触觉仿真系统的制作方法

本发明涉及一种触觉模拟技术，特别是一种触觉仿真系统。

背景技术：

在过去，当作业人员欲拆除易爆的危险物时，通常是派遣专业人员前往危险物所在的事故现场进行拆除。然而，即使是训练有素的专业人员，仍有可能因为操作上的失误或者因为来不及拆除而导致危险物被引爆。在此情况下，无论专业人员穿戴的防护装备多齐全或多坚固，或多或少都有可能被爆炸的威力波及，因而受伤。

因此，为了避免这些专业人员在值勤过程中受伤，目前市面上不仅推出了各种训练课件应用以提高专业人员的专业技能，且更是推出各式类型的拆弹机器人，为专业人员提供远程遥控的方式进行危险品拆除任务。然而，目前这些推出的拆弹机器人通常都只配备有摄影机，摄影机拍摄实时影像并回传给在远程的专业人员，然后专业人员再根据这些实时影像来远程操控拆弹机器人，而在训练课件应用也大都采取视频教学的方式为主。显然，无论是这样的拆弹机器人的作业模式还是训练课件应用的教学方式，两者的可视化效果都较差，无法为专业人员提供身临其境的体验效果，从而会影响专业人员的判断力与操作的精确度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种远程仿真系统及触觉仿真系统，藉以提供使用者触觉模拟的体验，让使用者在进行远程操控或训练时，更能身临其境。

根据本发明实施例所揭露的一种远程仿真系统，适于搭配一电子装置，包含一触觉侦测装置、一触觉实化装置和一处理器。处理器电性连接触觉实化装置并与触觉侦测装置通讯连接。触觉侦测装置设置在电子装置上，触觉侦测装置包含至少一第一触觉传感器。第一触觉传感器侦测电子装置承受到的一作用力，以产生一作用力值信息。并且，触觉侦测装置接收一反馈力值信息，使得电子装置根据此反馈力值信息对应执行一操控行为。触觉实化装置设置在一穿戴装置上，且包含一触觉实化器和至少一第二触觉传感器。触觉实化器接收一控制信号并根据此控制信号获得的一模拟作用力值信息以产生一作用于配戴上述的穿戴装置的一使用者的模拟作用力，使得使用者感受到对应此模拟作用力值信息的所述模拟作用力。且触觉实化器在穿戴装置的位置对应于第一触觉传感器在电子装置上的位置。第二触觉传感器感测使用者所产生的一反馈力并生成所述的反馈力值信息。处理器接收作用力值信息并转化为控制信号以控制触觉实化器的运作。

第一触觉传感器和第二触觉传感器为压力传感器，而触觉实化器为一压力发生器。压力发生器包含至少一个电极贴片，所述至少一个电极贴片用以接触所述使用者的皮肤表面，并且释放对应于上述的模拟作用力值信息的一电流信号至皮肤表面，进而让使用者感受到模拟作用力。

触觉侦测装置具有一指令转化表，指令转化表包括至少一反馈力值信息与操作指令的对应组，触觉侦测装置根据此指令转化表转换反馈力值信息为一操作指令并传递至电子装置，使得电子装置根据此操作指令进行对应的操控行为。

电子装置为一机械手臂。

根据本发明实施例所揭露的另一种触觉仿真系统，适用于一穿戴装置，包含一储存器、一处理器和一触觉实化装置。储存器用以储存一第一仿真模型。触觉实化装置设置在一穿戴装置上，且包含一触觉实化器和至少一触觉传感器，触觉传感器用以感测使用者产生的一反馈力，藉以产生一反馈力值信息。触觉实化器接收控制信号，并根据控制信号获得一模拟作用力值信息，以产生一作用于配戴穿戴装置的使用者的模拟作用力，使得使用者感受到对应此模拟作用力值信息的所述模拟作用力。处理器电性连接于储存器、触觉传感器及触觉实化器。处理器根据第一仿真模型及反馈力值信息生成一控制信号。

