體感偵測在人機互動領域的創新應用

國立中央大學助理教授葉士青

當今的人機互動模式，已從傳統控制器輸入方式，邁向以人為中心的體感偵測方式。市場上亦有採用體感技術的消費性電子產品(如遊戲機、智慧電視等)，讓消費者不需手持控制器，也能達到操控目的。除娛樂用途，業界們在體感偵測技術的研發與創新上可說是不遺餘力，並應用到更多其他領域，讓人耳目一新…

各種體感系統的種類與演進

自任天堂Wii、微軟Xbox Kinect、Sony PS3 Move等全新的體感操控方式在遊戲機市場陸續推出之後，體感控制正式成為主流的人機互動方式之一。由於「體感偵測技術」行之有年，已不算是新奇的技術，要如何將體感技術應用在全新的領域，就讓國立中央大學助理教授葉士青，針對 “體感偵測技術在人機互動領域的創新應用”議題做介紹。

傳統PC主要透過鍵盤/滑鼠/搖桿等(採用機械或光學技術)裝置來進行人機互動。但以前其實就有許多其他的輸入裝置與技術，在市場上出現，提供使用者與數位世界進行互動。

葉士青介紹體感偵測系統的演進。早期都是高階產品，如“磁感追蹤系統”，就是一種上百萬元起跳的產品，使用時要將許多感測器裝在身上，拖著一堆線且使用不便，且電磁波很強，目前仍有研究單位在使用。後來有“慣性感應技術”，包含IMU (慣性量測系統)與感測器(如Intersense公司的Inertia Cube 3)，整合3軸加速感應器、陀螺儀、電子羅盤等技術，以算出姿態值。來做到360度全方位的感測與自由移動，包含Pitch(俯仰)、Yaw(偏擺)、Roll(翻滾)等動作。

再來有“光學追蹤系統”，採用數十台高速攝影機來捕捉、追蹤。以行之有年的“Marker-Based”系統為例，就是請人穿上有“光點”的衣服，搭配攝影機來進行“動態捕捉”(Mocap, Motion capture)。這類產品也是百萬元等級，主要用來紀錄人的精細姿勢與動作，在遊戲、電影、動畫等工業領域(如虛擬人物的移動動作或製作各種視覺特效)都很常見，在運動科學、復健醫學等醫學領域(如紀錄不良運動姿勢以求改善)也可看到。

“資料手套”(data glove)則是戴上感應手套的方式，藉著偵測手部的動作、姿態，來與虛擬實境環境下的互動。

以上除了感測輸入之外，後來演進到可以做到“力量回饋”，將真實的觸覺(Haptics)模擬出來，例如機械手臂，機械手套等，這些設備不是以無意義的震動來提醒使用者，而是可做到力學模型的計算，在歐美已經有利用此技術，開發出能應用到外科手術的模擬與訓練系統。

成功商業化的新一代體感輸入系統

由於早期的高階體感系統動輒幾十萬、幾百萬，大多應用在工業、醫學、科學界等領域，無法商業化、親民化。隨著硬體技術的進步，體感的產品的成本下降後，市面上開始出現消費級的體感的控制系統。

例如Razer(雷蛇)的Hydra (九頭靈蛇) PC遊戲體感控制器，採電磁場方式感應，可以做到6軸度的移動與追蹤，價格僅新台幣5千元不到。

而在遊戲機的體感技術部分，如Wii (搭配Motion Plus，採用紅外線、加速器、陀螺儀等技術)、PS Move (採加速器、陀螺儀、磁強針技術，搭配PS Eye或Camera可追蹤光球的物體移動)、Kinect (採RGB相機、3D深度感測器、多麥克風陣列等技術)等等，價格也頗親民。這些都屬於商業化非常成功的產品。

