PHANToM Omni® 力回饋

Sensable Technologies 公司所生產的 OpenHaptics Toolkit Version3.0 為力回饋 開發應用的軟體，可用來操縱 PHANTOM 系列的力回饋裝置。而在 Unity3D 中，

本系統使用由 The Digital Design Studio (DDS), Glasgow School of Art 免費提供的 O

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應 用 程 式 庫 來 達 成 PHANToM Omni® 的 力 回 饋 ， 此 應 用 程 式 庫 便 是 將 OpenHaptics Toolkit 中較為高階的應用程式界面 HLAPI 包裹，使其可以在 Unity3D 中使用。

圖4.7 OpenHaptics Toolkit 函式庫 HLAPI

HLAPI 為 使 用 高 階 Ｃ 語 言 開 發 而 成 的 應 用 程 式 界 面 (Application Programming Interface)，它可根據常見的電腦繪圖程式界面 OpenGL 所生成之圖 形產生相對應之力回饋。使用者可使用 OpenGL 內的基本圖形

(geometric primitives)像三角形、點、線等，輔以觸覺材質的設定， 如硬度、摩 擦力等，來建構力回饋環境。

力回饋生成引擎即是綜合以上的資訊設定並收集力回饋裝置 (PHANToM Device)所讀入的位置訊息，進行計算分析，最後生成相對應之力回饋，來達到擬

PHANTOM DEVICE DRIVERS (PDD)

HAPTIC DEVICE API (HDAPI) HAPTIC LIBRARY API

(HLAPI) QUICK HAPTICS

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真力回饋的效果。

如同 OpenGL，HLAPI 背後的邏輯為狀態機制(state machine)，大部份的 HLAPI 指令會修改當下的力回饋生成狀態(rendering state)，而當下的力回饋生成 狀態也可使用 HLAPI 求得。力回饋狀態包含觸覺材質設定、物體的位置、旋轉 量和力回饋模式等人為操作模式，亦包含經由力回饋裝置所獲得的操縱桿之坐標 和旋轉量。HLAPI 也提供事件呼叫模式(event callback functions)的使用，當事件 如觸碰物體或按壓按鈕後，事件呼叫模式便會傳送訊息給力回饋生成機，產生相 對應之力回饋反應。

HLAPI 有三種生成力回饋的模式分別為形狀力回饋生成(Shape rendering)、

效果力回饋生成(Effect rendering)和替身力回饋生成(Direct proxy rendering)。

當使用形狀力回饋生成模式時，HLAPI 允許使用者使用 OpenGL 的函式來

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會增大，阻止力回饋點繼續往下穿刺進入虛擬物體，給使用者觸碰到物體的擬真 力回饋感受。如圖 4.8 所示。

圖4.8 替身力回饋的生成原理 本研究之肢覺回饋生成

本研究選用 DDS 所提供的應用程式庫，其函式的呼叫步驟和力回饋生成方 式都和 HLAPI 一樣。而在 3D 圖形的生成方面，藉由 Unity3D 的幫助，3D 圖形 可由外部檔案匯入，不需要直接使用 OpenGL 的函式來生成圖形，因此，3D 圖 形的生成變得更為簡單自由。在本研究中，大部份的零組件皆非基礎 3D 圖形，

因此，多是使用替身力回饋生成法生成肢覺回饋。

在虛擬組裝系統中的每個虛擬物件，都擁有一個可供調整量值的力回饋面

板，圖 4.9 所示。而力回饋面板上的相關力回饋量值可由設計者依照物體在真實 世界中的屬性來進行調整。當系統運作時，系統會讀取這些量值並將之轉換為使 用者所獲得的肢覺回饋。在本研究中，PHANToM Omni® 的肢覺回饋包含物體被 使用者抓起時，系統所提供的重力回饋和 PHANToM Omni® 的操縱筆頭觸碰到 物體時所產生的接觸力，如靜摩擦力、動摩擦力。另外，物體本身的機械性質像 硬度也都可以藉由調整力回饋面板上的量值來完成設定。

Object Surface

Previous Haptic Device Position

Proxy Position

New Haptic Device Position spring

damper

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圖4.9 PHANToM Omni® 力回饋量值面板 程式實作

PHANToM Omni® 的力回饋環境建置及生成步驟，如圖 4.10 所示。

起始步驟

1. 輸入在虛擬實境中所需的力回饋工作環境大小。

2. 設定力回饋生成面，本研究選用的是物體的外表面 (front)。

3. 由相機視角來決定力回饋環境的面向。

4. 互動模式設定。本研究選用的模式能提供物體表面接觸力回饋以及基礎環 境力的生成，更能在物體被抓取時提供重力回饋。

5. 將 3D 幾何環境轉換成 OpenGL 的形式。

6. 設定環境的空氣黏滯力和物體的重力、硬度、摩擦力等相關機械力。

7. 開始偵測力回饋事件，如 PHANToM Omni® 操縱筆上的按鈕的按壓狀態。

力回饋迴圈

1. 根據相機的視角更新力回饋工作環境之面向 2. 生成力回饋

3. 更新 PHANToM Omni® 操縱筆的筆頭位置，以及其替身點的位置 4. 檢查 PHANToM Omni® 的力回饋點是否碰觸物體以及更新 PHANToM

Omni® 操縱筆上的按鈕按壓狀態 5. 更新虛擬物體的位置和方向

53 1. setup the haptic workspace 2. set touchable faces

3. workspace orientation 4. set the interaction mode 5. set the haptic geometry

6. define the environmental & mechanical properties 7. launch check-up for haptic events

8. update the haptic workspace 9. render the haptic frame

10. get haptic device proxy or physical tip values 11. get contact information & button events 12. update matrix transform of manipulated object

13. haptic context clean up 14. OpenGL context clean up