用於動作引導之穿戴式回饋系統 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學系 Department of Computer Science National Chengchi University. 碩士論文. 立. Master’s Thesis 政 治. 大. ‧ 國. 學 ‧. 用於動作引導之穿戴式回饋系統. n. al. er. io. sit. y. Nat. An Exploratory Study of Motion Guidance System with a Haptic Gauntlet. Ch. engchi. i n U. v. 研 究 生:陳星佐 指導教授:余能豪. 中華民國一百零五年七月 July 2016.

(2)  . 用於動作引導之穿戴式回饋系統 An Exploratory Study of Motion Guidance System with a Haptic Gauntlet 研 究 生:陳星佐. Student:Hsing-Tso Chen. 指導教授:余能豪. Advisor:Nen-Hao Yu. y. Nat. io. er. 碩士論文. ‧. 資訊科學系. sit. 國立政治大學. 學. ‧ 國. 立. 政 治 大. al. n. v A Thesis i n Ch U submitted to Department Science e n g c hofi Computer National Chengchi University in partial fulfillment of the Requirements for the degree of Master in Computer Science 中華民國一百零五年七月 July 2016  .

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(5)  . 摘要. 網路科技的進步逐漸改變運動學習型態,影音媒體自學已漸漸取代傳統開班授 課的學習模式,成為新一代的運動學習潮流。然而,在使用影音教材自主學習時,學 習者很難觀察到影片中動作的細微變化,且缺乏觸覺上的指引以協助動作調整,其可 能造成學習者的學習體驗不佳且成效不彰。此外,持續做錯誤的姿勢還可能導致永久. 政 治 大. 性運動傷害。對此,本研究擬實作一套穿戴式回饋裝置,期望能幫助運動學習者在觀. 立. 看影音教學自學時,同時可獲得觸覺回饋的引導,幫助學習者做姿勢的調整。. ‧ 國. 學. 研究共經歷三個階段裝置結構設計與測試。在回饋設計上,以模擬外力推動手. ‧. 臂的回饋方式為設計概念,透過力回饋傳達明確方向意義。研究期間針對裝置的回饋. sit. y. Nat. 方式、施力與穿戴位置進行三回合的裝置迭代設計,直到使用者手臂可在非運動狀態. io. al. er. 下明確感受到觸覺指引,且被引導至正確的方向。. v. n. 系統評估進行兩階段運動狀態下的實驗,總共徵集 16 位受測者。兩階段的實驗. Ch. engchi. i n U. 分別讓使用者在未經學習的過程與經過學習的過程兩種不同情境下使用裝置,觀察裝 置引導手臂移動的反應方向正確率。在第一階段實驗結果,發現平均反應方向正確率 僅 82.5%,並根據使用者的回饋了解錯誤發生原因後,進行第二階段評估測試,結果 顯示正確率有明顯提升(正確率為 99%)。此外,也對於使用者回饋進行分析,討論 目前裝置存在問題與對應可解決方法。. 關鍵字:力回饋、穿戴式裝置、運動引導、外力模擬.  . i  .

(6)  . Abstract. Owing to the advances in technology, the way of people to learn exercise has been changing gradually. Learning by the multimedia resources, therefore, has become a new trend of exercise learning which substituted the videos for the traditional coach lessons. However, when people watch the videos to learn the motion, it’s not only difficult to observe the subtle. 政 治 大. change, but also lacks of the haptic feedback for motion adjustment. Thus, the learning. 立. efficiency and experience may be affected. Besides, keeping in the wrong posture could also. ‧ 國. 學. lead to the permanent sport injury. According to the reasons mentioned above, we present a motion guidance gauntlet which could provide people who is doing exercise with the force. Nat. y. ‧. feedback to guide their movement to the correct position.. io. sit. The system has primarily been through three times design, modification and user studies.. er. At first, we conduct a pilot study to find out the position where is the most sensitive to the. al. n. v i n Ctake pressure on the forearm. Then, we of being pushed as the concept of feedback U h ethenfeeling i h gc design and modify the construction of the device continuously until users could clearly receive the force feeling and judge the direction where device guide to. 16 participants are recruited for two stages of evaluation. The experiments are executed when participants are in the status of exercising. The scenario between these two stages are different. Participants test without learning process at the first stage of evaluation. At the second stage of evaluation, participants have training process before the test start. According to the result, the accuracy is 82.15% at the first stage of evaluation. While adding the learning.  . ii  .

(7)  . process, the accuracy has improved to 99.07% at the second stage of evaluation. Moreover, we also analyze user feedback to find the potential problem and discuss the corresponding solution.. 立. 政 治 大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. Keywords: force feedback、wearable device、motion guidance、force imitation.  . iii  .

(8)  . 目錄. 第一章 緒論 ....................................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景與動機 .................................................................................................................................... 1 1.2 研究目的 .................................................................................................................................................. 3 1.3 研究問題 .................................................................................................................................................. 3 第二章 文獻探討 ............................................................................................................................................. 4. 政 治 大. 2.1 觸覺回饋用於運動引導 ..................................................................................................................... 4. 立. 2.2 外力觸覺錯覺模擬 ............................................................................................................................... 8. ‧ 國. 學. 2.3 人工外部肌肉設計 ............................................................................................................................. 11 第三章 研究方法 ........................................................................................................................................... 15. ‧. 3.1 力回饋系統設計 .................................................................................................................................. 15. sit. y. Nat. 3.2 穿戴式回饋裝置 .................................................................................................................................. 16. io. er. 3.2.1 初版裝置實作 .............................................................................................................................. 17 3.2.2 裝置初步測試 .............................................................................................................................. 19. n. al. Ch. i n U. v. 3.2.3 第二版裝置設計與實作 ........................................................................................................... 20. engchi. 3.2.4 帶動方式測試 .............................................................................................................................. 21 3.2.5 第三版裝置設計與實作 ........................................................................................................... 23 3.2.6 靜態引導測試 .............................................................................................................................. 24 第四章 系統評估 ........................................................................................................................................... 26 4.1 運動狀態引導效果評估 ................................................................................................................... 26 4.1.1 實驗設置 ........................................................................................................................................ 27 4.1.2 實驗流程 ........................................................................................................................................ 28 4.2 實驗結果 ................................................................................................................................................ 29 4.2.1 正確率 ............................................................................................................................................. 29 4.2.2 使用者回饋與實驗分析 ........................................................................................................... 30  . iv  .

(9)  . 4.2.3 假設驗證 ........................................................................................................................................ 31 4.3 學習訓練引導效果評估 ................................................................................................................... 33 4.3.1 實驗設置 ........................................................................................................................................ 33 4.3.2 實驗流程 ........................................................................................................................................ 34 4.4 實驗結果 ................................................................................................................................................ 35 4.4.1 正確率 ............................................................................................................................................. 35 4.4.2 使用者回饋與實驗分析 ........................................................................................................... 36 4.4.3 假設驗證 ........................................................................................................................................ 37. 政 治 大. 第五章 結論 ..................................................................................................................................................... 39. 立. 參考文獻 ............................................................................................................................................................ 42. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al.  . Ch. engchi. v  . i n U. v.

(10)  . 圖目錄. 圖 2-1 太極拳學習系統 ................................................................................................................................ 5 圖 2-2 觸覺回饋位置設計 ........................................................................................................................... 6 圖 2-3 10 種動作指令對應回饋設計 ....................................................................................................... 7 圖 2-4 裝置結構設計原理 ........................................................................................................................... 8. 政 治 大. 圖 2-5 產生皮膚形變之穿戴式裝置 ........................................................................................................ 9. 立. 圖 2-6 衣架反射(HANGER REFLEX)原理與壓力感測器分佈 .................................................... 10. ‧ 國. 學. 圖 2-7 手腕衣架反射最佳施力點(SWEET SPOTS) ....................................................................... 11. ‧. 圖 2-8 外部肌肉裝置結構與運作原理 ................................................................................................. 11 圖 2-9 動作引導袖套及運作原理 ........................................................................................................... 12. y. Nat. er. io. sit. 圖 3-1 力回饋設計概念 .............................................................................................................................. 16 圖 3-2 穿戴式回饋裝置三大主要構件 ................................................................................................. 16. al. n. v i n C h ...................................................................................................... 圖 3-3 初版裝置組成與穿戴示意圖 17 engchi U 圖 3-4 接觸力臂結構剖面示意圖 ........................................................................................................... 18 圖 3-5 第二版裝置原型示意圖 ................................................................................................................ 20 圖 3-6 第二版裝置四種方向引導運作方式 ........................................................................................ 21 圖 3-7 方向引導測試正確率..................................................................................................................... 22 圖 3-8 第三版裝置實際穿戴圖 ................................................................................................................ 24 圖 4-1 實驗穿戴配置與實驗手部動作 ................................................................................................. 28 圖 4-2 第一階段系統評估實驗流程圖 ................................................................................................. 28.  . vi  .

