TWI231912B - Force sensing feedback control method of entertaining system and device thereof - Google Patents

Description

1231912 玖、發明說明 . .. ' : . .： ... .' . ' … ...v. 【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種娛樂系統用力臀 刀見回饋控制方法及其裝 置，尤指一種配合遊戲、教育訓練等 矛导人體進打，而產生力 覺回饋式控制的方法，使操作者在軟 罕人版進仃當下，能藉由 本毛明模擬場地中實施操作，回傳物 切篮興％景相互力作用 ，達到真實臨場效果。 【先前技術】 早期虛擬實境的技術主要係針斟 …， f針對人類的視覺或聽覺進 行刺激而達到實境模擬效果，特別是電腦最容易以現成的 螢幕及音效卡、綠八’製作虛擬實境的效果，當然最普 及而低階者不外乎為電腦遊戲。 日 隨著科技曰新月異，以目前遊戲玩家所具備的硬體裝 置或相關軟體配備來說，已隨處可見 &』凡U謂搖桿或操縱桿等 配合遊戲種類而推出的控制器，該等 ?工制為由玩家以手操 抆，可隨著遊戲的情境變化模擬實 谀貝1不、狀况，在控制器上產 力I、振度不一的動作，如此，可# 」便玩豕更能融入遊戲 中，增添實際臨場感。 經檢索得知，國内專利公報公告第 择壯班 弟280889號「觸覺回 饋政置」發明專利幸，得p J思- 甘〆 專“糸已揭不一種觸覺回饋裝置的結構 二方法:配合第三圖所示’模擬方程式為： c— 1一i[伽+你一％)卜〜+^ 其巾Μ:物體質量；Κ:剛性；Β :物體黏滞性；m:搖 柃，k.物體剛性；b :黏滯性；Fc:環境之反作力量。 1231912 由上述方私式可瞭解，當搖桿位速值v及 以準確地得到，由系統和環境之阻抗^.^值了 計算所得之Fe，即可進行模擬。 6和 其中Fe可直接用Fe = 一[施傷+似_义』；若v 得，則可用咖力代替，若3無法獲得，則可用咖^ 替之'。事貫上，於實際系統之中，微分行為並不可行，若 ’又有適田的保濩’會有發散的危險，而為避免系統因微分 所產生的不穩定，必須加入補償電路或採用替代感測器， =均只會增加開發成本，同時降低大量生產的商業利 j。别述方法為典型的虛擬質量_彈菁—阻尼系、统，理論可 灯’但在實作上並不一定’或者說代價太高，其中在位置 、速度與加速度的感測器加起來就超過10萬元，而且還不 包括馬達與機構和驅動電路的造價，這樣高造價的力感控 制糸統用於教育訓練平台應相當不錯，但用於平價的桌I 型電腦遊戲之中勢必不可能，因為造價過高。 一 【發明内容】 為此’本發明的主要目的係提供一新的力覺回饋控制 法與裝置，可供使用者在電玩娛樂用途上使玩家達到身 歷f境的感官享受’並結合視聽、虛擬實境系統更可以在 ，月4練方面提供有效的訓練，如航太與軍事領域的飛行 駕駛模擬器等；由於本發明模擬施力與回饋力的真實度高 :有助於操作者對於微小動作精準的操控，同時對於^ 操作提供環境變動^與現場的安全性能㈣，更能制 教育的效果。 1231912 狀欲達上述目的使用之主要技術手段係令力覺回饋控制 裝置及其方法係先將真實世界裡中每-種物體的獨特外形 與物理特性加以精綠量測並建模，再以一基本的模型描述 之與而建立—個虛擬環境的阻抗動態行為Te (藉由環境動 力學）’·再設計-觸覺界面裝置，該觸覺界面襄置描述有 使用：施力動作行為之阻抗描述（藉由手臂的動力學）Th 、力二補償單元K、馬達動態行為描述單元G及估測器，其 甲力夏補償器κ乃針對不同使用者於使用時（人體動力學 I不同）可以對馬達進行微調與補償，而馬達動態行為描 述式G係依據人體動力學統計數據而來，依據該資料設計 應有的位置迴授頻寬而決定G，而估測器係取得馬達動離行 2描述單元輸出的位置數據，進而計算出對應環境及使用 置4纟力17逮度等數據，再回饋輸入至使用者施 力動力描述單元及環境動力描述單元。 準祐2述可知’本發明分別對手臂動力學及環境動力學 “辟 生正確的力道’當手臂施力至系統時會先 由手β動作作一校調後得一 擬出的力量相進行運算，待取道值，再與環境模 “輸出的龜系統的位置控制器，進行適當力量回饋 到系統動恶回授；是以，當本發明應用於搖桿上，可 精由手臂與環境阻抗動作 操控的效果。 ^逑’令操控者更能體驗真實 —本&明另一目的係提供全面性虛擬實境的效果，亦即 ’错由上述的力覺控制系統進-步搭配視覺和觸覺裝置， 6 1231912 亦即’視覺裝置藉由登暮來矣 -棊末表現刼作者欲進行控制的機器 人的視覺資訊，而觸臀梦署丨 輸入力量產生命、=由㈣直接操作搖桿機構 ^或错由回饋力道來反映接觸力量，眘 =㈣的以各種感官置於虛擬的空間[而感受到： 同於R際環境的接觸。 【實施方式】 本發明係用以建立一雷玩姐姐 的力與縮rf P , 、木糸、、先上虛擬物體接觸時 的力覺觸感模型（可内建於搖 ^ 控制裝置中），藉由結合 们 最貼近直每f ^ 貝于#之動恶仃為，以模擬出 饋力道，進而達到觸覺上虛擬實現的 兄：可進一步搭配視覺和觸覺裝置，如附件所亍 〇感官㈣激達到全面性的實境 置 可藉由螢幕來表現操作者欲進行 視見破置係 f 1T ?工制機為人的視螯咨4 八^置則可由操作直接操作搖桿機構輸人力量產^ 二回饋力道來反映接觸力量，以期將人的残官： 於虛擬的空間中，而八片 J 4 g置 。 S感雙到相同於實際環境的接觸 首先凊麥閱第一圖所 方塊示意圖，其包含有：係為本發明力覺回饋裝置的 一使用者施力動力描述單元 ^ 力學以描述手臂的動作狀能 係利用人體動 外，還要負責帶動整個手;的重除了推動物體 施力(一物體時，物體感受到的力：手:，肌肉欲 臂—的力量’故需〜類手部== 1231912 述，而描述人體手臂動竹此^ — 力作狀恶的貧料係儲存在電腦中或該 等記憶裝置中，並可設計為一查表； 一環境動力描述輩&，0 、 ι早凡（2 1 )，係利用環境動力學描 述遊戲或模擬軟體内場物的物理性阻抗並產生力冑ie，其 連接至該施力動力彳苗诚显；/ 才田、早7L (20)的實際施力力道輸出 ί而’以與知人力逼數值fh進行回饋的計算，進而輸出一實 扰施力後的力道’亦即，考慮真實世界的物體，除了各自 擁有的外型輪廓，而每一各物體也由其各自的剛性、彈性 、黏性等’其可韻為暫旦 A/γ μ 見為貝里、5早黃與阻尼所組合的系統；而 rrtr動力描述單元係可於電腦内實施，或者於使用類 乂電知'處理益的平台上實施，以極短的控制時間裡完成 所有控制單元之計算需求； —馬達動態行為描述單元（22)，係依據人體動力 :、汁數據计异與系統識別而得的—馬達動態行為描述式g 1亦即’依據該統計數據資料計算出應有的位置迴授頻寬 :由波得圖得之）進而決定欲設計之力量補償單元κ，而 1達動態行為描述單元（22)係取得施力動力描述單 H0)及環境動力描述單元（21)所計算後的實際 31進仃计异’輸出馬達位置數據，就實體設計上來 算择係連^電腦或使用該等微處理器平台的輸出端，運 I。果’如第二圖所*，係將本發明應用於搖桿㈠0 ) ，=搖桿（10)係由兩馬達（11，12)組成； 元（ 彳( 2 3 )，係連接至該馬達動態行為描述單 2 )的輸出端’以取得馬達位置數據進而估測出相 1231912 對％境及使用者施力的位置、速度、加速度等*，爾後， 再進一步輸入至使用者施力動力描述單元（2 〇 )及一環 境動力描述單元（2 1 )。 又，為使本發明裝置因應不同使用者可能有不同的施 力：況，故可於施力動力描述單& ( 2 〇 )及環境動力描 述單元（2 1 )合併計算的輸出端連接至一力量補償單元 (2 4 ) K ’《針對不同使用者於使用日夺（人體動力學即不 同）對馬達進行微調與補償，亦即，依實境施力後的力道 輪出-比例放大的控制信號；其中力量與受力裝置位置的 關係’乃是補償器的值愈大’裝置反應速度愈快，惟系統 較易不穩定。 以應用於搖 由上述可知，本發明觸覺實境模擬方法 桿裝置說明之’其包含下列步驟： 1 ·施力動作描述單元因 臂或腳）的施力行為，故先與 行運算，以得一力道模擬數值 异參數由搖桿目前位置得知； 2 ·將搖桿配合遊戲的環 予以模擬輸出一目前環境阻力 數值進一步計算得回饋數值； 供記載描述人體部位（如手 貫際施於回饋裝置的施力進 ，該施力動作描述單元的計 境動力以環境動力描述單元 ，再與上一步驟的力道模擬 [利用力量補償器調整該回饋數值的大小 入 至搖㈣位置控制器’令搖桿反應回饋的信號大小。⑴ 藉由上述步驟可知，+ 本务明利用行為動力學調整 施力力道施於搖桿的數值， i貝丁、 值再利用環境動力學分別對遊戲 1231912 % 土兄场物所產生的動力作詳細描述後，與經調整的施力力 ，進行運算取得―回饋至搖桿的數值，以擬操作為例， 精^此控制方法’能使操作者能感受相同於實際刀具切削 真實黏土的施力’或模擬真實的拍子拍球的反作用力，依 不同的拍球方式’會有不同的力道感覺。 以上為本發明方法的執行步驟，可知系統相對於輸入 機構的力……的關係為ϋ由於估測器

