虛擬組裝系統架構

一個完整的虛擬組裝系統需要多方面的知識領域相互配合，如虛擬實境的應 用、人機介面的設計、組裝操作的邏輯配合、工程相關的設計，以及為了達到擬 真效果而加入的力回饋裝置使用等。

Seth et al. (2006)提出了一套雙手力回饋組裝系統 SHARP(System for Haptic Assembly and Realistic Prototyping)，如圖 2.20 所示。使用物理基礎的 VPS 來達 成系統中的物理計算模擬，像是物體間的相互碰撞，以及使用者在操作系統 時，碰撞到虛擬物體而產生的力回饋量值等。此系統允許使用者用雙手同時與 CAD 模型之間進行互動與操作。系統將虛擬物體相互碰撞時，力量回饋的大小 和方向作即時記憶，而後，在下一次的力回饋更新之前，持續輸出力回饋給使 用者。這種方式解決了物理機制在兩手加入後更新率減半的問題，如圖 2.19 所 示。實現在物理基礎下的雙手操作。

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雙/單 PHANToM Omni® 的 frame rate (Seth et al.,2006)

經過工業模型的組裝測試後，證實此系統能從事複雜的工業模型組裝模擬。

此外，系統使用應用程式平台 VRJuggler，讓使用者可以在不同的虛擬實境下操 作此系統，包括低成本的桌上型電腦、投影牆，甚至是浸入式 CAVE 系統；

同 時 ， 也 支 援 使 用 不 同 的 人 機 介 面 與 系 統 互 動 ， 如 桌 上 型 電 腦 結 合 雙 手 PHANToM Omni® 或投影牆結合追蹤手套（無力回饋）。系統另外還提供了一些 像是零組件的維護設計、訓練使用者學習、網路連線進行組裝等功能。綜觀以上，

自由的操作介面選擇，雙手力回饋的應用，物理基礎下的組裝邏輯，均為此系統 的優點。然而，全方面使用物理基礎進行組裝模擬，對於精度要求高的組裝案例，

會因為人機介面和環境間無法避免的干擾而無法達成任務或效率低落。

SHARP 架構圖(Seth et al.,2006)

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Gonzalez-Badillo et al. (2014)提出了物理基礎結合約束基礎的複合式力回饋 虛擬組裝系統 HAMS，如圖 2.21 所示。此系統支援了三種物理模擬引擎 Bullet，

PhysX v2.8 和 PhysX v3.1，用來模擬物體間的碰撞反應，並在虛擬組裝的過程中，

給使用者擬真的力回饋。此系統更加入了約束基礎中的幾何約束機制，當虛擬物 件的 CAD 圖檔被匯入系統中時，程式會自動偵測虛擬物件的外形特徵，若有找 到 符 合 設 計 者 所 預 設 的 兩 個 幾 何 約 束 特 徵 (Cylindrical constraints, Planar constraints)，則系統會自動為物體加上幾何約束特徵。使用者也可自行手動加入 特徵。當被抓取的物件接近待接合的組件時，幾何約束的特徵會被檢視，若特徵 符合要求，又接近的角度在組件可接受的組裝誤差範圍內，則物件會依照幾何約 束的規則，減少能活動的自由度，並對齊組件，見圖 2.22。這種綜合的機制對虛 擬組裝來說既可以維持理想的擬真程度，又可以減少組裝誤差，讓使用者操作的 困難度下降，增加操作便利性。此系統在操作上一樣也支援了雙手的 PHANToM Omni® 使用，並在組裝過程中透過物件顏色的變化給使用者相關的組裝提示。

HAMS 系統架構(Gonzalez-Badillo et al.,2014)

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約束基礎的組裝機制(Gonzalez-Badillo et al.,2014)

Christiand and Yoon (2011)提出了一種在虛擬實境中以最佳化路徑進行組裝 模擬的方法。本研究認為，雖然組裝的過程是在三維立體空間中，但是當物件在 移動進行接合時，應該是維持一接近平面的二維空間運動，因此在虛擬環境中加 入了一層平行於地面的不可見障礙物(invisible object)，如圖 2.23 所示，讓虛擬零 件被限制在此隱形障礙物與虛擬地面之間，確保零件不會偏離 xy 平面。而在設 計最佳化路徑時會有三個最重要的參數，分別為障礙物、物件起始座標與最終標 記座標，目標零件以外的零件皆視為障礙物，而此目標零件必須從本身物件的起 始位置往最終標記位置移動。最佳化路徑考量到變換工具次數最少以及零件旋轉 方向最少兩個項目，搭配基因演算法得出最佳路徑。此研究使用單一 PHANToM Omni® 作為力回饋器。如果使用者在組裝的路徑中碰撞到其他物件，系統即會提 供使用者力回饋作為提示。此系統的操作近乎只存在於二維空間之中，使用者的 活動度受到限制，因此，力回饋的加入雖然有助於路徑提示，但對擬真度提升十 分有限。

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系統畫面(Christiand and Yoon,2011)

Bhatti et al. (2014) 提出了一個虛擬組裝訓練系統 HIVEx，如圖 2.25 所示。

在軟體方面，系統採多核心運作，將各個操作功能進行模組化，以便隨時可以擴 充或刪減功能而不影響整個系統的運行。又系統不像其他使用約束基礎為主的虛 擬組裝訓練系統，只著重在提供使用者組裝序列的學習，此系統的組裝模擬完全 使用物理的約束基礎，因此，使用者在操作的過程中除了可獲得組裝序列的學習 外，還可以藉由對虛擬物體的認知感受，察覺到操作上的物理限制，進而提升組 裝技術。此系統提供了立體螢幕顯示和 HMD(Head Mounted Display)，如圖 2.24 所示，兩種立體視覺的視覺回饋選擇。HMD 是利用左右眼的視差來呈現立體效 果，優點是 3D 顯示可以隨著使用者進行大範圍的移動，但缺點是使用者的頭部 必須承受龐大的裝置重量，容易造成不適。在力回饋方面，使用單一 PHANToM Omni® 作為力回饋器，除此之外，同一隻手上還加上了 5DT® Data Glove 來追蹤 使用者的手部細微動作，輸入虛擬實境的視覺畫面之中。此種方式雖然可以讓視

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覺畫面上的虛擬手變得較為擬真，但由於使用者還是必須藉由抓取 PHANToM Omni® 的操縱筆端才能獲得力量回饋，因此，手部的抓取感受和動作還是無法達 到擬真自然。

以 HMD 呈現虛擬實境(Brough et al., 2007)

操作示意圖(Bhatti et al.,2014)

Jayaram et al. (1999)團隊改良了 1995 年提出的虛擬組裝設計規劃系統 VADE，

將系統從單純的約束組裝機制，進化為擁有物理基礎可供選擇的雙機制組裝系統。

系統更加入雙手力回饋手套 CyberGrasp 輔以立體視覺裝置 HMD，讓使用者可以 在立體的虛擬環境中進行雙手操作，藉者物理模擬，感受到接觸力、摩擦力等擬

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真感受。VADE 緊密和 CAD 系統相結合，使用者可以從 CAD 系統製作模型輸 入，並在匯入 CAD 模型時直接獲得相關模型特徵資訊，系統更允許使用者在虛 擬實境中進行模型的參數修改，並存入 CAD 檔，作為模型設計的參考 。

VADE 架構圖(Jayaram et al.,1999)