(11)  . 圖 4-3 第一階段實驗反應移動方向正確率 ........................................................................................ 30 圖 4-4 第一階段實驗觸覺刺激下的手掌平均移動距離 ................................................................ 32 圖 4-5 手臂自主運動方向和裝置引導方向關係之平均移動距離 ............................................ 33 圖 4-6 第二階段系統評估實驗流程圖 ................................................................................................. 34 圖 4-7 第二階段實驗移動反應方向正確率 ........................................................................................ 35 圖 4-8 第二階段實驗觸覺刺激下的手掌平均移動距離 ................................................................ 38. 立. 政 治 大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al.  . Ch. engchi. vii  . i n U. v.

(12)  . 第一章 緒論  . 1.1 研究背景與動機 良好的運動習慣已經成為新時代健康指標的重要評量因素,根據教育部體育署. 政 治 大. 2015 年的運動城市的調查結果[1],國內的運動人口已達 83.0%,其中,規律運動人口. 立. 已達 33.4%,相較於 2014 年,成長了 0.4%,可見運動健身已成為一股風潮。. ‧ 國. 學. 現代人工作忙碌,下班時間不規律且下班後仍可能要處理其他瑣事,以至於無法. ‧. 好好地安排固定的運動時間。故具有隨時、隨地即做特性的運動,如瑜伽、間歇性運. sit. y. Nat. 動、有氧舞蹈、太極拳等等,逐漸成為大家用來鍛鍊身體、維持良好體態的運動選. io. al. er. 擇。傳統上,這些運動項目通常是以教練開班授課的方式學習,課程中學員們藉由觀. v. n. 察教練的標準動作、聽取教練專業的口頭描述,以及教練親自動手幫助調整動作的方. Ch. engchi. i n U. 式以三種感官吸收資訊,達到正確且有效率的學習。為了獲得這樣的學習效果,學員 們需配合教練所安排的課程時間,也需耗費時間移動至指定的上課地點,在長期學習 下來也需花費為數可觀的金錢。 隨著科技快速進步,網路資源普遍容易取得,各種教學資源一應俱全,而其中又 以影音教學對於運動的學習效果最佳。因此,許多人藉由觀看教學影片在家做自主學 習與鍛鍊,學習者不但可以自行安排適當的運動時間,也可以避免耗費大量金錢。然 而,當在觀看影片學習時,影音媒體所提供的感官資訊僅限於影像傳達動作過程的視 覺印象及教練給予口頭上的聽覺提醒,此外不同人對於這些資訊的認知解釋也會有些.  . 1  .

(13)  . 微不同,可能導致學習者在動作細節上有錯誤、遺漏也經常渾然不知。在持續錯誤姿 勢的訓練下,除了運動成效不彰以外,長時間下來仍可能招致非預期的疼痛及嚴重的 運動傷害。 鑑此,本研究探討過去利用觸覺回饋輔助運動引導相關的研究,以模擬外力推動 的方式設計一套可提供觸覺回饋的穿戴式裝置,用以協助學習者在動作的調整,期望 學習者在使用影音教學時,能獲得觸覺回饋的輔助與體驗。. 政 治 大. 觸覺回饋(haptic feedback)可分為三種:力回饋(force feedback)、震動回饋. 立. (vibrotactile feedback)與電刺激(electrical stimulation)。力回饋其原理來自於以物. ‧ 國. 學. 理力使肌肉皮膚產生形體變化,使用像是機械槓桿、線軸等等器械製作,其優點為可 傳達貼近真實物體接觸感受且裝置力道較為明顯,缺點為硬體元件較龐大且笨重,結. ‧. 構拓展性較低;震動回饋是以促動器(actuator)在皮膚上產生震動來傳遞指令性的提. y. Nat. er. io. sit. 示;電刺激則是透過將電療貼片放在特定位置上,以電擊等方式直接刺激人體神經控 制肢體動作,後兩者優點為組成元件通常較輕巧且結構拓展性較高,缺點在於回饋感. al. n. v i n Ch 受與真實物體碰觸感受不符合,震動回饋需透過學習或適應的過程來理解回饋的涵 engchi U. 義,在運動中,運動者的注意力很難專心在以震動為主的回饋上,而使用電擊方式不 符合自主運動的精神。因此為能清楚傳達力道與方向的感受,讓使用者保有自主控制 權來控制肢體移動方向,對此本研究採用力回饋作爲裝置設計原理。.  . 2  .

(14)  . 1.2 研究目的 使用數位影音作為運動學習方式已成為新型態的學習模式,然而,在影音學習模 式下,使用者無法體驗到傳統開班授課時,教練給予近身肢體接觸的觸覺感受。在缺 少觸覺回饋作為姿勢修正的幫助下,容易造成學習效果不佳,甚至是永久性的運動傷 害。藉此,本研究擬設計一套模擬外力觸覺回饋之動作引導系統,讓使用者在觀看影. 政 治 大. 音學習的同時,仍享有額外的觸覺引導感受幫助運動學習者做動作調整,並營造出教. 立. 練親身指導的體驗。以下為本研究目的:. ‧ 國. 學. 一、設計出可有效引導使用者手臂動作之穿戴式回饋裝置 二、瞭解裝置結構設計對使用者感受之影響. ‧ er. io. sit. y. Nat. 1.3 研究問題. n. al. i n Ch 一、力回饋系統用於運動學習之發展與限制為何? engchi U. v. 二、裝置結構如何設計以提供使用者明確觸覺感受? 三、於運動狀態下使用穿戴式裝置所面臨的問題與限制,其解決之道?.  . 3  .

(15)  . 第二章 文獻探討. 近年來,健康議題逐漸浮上檯面,越來越多人重視培養規律的運動習慣,以塑造 完美的體態以及增強體力與抵抗力,因此與運動觸覺回饋相關研究也日漸增多,其 中,有許多探討關於利用觸覺提示於動作引導的研究,輔助使用者能在運動時給予適. 政 治 大. 時的引導。此外,也有與探討模擬觸覺感受的研究,用於給予使用者身歷其境的感 覺,將在以下一一介紹。. 立. ‧. ‧ 國. 學. 2.1 觸覺回饋用於運動引導. sit. y. Nat. io. al. er. 初學太極拳時,影片中老師的連貫動作可能導致使用者需短時間負荷大量動作資. v. n. 訊,導致在學習當下無法完全吸收和觀察到動作的細微變化,進而影響學習的效果。. Ch. engchi. i n U. Portillo-Rodriguez,O.等人針對太極拳初學者設計一套以視覺引導結合聽覺、觸覺回饋的 太極拳學習平台[2]。透過即時計算使用者骨架數值以分析與標準動作骨架之差異,提 供即時感官回饋,讓初學者能快速調整肢體動作至正確位置,使用環境設置如圖所 示。.  . 4  .

(16)  . 治 政 圖 2-1 太極拳學習系統 (A)3D 音效 (B)骨架偵測大 (C)震動回饋 (D)動作偵測裝置 立 VICON (E)虛擬情境[2] ‧ 國. 學. 使用者經由模仿影像中教練的標準動作進行學習,系統同時會偵測使用者身體上. ‧. 半部手掌、手肘、肩膀到胸口之間的角度、向量、距離數值,計算與標準骨架之差 值。在視覺引導部分,影片會顯示有教練以及使用者當下的骨架,並逐步示範動作讓. sit. y. Nat. io. er. 使用者模仿。當使用者動作錯誤時,會以震動方式告訴使用者手臂動作有錯誤。使用. al. 者需自行透過震動頻率判斷調整方向正確與否,當手臂偏離目標距離越遠,馬達振動. n. v i n Ch 頻率則越高。聲音回饋部分則是以音量和音高分別作為橫軸和縱軸兩個軸向的方向指 engchi U 引,例如右手的位置太過右邊的時候,則右側的音量會比較大,當調整手臂位置到周 圍音量平衡時,即為正確位置。 此研究共找五位受測者,讓受測者在五種不同回饋搭配使用的情境下,分別做五 個太極拳動作各 10 次,欲觀察同時給予不同回饋的搭配下動作學習的正確率。第一種 實驗情境是在沒有任何引導與回饋時的動作錯誤率分析,接著觀察在其他四種不同情 境使用下的結果,分別為以下四種設定:(1)視覺引導 (2)含視覺引導與觸覺回饋 (3)含 視覺引導與聽覺回饋 (4)含視覺引導、聽覺回饋與觸覺回饋。實驗結果發現,沒有任何.  . 5  .

(17)  . 幫助時,平均錯誤率為 34.79%,只有視覺引導時,平均錯誤率為 25.31%,含視覺與聽 覺回饋時,平均錯誤率為 18.42%,含視覺與觸覺回饋時,平均錯誤率為 15.49%,同時 使用三種感官回饋時結果最佳,受測者平均錯誤率達 13.89%。然而,這篇研究探討利 用震動回饋來輔助太極拳手部動作學習,在結果表現上並不理想。震動在實質上不具 有方向意義,此外,此研究也並未對觸覺回饋參數部分,如馬達排列、分佈位置進行 設計來傳達明確方向引導。因此,如果將回饋方式改為給予明確方向力的指引或許可 降低學習錯誤率。. 立. 政 治 大. Spelmezan,D.等人將玩滑雪板常用的指令依照其對應使用的身體部位設計一套觸覺. ‧ 國. 學. 回饋指令,初學者可以在運動中即時獲取震動提示,進而調整至正確姿勢。他們選出 10 種滑雪常用動作指令並在這些指令會使用到的部位加裝震動馬達,如圖 2-2 所示,. ‧. 強調在需要調整動作部位直接給予回饋,此外他們設計一套使用者能夠容易理解其意. y. Nat. n. al. er. io. sit. 義的震動模式[3]。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-2 觸覺回饋位置設計[3] 他們設計四種震動的模式:P3x、R、CP、SP。P3x 代表馬達 x 震動三次;R 表示馬 達依序地往某方向震動,例如:RU 表示由下往上震動;CP 代表用 P3x、R 這兩種方式 做連續性的震動;SP 表示同時震動多個馬達。.  . 6  .

