3.3 硬體實現
3.3.1 Phantom Omni 六軸力回饋搖桿
在 Master 端的力回饋搖桿，其系統主要結構如圖 3-10 所示，藉由搖桿中的 感測元件可以得知搖桿當前的位置，經由座標轉換和縮放即可對應至虛擬場景，
另外動力原件可以將電腦運算後的提供力回饋資訊回饋給使用者。我們採用美國 SensAble 公司出產的 Phantom Omni 力回饋搖桿[28]，如圖 3-11 所示，其結構和
我們欲操作的機器手臂相仿，同樣為六個自由度，因此在操作機器手臂時使用者 能夠輕易掌握操控器與被操控對象的關係。搖桿的握柄上配置兩個按鈕，程式設 計者可自行設定其功能，例如夾爪開合或力輔助策略切換等。此搖桿的力回饋為 X、Y、Z 三方向，搖桿解析度為 0.055mm，精確度足以應付本論文中所執行的 任務。另外我們也採用 SensAble 公司所提供的 Haptic Library API(HLAPI)[28]做 為 Phantom Omni 力回饋搖桿的驅動函式庫，此函式庫能和 OpenGL 整合，程式 設計者可以輕易的將視覺和觸覺回饋做配合。
圖 3-10 力回饋搖桿裝置示意圖
圖 3-11 Phantom Omni 六軸力回饋搖桿
表 3-2 Phantom Omni 六軸力回饋搖桿規格表 Forcefeedback workspace 160 W x 120 H x 70 D mm.
Weight (device only) 15 oz.
Range of motion Hand movement pivoting at wrist Nominal position resolution 0.055 mm.
Maximum exertable force at position 3.3 N Continuous exertable force 0.88 N
Stiffness X axis 1.26 N / mm.
Y axis 2.31 N / mm.
Z axis 1.02 N / mm.
Inertia (apparent mass at tip) 45 g Force feedback x, y, z
Interface IEEE-1394 FireWire port: 6-pin to 6-pin Supported platforms Intel or AMD-based PCs
3.3.2 Mitsubishi RV-2A 六軸機械手臂
本實驗室所使用的機械手臂為日本 MITSUBISHI 公司製造的 RV-2A 六軸機 械手臂，所使用的控制器為該公司的 CR1-571，圖 3-12 為控制器 CR1-571 外觀，
圖 3-13 為機械手臂 RV-2A 外觀，而表 3-1 及表 3-2 則分別為機械手臂 RV-2A 以 及控制器 CR1-571 的基本規格。我們採用 VC++語言，由近端電腦下達控制命令 後，手臂六個角度的資料封包傳送到 CR1-571 中，CR1-571 再對 RV-2A 下控制，
同時 CR1-571 回傳機械手臂的當前角度資料封包至近端電腦，CR1-571 控制器指 令週期約為七毫秒。
圖 3-12 CR1-571 控制器外觀
圖 3-13 Mitsubishi RV-2A 六軸機械手臂外觀
表 3-3 Mitsubishi RV-2A 六軸機械手臂規格
表 3-4 Mitsubishi RV-2A 六軸機械手臂控制器規格
3.3.3 JR3 力感測器：
為了獲得機器手臂夾爪與環境中物體碰撞時的力資訊，我們使用 JR3 力感測 器。此一感測器可以測量 X、Y、Z 三個方向的力量大小以及對三個軸的旋轉力，
