Kontrollierte Rotation menschlicher Beobachter in einer Virtual-Reality-Umgebung
Summary
Die kontrollierte physische Rotation eines menschlichen Beobachters ist für bestimmte experimentelle, Freizeit- und Bildungsanwendungen wünschenswert. Dieses Papier skizziert eine Methode zur Umwandlung eines Bürodrehstuhls in ein Medium für kontrollierte physische Rotation in einer Virtual-Reality-Umgebung.
Abstract
Die niedrigen Kosten und die Verfügbarkeit von Virtual Reality (VR) -Systemen haben eine jüngste Beschleunigung der Erforschung von Wahrnehmung und Verhalten unter naturalistischeren, multisensorischen und immersiveren Bedingungen unterstützt. Ein Forschungsgebiet, das besonders vom Einsatz von VR-Systemen profitiert hat, ist die multisensorische Integration, zum Beispiel die Integration von visuellen und vestibulären Signalen, um ein Gefühl der Selbstbewegung zu erzeugen. Aus diesem Grund stellt eine zugängliche Methode zur kontrollierten physischen Rotation eines Beobachters in einer virtuellen Umgebung eine sinnvolle Neuerung dar. Dieses Papier stellt eine Methode zur Automatisierung der Rotation eines Bürodrehstuhls zusammen mit einer Methode zur Integration dieser Bewegung in ein VR-Erlebnis vor. Anhand eines Beispielexperiments wird gezeigt, dass die so erzeugte physikalische Bewegung in einer Weise in die visuelle Erfahrung eines Beobachters integriert ist, die den Erwartungen entspricht; hohe Integration, wenn die Bewegung mit dem visuellen Reiz kongruent ist, und niedrige Integration, wenn die Bewegung inkongruent ist.
Introduction
Viele Hinweise verbinden sich unter natürlichen Bedingungen, um ein Gefühl der Selbstbewegung zu erzeugen1. Ein solches Gefühl zu erzeugen ist ein Ziel in vielen Erholungs-, Gesundheits- und Bildungs-VR-Anwendungen 2,3,4,5, und einfach zu verstehen, wie sich Hinweise verbinden, um ein Gefühl der Selbstbewegung zu vermitteln, war ein langfristiges Unterfangen von Neurowissenschaftlern 6,7,8,9,10,11 . Die drei wichtigsten Klassen von Hinweisen für die Wahrnehmung von Eigenbewegungen sind visuell, vestibulär und propriozeptiv1. Alle drei verbinden sich kongruent während der natürlichen aktiven Bewegung in der realen Welt, um ein robustes und reiches Gefühl der Selbstbewegung zu vermitteln. Um die Rolle jeder Klasse von Hinweisen zu verstehen und ein Gefühl dafür zu bekommen, wie sich Hinweise kombinieren, haben Forscher experimentellen Beobachtern traditionell einen oder mehrere Hinweise vorenthalten und / oder Hinweise miteinander in Konflikt gebracht 1,12. Zum Beispiel, um rotationale vestibuläre Hinweise in Abwesenheit von propriozeptiven Hinweisen bereitzustellen, kann ein Beobachter passiv von einem motorisierten Stuhl13,14,15,16 gedreht werden. Es hat sich gezeigt, dass eine solche passive Bewegung sehr überzeugende Hinweise auf die Selbstbewegungliefert 17. Kontrollierte visuelle Hinweise, die von einem VR-Headset bereitgestellt werden, können kongruent oder inkongruent mit der Stuhlbewegung sein oder ganz fehlen. Propriozeptive Hinweise können hinzugefügt werden, indem der Betrachter den Stuhl aus eigener Kraft drehen lässt, z. B. indem er den Stuhl mit den Füßen herumschiebt.
Hier wird eine Methode vorgestellt, um einen Bürodrehstuhl in ein Medium zu verwandeln, um den Körper eines Beobachters physisch zu drehen und diese Bewegung in eine visuelle (und möglicherweise auditive) virtuelle Erfahrung zu integrieren. Die Rotation des Stuhls kann unter der Kontrolle des Beobachters, eines Computerprogramms oder einer anderen Person wie des Experimentators erfolgen. Die vom Beobachter gesteuerte Rotation kann passiv sein, indem die motorgetriebene Rotation eine Funktion der Position des Handreglers des Beobachters ist, oder aktiv sein, indem der Stuhl ausgeschaltet wird und der Beobachter den Stuhl selbst dreht.