(18)  . 實驗一利用他們所設計震動模式搭配觸覺回饋位置,挑選出 29 種震動回饋設計, 透過實驗讓受測者去體驗震動模式給予他們的感受以及聯想這些回饋所代表的動作意 義。實驗發現 R 能最具體表達意義、P 所提供的意義不清楚,不易聯想、CP 則是容易 產生前後矛盾的情形、SP 需要使用者投入很高的專注力。最後他們統整出 10 種對應 於滑雪常用動作指令的回饋設計(圖 2-3)。. 立. 政 治 大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. i n U. v. 圖 2-3 10 種動作指令對應回饋設計[3]. Ch. engchi. 為了解同時有認知和肢體動作的負擔下,使用者是否仍然可清楚感覺分辨出提示 的意涵,在實驗二他們請受測者在放鬆狀態以及進行滑雪板遊戲兩種情境下測試,在 實驗過程中實驗者給予隨機一種觸覺回饋,受測者須即時口述回答是什麼指令並做出 動作。結果顯示這兩種情境下,受測者幾乎都能夠清楚感受到提示並表達出指令為 何,證明同時有認知與肢體動作負擔對使用者的感受與判斷所造成的影響不大。 在第三階段實驗,想瞭解在實際滑雪板的環境下對受測者觸覺感受所帶來的影 響,以及觀察在實境下觸覺與聽覺回饋的差異。實驗發現,在實際情境下,聽覺回饋 較容易感覺到且對應到動作,但觸覺回饋可讓反應時間較短,且部分受測者在學習時.  . 7  .

(19)  . 對於觸覺回饋會有兩種不同解讀:靠近震動點與遠離震動點,目前還沒找到有效的解 法。此外,滑雪過程中,震動感覺不易察覺。 以上兩個研究皆是在運動中使用震動作為回饋方式,其方法需使用者先經大腦解 譯提示含義的過程,才能反應下一步動作,因此,將針對提供更直覺的回饋方式的相 關研究進行探討。. 2.2 外力觸覺錯覺模擬. 立. 政 治 大. ‧ 國. 學. 在學習一項新的運動或做復健時,一位專業人士從旁給予肢體上觸覺的協助能有 助於提升效果。Kuniyasu,Y. 等人[4]模擬前臂被握住後上提或下拉的感覺。他們觀察到. ‧. 當手臂被人用手往上提時,前臂主要感受來自兩側皮膚形變以及正下方的向上推力。. y. Nat. er. io. sit. 因此,他們在裝置結構設計上保留這兩項要素,使用橡皮筋與伺服馬達作為硬體主要 元件,透過馬達轉臂的轉動拉伸橡皮筋,在前臂被握住後向上下拉動的觸覺感受(如. al. n. v i n Ch 圖 2-4),並進行重量比較實驗測量裝置可模擬出來的力道大小,結果得知裝置可模擬 engchi U 出約 10 到 20 克左右拉動的力道。. 圖 2-4 裝置結構設計原理[4].  . 8  .

(20)  . 隔年,他們以皮膚形變作為設計原理,模擬手臂被前後左右四個方向推拉的觸覺 感受[5],並設計出可貼住手腕皮膚以及做出往前後左右四個方向平移效果的穿戴式裝 置來引導手臂移動,實際裝置如圖 2-5 所示。經實驗觀察受測者是否能正確的感受到 裝置想引導方向,每位受測者共進行 40 次測試,每次回饋結束,受測者以口頭回答的 方式,說出裝置指引的方向。結果顯示,受測者回答正確率達 90%以上。 然而,在此研究中,受測者皆是在非運動狀態下進行實驗,他們可專心在觸覺刺. 政 治 大. 激的接收和分析,若使用在運動狀態下,當心智不能完全專注於回饋上,其可行性仍. 立. 需要被探討。此外,在本論文研究,也嘗試使用同樣皮膚形變的方法設計裝置。. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. al. n. v i n Ch 圖 2-5 產生皮膚形變之穿戴式裝置[5] engchi U. 衣架反射(hanger reflex)為一種錯覺施力的現象,原本為在使用者頭部上緣套戴 衣架形狀輔具,頭會因其特殊形狀設計以至於在轉動輔具時頭部特定點(sweet spots) 明顯產生被施加力道的感受,使得使用者頭部有被驅使轉動的錯覺。Namakura,T.等人 [6]嘗試將衣架反射(hanger reflex)的錯覺原理套用在引導手腕的轉動,首先,他們進 行測試找出可在手腕產生衣架反射錯覺的最佳施力點(sweet spots),實驗共徵集四位 手腕粗細相近的受測者,在受測者的左手手腕上設置共 22 個壓力感測器,如圖 2-6, 並使用 Leap Motion 偵測手腕轉動行為,將裝置原型套在使用者手腕部位並且循序轉.  . 9  .

(21)  . 動,每次轉動距離大小為兩個壓力感測器間的間隔(8mm),藉此觀察當手腕明顯產 生轉動時,是因施力在手腕的哪兩個對應點。. 立. 政 治 大. 圖 2-6 衣架反射(hanger reflex)原理與壓力感測器分佈. ‧ 國. 學. 由實驗測試得知,要使手腕做順時針轉動,在編號十八和編號七這兩點為最佳施 力位置,而要使得手腕做逆時針轉動時,是在編號十五和編號五這兩點為最佳施力位. ‧. 置,如圖 2-7。其中,編號十八為小指根部尺骨的位置;編號七為手背近橈骨的位置;. y. Nat. er. io. sit. 編號十五為手背近尺骨的位置;編號五為大拇指根部橈骨的位置。根據實驗結果,他 們實作一件可驅使手腕轉動的穿戴式裝置,利用四個線性促動器分別設置在編號 5、. al. n. v i n Ch 7、15、18 這四個最佳施力點,當要讓手腕轉動時,驅動編號 7 和編號 18 這兩個位置 engchi U 的線性促動器,其施力感受會讓手腕進行逆時針轉動;在驅動編號 5 和編號 15 這兩個 位置的線性促動器時,其施力感受會讓手腕做順時針轉動。而在後續實驗共找三位受 測者進行裝置測試,結果顯示受測者皆能明確分辨出轉動方向。在此研究中最佳施力 位置的設計,是針對手腕骨頭部位施加推力來引導手腕轉動,這樣的設計在使用上可 能會讓使用者產生不舒適感。.  . 10  .

(22)  . 圖 2-7 手腕衣架反射最佳施力點(sweet spots)[6]. 立. 2.3 人工外部肌肉設計. 政 治 大. ‧ 國. 學. Tsetserukou,D.等人模仿人體上臂肌肉收縮伸長的運動方式,實作可引導手臂做彎. ‧. 曲和伸直動作的穿戴式裝置[7],期望可以應用在虛擬環境中,提高情境真實性。他們. sit. y. Nat. 觀察手臂做彎曲上抬時,是以上手臂前面肌肉收縮來產生轉動力矩拉動前臂前段的骨. n. al. er. io. 頭,前臂因此會做出彎曲的動作;在做手臂伸直下放時,是以上手臂後面肌肉收縮來. i n U. v. 產生轉動力矩拉動前臂後段的骨頭,前臂因此會做出伸直的動作。以仿手臂運動構造. Ch. engchi. 及原理,利用直流馬達(仿肌腱)旋轉拉動帶子(仿肌肉)來模擬肌肉伸縮功能,藉 以引導手臂彎曲與伸直,如圖 2-8。. 圖 2-8 外部肌肉裝置結構與運作原理[7].  . 11  .

(23)  . 他們實驗總共找超過 100 位受測者來體驗三種虛擬遊戲:射擊、釣魚、健身。射 擊遊戲中,利用裝置模擬真實射擊的後座力;釣魚遊戲中模擬扯動魚線時的拉縮感; 健身遊戲模擬器材給予的重量。受測者皆給予正面回饋,認為這個裝置能夠給予虛擬 情境中很高的觸覺真實感。然而,此研究裝置所設計的穿戴方式會限制手臂的移動, 此外,當前臂轉方向時,能帶動方向仍相同,導致可實際應用的情境不多,在使用彈 性上仍有討論的空間。. 政 治 大. 使用線上運動教學影音時,透過影片很難觀察到手臂轉動的細微動作變化。Chia-. 立. Yu Chen 等人以人工外部肌肉的概念,實作一套穿戴式回饋裝置,可引導手腕轉動. ‧ 國. 學. [8]。他們利用魚線以及無刷馬達仿造人體前臂肌肉,以模擬手腕轉動時前臂肌肉的收 縮運動,並且利用袖套的貼合性與彈性包覆於皮膚表面,魚線以特殊排列方式在馬達. ‧. 轉動收緊魚線時,會帶動袖套並使皮膚產生形變,使用者前臂會有被轉動的觸覺感受. n. al. er. io. sit. y. Nat. 而被帶動旋轉。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-9 動作引導袖套及運作原理[8] 實驗共進行兩個階段,第一階段為反應方向實驗,測試受測者在馬達兩種不同轉 速引導下手臂實際旋轉反應方向正確性,以及不同轉速對於觸覺回饋的影響。第二階.  . 12  .

