가상 현실 환경에서 인간 관찰자의 제어 된 회전
Summary
인간 관찰자의 제어된 물리적 회전은 특정 실험적, 레크리에이션적, 교육적 응용에 바람직하다. 이 백서에서는 사무실 회전 의자를 가상 현실 환경에서 제어된 물리적 회전을 위한 매체로 변환하는 방법을 간략하게 설명합니다.
Abstract
가상 현실 (VR) 시스템의 저렴한 비용과 가용성은보다 자연주의적, 다중 감각 및 몰입 형 조건에서 인식과 행동에 대한 최근의 연구 가속화를 지원했습니다. VR 시스템의 사용으로 특히 이익을 얻은 연구 분야 중 하나는 다중 감각 통합, 예를 들어 시각 및 전정 단서의 통합으로 자기 운동 감각을 불러 일으 킵니다. 이러한 이유로, 가상 환경에서 관찰자의 제어된 물리적 회전을 위한 접근 가능한 방법은 유용한 혁신을 나타낸다. 이 백서에서는 사무실 회전 의자의 회전을 자동화하는 방법과 함께 해당 동작을 VR 경험에 통합하는 방법을 제시합니다. 예제 실험을 사용하여, 이렇게 생성 된 물리적 움직임이 기대와 일치하는 방식으로 관찰자의 시각적 경험과 통합된다는 것이 입증됩니다. 움직임이 시각적 자극과 일치 할 때 높은 통합과 움직임이 일치하지 않을 때 낮은 통합.
Introduction
많은 단서가 자연 조건 하에서 결합하여 자기 운동의 감각을 생성합니다1. 이러한 감각을 생산하는 것은 많은 레크리에이션, 건강 및 교육 VR 응용 프로그램 2,3,4,5에서 목표이며, 단서가 어떻게 결합하여 자기 운동 감각을 부여하는지 이해하는 것은 신경 과학자 6,7,8,9,10,11의 장기적인 노력이었습니다. . 자기 운동 인식을위한 세 가지 가장 중요한 단서 클래스는 시각적, 전정 적 및 고유 한 수용1입니다. 세 가지 모두 현실 세계에서 자연스러운 활동을하는 동안 일치하게 결합하여 견고하고 풍부한 자기 운동 감각을 제공합니다. 각 종류의 단서의 역할을 이해하고 단서가 어떻게 결합되는지에 대한 감각을 얻기 위해 연구자들은 전통적으로 실험 관찰자에게 하나 이상의 단서를 박탈하고 / 또는 서로 충돌하는 단서를배치했습니다 1,12. 예를 들어, 고유 수용 단서가 없을 때 회전 전정 신호를 제공하기 위해, 관찰자는 전동 의자(13,14,15,16)에 의해 수동적으로 회전될 수 있다. 이러한 수동적 운동은 자기 운동(17)에 매우 설득력 있는 단서를 제공하는 것으로 나타났다. VR 헤드셋이 제공하는 제어된 시각적 단서는 의자 동작과 일치하거나 일치하지 않거나 전혀 없을 수 있습니다. 고유 수용 단서는 관찰자가 자신의 힘으로 의자를 회전시키는 것, 예를 들어, 의자를 발로 밀어 넣음으로써 추가 될 수 있습니다.
여기에 제시된 것은 사무실 회전 의자를 관찰자의 신체를 물리적으로 회전시키는 매체로 변환하고 그 움직임을 시각적 (그리고 잠재적으로 청각적인) 가상 경험에 통합하는 방법입니다. 의자의 회전은 관찰자, 컴퓨터 프로그램 또는 실험자와 같은 다른 사람의 통제하에 있을 수 있습니다. 관찰자-제어된 회전은 모터 구동 회전을 관찰자의 핸드헬드 제어기의 위치의 함수로 만들거나, 의자를 끄고 관찰자가 의자 자체를 회전시킴으로써 능동적으로 만들어서 수동적일 수 있다.
