Rotación controlada de observadores humanos en un entorno de realidad virtual
Summary
La rotación física controlada de un observador humano es deseable para ciertas aplicaciones experimentales, recreativas y educativas. Este documento describe un método para convertir una silla giratoria de oficina en un medio para la rotación física controlada en un entorno de realidad virtual.
Abstract
El bajo costo y la disponibilidad de los sistemas de Realidad Virtual (VR) han apoyado una reciente aceleración de la investigación sobre la percepción y el comportamiento en condiciones más naturalistas, multisensoriales e inmersivas. Un área de investigación que se ha beneficiado particularmente del uso de sistemas de realidad virtual es la integración multisensorial, por ejemplo, la integración de señales visuales y vestibulares para dar lugar a una sensación de automovimiento. Por esta razón, un método accesible para la rotación física controlada de un observador en un entorno virtual representa una innovación útil. Este documento presenta un método para automatizar la rotación de una silla giratoria de oficina junto con un método para integrar ese movimiento en una experiencia de realidad virtual. Utilizando un experimento de ejemplo, se demuestra que el movimiento físico, así producido, se integra con la experiencia visual de un observador de una manera consistente con las expectativas; alta integración cuando el movimiento es congruente con el estímulo visual y baja integración cuando el movimiento es incongruente.
Introduction
Muchas señales se combinan en condiciones naturales para producir una sensación de automovimiento1. Producir tal sentido es un objetivo en muchas aplicaciones de realidad virtual recreativas, de salud y educativas 2,3,4,5, y simplemente comprender cómo se combinan las señales para dar una sensación de automovimiento ha sido un esfuerzo a largo plazo de los neurocientíficos 6,7,8,9,10,11 . Las tres clases más importantes de señales para la percepción del automovimiento son visuales, vestibulares y propioceptivas1. Los tres se combinan de manera congruente durante el movimiento activo natural en el mundo real para proporcionar una sensación robusta y rica de automovimiento. Para comprender el papel de cada clase de señales y tener una idea de cómo se combinan las señales, los investigadores tradicionalmente han privado a los observadores experimentales de una o más señales y / o han colocado señales en conflicto entre sí 1,12. Por ejemplo, para proporcionar señales vestibulares rotacionales en ausencia de señales propioceptivas, un observador puede ser girado pasivamente por una silla motorizada 13,14,15,16. Se ha demostrado que tal movimiento pasivo proporciona señales muy convincentes para el automovimiento17. Las señales visuales controladas proporcionadas por un auricular VR pueden ser congruentes o incongruentes con el movimiento de la silla o ausentes por completo. Las señales propioceptivas se pueden agregar haciendo que el observador gire la silla bajo su propio poder, por ejemplo, empujando la silla con los pies.
Aquí se presenta un método para convertir una silla giratoria de oficina en un medio para rotar físicamente el cuerpo de un observador e integrar ese movimiento en una experiencia virtual visual (y potencialmente auditiva). La rotación de la silla puede estar bajo el control del observador, un programa de computadora u otra persona como el experimentador. La rotación controlada por el observador puede ser pasiva haciendo que la rotación impulsada por el motor sea una función de la posición del controlador de mano del observador o activa apagando la silla y haciendo que el observador gire la silla ellos mismos.
También se presenta una aplicación psicofísica para este sistema de silla / VR. Esta aplicación de ejemplo destaca la utilidad de la rotación pasiva controlada de un observador para comprender cómo interactúan las señales de automovimiento para producir experiencias perceptivas generales. El objetivo específico era obtener información sobre un movimiento inducido por la ilusión visual estudiado durante mucho tiempo18,19. En el movimiento inducido, un objetivo estacionario o en movimiento es perceptualmente “rechazado” lejos de un fondo en movimiento. Por ejemplo, si un punto objetivo rojo se mueve verticalmente hacia arriba contra un campo de puntos azules que se mueve hacia la derecha, el punto objetivo parecerá moverse hacia arriba, como se esperaba, pero también hacia la izquierda, lejos de la dirección del fondo móvil20,21. El objetivo era probar si la repulsión es el resultado de interpretar el movimiento de fondo como causado por el automovimiento22,23.