(24)  . 段為目標角度實驗,觀察在裝置引導受測者轉動到目標角度精準度,以及目標角度大 小與後期帶動次數之關係。 實驗一共找 10 位慣用右手的受測者,每位受測者共做 12 次(兩個方向各六次) 測試,每次感覺出引導方向就以口頭回答的方式講出感受到的方向。實驗結果顯示, 在馬達轉速為 900rpm 時正確率為 100%,而在馬達轉速為 600rpm 時正確率為 98.33%。此外,轉速 900rpm 的反應延遲時間比轉速 600rpm 短,且受測者回饋兩種不. 政 治 大. 同轉速引導有觸覺感受上有明顯差異。. 立. 根據實驗一結果,在實驗二以轉速 900rpm 作為馬達參數設定,共找 10 為慣用右. ‧ 國. 學. 手的受測者,每位受測者共做 30 次(兩個方向、五種不同角度各三次),觸覺回饋共 分成三階段:前期引導、後期帶動以及結束回饋。前期給予 2 秒持續拉動,接著,到. ‧. 達目標角度前每次拉動 0.5 秒直到停止。結果顯示,當目標角度越大,後期帶動的轉動. y. Nat. er. io. sit. 次數越多,此外,帶動至目標角度平均誤差為 2.69 度。在此研究,他們嘗試讓使用者 在運動中使用裝置測試。然而,目前設計在運動中使用者還無法清楚感受到裝置回. n. al. 饋。. Ch. engchi. i n U. v. 綜合上述幾種類型的觸覺回饋設計研究,發現震動回饋在使用的感受上不會產生 明顯方向意義,因此當回饋設計含有複雜的指令時,使用前需耗費大量學習的時間去 記憶指令的含義,產生學習上的負擔。而相對的以力回饋設計之研究,在使用前不需 透過複雜的學習過程,其裝置設計上即符合真實觸覺接觸感受,可產生較明確的方向 力,因此使用上較不需學習的過程。然而,這些以力回饋設計之研究,尚未討論到將 裝置實際使用在運動中的效果。此外,前述研究中引導手臂屈曲或伸展之裝置設計僅.  . 13  .

(25)  . 能使用在單一平面的運動,實際可應用範圍仍有很大的限制,且使用者會受到裝置穿 戴設計限制其動作範圍。 因此,本研究考量回饋感受明確性、方向引導限制,實作一件穿戴式力回饋裝置 來引導手臂屈曲與伸展的動作。裝置設計上,可完全穿戴於前臂上,保持手臂移動自 由度,改善可引導移動的方向,並結合力回饋感受明確之優點探討在運動狀態下使用 之效果。. 立. 政 治 大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al.  . Ch. engchi. 14  . i n U. v.

(26)  . 第三章 研究方法. 本章節將介紹整個回饋系統設計的演進過程。在此研究中,以引導使用者手臂進 行屈曲和伸展的動作作為研究目標,期望將來能透過穿戴式觸覺回饋裝置輔助動作調 整,增進學習效果。首先介紹系統回饋如何設計,並根據此設計進行初版裝置的實作. 政 治 大. 與初步效果測試。依前測結果,在第二階段設計,嘗試使用皮膚形變的方法加強方向. 立. 引導的持續效果,並分析此階段裝置測試結果與所面臨的問題。第三階段,綜合前面. ‧ 國. 學. 遭遇問題再進行裝置施力結構的修改與靜態移動測試。研究歷經三階段的系統修改與. ‧. 演進,在接下來的內容將逐一介紹。. n. al. er. io. sit. y. Nat. 3.1 力回饋系統設計. Ch. engchi. i n U. v. 由觀察發現,當使用兩根手指在前臂內外兩側且不同前後位置施加推力(如圖 31)時,前臂會被引導做出彎曲和伸直的動作。而從槓桿原理中,當在剛體槓桿上兩個 不同前後位置施加相同力道推力可產生轉動力矩,使得槓桿產生順、逆時針轉動,故 在本研究引用此原理對裝置結構進行設計。.  . 15  .

(27)  . 圖 3-1 力回饋設計概念. 政 治 大. 在系統設計上,為模擬前述施力結構並且讓裝置具有可穿戴功能,在裝置硬體結. 立. 構組成上分為三大部分(如圖 3-2):(1)手臂支架—使裝置具可穿戴能力並乘載伺. ‧ 國. 學. 服馬達(2)施力臂—L 型槓桿且接觸端為多層材質組成,模擬手指軟硬與觸感(3) 馬達—模擬轉動手腕來帶動施力臂,製造推力感受引導前臂移動。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. i n U. v. 圖 3-2 穿戴式回饋裝置三大主要構件. Ch. engchi. 3.2 穿戴式回饋裝置 系統設計與實作共經歷三次的設計修改過程。根據前述回饋設計與系統組成為概 念,實作第一版可穿戴回饋裝置,並測試是否如真實使用手指推動所產生之移動效 果;在第二版裝置為改善初步測試結果發現的感受不持續問題,嘗試以皮膚形變的方 法,透過轉動推拉皮膚使之產生持續地方向性提示,實驗發現前期推動引導和後期轉.  . 16  .

(28)  . 動提示之方向感受會產生衝突;第三版考量前面裝置設計之問題,從裝置施力結構下 手,改變穿戴與施力方式,並進行實驗測試。. 3.2.1 初版裝置實作. 根據前述系統設計,以下將針對裝置三大構件在實作部分分別的詳細介紹,了解. 政 治 大. 裝置規格以及設計原理,並對此裝置進行初步效果測試,裝置如圖 3-3 所示。. 立. y. ‧. ‧ 國. 學 sit. io. 圖 3-3 初版裝置組成與穿戴示意圖. n. al. er. Nat ●   手臂支架.  . Ch. engchi. i n U. v. 為維持手臂活動的自由度,以利在各種姿勢下仍可以不受裝置限制,故將整體裝 置設計為可穿戴於前臂上,並且在設計時須考量每個人的手臂長度不相同的情形,所 以在實作部分將其設計成可伸縮的結構,其結構分成三段: 1.   馬達固定基座—用於承載伺服馬達並可在前後伸縮支架上滑動,隨時調整裝 置施力位置,使用硬紙板裁製而成(體積 5.4x7.0x4.5 公分)。 2.   前、後段伸縮支架—為兩組相同長度(12 公分)、構造支架,上方附著一個 塑膠材質的穿戴固定環,下方為硬紙板裁製的長軌。塑膠固定環具彈性的特 性可應對各種不同粗細手臂需要調整環扣大小的情況,並於固定環內部黏貼.  . 17  .

(29)  . 粉撲以緩衝運作時產生的反作用力與增加貼合性,而在外部則黏貼魔鬼氈可 於穿戴時將裝置束緊於前臂上。 ●   施力臂 施力臂為 L 型且可細分為轉動力臂以及接觸力臂兩段。轉動力臂為馬達軸心至接 觸力臂處,其長度約 8 公分的塑料材質組合而成;接觸力臂包含三層不同功能材質, 其一為金屬支架,用以模擬骨頭堅硬材質,確保裝置不受反作用力影響而產生形變,. 政 治 大. 減緩力道大小,其二使用橡膠材質以及粉撲包覆在中間層,以確保施力感受仍有手指. 立. 的彈性及粗細,最後則是在與手臂接觸的接觸面貼附人工皮膚包覆在外層,模擬皮膚. ‧. ‧ 國. 學. 觸感,如圖 3-4 所示。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. i n U. v. 圖 3-4 接觸力臂結構剖面示意圖. ●   馬達. engchi. 考量減輕裝置重量與電量消耗,採用伺服馬達 MG995R 作為轉動動力(體積 4.07x1.97x4.29 公分,重量 55 公克),供電 6 伏特能達到扭力矩 11 公斤力·公分[9]。 裝置共使用兩顆伺服馬達,分別帶動一根施力臂。由於轉動力臂長度為 8 公分,故 透過此裝置單邊可產生 1.375 公斤力(11 公斤力·公分=8 公分*1.375 公斤力),同向轉 動整體施力共可產生 2.75 公斤力。系統使用開發板 Bean[10]以藍芽傳遞訊號控制伺服 馬達轉動角度。.  . 18  .