触觉传感器为压力传感器，而触觉化器为一压力发生器。其中，压力发生器可以包含至少一个电极贴片，所述至少一个电极贴片用以接触皮肤表面，并且释放对应于模拟作用力值信息的一电信号至皮肤表面，进而使使用者感受到此模拟作用力。或者，触觉化器也可以包含至少一个气囊组件和至少一个控制阀。所述至少一个气囊组件通过充气或泄气产生作用在所述使用者的皮肤表面上的模拟作用力。一控制阀电性连接于一气囊组件及处理器。所述至少一个控制阀根据控制信号控制对应的气囊组充气或泄气。

储存器还记录有至少一反馈力值信息与操作指令的对应组，处理器根据所述至少一对应组转换反馈力值信息为操作指令以传递至穿戴装置，而穿戴装置则根据操控指令对应显示虚拟画面。

第一仿真模型记录有反馈力值信息与对应模拟作用力值信息的应变规则；处理器通过接收由其他穿戴装置所产生的一第二仿真模型以更新第一仿真模型的应变规则。

本发明所揭露的远程仿真系统及触觉仿真系统可以让使用者感受到根据模拟结果所提供的一模拟作用力，进而根据此模拟作用力做出适当的反馈，藉此达到触觉模拟的目的，更能达到身临其境的虚拟现实效果，从而提高使用者操作机器的精确度及训练场景的拟真度。

以上的关于本揭露内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。

附图说明

图1A为根据本发明一实施例所绘示的在以远程控制的方式拆除易爆的危险物的应用领域中，远程仿真系统与电子装置在搭配运作时的示意图；

图1B为图1A中搭载有至少一个触觉传感器的电子装置在拆除易爆的危险物时的局部放大图；

图2为根据本发明一实施例所绘示的远程仿真系统的功能方块图；

图3A为根据本发明一实施例所绘示的搭载有至少部份的触觉实化装置的穿戴装置的透示图；

图3B为图3A中穿戴装置的局部放大图；

图4A为根据本发明另一实施例所绘示的搭载有至少部份的触觉实化装置的穿戴装置的透示图；

图4B为图4A中穿戴装置的局部放大图；

图5为根据本发明另一实施例所绘示的触觉仿真系统的功能方块图。

图中

1、1’ 触觉仿真系统

10 触觉侦测装置

110 触觉传感器

12 处理器

14 触觉实化装置

141 触觉实化器

141a 电极贴片

143 触觉传感器

145 控制阀

147 气囊组件

16 储存器

2 电子装置

21 机械主体

22 控制机台

23 机械手指

3 穿戴装置

31 手指部

31a 内侧的表面

SE 危险物

UF 使用者的手指

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

触觉(Tactile sense)是指分布于全身皮肤上的神经细胞接受来自外界的温度、湿度、疼痛、压力、振动等方面的感觉，而触压感是由压力和牵引力作用于人类皮肤的触感受器而引起的。因此，可通过直接对使用者的皮肤施加一外力(或按压力)，让使用者直接感受此外力的大小。或者，也可通过多个外部金属电极给予使用者的皮肤对应不同外力的一肌电(Electromyography，EMG)信号，肌电信号再经由神经传导至大脑，进而让使用者认知此肌电信号所对应的外力大小，以模拟触觉。

通过上述的皮肤直接感触的方式、利用肌电信号仿真触觉的方式或者其他现有和未来足以让使用者感受或认知触觉的可能方式，本发明所揭露的触觉仿真系统可应用于例如以远程控制的方式拆除易爆的危险物、虚拟现实(Virtual reality，VR)游戏、专业技能的虚拟现实训练等需要使用触觉模拟技术的领域，以及本发明所揭露的远程仿真系统可应用于例如以远程控制的方式拆除易爆的危险物等需要使用触觉模拟及远程控制技术的领域；并且本发明并不受限于上述列举的可应用领域。通过本发明所揭露的触觉仿真系统，可以让使用者感受到触觉仿真系统根据模拟结果所提供的一模拟作用力，进而根据此模拟作用力做出适当的反馈。倘若本发明所揭露的远程仿真系统和触觉仿真系统能再搭配上视觉仿真技术、音效收录/播放技术、嗅觉模拟技术及/或其他感官的模拟技术，将可提供模拟操作(Operational simulation)端更精准且更身临其境的虚拟现实效果。