Ebenfalls vorgestellt wird eine psychophysische Anwendung für diesen Stuhl/VR-System. Diese Beispielanwendung unterstreicht die Nützlichkeit der kontrollierten passiven Rotation eines Beobachters für das Verständnis, wie Selbstbewegungshinweise interagieren, um allgemeine Wahrnehmungserfahrungen zu erzeugen. Das spezifische Ziel war es, Einblick in eine lang untersuchte visuelle Illusions-induzierte Bewegungzu erhalten 18,19. Bei induzierter Bewegung wird ein stationäres oder sich bewegendes Ziel wahrnehmungsweise von einem sich bewegenden Hintergrund “abgestoßen”. Wenn sich beispielsweise ein roter Zielpunkt vertikal nach oben gegen ein Feld blauer Punkte bewegt, die sich nach rechts bewegen, scheint sich der Zielpunkt wie erwartet nach oben, aber auch nach links zu bewegen, weg von der Richtung des sich bewegendenHintergrunds 20,21. Ziel war es, zu testen, ob die Abstoßung ein Ergebnis der Interpretation der Hintergrundbewegung als durch Eigenbewegung verursacht wird22,23.
Wenn dies der Fall ist, sollte die Hinzufügung einer physischen Rotation, die mit der visuellen Hintergrundbewegung übereinstimmt, zu einem stärkeren Gefühl führen, dass die Hintergrundbewegung auf die Selbstrotation durch eine stationäre Umgebung zurückzuführen ist. Dies wiederum sollte zu einer größeren Tendenz führen, die Hintergrundbewegung von der Zielbewegung abzuziehen, um die Zielbewegung relativ zur stationären Welt23 zu erhalten. Diese erhöhte Tendenz zum Subtrahieren würde zu einer größeren wahrgenommenen Zielabstoßung führen. Physische Selbstrotation, die entweder mit der Hintergrundbewegung konsistent oder inkonsistent war, wurde hinzugefügt, um dies zu testen. Das hier vorgestellte System ermöglichte die präzise Steuerung der physischen Bewegung und der entsprechenden visuellen Bewegung, um diese Hypothese zu testen. Im Beispiel stand die Stuhlbewegung unter der direkten Kontrolle des Beobachters mit dem Handheld-Controller des VR-Systems.
Obwohl es in der Literatur viele Beispiele für motorisierte Drehstühle für verschiedene VR-Anwendungen gibt 24,25,26,27,28,29, sind den Autoren eine prägnante Reihe von Anweisungen zur Herstellung eines solchen Stuhls und zur Integration in ein interaktives VR-Erlebnis nicht bekannt. Für den SwiVRChair29 stehen begrenzte Anweisungen zur Verfügung, der in seiner Struktur dem hier vorgestellten ähnelt, aber mit einem anderen Zweck entwickelt wurde, nämlich von einem Computerprogramm gesteuert zu werden, um das Eintauchen in eine VR-Umgebung zu verbessern, in der die Stuhlbewegung vom Benutzer außer Kraft gesetzt werden kann, indem er seine Füße auf den Boden legt. Angesichts der Kosten für kommerziell erhältliche Lehrstühle30,31 könnte es für einige Forscher eine praktikablere Option sein, einen “internen” Lehrstuhl zu machen. Für diejenigen, die sich in dieser Situation befinden, sollte das folgende Protokoll von Nutzen sein.
Systemübersicht
Das Protokoll besteht aus Anweisungen zur Umwandlung eines Bürostuhls in einen elektrisch angetriebenen Drehstuhl und zur Integration der Stuhlbewegung in ein VR-Erlebnis. Das gesamte System besteht nach seiner Fertigstellung aus vier Teilen: den mechanischen, elektrischen, Software- und VR-Subsystemen. Ein Foto des gesamten Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. Das gezeigte System war dasjenige, das im Beispielexperiment verwendet wurde.