(30)  . 3.2.2 裝置初步測試. 為了解目前裝置給予引導效果是否真的如前述力回饋設計方式所帶來的引導效果,在 初步效果測試共徵集 4 位受測者(2 位男性、2 位女性),將裝置穿戴於受測者慣用 手。裝置回饋設計是以快速轉動施力臂 90 度至接觸皮膚後,持續以 2.75 公斤力施壓 1.5 秒於前臂上。每位受測者共進行 20 次測試,引導彎曲伸直各 10 次。受測者每次測. 政 治 大. 試後回答引導往哪個方向,以及當下感受。. 立. 實驗觀察發現當馬達轉動施力臂接觸至手臂皮膚時,受測者手臂會有瞬間性的移. ‧ 國. 學. 動,在此狀態後,施力臂持續施壓於手臂,緊貼著皮膚,則受測者不會有持續移動的 情形。根據受測者回饋表示可感受到裝置力道,但只在觸碰瞬間產生的推力會讓手臂. ‧. 想動一下,沒有持續引導的感受。除此之外,受測者都可以從推動瞬間清楚分辨出裝. y. Nat. er. io. sit. 置引導方向。根據測試結果得知,目前裝置設計能夠有效讓使用者分辨指引方向,但 在持續引導的效果仍需改善。為了讓前臂動作不受限,必須將裝置整體設計成可穿戴. al. n. v i n Ch 於前臂內,但卻也導致施力結構發生系統內力的問題,無法使前臂有持續性的相對位 engchi U 移行為。因此,在此階段測試得到兩點結論:. 1.   目前裝置力回饋設計可提供明確方向指引。 2.   在系統結構上,裝置無法達到持續推動效果。.  . 19  .

(31)  . 3.2.3 第二版裝置設計與實作. 在第二版本裝置主要為改善引導效果不持續之問題。此版本的裝置設計參考[6]以 皮膚形變的方法產生具持續性引導的觸覺感受。透過接觸面與皮膚之摩擦力,使得裝 置推動皮膚會產生形變,藉由這種方式使皮膚維持在有相對位移的狀態,而有被持續 推動之錯覺。. 政 治 大. 此階段裝置主要修改部分為將接觸力臂加裝於改良後可持續轉動的伺服馬達上,. 立. 使它能做持續性的轉動來對皮膚施力,並於內部測試後,發現施力臂最外層的人工皮. ‧ 國. 學. 與皮膚之間的摩擦力明顯不足,因此將人工皮去除,由粉撲材質直接接觸皮膚,裝置 圖如 3-5 所示。此版裝置的作用方式共分為兩個階段:前期推動引導與後期轉動提. ‧. 示。前期先給予明確方向力,讓使用者快速知道裝置要引導的方向;後期以持續轉動. y. Nat. n. er. io. al. sit. 使皮膚形變給予提示性方向指引。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 3-5 第二版裝置原型示意圖 將接觸力臂轉動加入到裝置回饋方式後,總共可組合出四種可能的方向引導, 分別如下: ●   外展:以身體軀幹縱切面為基準,偏離此基準之動作,在此稱為外展。 ●   內曲:以身體軀幹縱切面為基準,趨近此基準之動作,在此稱為內曲。.  . 20  .

(32)  . ●   前推:以身體軀幹橫切面為基準,偏離此基準之動作,在此稱為前推。 ●   後推:以身體軀幹橫切面為基準,趨近此基準之動作,在此稱之後推。 為製造出這四種方向感受傳達給使用者,針對每種動作逐一設計每顆馬達對應運 作之方式。其中,1、2 號伺服馬達之功能作為前期傳達方向引導的施力;3、4 號伺服 馬達功能為提供後期連續性方向提示,以其旋轉與皮膚產生切線方向力作為推力模 擬,詳細運作方式如圖 3-6 所示。. 立. 政 治 大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. i n U. v. 圖 3-6 第二版裝置四種方向引導運作方式. Ch. engchi. 3.2.4 帶動方式測試. 在此次測試,將同時驗證前述參考文獻之結果,故將前推後推加入實驗中測試。 共徵集十位受測者(五位男性、五位女性),平均年齡 31 歲,每位受測者皆穿戴裝置 於慣用手,為避免裝置重量影響造成肌肉疲憊,請受測者手臂放鬆連同裝置放置於桌 面上,在靜態的狀態下進行測試。皮膚形變只能產生平行於前臂的移動感受,垂直於 前臂的力道實質感受無法模擬,因此,在實驗前讓受測者先了解轉動提示的含義,故.  . 21  .

(33)  . 將實驗分為兩階段:學習訓練與測試。第一階段,讓受測者試用裝置,並在每次觸覺 回饋結束,告知受測者其接收到的感受所對應的引導方向為四種方向中的哪一種,每 種連續做五次,總共進行 20 次訓練。第二階段,每位受測者總共進行 40 次測試(4 種 方向 X 每種 10 次),每次隨機給予一種方向提示,並請受測者於獲得感受後,回答 是四種方向的哪一種,並形容接收到的感覺為何,實驗者同時觀察受測者的手臂反 應。. 政 治 大. 由觀察實際反應發現,在裝置引導受測者做內曲、前推、後推三者的移動反應方. 立. 向的正確率較佳,可達到 90%以上,且於受測者感覺回饋亦屬這三者的正確率較高,. ‧ 國. 學. 前、後推也符合文獻[6]之結果,結果如圖 3-7 所示。 100.00%. ‧. 80.00%. y. Nat. 60.00%. sit. 40.00%. al. n. 0.00%. er. io. 20.00%. Ch. 外展. 內曲. engchi. 觀察結果. i n U. 前推. v. 後推. 感受回饋. 圖 3-7 方向引導測試正確率 根據受測者的回饋內容,絕大部份的錯誤反應來自前期施力給予的方向引導與後 期持續性轉動受測者接收到的方向感覺兩者產生衝突感,而且受測者會以感受時間較 長的後期轉動感受作為此次方向引導結果,受測者實際回饋如下: “一開始推的感覺往內,但是後面轉的感覺比較像是告訴我往外動” “內外推的轉動方式有衝突感,手臂內側的感覺比較明顯”.  . 22  .

(34)  . “轉動時沒有什麼想往哪邊動感覺” 此外,在實驗觀察發現,在施以外展引導時,受測者的手臂在一開始會有瞬間的 往內動,接著才往外移動,甚至有受測者只有往內移動後就沒有任何移動反應,這些 反應的結果可能源自於因為前臂肌肉的分佈位置所導致,當前臂立置於桌面時,前臂 中主要較大塊的肌肉包括肱桡肌、尺側腕屈肌會分佈於外側後半部,以至於裝置引導 外展動作時,兩接觸力臂以相同速度接近前臂時會先碰觸到手臂外側後半部肌肉,而. 政 治 大. 導致短暫的往內屈曲的非預期反應。因此,從實驗回饋與觀察得到以下推論結果:. 立. 1.   雙邊施力設計都會存在有接觸到皮膚的瞬間不同時的問題,可能引起使用者錯. ‧ 國. 學. 誤反應。. 2.   後期持續性轉動的效果對於引導使用者做外展、內曲效果不佳,甚至其轉動方. ‧. 式的衝突感會產生誤導的狀況。. n. er. io. sit. y. Nat. al 3.2.5 第三版裝置設計與實作. Ch. engchi. i n U. v. 依前兩版實驗結果,為改善持續性與錯誤引導問題的發生,將雙邊施力改為單邊 施力,並且去掉後期持續性轉動提示給予持續指引的設計,藉此也可減去兩顆伺服馬 達重量以減輕裝置整體負重。在第三版最主要為改變裝置施力結構的設計,調整施力 與穿戴位置。將施力位置調整至手腕部分,並且將穿戴位置一併調整至中後端,當裝 置施力於手腕時所產生的力矩會比中後端反作用力產生的力矩大,而產生單方向的移 動,此外,前端沒有支架固定環時,前臂的移動也不會受到限制。.  . 23  .

(35)  . 硬體實作部分將提供持續性轉動的兩顆伺服馬達拔除,並同時使用 3D 列印印製一 體成形的施力臂以強化力臂的硬度。此外,將前手臂環扣後改到中間馬達基座上,把 反作用力點全部往後移。因於內部測試發現細微軟硬變化使用者很難觀察到,所以將 內層橡膠部分去除,減輕重量;軟體部分把驅動轉動力臂的伺服馬達運作方式改為只 有單邊力臂會運行,裝置如圖 3-8 所示。. 立. 政 治 大. n. al. er. io. sit. y. Nat 3.2.6 靜態引導測試. ‧. ‧ 國. 學 圖 3-8 第三版裝置實際穿戴圖. Ch. engchi. i n U. v. 募集十位受測者(八位男性、兩位女性),平均年齡約 26 歲,慣用手皆為右手。 請受測者於座位上將前臂連同裝置放置於桌面,前臂與身體夾 45 度且戴耳機避免受聲 音影響判斷,每人總共做 20 次測試(2 種方向 X 每種 10 次),並且以抗衡設計 (counterbalance)的方法進行。系統運作方式為施力臂快速接觸前臂後,以 1.375 公 斤力持續推動動 3 秒,最後停留在手上 1 秒。每次給予回饋完後,請受測者回答裝置 給予觸覺引導是做內曲還是外展,同時以相機記錄實際反應為何。 實驗結果顯示所有受測者的回答、觀察反應結果,皆與預期引導的方向符合,正 確率達到 100%,而在裝置推動時,手臂也會有持續推動的反應。於測試後訪談發現,.  . 24  .

