バーチャルリアリティ環境における人間の観察者の制御された回転
Summary
人間の観察者の制御された物理的回転は、特定の実験的、娯楽的、および教育的用途にとって望ましい。本稿では、オフィスの回転椅子をバーチャルリアリティ環境における物理的な回転を制御するための媒体に変換する方法を概説する。
Abstract
バーチャルリアリティ(VR)システムの低コストと可用性は、より自然主義的、多感覚的、没入型条件下での知覚と行動に関する研究の最近の加速を支えてきました。VRシステムの使用から特に恩恵を受けた研究分野の1つは、多感覚の統合、例えば、視覚と前庭の手がかりを統合して自己運動の感覚を生じさせることです。このため、仮想環境における観測者の制御された物理的回転のためのアクセス可能な方法は、有用な革新を表す。本稿では、オフィスの回転椅子の回転を自動化する方法と、その動きをVR体験に統合する方法を提示する。実験例を用いて、このようにして生成された物理的運動が、期待と一致する方法で観察者の視覚経験と統合されることが実証される。動きが視覚刺激と一致する場合は高積分、運動が不整合な場合は低積分。
Introduction
自然条件下では、多くの手がかりが組み合わさって、自己運動の感覚を生み出します1.このような感覚を生み出すことは、多くのレクリエーション、健康、教育VRアプリケーション2、3、4、5の目標であり、手がかりがどのように組み合わさって自己運動の感覚を与えるかを理解することは、神経科学者の長期的な努力でした6,7,8,9,10,11 .自己運動知覚の手がかりの3つの最も重要なクラスは、視覚的、前庭的、および固有受容性1である。3つとも、現実世界での自然な活動的な動きの間に一致して結合し、堅牢で豊かな自己運動の感覚を提供します。手がかりの各クラスの役割を理解し、手がかりがどのように結合するかを理解するために、研究者は伝統的に実験観察者から1つ以上の手がかりを奪い、および/または手がかりを互いに矛盾させてきた1,12。例えば、固有受容性手がかりの非存在下で回転前庭合図を提供するために、観察者は、電動椅子13、14、15、16によって受動的に回転させることができる。このような受動運動は、自己運動17に非常に説得力のある手がかりを提供することが示されている。VRヘッドセットによって提供される制御された視覚的合図は、椅子の動きと一致したり矛盾したり、まったく存在しない場合があります。固有受容性の手がかりは、観察者に自分の力で椅子を回転させることによって、例えば、椅子を足で押し回すことによって追加することができる。
ここでは、オフィスの回転椅子を、観察者の身体を物理的に回転させるための媒体に変換し、その動きを視覚的(および潜在的に聴覚的)な仮想体験に統合する方法を紹介します。椅子の回転は、観察者、コンピュータプログラム、または実験者などの別の人の制御下に置くことができる。オブザーバー制御の回転は、モーター駆動の回転をオブザーバーのハンドヘルドコントローラの位置の関数にすることによって受動的にすることも、椅子をオフにしてオブザーバーが椅子自体を回転させることによってアクティブにすることもできます。
また、この椅子/ VRシステムのための心理物理学的なアプリケーションも提示されます。このサンプル アプリケーションでは、観測者の制御されたパッシブ回転が、自己運動の手がかりがどのように相互作用して全体的な知覚エクスペリエンスを生成するかを理解する上での有用性を強調しています。具体的な目標は、長い間研究されてきた錯視誘発運動についての洞察を得ることでした18,19。誘導運動では、静止または移動するターゲットは、移動する背景から知覚的に「反発」されます。例えば、赤色のターゲットドットが、右に移動する青色のドットのフィールドに対して垂直に上方に移動する場合、ターゲットドットは、予想通り上方に移動するように見えるが、移動する背景20、21の方向から離れて、左にも移動するように見える。その目的は、反発が背景運動を自己運動22、23によって引き起こされたと解釈した結果であるかどうかを検定することであった。
この場合、背景の視覚運動と一致する物理的な回転を追加すると、背景の動きが静止した環境を介した自己回転によるものであるというより強い感覚が得られるはずです。これは、次に、静止世界23に対する標的運動を得るために、目標運動から背景運動を減算するより大きな傾向につながるはずである。この減算傾向の増加は、より大きな知覚された標的反発をもたらすであろう。これをテストするために、背景モーションと一致するか、または矛盾する物理的な自己回転が追加されました。ここで提示されたシステムは、この仮説を検証するために、物理的運動および対応する視覚運動の正確な制御を可能にした。この例では、椅子の動きは、VRシステムのハンドヘルドコントローラを使用して観察者を直接制御していました。
