搬運因應調整的系統資訊流通架構
第五章 實驗
我們針對建構的力回饋系統進行測試，以了解其對於力合作與力對抗的資訊 是否能執行無誤，所以要透過網路連結置於不同地方的力回饋裝置，在同一場景 中進行對虛擬物件的施力測試，藉此映證力回饋系統的可行性，而對合作搬運應 用所作的系統調整，也進行相同的測試，以確認是否提升了合作搬運的效率。本 章首先說明實驗的設計方式，以了解實驗的進行，接著對建置的力回饋系統開始 進行試驗，列舉實驗結果，然後再進行調整後系統之相關實驗，作為對照。為進 一步了解網路延遲對力回饋系統可能造成的影響，我們也進行了實驗室的網路環 境與一般家用網路環境的比對，以確實掌握力資訊的流通是否連續無誤。
5.1 實驗設計
實驗進行的環境如如圖 5-1 所示，以一台電腦連接力回饋裝置 Laparoscopic Impulse Engine 作為 Client 端，一台電腦連接另一力回饋裝置 Impulse Engine 2000 作為 Server 端，而為使兩力回饋裝置的自由度皆能相同，操作是在同一個 2D 場景中進行， Server 端操作者所操作的虛擬臂以一個小紅圓點來代表，
Client 端操作者所操作的則是小藍圓點，兩者合力搬動一個圓形的橘色物體 (以 3D 的觀點來看，實際上應為一立於地面的圓柱狀物體)，而此一圓形物體表面極 為光滑，所以施力將會很容易沿著表面滑動。當操作的虛擬臂接觸到欲搬動物體 時，即可以感受到接觸面傳來的反應力，而搬動時也可以確實地感受到搬動時會
傳回抵抗力，整個感受的力量依第三章的力感模型決定。系統中對於模擬環境所 設定的數據如下：欲搬動的圓柱重 1.52 N，靜摩擦力係數與動摩擦係數為 3 m/ 和 2.5 m/ ，此外力模型中物體表面產生力的彈力係數設定為 0.2834 N/mm，物體表面是不會產生形變，但根據調整物體彈力係數可以改變產生施力 的大小，又物體本身的運動會受到摩擦力的影響，當推其運動時、物體的反應是 像我們用手指去推動一個重的圓柱一般，而回傳的力感也是和現實裡一樣；發展 的平台是採用非強制性即時多工作業系統的 Microsoft Windows XP。另外，在操 作過程中，螢幕上代表各操作者的小圓點在彼此互相接觸時並不會有力感作用，
但在同時接觸到欲搬動物體時，可以感受到任一個操作者推動物體後，因物體運 動而對其他操作者所產生的反應力；如此當有兩個操作者時，只要把兩個虛擬臂 置於欲搬動物體的兩側，就可以進行像是比腕力這樣的互動。
sec2 sec2
圖 5-1 實驗設備與進行環境
在實驗開始前，對於實驗進行中要使用的力搖桿，先簡單地量測其力量值是 否依其規格呈線性，我們利用數顆砝碼進行簡單測試。而由於力矩會造成測定上 的錯誤，所以擺放測試的位置點亦非常重要，試驗的結果是，將砝碼置於如圖 5-2 中所示位置，也就是接近搖桿最低點時，會與理論的規格數值接近，測試結
果示於圖 5-3。由圖 5-3 可見搖桿的馬達確實是線性出力，而對於微小的誤差、
也有可能是量測位置所造成，而且就實際操作的感覺，其實無法明顯地分辨。
圖 5-2 測定搖桿輸出力
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
命令力值 (N)
輸出力值 (N)
理想 量測
圖 5-3 量測得的輸出力值與理想的輸出力值
在實驗進行方面，首先檢驗對於水平方向與垂直方向搬運的困難度，分別量 測偏離預想軌跡的誤差量和實驗達成時間，然後再作一圓形軌跡的的搬運測試，
一樣量測偏離預想軌跡的誤差量和實驗達成時間。像是在進行水平向測試時，物 體並不會受限於只能水平向運動，而施力者也不會被受限只能對水平向施力，所 以是兩端的操作著有先達成共識，了解目前是要依水平向進行運動，也因此，過
程中任一使用者也可能會發生對另一使用者反向施力的情形，其餘的垂直向和圓 形軌跡也是一樣的進行法。圖 5-4(a) 是對水平方向的量測，圖 5-4(b) 則是針對 垂直方向，如果合力搬運時的範圍超出了所畫的框線就會記錄下偏離框線的距離 大小，像水平就是要由框線左邊搬到框線右邊，垂直的則是由下搬到上。雖然進 行水平和垂直搬運時，操作者已經是進行二維方向的施力，但所驗證的是對於單 一方向性軌跡的準確性，所以最後進行圓形軌跡搬運以作為綜合測試，因為其可 以同時驗證水平與垂直向施力方向的準確性，如圖 5-4(c) 所示，又在實驗進行 中，我們以像素(pixel)為顯示距離的單位，因為真實世界的比例被轉換到螢幕 上，如果依原模擬尺寸則可能會很容易超過畫面的顯示範圍或是看起來太小，在 此實驗中，真實比例 0.23 mm 換算為螢幕上的一個 pixel。而在經過實驗後，因 為針對此合作搬運應用調整後的系統，完成合力搬運的效率較高，也將以這個版 本進行遠距的網路實驗，即不是以單純的區域網路進行實驗，而會移到一般家用 網路進行測試。此外，此程式設定的觸覺部分為了達到 650Hz 的取樣頻率，所 以執行力感部份是約每隔 1.54ms 進行一次更新。
)
圖 5-4 搬運測試： (a) 水平方向(上)； (b) 垂直方向(中)； (c) 圓形軌跡(下)
5.2 實驗結果
0
0
0 50 100 150 200 驗即是在此情形下進行，同樣採用 Microsoft 的 Windows XP。方法為利用一台 電腦作為 Client、不斷地對另一台電腦 Server 發送資料，而 Server 端接收到