(36)  . 部分受測者覺得當施力臂接觸到皮膚時,根據碰觸哪一側位置就能預測出裝置想引導 手臂的方向,此結果也證明單邊推動能提供使用者更清楚的方向辨識。此外,改為單 邊施力後,裝置整體施力力道減弱,但根據使用者的回饋顯示皆仍可感受到裝置力 道,表示單顆馬達推動力量仍可被明確感受到。另外,經詢問後,受測者回饋,裝置 力道感受不會因多次使用而有疲乏感感受不到情形。因此,在最後裝置版本設計與測 試結果,得到以下結論:. 政 治 大. 1.   裝置可給予明確方向指引與持續性推動感受。. 立. 2.   單邊施力提供簡易的辨識方式,也降低錯誤發生,在引導方向解讀上也更加. ‧. ‧ 國. 學. 容易。. n. er. io. sit. y. Nat. al.  . Ch. engchi. 25  . i n U. v.

(37)  . 第四章 系統評估. 歷經三個階段的裝置版本設計與修正,在本章節對第三版本裝置進行系統評估, 分析當在運動狀態下使用本裝置之實際效果。在系統評估中,將對使用者手臂自主運 動方向(Motion Direction,以 MD 代稱)、裝置引導方向(Guidance Direction,以 GD. 政 治 大. 代稱)以及反應移動方向(Reaction Direction,以 RD 代稱)三項變因進行探討。實驗. 立. 共分為兩階段,第一階段,讓使用者在實際的運動中使用裝置,觀察受測者反應與收. ‧ 國. 學. 集使用者回饋進行分析。根據第一階段實驗結果,在第二階段加入學習過程,嘗試轉. sit. y. Nat. 者回饋進行分析。針對本次系統評估訂定兩個實驗假設:. ‧. 移使用者感受注意位置,觀察移動反應正確性是否有效提升,並且對實驗數據與使用. io. al. er. 1.   無論手臂自主運動方向(MD)與裝置引導方向(GD)相同或相反,其反應移. n. 動距離在受測者之間會有所差異。. Ch. engchi. i n U. v. 2.   在反應移動方向(RD)正確的情形下,手臂自主運動方向(MD)和裝置引導 方向(GD)相同時的移動距離,會比方向相反的移動距離短。. 4.1 運動狀態引導效果評估 在此階段實驗讓受測者在運動狀態中透過使用第三版裝置來獲得觸覺回饋,觀察 運動中使用者是否能感受到裝置施加的推力,並且可正確引導使用者手臂做屈曲和伸 展動作。.  . 26  .

(38)  . 4.1.1 實驗設置 共募集六位受測者(兩位男性、四位女性,以下用 P1~P6 代稱),平均年齡為 22.3 歲,慣用手皆為右手,且都無學習太極拳經驗或無參與過之前的實驗或使用過本 裝置。在實驗前自行測試時發現,穿戴位置產生的反作用力可能會影響受測者判斷, 故讓受測者穿戴護腕於固定環內部並且適時增加環扣數量,減輕反作用力影響。實驗. 政 治 大. 依受測者右手前臂長度調整穿戴個數二至三個,並要求配戴眼罩以及耳機聽白噪音,. 立. 穿戴裝置於右手前臂。在受測者左手上臂設置手機,透過震動指示受測者開始做動. ‧ 國. 學. 作。實驗使用高精準動作偵測裝置 Vicon 來紀錄手臂定位,在受測者手臂上黏貼 Vicon 定位用反光球,分別在上手臂、手肘、手掌三個部位,於受測者正前方架設相機錄製. ‧. 實際實驗過程。. y. Nat. io. sit. 裝置運作部分透過伺服馬達快速轉動施力臂 45 度至接觸皮膚後,以 1.375 公斤力. er. 的力道施加壓力於手腕內或外兩側持續 3 秒。實驗開始前,受測者站立於指定位置,. al. n. v i n Ch 手臂自然垂放於大腿外側。實驗動作部分,請受測者做陳氏太極拳纏絲八法中「縱浪 engchi U 大化」之手部動作,此動作主要為手臂往左右兩個方向的擺動,如圖 4-1 所示。.  . 27  .

(39)  . 治 政 圖 4-1 實驗穿戴配置與實驗手部動作 大 立 ‧ 國. 學. 4.1.2 實驗流程. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 4-2 第一階段系統評估實驗流程圖 1.   實驗介紹——告知裝置會引導手臂動作調整,請受測者根據得到的回饋做動作 反應。此外,實驗前需先學習指定動作,並於稍後正式實驗中依測試流程做此 動作。實驗完成後,會進行受測者訪談。約 1~2 分鐘。 2.   動作教學示範——實驗者先示範實驗動作,同時請受測者學習並記下整個動作 運行節奏,約 5 分鐘。.  . 28  .

(40)  . 3.   裝置配戴——將裝置穿戴於前臂並調整至正確施力位置,接著配戴其他實驗配 件(眼罩、耳機、護腕、手機),同時,將偵測用器具黏貼或穿戴至手掌、手 肘、上手臂,約 10 分鐘。 4.   觸覺引導實驗——受測者模擬在學習太極拳手部動作,當手機震動一次即告知 做一次動作,一次動作為手臂往左或往右,實驗過程共做 8 次,一次約 3 至 5 秒。於每次動作停止時等待裝置隨機給予觸覺刺激,受測者需根據感受到的觸. 政 治 大. 覺刺激做動作反應,約 3 分鐘。. 立. 5.   使用者回饋與訪談——完成實驗後,請受測者依實驗中得到之感受,做觸覺感. io. sit. y. Nat. 4.2 實驗結果. ‧. ‧ 國. 學. 受回饋統整。約 5 分鐘。. er. 本節將依據動作偵測系統 Vicon 所收集之手掌於空間定位數據、實驗影片和實驗. al. n. v i n Ch 後的使用者回饋,對反應方向正確率、觸覺刺激下的移動距離與實驗假設之驗證進行 engchi U 數據分析。. 4.2.1 正確率. 移動反應方向正確性是以在觸覺刺激當下手掌的反應移動方向和裝置引導方向一 致與否來評斷,與太極動作學習正確與否無關。正確率是透過擷取手掌位置數據值和.  . 29  .

(41)  . 肉眼觀察裝置施力於手臂的方向判斷。根據每位受測者的正確率做平均計算,結果顯 示平均正確率為 81.25%,如圖 4-3 所示。 移動反應方向正確率 100.00% 100.00%. 75.00%. 81.25%. 75.00% 75.00% 62.50%. 立. 政 治 大. 學. P1. P2. P3. P4. P5. P6. Avg.. ‧. ‧ 國. 正 確 率. 100.0% 90.0% 80.0% 70.0% 60.0% 50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0% 0.0%. 圖 4-3 第一階段實驗反應移動方向正確率. er. io. sit. y. Nat 4.2.2 使用者回饋與實驗分析 a. n. iv l C n hengchi U 在實驗結束後,請受測者形容實驗中裝置給予回饋的感受如何。而受測者給予幾. 點回饋: 「手臂前面有被推的感覺,知道往哪邊動但不知道動到哪裡。」—P1 「推的時候卡卡的,方向感覺很明顯,但是力道要再強一點。」—P4 「往某個方向推的感覺主要是靠近手肘的地方,手腕感覺很小。」—P5 「像是被抓住,後面力道比前面明顯。持續時間不夠長,不想移動。」—P6.  . 30  .

(42)  . 由使用者回饋結果發現,無論裝置引導方向正確與否,此裝置所施加的力回饋能 夠給予清楚的方向感,證明本研究設計的裝置所使用力回饋的方法可傳達直覺的方向 感。而部分受測者們也表示,後端穿戴位置所產生的力影響可能大於前端手腕推動的 感受。從目前裝置設計需求,反作用力的產生仍是不可避免的問題,因此,如何減 輕、消弭反作用力在感受上的影響仍是需要探討的議題。 然而,本次實驗總共出現 9 次受測者手臂反應移動方向與裝置引導方向不同。並. 政 治 大. 經由統計數據發現,其中有 8 次錯誤情形皆發生在當受測者手臂自主運動方向和裝置. 立. 引導方向相同時,此時受測者的反應會往和裝置引導方向相反的方向移動,且 8 次錯. ‧ 國. 學. 誤平均分散在四位受測者之間。推論在此情形下,可能手臂已經先移動到極限,因此 反作用力所導致反方向的推動感受無論在舒適度、人體運動結構上相較適當,而出現. ‧. 此現象。. n. al. er. io. sit. y. Nat 4.2.3 假設驗證. Ch. engchi. i n U. v. 在此次實驗前做兩項研究假設,以下分別對這兩點假設進行驗證分析: 1.   無論手臂自主運動方向(MD)與裝置引導方向(GD)相同或相反,其反應移動 距離在受測者之間會有所差異。 移動距離計算方式:施力臂剛接觸手腕瞬間手掌的位置至剛離開手腕瞬間手掌的位置 兩點距離。 由結果發現(圖 4-4),六位受測者的平均移動距離分別為:手掌 12.36 公分。而 受測者之間平均移動距離的差異值範圍介於 0.7 公分至 33.4 公分左右。.  . 31  .