Die Aufgabe des mechanischen Subsystems besteht darin, die obere Welle eines Drehstuhls über einen Motor physisch zu drehen. Es besteht aus einem Bürostuhl, an dem zwei Dinge befestigt sind: eine Riemenscheibe, die an der oberen rotierenden Welle des Bürostuhls befestigt ist, und ein verstellbarer Montagerahmen, der am unteren festen Teil der Welle befestigt ist. An der Halterung ist ein elektrischer Schrittmotor angebracht, an dessen Welle eine Riemenscheibe befestigt ist, die mit der Riemenscheibe auf der oberen Welle des Bürostuhls ausgerichtet ist. Ein Riemen koppelt die Motorscheibe mit der Stuhlscheibe, so dass der Motor den Stuhl drehen kann.
Das elektrische Subsystem versorgt den Motor mit Strom und ermöglicht die elektronische Steuerung des Motors. Es besteht aus einem Motortreiber, einem Netzteil für den Motor, einem Arduino-Board zur Anbindung des Treibers an einen Computer und einem Netzteil für den Arduino (optional). Ein Arduino-Board ist ein beliebtes kleines Board unter Hobbyisten und professionellen Herstellern von elektronischem Gerät, das einen programmierbaren Mikroprozessor, Controller, Ein- und Ausgangspins und (in einigen Modellen) einen USB-Anschluss (hier erforderlich) enthält. Alle elektrischen Komponenten sind in einer speziell modifizierten elektrisch isolierten Box untergebracht. Da für den Transformator, der den Motor mit Strom versorgt, und für die (optionale) Arduino-Stromversorgung Netzstrom benötigt wird und der Motor hohe Betriebsspannungen benötigt, sollten alle elektronischen Arbeiten mit Ausnahme der Niederspannungsarbeiten (Protokollschritte 2.5 bis 2.10 unten) von einer qualifizierten Person ausgeführt werden.
Das Software-Subsystem besteht aus Arduino-Software zur Programmierung des Arduino, Unity-Software zum Erstellen der VR-Umgebung, Steam-Software zum Steuern des VR-Systems und Ardity – einem Unity-Plugin, mit dem Unity mit dem Arduino-Board kommunizieren kann. Diese Software wurde auf einem Gygabyte Sabre 15WV8-Laptop mit Microsoft Windows 10 Enterprise für das Beispielexperiment installiert (Abbildung 1).
Das VR-System besteht aus einem Head-Mounted Display (HMD), einem Handheld-Controller und Basisstationen zur Bestimmung der Position und Ausrichtung des HMD und des Controllers im Weltraum. Das VR-System, das für dieses Projekt verwendet wurde, war das HTC Vive Pro (Abbildung 1).
Im Folgenden wird das Verfahren zum Kombinieren dieser Komponenten beschrieben, um eine virtuelle Erfahrung zu erzielen, die eine physische Rotation (Experiment oder anderweitig) mit einer Stuhlbewegung beinhaltet, die vom Beobachter über den Handcontroller oder vom Host / Experimentator über eine Computermaus oder ein Potentiometer gesteuert wird. Der letzte Teil des Protokolls besteht aus den Schritten, die notwendig sind, um die VR-Erfahrung zu initiieren. Beachten Sie, dass die Methode zum Codieren von Unity, um Versuche und Datensammlungen zu ermöglichen, den Rahmen dieses Manuskripts sprengen würde. Einige Schritte, insbesondere für das mechanische Subsystem, erfordern eine bestimmte Werkstattausrüstung und ein gewisses Maß an Fertigkeit. Grundsätzlich können die vorgestellten Methoden an die Verfügbarkeit dieser Ressourcen angepasst werden. Für einige der eher technischen Schritte werden Alternativen angeboten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Papier stellt eine Methode zum Hinzufügen einer automatisierten Rotation zu einem Bürostuhl unter der Kontrolle eines Beobachters oder Experimentators und eine begleitende Methode zur Integration dieser Bewegung in ein virtuelles Erlebnis vor. Zu den kritischen Schritten gehören die mechanische Befestigung des Motors am Stuhl, die Einrichtung der Stromversorgung und der elektrischen Steuerung des Motors sowie die anschließende Konfiguration des Arduino und des Computers zum Antrieb der Motorsteuerung. Der mech…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch die Zuschüsse des Australian Research Council DP160104211, DP190103474 und DP190103103 unterstützt.
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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