또한이 의자 / VR 시스템을위한 정신 물리학 적 응용 프로그램도 제시됩니다. 이 예제 응용 프로그램은 자기 동작 단서가 상호 작용하여 전반적인 지각 경험을 생성하는 방법을 이해하는 데 관찰자의 제어된 수동 회전의 유용성을 강조합니다. 구체적인 목표는 오랫동안 연구 된 시각적 환상 유발 운동18,19에 대한 통찰력을 얻는 것이 었습니다. 유도 된 움직임에서, 고정 또는 움직이는 표적은 움직이는 배경으로부터 지각 적으로 “격퇴”됩니다. 예를 들어, 적색 타겟 점이 오른쪽으로 이동하는 청색 점들의 필드에 대해 수직으로 위쪽으로 이동하면, 타겟 도트는 예상대로 위쪽으로 이동하는 것처럼 보일 뿐만 아니라, 이동 배경(20,21)의 방향으로부터 멀어지면서 왼쪽으로 이동하는 것처럼 보일 것이다. 목표는 반발이 배경 운동을 자기 운동22,23에 의해 야기 된 것으로 해석 한 결과인지 여부를 테스트하는 것이 었습니다.
이 경우, 배경 시각적 움직임과 일치하는 물리적 회전을 추가하면 배경 운동이 고정 된 환경을 통한 자체 회전으로 인한 것이라는 더 강한 감각으로 이어져야합니다. 이것은, 차례로, 정지 세계(23)에 비해 타겟 운동을 얻기 위해 타겟 운동으로부터 배경 운동을 뺄 더 큰 경향으로 이어져야 한다. 이러한 뺄셈 경향의 증가는 더 큰 지각 된 목표 반발을 초래할 것입니다. 배경 운동과 일치하거나 일치하지 않는 물리적 자기 회전이 이것을 테스트하기 위해 추가되었습니다. 여기에 제시된 시스템은 물리적 운동과 그에 상응하는 시각 운동의 정확한 제어가이 가설을 테스트 할 수있게 해주었습니다. 이 예에서 의자 동작은 VR 시스템의 핸드 헬드 컨트롤러를 사용하여 관찰자의 직접 제어하에 있었다.
문헌 24,25,26,27,28,29에는 다양한 VR 응용을위한 전동 회전 의자의 많은 예가 있지만, 저자는 그러한 의자를 만들고 인터랙티브 VR 경험에 통합하기위한 간결한 지침을 알지 못합니다. SwiVRChair(29)에 대해 제한된 명령어가 제공되는데, 이는 구조적으로 여기에서 제시된 것과 유사하지만 다른 목적을 염두에 두고 설계된, 즉 VR 환경에서의 몰입을 개선하기 위해 컴퓨터 프로그램에 의해 구동되는 것, 즉 의자 움직임이 바닥에 발을 올려 놓음으로써 사용자에 의해 재정의될 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 의자30,31의 비용을 감안할 때, 하나의 “사내”를 만드는 것이 일부 연구자에게보다 실용적인 옵션 일 수 있습니다. 이 상황에 처한 사람들에게는 아래 프로토콜을 사용해야합니다.
시스템 개요
이 프로토콜은 사무실 의자를 전기 구동 회전 의자로 변환하고 의자 움직임을 VR 경험에 통합하기위한 지침으로 구성됩니다. 전체 시스템은 일단 완료되면 기계, 전기, 소프트웨어 및 VR 서브 시스템의 네 부분으로 구성됩니다. 전체 시스템의 사진은 그림 1에 나와 있습니다. 표시된 시스템은 실시예 실험에 사용된 시스템이었다.