以通过远程控制的方式拆除易爆的危险物的应用领域为例，本发明所揭露的远程仿真系统可针对在远程利用一电子装置拆除一疑似爆裂物(Suspected explosive device)或一爆裂物(Explosive device)时的实际情况进行模拟，并将模拟结果转化成可反应在仿真操作端的信息及作用力，进而让模拟操作端的操作者得以根据这些信息及作用力做出适应性的反馈。并且，同时本发明所揭露的远程仿真系统也会依据模拟操作端做出的适应性反馈，控制在远程正试图拆除疑似爆裂物或爆裂物的电子装置的作动。藉此，本发明所揭露的远程仿真系统可达到安全拆除疑似爆裂物或爆裂物的目的。

以虚拟现实游戏或专业技能的虚拟现实训练的应用领域为例，本发明所揭露的触觉仿真系统可提供一或多个仿真模型(Simulation model)。仿真模型可提供仿真操作端默认的仿真信息及作用力，使得模拟操作端的操作者得以根据这些信息及作用力做出适应性的反馈。并且，仿真模型也会依据仿真操作端的反馈，更新提供给模拟操作端预设的虚拟画面及作用力。藉此，本发明所揭露的触觉仿真系统可达到专业技能的训练或提高游戏娱乐性的目的。

为了方便说明，以下将只针对通过远程控制的方式拆除易爆的危险物的应用领域以及远程拆除易爆的危险物的虚拟现实训练的应用领域分别列举不同的实施例来作说明。

为清楚说明通过远程控制的方式拆除易爆的危险物的应用领域的一或多个实施态样，请一并参考图1A～1B、图2、图3A～3B来说明本发明所揭露的远程仿真系统1。图1A为根据本发明一实施例所绘示的在以远程控制的方式拆除易爆的危险物的应用领域中，远程仿真系统1与电子装置2在搭配运作时的示意图，图1B为图1A中电子装置2在拆除危险物SE时的局部放大图，图2为根据本发明一实施例所绘示的远程仿真系统1的功能方块图，图3A为根据本发明一实施例所绘示的搭载有至少部份的触觉实化装置14的穿戴装置3的透示图，及图3B为图3A中穿戴装置3的局部放大图。

远程仿真系统1可与电子装置2和穿戴装置3搭配运作。如图2所示，远程仿真系统1包含一触觉侦测装置10、一处理器12、一触觉实化装置14。在其他实施例中，远程模拟系统1也可进一步包含一储存器16。这些组件的配置、运作及链接关系以及与其他组件之间的链接关系及运作将示范性地说明如下。

电子装置2和触觉侦测装置10可设置于一实境现场(Reality scene)端，并且部分的或全部的触觉侦测装置10可独立地设置在电子装置2上或者整合于电子装置2中。并且，根据实际的应用需求，部分的或全部的触觉侦测装置10可通过有线或无线的方式与电子装置2链接。为了方便说明，下列实施例是以触觉侦测装置10整合于电子装置2中的实施态样作为示范性地说明。

电子装置2可例如为一机械手臂(Robotic arm)。然而，本发明并不限制电子装置2的种类，本领域中具有通常知识者可根据不同的应用领域选择其他适合的电子装置。但为了简要地说明本发明中实境现场端的运作，以下的实施例将以机械手臂的实施态样作为示例来说明。