資料後即發送訊息給 Client，如此可以得到資訊來回所花費的時間，連續進行 40000 筆測試結果，在實驗室的環境中進行的測試結果如圖 5-12 所示，可知操作 過程中使用者可以感受到的延遲大約會在 0.2 ms 左右，而因為大部分的延遲還 是在低於 1 ms 的狀態下，可知雖有少許時刻會有較大的延遲 (高達 7 ms)，不過 大多數的網路延遲還是在低於我們實驗所設定的每次力更新時間間隔 1.54 ms，
所以實驗上幾乎沒有影響，可以在力命令執行前完成傳輸。
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104 0
1 2 3 4 5 6 7 8
次數
delay time (ms)
圖 5-12 實驗室測得的網路延遲狀況
但是在一般的家用網路，撥接寬頻 ADSL-2M 測試所得的網路狀況，與實 驗室所用的網路傳輸速度差了近 10 倍，如圖 5-13 所示，一般情況下可以感受的 網路延遲在 40 ms 上下，換言之，其能達到的力更新頻率應該在 25 Hz 左右，
然而如此的力更新頻率根本不夠，會造成明顯的力不連續現象，甚至連視覺所需 的更新頻率都沒有辦法滿足。
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 x 104 0
100 200 300 400 500 600 700
次數
delay time (ms)
圖 5-13 家用網路所測得的網路延遲狀況
(a) Server 端虛擬臂 X 軸位置 (b) Server 端虛擬臂 Y 軸位置
(c) Client 端虛擬臂 X 軸位置 (d) Client 端虛擬臂 Y 軸位置
圖 5-14 實驗室網路進行水平向搬運過程中虛擬臂的位置
由於力更新頻率根本不夠，因此於家用環境中測試的結果，光是單人搬運就 遭遇很大的問題，因為不連續性與資料傳遞過慢，造成力跳耀的情形，將從圖 5-14~5-16 中結果可得到驗證。圖 5-14 是實驗室所測水平向搬運最好的一次取樣 的虛擬臂位置圖，而圖 5-15 和圖 5-16 則是在家用環境中進行水平向搬運的虛擬 臂位置圖與施力圖。
(a) Server 端虛擬臂 X 軸位置 (b) Server 端虛擬臂 Y 軸位置
(c) Client 端虛擬臂 X 軸位置 (d) Client 端虛擬臂 Y 軸位置
圖 5-15 家用網路進行水平向搬運過程中虛擬臂的位置
從圖 5-15(c)~(d) 中很明顯的看出虛擬臂位置軌跡有跳耀發生，即產生斷 點，相較之下圖 5-14 就幾乎沒有斷點的產生，而且在圖 5-15 中，還因為 Server 端的操作者並未移動搖桿 (所以圖 5-15(a)~(b) 中，代表 Server 端虛擬臂位置的 M-Server X 和 M-Server Y 皆保持在原位沒有移動，也因為 Server 端並未接觸
物體，所以圖 5-16(a)~(b) 中受力皆為零)，僅 Client 端進行搬運操作，理論上
sample time (sec)
force (N)
Server feel force X
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
sample time (sec)
force (N)
Server feel force Y
(a) Server 端感受的 X 軸方向力 (b) Server 端感受的 Y 軸方向力
sample time (sec)
force (N)
Client feel force X
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
sample time (sec)
force (N)
Client feel force Y
(c) Client 端感受的 X 軸方向力 (d) Client 端感受的 X 軸方向力
圖 5-16 家用網路進行水平向搬運過程中施力的狀況
第六章
結論與未來工作
本論文建立了一可攜性的力感系統，讓使用者可以即使身處不同地點，只要 帶著力回饋裝置與安裝軟件，就可以在所建置的虛擬環境中進行力資訊的應用。
而對於多人連線進行力互動的價值，除了在遊戲中可以帶來樂趣，如果可以將虛 擬臂連結至真實的機械手臂，進而處理真實世界中的物件；當然，還需要克服真 實物體轉換至虛擬物體的步驟，和其他像是座標轉換、夾取控制等等，但完成後，
理想上就可以用多個機械手臂對物體進行合力搬運，而如此對於工業上的實際應 用將可以順利發展。所發展的系統，因為是用 C 語言完成的，所以除了有執行 快速的優點外，只要將原始碼經過轉譯，就算不同作業系統也可以執行，如此更 達到了力可攜地目的。而對於在本文所發展的系統上，針對合力應用而做的調 整，也確實地發揮了作用，可以確信此系統的力資訊流沒有問題，此後也可以再 加入其它應用。
6.1 未來工作
為朝向能模擬更複雜的真實環境，以及克服網路上的障礙，還有增進系統的 應用性，未來還有很多可以努力的空間，如以下所列：
1. 網路方面：為使力感能連續，可對網路延遲狀況以預測未來的力值方式進 行，當超過一定延遲時即進行預測，為了達成此種目的，要進行程式改寫，
使程式執行時再多一個執行緒同步運行，如此網路、力感與視覺三部份將可 分開，分別運行。而預測也不只對於力量的大小和方向，也應對於移動路徑 進行補償，總之使整個系統可以進行地像連續系統。
2. 高維度化：為使感覺更加真實，以及增加操作的維度，勢必要將模型復現至 更高維度，而此同時也需要使用更多自由度的操作工具使其空間操作成為可
2. 高維度化：為使感覺更加真實，以及增加操作的維度，勢必要將模型復現至 更高維度，而此同時也需要使用更多自由度的操作工具使其空間操作成為可