體感控制的創新應用領域－醫療、復健

葉士青分享其單位在進行的研究範疇，就是結合目前VR(虛擬實境)、AR(擴增實境)、MR(混合實境)為主的體感技術(透過顯示科技、互動科技、觸覺模擬、重度遊戲、感測等技術)，在“生物訊息” (透過EEG腦電圖、EMG肌電圖、生物反應、眼球追蹤、動作追蹤、外力感知技術)、與“主觀感受”領域(壓力、易學、實用、有意使用、嬉鬧等量測)實作，進一步將這些成果應用在“運動復健”、“認知訓練”、“精神治療”、“數位學習”等領域。

目前與該單位合作的醫院，包含台北榮總(精神科的互動診斷平台、神經內科的阿茲海默症訓練平台、復健科的中風復健平台)、國泰醫院(耳鼻喉科的暈眩復健平台、精神科的懼曠症治療平台)、壢新醫院(骨折術後的復健系統)等，配合國科會、醫學院所等單位的經費，以進行治療或復健平台的合作開發與研究計畫。

體感在醫學應用的成果

葉士青接下來展示以體感技術，在各醫院的應用實際案例與成果分享。例如中風的運動復健平台，主要著重在上肢的復健，包含肩臂的伸縮/抓取/協調、前臂的內旋/反轉、手腕的彎曲/伸展、手部的抓取、手指的捏掐等訓練項目。在這部分就製作了一套“互動板擦系統”，透過投影的方式將髒的窗戶投射在牆壁或白板上，讓病人拿著電子板擦來擦拭窗戶，該無線板擦就利用到壓力計，透過手的壓力和擦試方向，來計算病人可以擦掉多少污垢，同時可記錄病人在“伸展“動作的復元進度。

此外，還透過現有的Kinect技術，搭配3D眼鏡，來設計一套可以練習左右手交替拋接球的復健系統，可記錄病人的“協調“動作。另外一套系統則是投籃遊戲，用以訓練“拿取”、“拋出”的動作。

在前臂與手腕的復健輔助系統部分，採類似飛行搖桿的控制系統，搭配力回饋技術，並可設定加入助力、阻力或無外力的操作方式，來訓練病人前臂的內旋/反掌和手腕的彎曲/伸展。而手部的抓取復健系統，則讓病人戴上“資料手套”，以訓練抓球、放球的動作。至於手指掐捏系統也是透過機械手臂等輔助器具，來練習抓彈珠的東西。

綜合以上的體感式運動復健系統，其好處是可以調整物體大小、重量、摩擦係數，讓病人在虛擬世界中感受到真實物體的存在、重量、阻力，然後透過輔助器材，來做復健訓練，治療師亦可從紀錄日誌或成績檔，來做病情追蹤與康復評估的參考依據。

遠端復健與多樣的體感技術應用

除了臨床產品，也有遠距(雲端)復健系統，讓病人在家也能透過視訊的方式來做多人的運動復健訓練、或老人遠距社交活動。

此外，還有許多體感技術都可用來做醫療輔助系統。如前庭復健(丟球訓練、投籃、頭動眼不動、眼動頭不動等訓練)可來輔助治療暈眩症。五十肩的復健，也有互動式肩關節復健系統(提供7種情境)來協助病人復健。下肢復健部分，則搭配IMU感應器來實作。

其他治療部份，像心智治療則可透過六軸控制器來操作立方體的配對。阿茲海默症的治療，可透過讓病人在虛擬ATM領錢、在虛擬商店裡買東西、以身體表達時鐘、或體感記憶遊戲等，來協助治療失智老人。最後是ADHD(注意力缺陷過動症)的治療，可透過頭戴式顯示器，繪出虛擬教室，透過虛擬世界裡面的人、事、物的出現，來記錄病人的精神集中力，以供醫生做評斷與治療。

整體來說，透過以上體感偵測技術的案例分享，可以得知體感互動的應用範圍非常廣泛，廠商們只要發揮一些創造力，就能推出各式各樣的體感產品。