기계식 서브 시스템의 임무는 모터를 통해 회전 의자의 상부 샤프트를 물리적으로 회전시키는 것입니다. 그것은 두 가지가 부착되는 사무실 의자로 구성됩니다 : 사무실 의자의 상부 회전 샤프트에 고정 된 풀리와 샤프트의 하단 고정 부분에 부착 된 조정 가능한 장착 프레임. 전기 스테퍼 모터가 마운트에 부착되어 있으며, 샤프트에 풀리가 부착되어 사무실 의자의 상부 샤프트에있는 풀리와 일렬로 정렬됩니다. 벨트는 모터 풀리를 의자 풀리에 결합시켜 모터가 의자를 회전시킬 수 있도록 합니다.
전기 서브 시스템은 모터에 전력을 공급하고 모터의 전자 제어를 허용합니다. 모터 드라이버, 모터용 전원 공급 장치, 드라이버와 컴퓨터를 인터페이싱하기 위한 Arduino 보드 및 Arduino용 전원 공급 장치(옵션)로 구성됩니다. Arduino 보드는 프로그래밍 가능한 마이크로 프로세서, 컨트롤러, 입력 및 출력 핀, USB 포트 (일부 모델에서는 여기에 필요)가 포함 된 전자 제품의 애호가 및 전문 제조업체 사이에서 인기있는 소형 보드입니다. 모든 전기 부품은 맞춤형 수정 전기 절연 상자에 보관됩니다. 모터에 전력을 공급하는 변압기 및 (옵션) Arduino 전원 공급 장치에 주 전원이 필요하고 모터에 높은 작동 전압이 필요하기 때문에 저전압 전자 작업 (아래의 프로토콜 단계 2.5 ~ 2.10)을 제외한 모든 것은 자격을 갖춘 개인이 수행해야합니다.
소프트웨어 서브시스템은 아두이노 프로그래밍을 위한 아두 이노 소프트웨어, VR 환경을 만들기 위한 Unity 소프트웨어, VR 시스템을 구동하기 위한 Steam 소프트웨어, Unity가 아두 이노 보드와 통신 할 수있게 해주는 Unity 플러그인 인 Ardity로 구성됩니다. 이 소프트웨어는 예제 실험을 위해 Microsoft Windows 10 Enterprise를 실행하는 Gygabyte Sabre 15WV8 노트북에 설치되었습니다(그림 1).
VR 시스템은 헤드 마운트 디스플레이(HMD), 핸드헬드 컨트롤러, 우주에서 HMD 및 컨트롤러의 위치와 방향을 결정하기 위한 기지국으로 구성됩니다. 이 프로젝트에 사용된 VR 시스템은 HTC Vive Pro였습니다(그림 1).
아래는 이러한 구성 요소를 결합하여 물리적 회전(실험 또는 기타)을 핸드헬드 컨트롤러를 통해 관찰자가 제어하거나 컴퓨터 마우스 또는 전위차계를 통해 호스트/실험자가 제어하는 의자 모션과 통합하는 가상 경험을 달성하는 절차입니다. 프로토콜의 마지막 부분은 VR 경험을 시작하는 데 필요한 단계로 구성됩니다. 시험 및 데이터 수집을 허용하기 위해 Unity를 코딩하는 방법은 이 원고의 범위를 벗어납니다. 일부 단계, 특히 기계 서브 시스템의 경우 특정 작업장 장비와 일정 수준의 기술이 필요합니다. 원칙적으로, 제시된 방법들은 이들 자원의 가용성에 적합하도록 조정될 수 있다. 좀 더 기술적 인 단계 중 일부에 대한 대안이 제공됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 백서에서는 관찰자 또는 실험자의 제어하에 사무실 의자에 자동 회전을 추가하는 방법과 해당 동작을 가상 환경에 통합하는 방법을 제시합니다. 중요한 단계에는 의자에 모터를 기계적으로 부착하고, 모터의 전원 및 전기 제어를 설정 한 다음 모터 컨트롤러를 구동하도록 Arduino와 컴퓨터를 구성하는 것이 포함됩니다. 기계적 부착 단계에는 몇 가지 특수 장비와 기술이 필요하지만 가장 어려운…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 호주 연구위원회 보조금 DP160104211, DP190103474 및 DP190103103에 의해 지원되었습니다.
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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