Si este es el caso, entonces la adición de rotación física que sea consistente con el movimiento visual de fondo debería conducir a una sensación más fuerte de que el movimiento de fondo se debe a la autorrotación a través de un entorno estacionario. Esto, a su vez, debería conducir a una mayor tendencia a restar el movimiento de fondo del movimiento objetivo para obtener el movimiento del objetivo en relación con el mundo estacionario23. Esta mayor tendencia a restar resultaría en una mayor repulsión percibida del objetivo. Se agregó una autorrotación física que era consistente o inconsistente con el movimiento de fondo para probar esto. El sistema presentado aquí permitió el control preciso del movimiento físico y el movimiento visual correspondiente para probar esta hipótesis. En el ejemplo, el movimiento de la silla estaba bajo el control directo del observador utilizando el controlador de mano del sistema VR.
Aunque hay muchos ejemplos de sillas giratorias motorizadas para diversas aplicaciones de realidad virtual en la literatura 24,25,26,27,28,29, los autores desconocen un conjunto conciso de instrucciones para hacer una silla de este tipo e integrarla en una experiencia interactiva de realidad virtual. Hay instrucciones limitadas disponibles para el SwiVRChair29, que es similar en estructura al que se presenta aquí pero que está diseñado con un propósito diferente en mente, es decir, ser impulsado por un programa informático para mejorar la inmersión en un entorno de realidad virtual, donde el movimiento de la silla puede ser anulado por el usuario colocando los pies en el suelo. Dado el gasto desillas disponibles comercialmente 30,31, hacer una “interna” puede ser una opción más viable para algunos investigadores. Para aquellos en esta situación, el protocolo a continuación debe ser de utilidad.
Descripción general del sistema
El protocolo consiste en instrucciones para convertir una silla de oficina en una silla giratoria accionada eléctricamente e integrar el movimiento de la silla en una experiencia de realidad virtual. Todo el sistema, una vez completado, se compone de cuatro partes: los subsistemas mecánico, eléctrico, de software y de realidad virtual. Una fotografía del sistema completo se muestra en la Figura 1. El sistema mostrado fue el utilizado en el experimento de ejemplo.
El trabajo del subsistema mecánico es girar físicamente el eje superior de una silla giratoria a través de un motor. Consiste en una silla de oficina a la que se unen dos cosas: una polea fijada al eje giratorio superior de la silla de oficina y un marco de montaje ajustable unido a la parte fija inferior del eje. Un motor paso a paso eléctrico está unido al soporte, que tiene una polea unida a su eje que se alinea con la polea en el eje superior de la silla de oficina. Una correa acopla la polea del motor a la polea de la silla, lo que permite que el motor haga girar la silla.
El subsistema eléctrico proporciona energía al motor y permite el control electrónico del motor. Consiste en un controlador de motor, una fuente de alimentación para el motor, una placa Arduino para interconectar el controlador con una computadora y una fuente de alimentación para el Arduino (opcional). Una placa Arduino es una placa pequeña popular entre los aficionados y fabricantes profesionales de cualquier cosa electrónica, que contiene un microprocesador programable, controladores, pines de entrada y salida, y (en algunos modelos) un puerto USB (requerido aquí). Todos los componentes eléctricos están alojados en una caja con aislamiento eléctrico modificada a medida. Como se requiere alimentación de red para el transformador que proporciona energía al motor y para la fuente de alimentación Arduino (opcional), y como el motor requiere altos voltajes de funcionamiento, todo menos el trabajo electrónico de bajo voltaje (pasos de protocolo 2.5 a 2.10 a continuación) debe ser realizado por una persona calificada.
El subsistema de software consiste en el software Arduino para programar el Arduino, el software Unity para crear el entorno VR, el software Steam para conducir el sistema VR y Ardity, un complemento de Unity que permite a Unity comunicarse con la placa Arduino. Este software se instaló en una computadora portátil Gygabyte Sabre 15WV8 que ejecuta Microsoft Windows 10 Enterprise para el experimento de ejemplo (Figura 1).
El sistema VR consiste en una pantalla montada en la cabeza (HMD), un controlador de mano y estaciones base para determinar la posición y orientación del HMD y el controlador en el espacio. El sistema VR utilizado para este proyecto fue el HTC Vive Pro (Figura 1).