如图1A和1B所示，电子装置2也可为包含一机械主体21和一控制机台22的机械设备。机械主体21例如包含一移动臂和一机械手。在一实施例中，移动臂可旋转地分别连接于机械主体21和机械手，使得移动臂可上下左右摆动或旋转，而机械手则可以模拟人类手腕的动作。移动臂在一实施例中可包含一个或多个臂杆和一个或多个关节组件；通过臂杆和关节组件间的配置，控制机台22可控置移动臂21作出弯曲、伸直、抬高、降低、旋转等模拟人类手臂活动的动作。机械手可例如包含多个机械手指23，机械手指23的设计在一实施例中可例如包含一个或多个手指区段和一个或多个指关节组件，通过手指区段和指关节组件间的配置，控制机台22可控置机械手作出模拟人类手掌在进行抓握、夹取、摆动等的动作。控制机台22为可移动式的控制机台，可经由远程操控而朝危险物SE的方向移动。并且，控制机台具有一可程序编辑的控制器，用以控制电子装置2整体的运作，例如整体电子装置2的位置移动、移动臂21的运动及机械手指23的运动等。上述机械手臂的设计与选用仅作为示范性地说明，并不用以限制本发明中对于机械手臂的可能的实施态样。换句话说，本领域中具有通常知识者可根据不同的应用领域选用或设计适合的机械手臂。

触觉侦测装置10至少包含一或多个触觉传感器110(亦称为第一触觉传感器)。触觉传感器110可例如为一压力传感器，用以侦测电子装置2承受到的一作用力，以产生一作用力值信息，也就是压力值。并且，在一实施例中，触觉侦测装置10具有一指令转化表，指令转化表记录有至少一反馈力值信息与操作指令的对应组。利用此指令转化表，电子装置2的控制器可将反馈力值信息转换为一操作指令，并且根据此操作指令对应地执行操控行为。

触觉实化装置14例如包含一个或多个触觉实化器141和一个或多个触觉传感器143(亦即第二触觉传感器)。在一实施例中，触觉实化器141和触觉传感器143分别与处理器12电性连接。触觉实化器141用以自处理器12接收一控制信号，由此控制信号获得欲作用在配戴穿戴装置3的使用者身上的一模拟作用力值信息，并且将模拟作用力值信息转成作用在使用者身上的一模拟作用力，进而让使用者感受到对应此模拟作用力值信息的模拟作用力。触觉传感器143可例如为压力传感器，用以感测使用者因应上述的模拟作用力所产生的一反馈力，以生成上述的反馈力值信息。触觉实化器141的设计细节以及触觉实化器141和触觉传感器143在穿戴装置3的设置位置关系将于后续予以一并说明。

另一方面，如图1A～1B和图2所示，穿戴装置3、处理器12、触觉实化装置14和储存器16设置在一模拟操作端。

在一实施例中，处理器12、触觉实化装置14和储存器16可设置于穿戴装置3上或整合于穿戴装置3中，处理器12分别与触觉实化装置14和储存器16电性连接，并且穿戴装置3可通过有线或无线的方式与实境现场端通讯连接，亦可与电子装置2通讯连接，进一步地与触觉侦测装置10通讯连接。

在另一实施例中，触觉实化装置14设置于穿戴装置3上或整合于穿戴装置3中，但处理器12和储存器16独立于触觉实化装置14并设置在仿真操作端的一服务器(未绘示)中；因此，触觉实化装置14可通过有线或无线的方式与处理器12连接，而服务器可通过有线或无线的方式与实境现场端的电子装置2连接。这里的服务器可例如为个人计算机、笔记本电脑、平板计算机、云端计算机等具有运算和控制功能的计算器装置。本发明并不限制服务器的种类，本领域中具有通常知识者可根据不同的应用领域选择其他适合的服务器。

承上所述，虽然在模拟操作端的多个装置有不同的设置方式，但为了简要地说明本发明中模拟操作端的运作，以下的实施例将以处理器12和触觉实化装置14整合于穿戴装置3中的实施态样作为示例来说明。