文献24,25,26,27,28,29には、さまざまなVRアプリケーション用の電動回転椅子の多くの例がありますが、著者らは、そのような椅子を作り、インタラクティブなVR体験に統合するための簡潔な一連の指示を知らない。SwiVRChair29は、構造的にはここに示すものと似ていますが、異なる目的を念頭に置いて設計されており、VR環境での没入感を向上させるためにコンピュータプログラムによって駆動されるように設計されており、椅子の動きは地面に足を置くことによってユーザーがオーバーライドすることができます。市販の椅子30,31の費用を考えると、1つの「社内」を作ることは、一部の研究者にとってより実行可能な選択肢かもしれません。このような状況にある人にとっては、以下のプロトコルが役に立つはずです。
システム概要
このプロトコルは、オフィスチェアを電気駆動の回転チェアに変換し、チェアの動きをVR体験に統合するための指示で構成されています。システム全体が完成すると、機械、電気、ソフトウェア、VR サブシステムの 4 つの部分で構成されます。システム全体の写真を 図1に示します。示されたシステムは、実験例で使用したシステムであった。
機械サブシステムの仕事は、モーターを介して回転椅子の上部シャフトを物理的に回転させることです。これは、オフィスチェアの上部回転軸に固定されたプーリーと、シャフトの下部固定部分に取り付けられた調整可能な取り付けフレームの2つのものが取り付けられたオフィスチェアで構成されています。マウントには電動ステッピングモーターが取り付けられており、そのシャフトにはプーリーが取り付けられており、オフィスチェアの上部シャフトのプーリーと並んでいます。ベルトはモータープーリーを椅子プーリーに結合し、モーターが椅子を回転させることを可能にします。
電気サブシステムはモーターに電力を供給し、モーターの電子制御を可能にします。これは、モータドライバ、モータ用の電源、ドライバとコンピュータとを接続するためのArduinoボード、およびArduino用の電源(オプション)で構成されています。Arduinoボードは、プログラマブルマイクロプロセッサ、コントローラ、入出力ピン、および(一部のモデルでは)USBポート(ここで必須)を含む、電子製品の愛好家やプロメーカーの間で人気のある小型ボードです。すべての電気部品は、カスタム修正された電気的に絶縁されたボックスに収容されています。モータに電力を供給するトランスと(オプションの)Arduino電源には主電源が必要であり、モータは高い動作電圧を必要とするため、低電圧の電子作業(以下のプロトコルステップ2.5〜2.10)を除くすべての作業は、資格のある個人が実行する必要があります。
ソフトウェアサブシステムは、ArduinoをプログラミングするためのArduinoソフトウェア、VR環境を作成するためのUnityソフトウェア、VRシステムを駆動するためのSteamソフトウェア、およびUnityがArduinoボードと通信できるようにするUnityプラグインであるArdityで構成されています。このソフトウェアは、実験例のためにMicrosoft Windows 10 Enterpriseを実行しているGygabyte Sabre 15WV8ラップトップにインストールされました(図1)。
VRシステムは、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)、ハンドヘルドコントローラ、および空間におけるHMDとコントローラの位置と向きを決定するための基地局で構成されています。このプロジェクトで使用したVRシステムはHTC Vive Proでした(図1)。
以下に説明するのは、これらのコンポーネントを組み合わせて、ハンドヘルドコントローラを介して観察者によって制御される椅子の動き、またはコンピュータマウスまたはポテンショメータを介してホスト/実験者によって制御される椅子の動きと、物理的な回転(実験またはその他の方法)を組み込んだ仮想体験を達成するための手順である。プロトコルの最後の部分は、VR体験を開始するために必要な手順で構成されています。試行とデータ収集を可能にするために Unity をコーディングする方法は、この原稿の範囲外であることに注意してください。一部のステップ、特に機械サブシステムの場合、特定のワークショップ機器と一定レベルのスキルが必要です。原則として、提示された方法は、それらのリソースの利用可能性に合わせて調整することができる。より技術的なステップのいくつかについて、代替案が提供されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
本稿では、観察者や実験者の制御下でオフィスチェアに自動回転を追加する方法と、その動きを仮想体験に統合するための付随的な方法を提示する。重要なステップには、モーターを椅子に機械的に取り付け、モーターの電源と電気制御を設定し、モーターコントローラーを駆動するようにArduinoとコンピューターを構成することが含まれます。機械的な取り付けステップには、いくつかの特…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、オーストラリア研究評議会の助成金DP160104211、DP190103474、およびDP190103103の支援を受けました。
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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