TWI672611B - 使用仿生韌帶之觸覺回饋系統 - Google Patents

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Abstract

應用於虛擬實境的觸覺回饋系統包含一集線裝置、一回饋點穿戴裝置組、一仿生韌帶組、一動力裝置，以及一微控制單元。回饋點穿戴裝置組包含複數個穿戴裝置，由一使用者穿戴在複數個回饋部位。仿生韌帶組包含複數條仿生韌帶，其第一端固定在一相對應回饋點穿戴裝置，而其第二端收納在集線裝置內。動力裝置用來對複數條仿生韌帶施加複數組拉力。微控制單元用來依據虛擬實境情境來指示動力裝置調整複數組拉力之值，進而對每一回饋部位提供相對應的觸覺回饋。

Description

使用仿生韌帶之觸覺回饋系統
本發明相關於一種觸覺回饋系統，尤指一種使用仿生韌帶之虛擬實境觸覺回饋系統。
虛擬實境(virtual reality,VR)是利用電腦技術模擬出一個立體且高擬真的三維空間，當使用者穿戴特殊顯示裝置進入後，會產生好像處在現實中的錯覺。在這虛擬實境空間中，操作者可以和虛擬物件或其他玩家互動。
除了VR頭戴裝置外，有廠商更推出VR手套，旨在以更精準手勢辨識來取代手把操作控制。另一方面，為了模擬VR遊戲中開槍後座力、提取物品的重量，或賽車時方向盤的回饋力道等情境，有廠商使用肌電流(electrical muscle stimulation,EMS)技術來提供VR觸覺回饋。EMS的原理類似醫療應用中的電療，利用導電貼片給予肌肉一定程度的刺激產生肌肉收縮的行為，例如當使用者在VR世界中拿取重物時，控制器即發出指令刺激VR手套中的特定電極以刺激特定區域肌纖維收縮，如此使用者便可得到被重物拉扯的觸覺回饋。然而，EMS技 術應用在VR領域有其侷限，除了汗水容易造成電極貼片與肌膚之間導電能力改變而影響準確度外，電極貼片的材質對有些人會造成不舒適的過敏反應。此外，由於使用者多半會長時間進行VR遊戲，頻繁地以EMS技術來提供觸覺回饋可能會對肌肉造成灼傷，對身上有安裝植入式心臟去顫器(implantable defibrillator,ICD)等醫療儀器的使用者也可能導致意外發生。
本發明提供一種使用仿生韌帶之觸覺回饋系統，其包含一集線裝置、一回饋點穿戴裝置組、一仿生韌帶組、一動力裝置，以及一微控制單元。該回饋點穿戴裝置組包含一回饋點穿戴裝置，由一使用者穿戴在一回饋部位。該仿生韌帶組包含一仿生韌帶，其第一端固定在該回饋點穿戴裝置，而其第二端收納在該集線裝置內。該動力裝置用來對該仿生韌帶施加一拉力。該微控制單元用來依據一虛擬實境情境來指示該動力裝置調整該拉力之值，進而對該回饋部位提供一觸覺回饋。
5‧‧‧套管
6‧‧‧縫線
10‧‧‧仿生韌帶組
11~18‧‧‧仿生韌帶
20‧‧‧回饋點穿戴裝置組
21‧‧‧左腕套
22‧‧‧右腕套
23‧‧‧左踝套
24‧‧‧右踝套
25‧‧‧胸帶
30‧‧‧中繼穿戴裝置組
31‧‧‧左手肘套
32‧‧‧右手肘套
40‧‧‧光學尺
50‧‧‧動力裝置
60‧‧‧集線裝置
70‧‧‧微控制單元
100‧‧‧觸覺回饋系統
S1~S3‧‧‧箭頭
第1圖為本發明實施例中一種應用於虛擬實境之觸覺回饋系統的功能方塊圖。
第2圖至第4圖為本發明實施例中觸覺回饋系統實作方式之示意圖。
第5圖為本發明實施例中觸覺回饋系統中各裝置連結方式之示意圖。
第6圖為本發明實施例中使用者在虛擬實境應用中可能手部動作之示 意圖。
第7圖和第8圖為本發明實施例中中繼穿戴裝置組實作方式之示意圖。
第1圖為本發明實施例中一種應用於虛擬實境之觸覺回饋系統100的功能方塊圖。觸覺回饋系統100包含一仿生韌帶(bionic tendon)組10、回饋點穿戴裝置組20、一中繼穿戴裝置組30、一光學尺40、一動力裝置50、一集線裝置60，以及一微控制單元(micro controller unit,MCU)70。
回饋點穿戴裝置組20可包含複數個穿戴裝置，由使用者穿戴在身上不同回饋部位。仿生韌帶組10包含複數條仿生韌帶，每一仿生韌帶之第一端固定在回饋點穿戴裝置組20中一相對應之穿戴裝置，第二端收納在集線裝置60內。依據虛擬實境之情境，微控制單元70可指示動力裝置50去拉扯或放鬆仿生韌帶組10中相對應仿生韌帶，搭配不同的頻率和力道的拉力便可讓使用者在身體不同部位感覺到震動/衝擊/重量等觸覺回饋。中繼穿戴裝置組30包含複數個中繼穿戴裝置，分別由使用者穿戴在身上的不同回饋部位和集線裝置60之間，用來讓仿生韌帶組10能與人體緊貼而不會脫離，但又不會影響到拉扯或放鬆仿生韌帶的過程。在特定拉力下，光學尺40可記錄動力裝置50和仿生韌帶組10之間的受力狀態，以讓微控制單元70判斷使用者目前的動作。
在本發明實施例中，回饋點穿戴裝置組20可包含腕套、踝套、或胸帶等穿戴裝置，而中繼穿戴裝置組30可包含膝套或肘套等穿 戴裝置。然而，回饋點穿戴裝置組20和中繼穿戴裝置組30之類型並不限定本發明之範疇。