(43)  . 手掌平均移動距離 0.6 0.5 移 動 距 離 ︵ M ︶. 0.4 0.3 0.2 0.1 0 P1. -­‐0.1. P2. P3. P4. P5. P6. Avg.. 治 政 圖 4-4 第一階段實驗觸覺刺激下的手掌平均移動距離 大 立 經由 ANOVA 分析,發現這六位受測者的反應移動距離存在有顯著差異,可見相 學. ‧ 國.  . 同力度和持續時間對於不同受測者,會因個人主觀感受不同移動距離仍可能具有明顯. ‧. 差別。接著對受測者結果進行 T-檢定兩兩比對,得知除 P5 以外,P3 與其他受測者之. sit. y. Nat. 間皆具有顯著差異(p<0.04),而 P6 則與 P2、P3、P5 三位存在有顯著差異. n. al. er. io. (p<0.02),其餘受測者之間則無顯著差異。. v. 2.   在反應移動方向(RD)正確的情形下,手臂自主運動方向(MD)和裝置引導方. Ch. engchi. i n U. 向(GD)相同時的移動距離,會比方向相反的移動距離短。 在 MD 和 GD 相同時,平均移動距離約為 9.6 公分;相反時,平均移動距離約為 16.1 公分。可見 MD 和 GD 相同時,移動距離會較相反時移動距離短。而在 T-檢定分 析後,這兩種情形的平均移動距離彼此之間沒有顯著差異。根據使用者回饋,在此階 段測試使用者還是會受到反作用力影響,因此當下可能無法很肯定地往正確方向移 動,導致實驗結果不如預期所想。.  . 32  .

(44)  . MD 與 GD 方向關係之平均移動距離 0.3 0.25 0.2 移 0.15 動 距 0.1 離 ︵ 0.05 M 0 ︶ -­‐0.05. 相同方向. 相反方向. -­‐0.1 -­‐0.15. 治 政 圖 4-5 手臂自主運動方向和裝置引導方向關係之平均移動距離 大 立 ‧ 國. 學. 4.3   學習訓練引導效果評估. ‧ sit. y. Nat. 由第一階測試結果發現,不可避免的反作用力會影響使用者方向判斷。因此,在. n. al. er. io. 第二階段嘗試以先經過訓練再實驗的方式,讓受測者先明確知道裝置要引導做什麼事. i n U. v. 情,以及裝置施力位置與方式,使他們在特定位置感受上更加專注,以提升引導方向 的辨識度。. Ch. engchi. 4.3.1 實驗設置 共募集 9 位受測者(位男性、位女性),平均年齡為 19.5 歲,慣用手皆為右手, 且都無學習太極拳經驗或無參與過之前的實驗或使用過本裝置。其餘實驗設置皆與 4.1. 第一階段研究評估之實驗設置相同。.  . 33  .

(45)  . 4.3.2 實驗流程. 圖 4-6 第二階段系統評估實驗流程圖. 政 治 大. 1.   實驗流程說明——告知受測者實驗分兩階段—學習、測試,且實驗前需先學習. 立. 指定動作,並於稍後正式實驗中依測試流程做此動作。實驗完成後,會進行受. ‧ 國. 學. 測者訪談,約 2 分鐘。. 2.   裝置配戴與學習體驗——讓受測者穿戴觸覺引導裝置並試用裝置,學習每種觸. ‧. 覺回饋所代表方向指引意義,直到受測者表示可清楚分辨,約 5 分鐘. y. Nat. er. io. sit. 3.   動作教學示範——實驗者先示範實驗動作,同時請受測者學習並記下整個動作 運行方式與節奏,約 5 分鐘. al. n. v i n Ch 4.   實驗裝置配戴——配戴可屏蔽干擾之配件(眼罩、耳機),並將偵測用器具黏 engchi U 貼或穿戴至手掌、手肘、上手臂,約 10 分鐘。 5.   觸覺引導實驗——實驗共 2 回合每回合做 12 次實驗動作,回合之間約 30 秒至 1 分鐘左右休息時間。每回合受測者模擬在學習太極拳手部動作,並依其節奏擺 動手臂往左或右各 6 次。此外,於每次動作停止時等待裝置隨機給予觸覺刺 激,受測者需根據感受到的觸覺刺激做動作反應,約 10 分鐘。 6.   使用者回饋與訪談——完成實驗後,對受測者進行實驗感受訪談,觀察在實驗 中得到之感受。約 5 分鐘。.  . 34  .

(46)  . 4.4 實驗結果 本節對於第二階段測試結果進行反應正確率、移動距離以及使用者回饋的探討, 了解經過學習過程是否能夠有效地帶來幫助,讓判斷指引方向的感受更明確。此外, 透過對移動距離的計算對實驗假設做驗證。. 政 治 大. 立. 4.4.1 正確率. ‧ 國. 學. 移動反應方向正確與否之判斷方式同 4.2.判斷方式。在本次實驗結果發現,受測者. ‧. 100.00%. 100.00%. 100.00%. 100.00%. 100.00%. 100.00%. 91.67%. al. n. 80.00% 70.00% 60.00%. 100.00%. 99.07%. P9. Avg.. er. io. 90.00%. 100.00%. sit. Nat 100.00%. y. 在移動反應方向正確率上有明顯提升,平均正確率達到 99.07%,如圖 4-8 所示。. Ch. engchi. i n U. v. 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% P1. P2. P3. P4. P5. P6. P7. P8. 圖 4-7 第二階段實驗移動反應方向正確率.  . 35  .

(47)  . 4.4.2 使用者回饋與實驗分析. 實驗結束後,受測者對於學習過程難易度做分數評量(1 為非常容易,5 為非常困 難),9 位受測者回答結果均介於 1~3 分,經平均計算後其值為 1.5 分。可知目前裝置 觸覺回饋的方式在學習過程不會對使用者帶來過多的記憶負擔或辨識上的困難。 根據受測者們的回饋,他們表示裝置在給予觸覺回饋時手腕位置可清楚感受到有. 政 治 大. 觸覺的變化。其中五位受測者(P2、P4、P5、P8、P9)覺得裝置施力能提供明確的方. 立. 向力道將手臂引導至某個方向,且他們也認為如果未經過學習的過程,仍可明確感覺. ‧ 國. 學. 到裝置的觸覺回饋而被引導。. 而另外三位受測者(P1、P6、P7)則是以施力臂接觸手腕兩側位置中的哪一側來. ‧. 判斷裝置將要引導的方向,他們表示裝置碰觸到兩側位置的感受很容易辨別,但力道. y. Nat. io. sit. 感受不夠明顯,因此會以碰觸時間及自主控制移動速度的方式移動手臂。最後,受測. er. 者 P3 覺得裝置作用於手腕兩側的感受不同,當裝置施力於手腕內側往外推,可感受到. al. n. v i n Ch 有明顯的方向力道往外推而移動手臂;裝置施力於外側往內推時,則只感覺到外側被 engchi U 碰觸並經由自主判斷裝置要引導的方向而移動手臂。此外,受測者也給予其他實際感 受的回饋:. 「裝置力道感覺小,而且推手腕感覺比較想要翻轉手腕,如果推手臂中間效果可能比 較好。」—P1 「有時候手臂位置已經很緊繃了,還被推的話會覺得不舒適。」—P5 「覺得實驗加入動作後,判斷引導方向感覺變容易。」—P6.  . 36  .

(48)  . 裝置設計起初考量手腕位置施力可得到轉動力矩最大值而使得力量感受較為明 顯,未預期到受測者會有想翻轉手腕的可能性,因此在之後裝置施力位置設計上需再 作進一步調整與探討。此外,手臂運動方向(MD)與裝置引導方向(GD)相同時, 可能會帶來使用上的不舒適感。未來需結合即時偵測裝置,評估使用者實際狀況再給 予回饋,以避免運動傷害發生。裝置引導方向與使用者當下做的動作當有相關意義上 的連結存在,可能會帶來正面效果,改變受測者的專注位置與反應判斷。. 政 治 大. 整個實驗中,共兩次的錯誤結果,兩次皆為受測者 P7 在手臂運動方向和裝置引導. 立. 方向相同時所發生。經實驗影片觀察,P7 的兩次錯誤發生在測試的最前面兩次,可見. ‧ 國. 學. 此位受測者實驗前期尚未完全掌握裝置引導方式。但僅在兩次錯誤之後的測試中,受 測者皆能有正確的反應,可推測裝置觸覺回饋方式具有高辨別性、易理解性,短暫體. ‧. 驗過程即可分辨出引導方式。. n. al. er. io. sit. y. Nat 4.4.3 假設驗證. Ch. engchi. i n U. v. 1.   無論手臂自主運動方向(MD)與裝置引導方向(GD)相同或相反,其反應移動 距離在受測者之間會有所差異。 依實驗數據計算,相同系統參數下,9 位受測者平均反應移動距離約為 34.5 公 分。經 ANOVA 變異數分析,不同受測者之間,無論手臂運動方向(MD)與裝置引導 方向(GD)相同或相反,兩種情況的反應移動距離,會有明顯差異(p 皆<0.001)。 可知即使裝置施以相同力道、持續時間,對於不同受測者的感受上仍會有顯著差異, 而影響其表現結果。.  . 37  .