為系鑫動態頻寬…°"’所以其關係 間為。其中，環境動力學描述單元為 =、力，補償器κ與馬達動態行為描述G、人類手臂肌肉所 施的力量Uh，人類最後實際施於機構的力量fh，y是人類 手臂移動的距離（亦即馬達之位移）。 疋

以虛擬切削來說明，上述環境動力描述單元Te描述被 切割的虛擬黏土環境（阻抗），係令fe為黏土對刀具的力， 然而在切削過程中所產生的阻抗力，可視為質i、彈菁與 =尼的結合;以運動方程式/(x)=mx+z?x+^或經拉普拉斯轉 換成7表示之，如此，即可令使用者觸覺介面裝 置（如搖桿），以虛擬實境的方式切割黏土時，期望使用 者感受到刀具與虛擬黏土實際接觸時有相同的感覺，亦即 ，令使用者透過刀具精確的感受到虛擬黏土的阻力及 力。 在娛樂系統中，虛擬環境（或物體）的外形、物理特 性都可由設計者自行創造、設計。操作者可藉由虛擬實： 10 1231912 的觸覺界面裝4，感受虛擬環境（或物體）的存在。然而 ’在真實世界裡’每―種物體有其獨特的外形與物理特性 ’故本發明針對各種物體建構—虛擬環境㈣態行為b 相較於習知僅用單一參數進行環境模擬更形準確，又，伊 控者施力統中的動力行為修正後，與當下環境描述出卞 來的力道錢彳了比對後’回饋更真實的環境阻力值。 為此，本發明確實符合產業上利用性，並符合發明專 利新穎性、進步性等專利要件，爰依法具文提出申言主。 【圖式簡單說明】 月 (一）圖式部分 第一圖： 第二圖·· 第三圖·· 利案的第七圖 係本發明的一系統結構方塊圖。 係本發明應用於搖桿的示意圖。 發明專 係公告第280889號「觸覺回饋裝置 軟體控制的操作影像 附件·係本發明應用於遊戲 (二）元件代表符號 (1 0 )搖桿 (1 1 ) ( 1 2 )馬達 (2 0 )使用者施力動作描述單元 (2 1 )環境動力描述單元 (2 2 )馬達動態行為描述單元 (2 3 )估測器 2 4 )力量補償單元

Claims (1)

12319 ίτ 注一"一一— .換頁 1鄉/月7^ 拾、申請專利範圍 1 · 一種娛樂系統用力覺回饋控制裝置，係包含有： 、、一使用者施力動力描述單α，係利用人體動力學以描 述手臂的動作狀態；以將人類手臂施力與動力學描述的數 據計异後，取得一系統獲得的實際施力； 一環境動力描述單元，係以環境動力學描述遊戲或模 擬軟體内場物的物理性阻抗並產生力冑，以與系統獲得實 際施力相互計算後，輸出一考慮真實世界物體的施力力道 :馬達動態行為描料元，係依據人體動力學統計」 據計算與系統識別而得的一馬達動態行為描述式G，該馬; 動態行為描料元絲得施力力道進行㈣馬達移動， 輸出馬達移動位置； 了估ρ ’係連接至該馬達㈣行為描述單元的輸t Γ的Γ取得馬達位置數據進而估測出相對環境及使用者方 用者：二速f'?速度等值’爾後’再進-步輸入至4 a動力描述單元及一環境動力描述單元。 ㈣=如中請專利範圍第1項所述娛樂系統用力覺回旬 計管奸+於施力動力㈣單元及環境動力Μ單元合朝 二用:：連接至一力量補償單元，以針對不同使用者 、使用時’透過力量補償單元對馬達進行微調盘補償。 控制^如中請專利範圍第1項所述娛樂系統用力覺回鎖 置，上述使用者施力動力描述單元及環境動力描述 12 123:¾¾ ^ / I : f / c ^ Λ l ·' I 單元係分別内建於電腦中’其中該使用者施行 返手臂動作狀態資料係儲存於電腦中，而該：境動 ‘述早兀則是由電腦微處理器完全其運算。 "二如申严利範圍第1項所述娛㈣統用力覺回績 == 吏用者施力動力描述單元的描述手臂動作狀 "'、^_表方式製作並儲存於電腦中。 5 · —種娛樂系統用力 動力學調整實際施力力道施:==法再係藉1 力學分別對遊戲環境場物所產生“：二:再利用：境： 經調整的# “ * 座生的動力作砰細描述後，與 d a i的施力力道進行運曾 伯 連t取传一回饋至搖桿的阻抗力數 m。 方法π I⑺專利乾圍第5項娛樂系統用力覺回饋控制 Ί輸出力量ih與搖桿位置y的關係為： fh l^TeGK 其中： ，用者施力之動力阻抗描述單元Th; 環境動力學阻抗描述單元Te; 力量補償器K ; 馬達動態行為描述G; .,E 入頭手臂肌肉所施的力量uh 人頬施於機構的力量fh; ]刀 y是人類手臂移動的距離。 拾壹、圖式 如次頁 13