第2圖至第4圖為本發明實施例中觸覺回饋系統100實作方式之示意圖。第2圖顯示了使用者穿戴觸覺回饋系統100時的正面圖，第3圖顯示了使用者穿戴觸覺回饋系統100時的背面圖，而第5圖顯示了使用者穿戴觸覺回饋系統100時的側面圖。
在第2圖至第4圖所示之實施例中，仿生韌帶組10包含仿生韌帶11~18，回饋點穿戴裝置組20包含一左腕套21、一右腕套22、一左踝套23、一右踝套24，以及一胸帶25，而中繼穿戴裝置組30包含一左手肘套31和一右手肘套32。集線裝置60可實作成一後背包，並能收納光學尺40、動力裝置50和微控制單元70(未顯示於第2圖至第4圖)。
第5圖為本發明實施例中觸覺回饋系統100中各裝置連結方式之示意圖。仿生韌帶11~12之第一端固定於左腕套21，中央部分穿過左手肘套31，而第二端收納在集線裝置60內。仿生韌帶13~14之第一端固定於右腕套22，中央部分穿過右手肘套32，而第二端收納在集線裝置60內。仿生韌帶15之第一端固定於左踝套23，而第二端收納在集線裝置60內。仿生韌帶16之第一端固定於右踝套24，而第二端收納在集線裝置60內。當動力裝置50以不同的頻率和力道的拉力去拉扯仿生韌帶11~16時(如箭頭S1~S3所示)，即可讓使用者在左右手和左右腿感覺到震動/衝擊/重量等觸覺回饋。
同理，如第4圖所示，當動力裝置50以不同的頻率和力道的拉力去拉扯仿生韌帶17~18以改變胸帶25對前胸施加的壓力時，即可讓使用者在前胸感覺到震動/衝擊/重量等觸覺回饋。
第6圖為本發明實施例中使用者在虛擬實境應用中可能手部動作之示意圖。中繼穿戴裝置組30之左手肘套31和右手肘套32可確保仿生韌帶11~14能與使用者的左手臂和右手臂緊貼，而不會因為不同手部動作而脫離。
第7圖和第8圖為本發明實施例中中繼穿戴裝置組30實作方式之示意圖。第7圖和第8圖顯示了第5圖之左手肘套31或右手肘套32沿著箭頭S1或S2之上視圖。為了讓仿生韌帶11~14可在左手肘套31和右手肘套32內自由移動，因此在中繼穿戴裝置組30設置內側具有平滑表面之套管5。在第7圖所示之實施例中，可將套管5和中繼穿戴裝置組30以縫線6組合而成，因此仿生韌帶11~14可因應動力裝置50之拉扯力道在相對應套管5內移動。在第8圖所示之實施例中，可以採用用嵌入式射出成形的技術將套管5直接埋入中繼穿戴裝置組30之材料內，因此仿生韌帶11~16可因應動力裝置50之拉扯力道在相對應套管5內移動。然而，套管5和中繼穿戴裝置組30之結合方式和材質並不限定本發明之範疇。
在第2圖至第4圖所示之實施例中，中繼穿戴裝置組30包含左手肘套31和右手肘套32。在本發明其它實施例中，中繼穿戴裝置組30可另包含一左膝套和一右膝套，由使用者分別穿戴在左膝蓋和右膝蓋 上以分別讓仿生韌帶15和16穿過，進而確保仿生韌帶15和16能與使用者的左腿和右腿緊貼，而不會因為不同腿部動作而脫離。
在本發明實施例中，動力裝置50可包含一齒輪組，依據虛擬實境的情境來以不同的頻率和力道的拉力去拉扯相對應仿生韌帶，進而提供相對應的手部回饋、腳部回饋或胸部回饋。在本發明另一實施例中，動力裝置50之齒輪組另可提供阻尼功能，依據虛擬實境的情境來增加或減少使用者動作的阻力。舉例來說，在虛擬遊戲中當玩家受傷或背負重物時，動力裝置50可透過阻尼功能來增加使用者身體各部分拉扯仿生韌帶時受到的阻力。在一實施例中，動力裝置50之齒輪組可利用類似自行車變速機構的多組齒輪來提供阻尼功能。在另一實施例中，動力裝置50可利用類似機車變速機構的開閉盤來提供阻尼功能。然而，動力裝置50提供阻尼功能之方式並不限定本發明之範疇。
在本發明實施例中，在特定拉力下，光學尺40可記錄動力裝置50和仿生韌帶組10之間的受力狀態，以讓微控制單元70執行一校正程序或判斷使用者目前的動作。
針對不同使用者的身型或動作差異，本發明實施例中觸覺回饋系統100可先執行一校正程序。當使用者穿戴上觸覺回饋系統100後，微控制單元70指示動力裝置50對仿生韌帶組10施加固定拉力，再指示使用者作出一些基礎動作。光學尺40可記錄動力裝置50中齒輪刻度以求出不同基礎動作下不同部位仿生韌帶之形變量，進而在執行虛擬實境應用時依此調整施加觸覺回饋時的力道。此外，在執行虛擬實境應用 的過程中，微控制單元70也可依據光學尺40記錄下的資訊和先前校正程序得到的資料來判別使用者的動作。
綜上所述，本發明提供一種使用仿生韌帶之觸覺回饋系統，多條仿生韌帶可透過多個穿戴裝置組固定在使用者身上不同回饋點，利用動力裝置以不同的頻率和力道的拉力去拉扯仿生韌帶即可讓使用者在相對應回饋點感覺到震動/衝擊/重量等觸覺回饋。仿生韌帶的重量輕盈，不會因為汗水而影響施加觸覺回饋的準確度，也不會對使用者的身體造成任何傷害。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (7)