穿戴装置3可包含可包覆使用者皮肤的配件、可提供视觉感官享受的配件及可提供听觉感官享受的配件等。可包覆使用者皮肤的配件可例如为手套(Glove)、连身或半身型的紧身衣等，但本发明并不予以限制。可提供视觉感官享受的配件可例如为虚拟眼镜/眼罩等，但本发明并不予以限制。可提供听觉感官享受的配件可例如为耳机，但本发明并不予以限制。本发明并不限制穿戴装置3的种类，本领域中具有通常知识者可根据不同的应用领域选择其他适合的穿戴装置。为了简要地说明本发明中模拟操作端的运作，以下的实施例将以手套搭配虚拟眼镜的穿戴装置3作为示例来说明，如图1A和3A所示。

储存器16储存有模拟操作端运作所需的信息，例如一控制信号转化表及进行仿真操作相关的应用程序或指令集。这里的控制信号转化表例如记载有不同的控制信号与不同的作用力值信息间的对应关系。通过控制信号转化表，处理器12可将上述所接收到的作用力值信息并转化为一控制信号，并根据此控制信号，控制触觉实化装置14的运作。

以下将列举说明触觉实化器141的设计细节。

在一实施例中，如图3A和图3B所示，触觉实化器141为一压力发生器。进一步来说，在一实施例中，压力发生器设置在手套内侧的表面13a上，且包含一个或多个电极贴片141a。电极贴片141a电线连接处理器12。这些电极贴片141a用以接触使用者的皮肤表面，并且释放对应上述的模拟作用力值信息的一电流信号至皮肤表面，进而让使用者感受到对应的一模拟作用力。

在另一实施例中，如图4A和图4B所示，触觉实化器141’包含一个或多个控制阀145和一个或多个气囊组件147，且控制阀145和气囊组件147皆设置在穿戴装置3中。控制阀145连接于气囊组件147，并且电性连接处理器12。气囊组件147用以藉由气囊的充气或泄气，产生作用在皮肤表面上的模拟作用力。控制阀145受控于处理器12，用以根据一控制信号控制对应的气囊组件147进行充气或泄气。

以下将列举说明触觉实化器141和触觉传感器143在穿戴装置3的设置位置关系。

触觉实化器141和触觉传感器143之间的相对位置可根据实际应用的需求而设计，本发明不予以限定。举例来说，触觉实化器141和触觉传感器143可至少部分重叠设置，或完全错开地设置。

并且，在一实施例中，触觉实化器141和触觉传感器143在穿戴装置3的位置对应于触觉传感器110在电子装置2上的位置。举例来说，假设作为电子装置2的机械手臂具有五个机械手指23，这五个机械手指23分别对应人类的五根手指UF，而手套型的穿戴装置3具有五个手指部31，这五个手指部31也分别对应人类的五根手指UF，换句话说，电子装置2的五个机械手指23分别对应穿戴装置3的五个手指部31；因此，位于一手指部31(例如食指)的指尖上的触觉实化器141在对应于此手指部31的一机械手指23(例如食指)的指尖上有相对应的一触觉传感器110。藉此，对应食指的触觉传感器110所侦测到的压力值会反应至对应食指的触觉实化器141上，进而让使用者的食指感受到此压力值所对应的压力。

藉此，触觉实化器141可依据实境现场端的侦测结果，产生可作用于配戴穿戴装置3的使用者的模拟作用力，使得使用者感受到对应模拟作用力值信息的模拟作用力；同时，触觉传感器143也可侦测使用者根据感受到的模拟作用力而作出的反馈，使得使用者的反馈将进一步地反应在实境现场端的操作。