而我們在任務的執行中使用了 X、Y、Z 三方向的力資訊量測，其外觀如圖 3-14 所示；表 3-5 為其基本規格。
圖 3-14 JR3 力感測器外觀
表 3-5 JR3 力感測器規格表
第四章
的長度約 45mm，鋁製平台的長 230mm、寬 130mm、高 90mm。另外機器手臂 的工作空間我們設定為 Phantom 力回饋搖桿工作空間的兩倍大，且因為實驗平台設定在機器手臂的前方接近桌面處，所以搖桿的原點並不是直接對應至機器手臂 的原點，而是對應至手臂原點往 X 方向位移 300mm、Z 方向位移 120mm 的位置，
此設定有助於實驗的進行。在力回饋方面，夾爪與搖桿末端的彈簧耦合力中，彈 力係數 k 設定為 0.08 (N/mm)，此值適宜模擬機器人的重量，並且達到提示的功 能；而方向性力導引的 k 為 0.8 (N/mm)，足以穩定手部控制，避免偏移至不必要 的方向，彈力系數的決定方式為經過多次實驗後得到的經驗數值。
圖 4-1 實驗用詴管
圖 4-2 實驗用詴管和放置平台
實驗中判定成功與失敗的準則為液體溢出來的量，原本詴管中的液體量為 11c.c.，溢出超過 1c.c.即算任務失敗，該次實驗則重新執行。實驗組合總共有四
1. 無力輔助；
的 Z 方向，即垂直向上的路徑，受測者唯一能行徑的方向即垂直向上；在詴管 完全取出後進入第二階段，第二階段受測者必頇水平的將詴管往左邊移動，這時 系統所提供的輔助即產生一個水平的力牆，幫助受測者穩定手部不上下偏移；到 了鋁製的平台中間即進入第三階段，第三階段因為必頇瞄準另一支詴管，所以這 個階段不提供力回饋，以便給受測者較多空間做微調的動作；一旦確定瞄準另一 支詴管口就進入第四階段，此時系統提供的輔助是將所有方向鎖住，受測者在這 時只能旋轉夾爪而無法平移，此策略有助於受測者做傾倒液體的動作；傾倒完液 體以後進入第五階段，第五階段為第三階段的相反方向，不過增加了力牆輔助，
這道力牆為機器人座標 Y、Z 平面，目的是避免受測者偏移 X 方向；第六階段和 第二階段相同，提供一道水平力牆；第七階段將倒完的詴管放回原來的孔洞中，
其與第一階段的差別僅在於此時的方向輔助為動態，也就是夾爪的 n 方向會動態 產生導引路徑，如此可以讓受測者瞄準詴管孔並做微調的動作，若仿照第一階段 採取垂直固定的力輔助，反倒無法供受測者微調，導致在放置詴管時造成更多不 便。圖 4-4 為七個階段所提供的力輔助策略示意圖。
圖 4-3 實驗各階段示意圖
圖 4-4 各階段所對應的力輔助示意圖
在實驗的過程中，受測者按照實驗的七個階段自行按壓鍵盤上的空白鍵切換 至下一階段，按壓第一次時夾爪夾取詴管並進入第一階段；隨後在不同的階段中 系統即產生相對應的力輔助策略，每個階段的力輔助我們在系統中已事先設定好，
受測者不用親自決定該選取哪一方向作為輔助；按壓第八次鍵盤，也就是結束第 七階段時夾爪即放開並結束實驗。其中為了每次實驗的公平性，若該次實驗是在 不提供力輔助的情況下，則受測者也同樣必頇按壓鍵盤上的另一個按鍵(„x‟鍵) 切換實驗的七個階段。在系統中，方向性的輔助可以隨操作者的需求進行切換，
而實驗中我們為了評估力輔助在各階段的效果，所以預先設定好力輔助模式，方 便受測者進行切換，圖 4-5 顯示整個實驗的流程圖。
圖 4-5 實驗流程圖
在實驗的過程中，受測者坐在機器手臂正前方進行操控，有兩個螢幕提供不
4-10(a)-(b)為執行傾倒詴管液體的動作，這個階段受測者只能執行旋轉的動作，
不可往任何方向平移，且必頇控制詴管中液體的流速，避免詴管中的液體灑出。