(49)  . 手掌平均移動距離 1.2. 移動距離(M). 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 P1. P3. P4. P5. P6. P7. P8. P9. Avg.. 治 政 圖 4-8 第二階段實驗觸覺刺激下的手掌平均移動距離 大 立 在反應移動方向(RD)正確的情形下,手臂自主運動方向(MD)和裝置引導方 學. ‧ 國. 2.  . P2. 向(GD)相同時的移動距離,會比方向相反的移動距離短. ‧. 研究假設當手臂運動至某一方向定位後裝置再給予同一方向的觸覺引導(MD 等. sit. y. Nat. 於 GD),使用者會因身體構造所帶來肢體動作上的限制或是牽制影響,使手臂可再運. n. al. er. io. 動的範圍受限,而移動距離較短;相反(MD 互斥於 GD)則移動距離較長。在此對所. v. 有受測者於這兩種情況下的移動距離計算總平均值分別約為:同方向 24.88 公分、反方. Ch. engchi. i n U. 向 42.65 公分。可見相同裝置作用方式下,這兩種情況反方向的移動距離會比較長,且 根據 T 檢定分析兩者之間有顯著差異(p<0.001)。.  . 38  .

(50)  . 第五章 結論. 近幾年規律運動健身的人口比例逐年增加,許多人會利用網路上的各種影音資源 來學習特定運動。然而,有效的運動學習除了透過影音教材在視覺與聽覺上的提示, 也需要藉由觸覺上的輔助以獲得更明確的三維空間方向指引。此外,經由肌膚親身體. 政 治 大. 會的過程也有助於了解動作的細微變化差異。因此,本研究設計一套觸覺回饋裝置,. 立. 可指引手臂做屈曲和伸展的動作,輔助使用者手臂姿勢的調整。. ‧ 國. 學. 研究共進行三階段的裝置版本測試演進。首先提出裝置回饋方式概想以及系統設. ‧. 計,以槓桿原理作為回饋設計的基本概念。在第一版裝置根據前述設計進行硬體設. sit. y. Nat. 計,在穿戴設計部份,將裝置設計成可僅穿戴於前臂上,維持手臂移動自由度。裝置. io. al. er. 利用兩顆伺服馬達各自驅動一根施力臂施加壓力於前臂中間區段內外兩側,產生同方. v. n. 向的轉動力矩以給予明確的方向力。由使用者測試得知,裝置所提供的觸覺回饋僅能. Ch. engchi. i n U. 感受到觸碰瞬間的短暫推力且判斷出引導方向,但沒有力道持續性效果。 在第二版裝置設計主要為改善感受持續性問題,在此版本設計加入皮膚形變的 概念。硬體結構部分,將施力臂拆分為接觸力臂以及轉動力臂,並把接觸力臂加裝在 伺服馬達上,在接觸力臂碰觸到皮膚後,透過馬達轉動接觸力臂去帶動皮膚產生形變 現象,藉此得到持續性的方向提示引導。經 9 位使用者測試,部分受測者表示裝置在 引導手臂做伸展動作時,裝置前期的推動引導和後期的轉動提示在感受上會出現方向 衝突感,導致手臂可能被引導至錯誤的方向。此外,也發現在前期推動會因為前臂肌 肉分佈關係,引導做伸展動作會有短暫往反方向移動的現象。.  . 39  .

(51)  . 因此,在第三版本設計綜合前兩階段發現的問題,重新設計裝置施力結構,改 變裝置穿戴位置、施力位置以及施力方式,並在穿戴位置內包覆護腕減輕反作用力以 改善持續性與方向明確性的效果。在靜態轉動實驗發現,受測者可分辨出正確方向以 及有持續性移動反應。 系統評估共進行兩個階段實驗,讓受測者做太極拳動作並進行測試。第一階段測 試在運動中使用裝置的效果,並觀察方向判斷正確性以及分析使用者回饋。根據第一. 政 治 大. 階段結果討論,第二階段加入學習過程,觀察移動反應方向正確率是否有更進一步的. 立. 提升,並驗證研究假設與使用者回饋分析討論。經由兩個階段的實驗結果綜合出以下. ‧ 國. 學. 幾點結論與問題討論:. l   運動中直接使用裝置引導正確率仍有進步空間,但使用者皆能感受到推動或被引導. ‧. 移動。. y. Nat. er. io. sit. 由實驗結果得知,受測者在感受或是實際反應都顯示裝置能夠給予方向引導,但 在裝置回饋設計上仍有改善的空間,需嘗試減輕反作用力的存在帶來的影響。. al. n. v i n Ch l   裝置模擬外力回饋方式,在學習過程不會帶給使用者過多負擔,且可有效提升方向 engchi U 辨識正確性。. 在第二階段評估實驗加入使用學習過程,在移動反應正確率上提升至 99.07%,且 使用者對於學習難易度分數評量也顯示學習過程並不會造成過多負擔,此外學習所花 時間也都低於 3 分鐘。 l   學習過程可改變使用者感受注意點,減輕反作用力影響。 在第二階段評估實驗,受測者的回饋都表示在測試時,不會感覺到前臂中、後端 必然存在的反作用力,可見轉移注意力位置是有效的方法。.  . 40  .

(52)  . l   裝置提供的觸覺回饋感受直覺性仍不足,反作用力恆存在帶來影響。 因穿戴設計帶來不可抹滅的反作用力存在,導致使用時反作用力會影響使用者的 直覺感受。在這個部分可以嘗試改變穿戴部分的材質或面積大小,用更有力量吸收效 果的材質來減輕,或是透過增加接觸面積減小單位面積施力。 l   目前裝置在重量、體積、力道仍有可改善的空間。 裝置需使用 8 顆鎳氫電池給兩顆馬達供電,導致裝置整體重量大於 500 公克,且. 政 治 大. 裝置也佔用手臂及其周圍很大空間。此外部份受測者回饋裝置力道不明顯或是過小,. 立. 因此隨科技進步,未來可以考慮使用其他更適合的馬達,減輕重量負擔與提升感受。. ‧ 國. 學. l   目前裝置可引導手臂移動方向有限,在實際學習動作會牽涉到更多方向的調整。 目前能引導往前臂內、外兩側移動,在設計上可將裝置設計成可於手臂周圍環. ‧. 繞,隨使用者目前動作調整裝置位置至當下需調整的方向,以擴充其使用彈性。. y. Nat. er. io. sit. 本研究實作一件穿戴式力回饋裝置,可引導使用者手臂做屈曲與伸展之動作。在 運動中直接使用的方向辨別正確率仍有進步空間,但透過簡單快速的學習過程,使用. al. n. v i n Ch 者手臂即可清楚裝置回饋方式且被引導至正確的移動方向。未來可針對系統回饋參 engchi U. 數,例如:持續時間、力道大小、施力方式...做進一步的研究,讓裝置可以做到調整使 用者動作至正確的角度、定位上,增進學習效果。.  . 41  .

(53) 參考文獻 [1] 教育部體育署運動城市調查。 http://www.edu.tw/News_Content.aspx?n=9E7AC85F1954DDA8&s=3B4EE2120F75F F93 [2]   Portillo-Rodriguez,O., Sandoval-Gonzalez,O.O., Ruffaldi,E., Leonardi,R., Avizzano,C.A., Bergamasco,M. Real-Time Gesture Recognition, Evaluation and Feed-. 政 治 大 international workshop on Haptic and Audio Interaction Design, HAID '08(2008), 30-39. 立 Forward Correction of a Multimodal Tai-Chi Platform. Proceedings of the 3rd. [3] Spelmezan,D., Jacobs,M., Hilgers,A., Borchers,J. Tactile motion instructions for. ‧ 國. 學. physical activities. Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems, CHI '09(2009), 2243-2252.. ‧. [4] Kuniyasu,Y., Fukushima,S., Furukawa,M., Kajimoto,H. Weight illusion by tangential. sit. y. Nat. deformation of forearm skin. Proceedings of the 2nd Augmented Human International. io. er. Conference, AH’11(2011), 1-2.. [5] Kuniyasu,Y., Sato,M., Fukushima,S., Kajimoto,H. Transmission of forearm motion by. n. al. i tangential deformation of the Proceedings of then3 Cskin. hengchi U International Conference, AH’12(2012), 1-4.. v. rd. Augmented Human. [6] Nakamura,T., Nishimura,N., Sato,M., Kajimoto,H. Development of a wrist-twisting haptic display using the hanger reflex. Proceedings of the 11th Conference on Advances in Computer Entertainment Technology, ACE '14(2014), 3-7. [7] Tsetserukou,D., Sato,K., Tachi,S. ExoInterfaces: novel exoskeleton haptic interfaces fot virtual reality, augmented sport and rehabilitation. Proceedings of the 1st Augmented Human International Conference, AH '10(2010), 1-6. [8] Chen,C.C., Chen,Y.Y., Chung,Y.J., Yu,N.H. Motion Guidance Sleeve: Guiding the Forearm Rotation through External Artificial Muscles. Proceedings of the 2016 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, CHI '16(2016), 3272-3276. 42  .

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