举一实际的例子来说，在远程仿真系统中，假设使用者想用食指碰触危险物SE的上盖时，可以在穿戴上搭载有触觉实化装置14的穿戴装置3后，主动地弯折其食指，此时对应食指的触觉传感器143会侦测作用在其上的反馈力而获得一反馈力值信息，并将此反馈力值信息传送至处理器12。接着，处理器12将此反馈力值信息通过传输接口传送至在实境现场端的电子装置2。当电子装置2接收到反馈力值信息后，电子装置2会利用一指令转化表，将接收到的反馈力值信息转换为一操作指令，并根据此操作指令进行对应的一操控行为，即控制对应食指的机械手指23进行对应使用者动作的动作，以碰触危险物SE的上盖。

当电子装置2在进行上述的动作时，对应食指的触觉传感器110也会侦测对应食指的机械手指23在作动时作用在其上的作用力而获得对应的一作用力值信息。电子装置2可通过其传输接口将此作用力值信息传送至在仿真操作端的处理器12。接着，处理器12会将此作用力值信息转换为一控制信号，并传送至对应食指的触觉实化器141。此触觉实化器141会根据接收到的控制信号，实化模拟作用力值信息，也就是让使用者的食指感受到对应此笔模拟作用力值信息的一模拟作用力。此时，使用者可根据感受到的模拟作用力作进一步的回应。

另外，针对远程拆除易爆的危险物的虚拟现实训练的应用领域的一或多个实施态样，请一并参考图5来说明本发明所揭露的触觉仿真系统4。图5为根据本发明另一实施例所绘示的触觉仿真系统的功能方块图。触觉仿真系统4包含处理器12、触觉实化装置14和储存器16。其中，图5中处理器12、触觉实化装置14和储存器16之间的连接关系与设置的位置、各组件的部份或全部功能可参考图2的相关的实施例，在此不再赘述。

相较于图2的远程仿真系统1，图5的触觉仿真系统4不需要设置如图2中的触觉侦测装置10，并且储存器16可进一步储存一或多个仿真模型(亦即第一仿真模型)以及至少一反馈力值信息与操作指令的对应组。仿真模型记录有反馈力值信息与对应模拟作用力值信息的应变规则。

处理器12可通过使用者所在的影音设备或使用者配戴的穿戴装置(例如虚拟现实的头戴式影音设备)及储存在储存器16中的仿真模型，提供使用者一虚拟情境，亦即虚拟的拆除危险物现场。为了方便说明，以下将以手套搭配虚拟眼镜的穿戴装置作为示例来说明。使用者根据此虚拟的拆除危险物现场，选择地作出主动式反馈，例如用食指企图碰触危险物SE的上盖。此时，对应食指的触觉传感器143会侦测作用在其上的反馈力而获得一反馈力值信息，并将此反馈力值信息传送至处理器12。接着，处理器12利用储存在储存器16中的反馈力值信息与操作指令的对应组，将此时的反馈力值信息转换为一操作指令。处理器12将操作指令传递至穿戴装置上可提供视觉感官享受的配件，即虚拟眼镜。此虚拟眼镜则根据操控指令对应显示虚拟画面，也就是说，虚拟情境中的机械手臂会根据此操作指令，作出碰触危险物SE的上盖的动作。同时，处理器12也会进一步地利用仿真模型，运算出此操作指令所对应的模拟作用力值信息。

接着，处理器12会将此模拟作用力值信息转换为一控制信号，并传送至对应食指的触觉实化器141。此触觉实化器141会根据接收到的控制信号，实化模拟作用力值信息，也就是让使用者的食指感受到对应此笔模拟作用力值信息的一模拟作用力。此时，使用者可根据感受到的模拟作用力作进一步的回应。

在一实施例中，处理器12可通过接收由其他穿戴装置所产生的一仿真模型(亦即第二仿真模型)以更新原先储存在储存器16的仿真模型的应变规则。

在本发明中所提及的各个组件设置的数量、尺寸、位置皆可根据实际的应用需求来设计，本发明并不予以限定。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。