(a) 真實場景 (b) 虛擬場景 圖 4-7 抽取、放置詴管操作實景：(a)真實場景和(b)虛擬場景
(a) 真實場景 (b) 虛擬場景
(a) 真實場景 (b) 虛擬場景 圖 4-9 瞄準目標操作實景：(a)真實場景和(b)虛擬場景
(a) 真實場景 (b) 虛擬場景 圖 4-10 傾倒液體操作實景：(a)真實場景和(b)虛擬場景
4.2 實驗結果與討論
每位受測者執行兩次四種實驗組合，總共有八筆數據。在接下來的實驗結果 圖中，由左到右順序第一筆資料為無提供力輔助的情形，第二種為搭配彈簧耦合，
也就是在夾爪和虛擬游標之間設定一彈簧單元，第三種為即時方向性力輔助，在 適當的位置提供點、線、面形式的力導引，第四種為彈簧耦合加上方向性力輔助。
我們將針對任務中機器人行走路徑總長、執行時間、游標和夾爪的誤差以及機器 人軌跡等資訊進行分析，圖 4-11 為四種力輔助模式下機器人行走路徑總長的分 析圖，圖中圓圈代表該組合的平均值，中間紅色橫線為中位數，我們可以發現無 力輔助的資料分布較鬆散，並且平均路徑也最長；加入彈簧耦合後機器人的行走 路徑會縮短；在方向性力輔助的組合中，資料分布較集中、穩定；而兩種力輔助 組合同時存在時，平均路徑會更小；由此我們推測力輔助能有效穩定受測者的手，
避免機器人往不必要的方向移動。
圖 4-11 四種力輔助策略下總路徑長分析
在游標和夾爪之間誤差的部分，由圖 4-12 所示，我們可以發現四種組合的 平均差異不大，均不到 1mm，並且前三種力輔助策略中，資料分部的情形也大 致相同，無明顯差異。在彈簧耦合加上方向性力輔助的情形下，平均誤差增加少 許，資料分部也較鬆散，推測是在某些階段因為兩種力回饋互相影響的結果，在 稍後我們會詳細說明原因。
圖 4-12 四種力輔助策略下游標和夾爪之間的誤差
圖 4-13 為四種組合的完成時間比較圖，從這張圖我們可以發現前三種力輔 助策略的平均時間差異不大；第二種彈簧耦合的組合中，雖然所提供的力輔助有 助於受測者操作的穩定性，但是因為有阻力的關係，完成時間略為提高，資料分 部也較不集中，此種輔助對於每位受測者的效果不同；而有方向性力輔助的兩種 組合中，可以發現完成時間有改善，尤其在彈簧耦合加上方向性力輔助組合中，
完成時間有較明顯的下降，原因在於瞄準空詴管的階段，有彈簧耦合可以增加穩 定性，瞄準詴管孔時不易晃動。最後要將詴管擺放回原處時，也因為彈簧耦合以 及方向性力輔助，詴管在詴管架裡較不易晃動，且放置詴管時能垂直向下，避免 碰撞詴管架。
圖 4-13 四種力輔助策略所花費的時間
接下來我們探討四種組合中機器人在三維空間中行走的軌跡圖，在圖 4-14 和圖 4-15 中，軌跡包含整個實驗過程七個階段，藍色的三角形代表每個階段機 器人行走的方向，紅色線條為虛擬游標的軌跡，黑色線條為機器人夾爪的軌跡。
由圖 4-14(a)，我們可以看出在無力輔助的狀態下機器人行走的路徑較為凌亂，
例如在右半部拿取或放置詴管時容易與詴管平台碰撞，左半部在瞄準與傾倒液體 的階段有更明顯的晃動，整個實驗過程缺乏穩定性。圖 4-14(b)為加入彈簧耦合 力後的機器人路徑圖，可以看出因為增加了搖桿的重量，故行走的路徑比無力輔 助的路徑平穩一些，在拿取和放置詴管的部分，我們可以看出軌跡依舊有些微的 晃動，而在瞄準空詴管的過程中比起無力輔助的組合有較平順的路徑，然而在傾 倒液體的階段依舊有些微的晃動。
(a) 無力輔助 (b) 具彈簧耦合 圖 4-14 機器人軌跡圖：(a)無力輔助和(b)具彈簧耦合
圖 4-15(a)、(b)分別為方向性力輔助以及彈簧耦合加上方向性力輔助的機器
圖 4-15(a)、(b)分別為方向性力輔助以及彈簧耦合加上方向性力輔助的機器