A continuación se describe el procedimiento para combinar estos componentes para lograr una experiencia virtual que incorpore la rotación física (experimento o de otro tipo) con el movimiento de la silla controlado por el observador a través del controlador de mano o por el anfitrión / experimentador a través de un mouse de computadora o un potenciómetro. La parte final del protocolo consiste en los pasos necesarios para iniciar la experiencia de realidad virtual. Tenga en cuenta que el método para codificar Unity para permitir ensayos y recopilación de datos está más allá del alcance de este manuscrito. Algunos pasos, particularmente para el subsistema mecánico, requieren cierto equipo de taller y un cierto nivel de habilidad. En principio, los métodos presentados pueden ajustarse para adaptarse a la disponibilidad de esos recursos. Se ofrecen alternativas para algunos de los pasos más técnicos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este documento presenta un método para agregar rotación automatizada a una silla de oficina bajo el control de un observador o experimentador, y un método acompañante para integrar ese movimiento en una experiencia virtual. Los pasos críticos incluyen la fijación mecánica del motor a la silla, la configuración de la alimentación y el control eléctrico del motor, luego la configuración del Arduino y la computadora para impulsar el controlador del motor. El paso de fijación mecánica requiere algunos equipos y …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por las subvenciones del Consejo Australiano de Investigación DP160104211, DP190103474 y DP190103103.
Materials
| 48 V DC power supply (motor) | Meanwell | RSP-320-48 | https://www.meanwellaustralia.com.au/products/rsp-320 |
| 5 V DC power supply (arduino) | Jaycar | MP3295 | https://www.jaycar.com.au/15w-5v-3a-enclosed-power-supply/p/MP3295?pos=5&queryId=dda344422ab16c6 7f558551ac0acbd40 |
| Ardity plugin for Unity | Open Source | https://ardity.dwilches.com/ | |
| Arduino MEGA 2560 | Jaycar | XC4420 | https://www.jaycar.com.au/duinotech-mega-2560-r3-board-for-arduino/p/XC4420?pos=2&queryId=901771805f4bf6e0 ec31d41601d14dc3 |
| Arduino software | Arduino | https://www.arduino.cc/en/software | |
| Belt | Motion Dynamics | RFTB10010 | Choose a size that suits the application. We used 60 tooth. https://www.motiondynamics.com.au/polyurethane-timing-belts-16mm-t-10/ |
| Bracket bolts (holding motor) | The Fastner Factory | 161260 | x 4. https://www.thefastenerfactory.com.au/bolts-and-nuts/all-stainless-bolts/stainless-button-socket-head-cap-screws/stainless-steel-button-socket-head-cap-screw-m6-x-35mm-100pc |
| Bracket bolts (not holding motor) | The Fastner Factory | 161258 | x 4. https://www.thefastenerfactory.com.au/bolts-and-nuts/all-stainless-bolts/stainless-button-socket-head-cap-screws/stainless-steel-button-socket-head-cap-screw-m6-x-25mm-100pc |
| Clamp Angle Iron | Austral Wright Metals | 50004813 | x 2. https://www.australwright.com.au/products/stainless-steel/stainless-steel-bar-round-flat-angle-square/ |
| Clamp bolts | The Fastner Factory | 161265 | x 4. https://www.thefastenerfactory.com.au/bolts-and-nuts/all-stainless-bolts/stainless-button-socket-head-cap-screws/stainless-steel-button-socket-head-cap-screw-m6-x-70mm-100pc |
| Clamp leaves (stainless flat bar) | Austral Wright Metals | 50004687 | x 8. https://www.australwright.com.au/products/stainless-steel/stainless-steel-bar-round-flat-angle-square/ |
| Cover (acrylic) | Bunnings Warehouse | 1010489 | https://www.bunnings.com.au/suntuf-900-x-600-x-5mm-grey-acrylic-sheet_p1010489 |
