Rotação controlada de observadores humanos em um ambiente de realidade virtual
Summary
A rotação física controlada de um observador humano é desejável para certas aplicações experimentais, recreativas e educacionais. Este artigo descreve um método para converter uma cadeira giratória de escritório em um meio para rotação física controlada em um ambiente de realidade virtual.
Abstract
O baixo custo e a disponibilidade de sistemas de Realidade Virtual (VR) têm suportado uma aceleração recente da pesquisa sobre percepção e comportamento em condições mais naturalistas, multissensoriais e imersivas. Uma área de pesquisa que se beneficiou particularmente do uso de sistemas VR é a integração multissensorial, por exemplo, a integração de pistas visuais e vestibulares para dar origem a uma sensação de auto-movimento. Por essa razão, um método acessível para a rotação física controlada de um observador em um ambiente virtual representa uma inovação útil. Este artigo apresenta um método para automatizar a rotação de uma cadeira giratória de escritório, juntamente com um método para integrar esse movimento em uma experiência VR. Utilizando um exemplo de experimento, demonstra-se que o movimento físico, assim produzido, está integrado à experiência visual de um observador de forma coerente com as expectativas; alta integração quando o movimento é congruente com o estímulo visual e baixa integração quando o movimento é incongruente.
Introduction
Muitas pistas se combinam em condições naturais para produzir uma sensação de auto-movimento1. Produzir tal sentido é um objetivo em muitas aplicações de VR recreativas, de saúde e educacionais 2,3,4,5, e simplesmente entender como as pistas se combinam para dar uma sensação de auto-movimento tem sido um esforço de longo prazo de neurocientistas 6,7,8,9,10,11 . As três classes mais importantes de sinais para a percepção de auto-movimento são visual, vestibular e proprioceptiva1. Todos os três se combinam congruentemente durante o movimento ativo natural no mundo real para fornecer um senso robusto e rico de auto-movimento. Para entender o papel de cada classe de pistas e ter uma noção de como as pistas se combinam, os pesquisadores tradicionalmente privaram observadores experimentais de uma ou mais pistas e/ou colocaram pistas em conflito entre si 1,12. Por exemplo, para fornecer pistas vestibulares rotacionais na ausência de pistas proprioceptivas, um observador pode ser girado passivamente por uma cadeira motorizada 13,14,15,16. Tal movimento passivo tem sido mostrado para fornecer pistas muito convincentes para o auto-movimento17. Pistas visuais controladas fornecidas por um fone de ouvido VR podem ser congruentes ou incongruentes com o movimento da cadeira ou ausentes completamente. Pistas proprioceptivas podem ser adicionadas fazendo com que o observador gire a cadeira sob seu próprio poder, por exemplo, empurrando a cadeira com os pés.
Apresentado aqui é um método para converter uma cadeira giratória de escritório em um meio para girar fisicamente o corpo de um observador e integrar esse movimento em uma experiência virtual visual (e potencialmente auditiva). A rotação da cadeira pode estar sob o controle do observador, um programa de computador ou outra pessoa, como o experimentador. A rotação controlada pelo observador pode ser passiva fazendo da rotação motora função da posição do controlador portátil do observador ou ativa, desligando a cadeira e fazendo com que o observador gire a própria cadeira.
Também é apresentado um aplicativo psicofísico para este sistema de cadeira/VR. Esta aplicação de exemplo destaca a utilidade da rotação passiva controlada de um observador na compreensão de como as pistas de auto-movimento interagem para produzir experiências perceptivas globais. O objetivo específico era obter uma visão sobre um movimento de ilusão visual há muito estudado – movimento induzido18,19. Em movimento induzido, um alvo estacionário ou em movimento é perceptivelmente “repelido” longe de um fundo em movimento. Por exemplo, se um ponto alvo vermelho se mover verticalmente para cima contra um campo de pontos azuis movendo-se para a direita, o ponto alvo parecerá mover-se para cima, como esperado, mas também para a esquerda, longe da direção do fundomóvel 20,21. O objetivo era testar se a repulsa é resultado da interpretação do movimento de fundo como sendo causada pelo auto-movimento22,23.
Se este for o caso, então a adição de rotação física que é consistente com o movimento visual de fundo deve levar a uma sensação mais forte de que o movimento de fundo é devido à autorrotação através de um ambiente estacionário. Isso, por sua vez, deve levar a uma maior tendência a subtrair o movimento de fundo do movimento alvo para obter movimento de alvo em relação ao mundo estacionário23. Essa tendência aumentada de subtrair resultaria em maior repulsão de alvo percebida. A autorrotação física consistente ou inconsistente com o movimento de fundo foi adicionada para testar isso. O sistema aqui apresentado permitiu o controle preciso do movimento físico e do movimento visual correspondente para testar esta hipótese. No exemplo, o movimento da cadeira estava sob o controle direto do observador usando o controlador portátil do sistema VR.