  1. 一種使用仿生韌帶之觸覺回饋系統，其包含：一集線裝置；一回饋點穿戴裝置組，其包含一第一回饋點穿戴裝置，由一使用者穿戴在一第一回饋部位；一仿生韌帶組，其包含：一第一仿生韌帶，該第一仿生韌帶之第一端固定在該第一回饋點穿戴裝置，而該第一仿生韌帶之第二端收納在該集線裝置內；以及一第二仿生韌帶，該第二仿生韌帶之第一端固定在該第一回饋點穿戴裝置，而該第二仿生韌帶之第二端收納在該集線裝置內；一中繼穿戴裝置，由該使用者穿戴在一中繼部位，用來提供一第一通道和一第二通道以分別讓該第一仿生韌帶和該第二仿生韌帶穿過，其中該中繼部位位於該第一回饋部位和該集線裝置之間；一動力裝置，用來對該第一仿生韌帶和該第二仿生韌帶施加一第一拉力；以及一微控制單元，用來依據一虛擬實境情境來指示該動力裝置調整該第一拉力之值，進而對該第一回饋部位提供一第一觸覺回饋。
  2. 如請求項1所述之觸覺回饋系統，其中該第一回饋點穿戴裝置為一腕套或一踝套，而該第一回饋部位為該使用者之一手腕或一腳踝。
  3. 如請求項1所述之觸覺回饋系統，其中該中繼穿戴裝置為一肘套或一膝套。
  4. 如請求項1所述之觸覺回饋系統，其另包含一第一套管和一第二套管，以縫紉方式結合至該中繼穿戴裝置以分別提供該第一通道和該第二通道，或是以嵌入式射出成形技術來埋入該中繼穿戴裝置之材料內以分別提供該第一通道和該第二通道。
  5. 一種使用仿生韌帶之觸覺回饋系統，其包含：一集線裝置；一回饋點穿戴裝置組，其包含：一第一回饋點穿戴裝置，由一使用者穿戴在一第一回饋部位；以及一第二回饋點穿戴裝置，由該使用者穿戴在一第二回饋部位；一仿生韌帶組，其包含：一第一仿生韌帶，該第一仿生韌帶之第一端固定在該第一回饋點穿戴裝置，而該第一仿生韌帶之第二端收納在該集線裝置內；以及一第二仿生韌帶，該第二仿生韌帶之第一端固定在該第二回饋點穿戴裝置，而該第二仿生韌帶之第二端收納在該集線裝置內；一動力裝置，用來對該第一仿生韌帶施加一第一拉力，以及對該第二仿生韌帶施加一第二拉力；以及一微控制單元，用來依據一虛擬實境情境來指示該動力裝置調整該第一拉力和該第二拉力之值，進而對該第一回饋部位提供一第一觸覺回饋以及對該第二回饋部位提供一第二觸覺回饋。
  6. 一種使用仿生韌帶之觸覺回饋系統，其包含：一集線裝置；一回饋點穿戴裝置組，其包含一回饋點穿戴裝置，由一使用者穿戴在一回饋部位；一仿生韌帶組，其包含一仿生韌帶，該仿生韌帶之第一端固定在該回饋點穿戴裝置，而該仿生韌帶之第二端收納在該集線裝置內；一動力裝置，其包含一齒輪組，該齒輪組採用多組齒輪或一開閉盤結構來提供一阻尼，進而對該仿生韌帶施加一拉力；以及一微控制單元，用來依據一虛擬實境情境來指示該動力裝置調整該拉力之值，進而對該回饋部位提供一觸覺回饋。
  7. 如請求項6所述之觸覺回饋系統，其另包含：一光學尺，用來記錄該齒輪組之刻度以得到該第一仿生韌帶之形變量。
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