| Cover bolts/nuts | Bunnings Warehouse | 247292 | x 4. https://www.bunnings.com.au/pinnacle-m3-x-16mm-stainless-steel-hex-head-bolts-and-nuts-12-pack_p0247292 |
| Cover brackets | Bunnings Warehouse | 44061 | x 4. https://www.bunnings.com.au/zenith-20mm-zinc-plated-angle-bracket-16-pack_p0044061 |
| Emergency shut-off switch | Jaycar | SP0786 | https://www.jaycar.com.au/latching-emergency-stop-switch/p/SP0786?pos=1&queryId=5abe9876cf78dc3d d26b9067fbc36f74 |
| Hybrid stepper motor and driver | Vevor | ? | Closed Loop Stepper Motor Nema 34 12NM Servo Motor Hybrid Driver https://vevor.com.au/products/1712oz-in-nema34-closed-loop-stepper-motor-12nm-hybrid-servo-driver-hsc86-kit?variant=33058303311975 |
| IEC mains power connector | RS components | 811-7213 | https://au.rs-online.com/web/p/iec-connectors/8117213 |
| Instrument case (housing) | Jaycar | HB6381 | https://www.jaycar.com.au/abs-instrument-case-with-purge-valve-mpv2/p/HB6381 |
| LED | Jaycar | ZD0205 | https://www.jaycar.com.au/green-10mm-led-100mcd-round-diffused/p/ZD0205?pos=11&queryId=e596cbd3d71e86 37ab9340cee51175e7&sort= relevance |
| Main pulley (chair) | Motion Dynamics | ALTP10020 | Choose a size that suits the application. More teeth = slower rotation. We used 36 tooth. https://www.motiondynamics.com.au/timing-pulleys-t10-16mm.html |
| Motor attachment bars (Stainless flat bar) | Austral Wright Metals | 50004687 | x 4. https://www.australwright.com.au/products/stainless-steel/stainless-steel-bar-round-flat-angle-square/ |
| Mounting brackets (stainless flat bar) | Austral Wright Metals | 50004687 | x 2. https://www.australwright.com.au/products/stainless-steel/stainless-steel-bar-round-flat-angle-square/ |
| Nuts | The Fastner Factory | 161989 | x 12. https://www.thefastenerfactory.com.au/stainless-steel-hex-nylon-insert-lock-nut-m6-100pc |
| On/off switch | Jaycar | SK0982 | https://www.jaycar.com.au/dpdt-illuminated-rocker-large-red/p/SK0982?pos=4&queryId=88e0c5abfa682b74 fa631c6d513abc73&sort=relevance |
| Potentiometer | Jaycar | RP8610 | https://www.jaycar.com.au/10k-ohm-logarithmic-a-single-gang-9mm-potentiometer/p/RP8610?pos=4&queryId=0d1510281ba100d 174b8e3d7f806a020 |
| Pulley screws | The Fastner Factory | 155856 | x 5. https://www.thefastenerfactory.com.au/stainless-steel-hex-socket-head-cap-screw-m4-x-25mm-100pc |
| resistor 150 Ohm | Jaycar | RR2554 | https://www.jaycar.com.au/150-ohm-1-watt-carbon-film-resistors-pack-of-2/p/RR2554?pos=19&queryId=48c6317c73fd361 a42c835398d282c4a&sort= relevance |
| Small pulley (motor) | Motion Dynamics | ALTP10020 | Choose a size that suits the application. More teeth = faster rotation. We used 24 tooth. https://www.motiondynamics.com.au/timing-pulleys-t10-16mm.html |
| Small toggle switch | Jaycar | ST0555 | https://www.jaycar.com.au/sealed-mini-toggle-switch/p/ST0555?pos=14&queryId=066b989a151d83 31885c6cec92fba517&sort= relevance |
| Steam software | Valve Corporation | https://store.steampowered.com/ | |
| SteamVR plugin for Steam | Valve Corporation | https://store.steampowered.com/app/250820/SteamVR/ | |
| Unity software | Unity Technologies | https://unity3d.com/get-unity/download | |
| VR system | Scorptec | 99HANW007-00 | HTC Vive Pro with controllers and base stations. https://www.scorptec.com.au/product/gaming-peripherals/vr/72064-99hanw007-00?gclid=Cj0KCQiA5OuNBhCRARIsA CgaiqX8NjXZ9F6ilIpVmYEhhanm GA67xLzllk5EmjuG0gnhu4xmiE _RwSgaAhn8EALw_wcB |
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