Embora existam muitos exemplos de cadeiras giratórias motorizadas para várias aplicações vr na literatura 24,25,26,27,28,29, os autores desconhecem um conjunto conciso de instruções para fazer tal cadeira e integrá-la em uma experiência interativa de VR. Instruções limitadas estão disponíveis para o SwiVRChair29, que é semelhante em estrutura ao apresentado aqui, mas que é projetado com um propósito diferente em mente, ou seja, ser conduzido por um programa de computador para melhorar a imersão em um ambiente VR, onde o movimento da cadeira pode ser substituído pelo usuário colocando os pés no chão. Dada a despesa de cadeiras disponíveis comercialmente 30,31, fazer uma “interna” pode ser uma opção mais viável para alguns pesquisadores. Para quem está nessa situação, o protocolo abaixo deve ser de uso.
Visão geral do sistema
O protocolo consiste em instruções para converter uma cadeira de escritório em uma cadeira giratória eletricamente impulsionada e integrar o movimento da cadeira em uma experiência VR. Todo o sistema, uma vez concluído, é composto por quatro partes: os subsistemas mecânicos, elétricos, de software e vr. Uma fotografia do sistema completo é mostrada na Figura 1. O sistema mostrado foi o usado no experimento de exemplo.
O trabalho do subsistema mecânico é girar fisicamente o eixo superior de uma cadeira giratória através de um motor. Consiste em uma cadeira de escritório à qual duas coisas estão anexadas: uma polia fixada no eixo rotativo superior da cadeira do escritório e uma estrutura de montagem ajustável presa à parte fixa inferior do eixo. Um motor de estepe elétrico é anexado ao suporte, que tem uma polia presa ao eixo que se alinha com a polia no eixo superior da cadeira do escritório. Um cinto acotoda a polia do motor na polia da cadeira, permitindo que o motor gire a cadeira.
O subsistema elétrico fornece energia ao motor e permite o controle eletrônico do motor. Consiste em um motor, uma fonte de alimentação para o motor, uma placa Arduino para interligar o motorista com um computador, e uma fonte de alimentação para o Arduino (opcional). Uma placa Arduino é uma pequena placa popular entre hobbyists e fabricantes profissionais de qualquer coisa eletrônica, que contém um microprocessador programável, controladores, pinos de entrada e saída, e (em alguns modelos) uma porta USB (necessária aqui). Todos os componentes elétricos estão alojados em uma caixa eletricamente isolada modificada sob medida. Como a energia da rede é necessária para o transformador que fornece energia para o motor e para a fonte de alimentação (opcional) Arduino, e como o motor requer altas tensões de operação, todos, exceto o trabalho eletrônico de baixa tensão (passos de protocolo 2.5 a 2.10 abaixo) devem ser realizados por um indivíduo qualificado.
O subsistema de software consiste em software Arduino para programar o software Arduino, Unity para criar o ambiente VR, software Steam para conduzir o sistema VR e plugin Ardity – a Unity que permite que a Unity se comunique com a placa Arduino. Este software foi instalado em um laptop Gygabyte Sabre 15WV8 executando o Microsoft Windows 10 Enterprise para o experimento de exemplo (Figura 1).
O sistema VR consiste em um Display montado na cabeça (HMD), um controlador portátil e estações base para determinar a posição e orientação do HMD e do controlador no espaço. O sistema VR utilizado para este projeto foi o HTC Vive Pro (Figura 1).
Descrito abaixo está o procedimento para combinar esses componentes para alcançar uma experiência virtual que incorpore rotação física (experimento ou não) com movimento de cadeira controlada pelo observador através do controlador portátil ou pelo hospedeiro/experimentador através de um mouse de computador ou um potencialiômetro. A parte final do protocolo consiste nas etapas necessárias para iniciar a experiência vr. Observe que o método de codificação unity para permitir ensaios e coleta de dados está além do escopo deste manuscrito. Algumas etapas, particularmente para o subsistema mecânico, requerem certos equipamentos de oficina e um certo nível de habilidade. Em princípio, os métodos apresentados podem ser ajustados para atender à disponibilidade desses recursos. Alternativas são oferecidas para algumas das etapas mais técnicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este artigo apresenta um método para adicionar rotação automatizada a uma cadeira de escritório sob o controle de um observador ou experimentador, e um método de acompanhamento para integrar esse movimento em uma experiência virtual. As etapas críticas incluem a fixação mecânica do motor na cadeira, a configuração da potência e o controle elétrico do motor, configurando o Arduino e o computador para conduzir o controlador do motor. A etapa de fixação mecânica requer alguns equipamentos e habilidades espe…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelas bolsas do Conselho de Pesquisa Australiano DP160104211, DP190103474 e 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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