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Behavior

Rotação controlada de observadores humanos em um ambiente de realidade virtual

Published: April 21, 2022 doi: 10.3791/63699
Automatic Translation
1, 2, 1
1School of Psychology, University of Western Australia, 2Falco Enterprise

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.

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Protocol

AVISO: O trabalho elétrico deve ser realizado por uma pessoa qualificada.

1. Procedimento de configuração do sistema mecânico

  1. Fixar a polia principal ao eixo superior da cadeira giratória.
    1. Remova o eixo superior.
      NOTA: Isso normalmente envolve colocar a cadeira de lado e remover um pino na base da cadeira que impede que o eixo superior deslize para fora do eixo inferior.
    2. Ajuste de fricção da polia no eixo.
      1. Use pinças Vernier para obter o diâmetro do eixo. Use um torno para furar o orifício da polia para combinar com o diâmetro do eixo.
      2. Crie orifícios roscados para parafusos que fixarão a polia no eixo. Faça furos adicionais no cubo da polia para fazer um total de 4, combinando o diâmetro com o dos parafusos. Rosqueie os orifícios usando uma torneira para que os parafusos possam ser usados para fixar a polia ao eixo, combinando a rosca com a dos parafusos
        NOTA: Uma ALTERNATIVA se não for possível criar um fio é perfurar todo o caminho através do cubo da polia e do eixo da cadeira, e executar um parafuso todo o caminho, uma vez que a colocação correta da polia tenha sido determinada (após o passo 1.4.6).
      3. Deslize a polia no eixo da cadeira.
      4. Insira os parafusos livremente (aperte depois que as polias principais e pequenas estiverem alinhadas).
    3. Coloque o cinto de acionamento livremente no eixo da cadeira superior (para caber nas polias principais e pequenas depois).
    4. Recoloque o eixo da cadeira superior na base da cadeira.
  2. Conecte o suporte do motor ao eixo inferior da cadeira giratória.
    1. Fabricar um grampo ajustável ao qual os suportes de montagem do motor podem ser anexados.
      1. Fabricar os dois componentes correspondentes do grampo – um para cada lado do eixo (a ser espremido junto com quatro parafusos). Consulte a Figura 2 para obter dimensões.
      2. Para cada componente, corte o ferro de ângulo de 90° para o comprimento. Conecte as 4 folhas pelas quais os parafusos serão executados.
      3. Em volta das bordas de cada folha (barra de metal) por segurança. Faça furos perto da extremidade de cada barra grande o suficiente para os parafusos se encaixarem. Faça uma curva de 45° na posição apropriada (marque a barra para tornar a curva mais precisa). Soldar cada barra para os furos de ferro angular para fora.
        NOTA: ALTERNATIVAMENTE, as folhas podem ser aparafusadas no lugar, tomando cuidado para não causar uma saliência que impedirá que o ferro angular entre em contato com o eixo da cadeira.
    2. Fabricar dois suportes de montagem do motor. Consulte a Figura 3 para obter dimensões. Para cada suporte, faça dois furos na barra para fixação ao grampo apenas descrito. Dobre 90° na posição apropriada (marque a barra para tornar a curva mais precisa).
    3. Coloque o grampo e o suporte no eixo inferior da cadeira inserindo os 4 parafusos através dos componentes e suportes do grampo e apertando. Certifique-se de que os parafusos não estão muito apertados se a montagem precisar ser ajustada para acomodar o processo de alinhamento na etapa 1.4.6.
  3. Coloque a polia pequena no eixo do motor.
    1. Triture a chave no eixo do motor plano (não mais saliente).
      NOTA: Isso fornecerá uma superfície plana contra a qual o parafuso da polia pode ser apertado para evitar o deslizamento da polia ao redor do eixo do motor.
    2. Faça o orifício na polia para combinar com o diâmetro do eixo do motor.
    3. Deslize a polia sobre o eixo e aperte o parafuso contra a superfície plana do eixo.
  4. Conecte o motor ao suporte do motor descrito acima.
    1. Prepare cada uma das 4 barras de fixação do motor perfurando dois furos nas posições apropriadas (os orifícios precisam se alinhar com os orifícios de montagem no motor). Consulte a Figura 4 para obter dimensões.
    2. Se necessário para a liberação, corte uma seção da parte superior das duas barras para permitir que a polia no eixo do motor gire livremente (opcional).
    3. Coloque os quatro pequenos suportes de fixação de tampa sobre os quatro orifícios externos. Use-os mais tarde para fixar a tampa protetora sobre o cinto e as polias.
    4. Fixar livremente as oito porcas e parafusos, deixando espaço entre as barras superior e inferior para deslizar as barras do suporte de montagem entre eles.
    5. Deslize as barras de montagem do motor sobre a barra superior acima da barra de suporte de montagem e cada uma inferior abaixo.
    6. Posicione e aperte o motor.
      1. Mova a polia principal, a roldana pequena, ou tanto para cima quanto para baixo até que as polias principais e pequenas estejam alinhadas horizontalmente. Mova o grampo se necessário.
      2. Coloque o cinto de acionamento sobre as polias pequenas e principais.
      3. Deslize o conjunto do motor para longe da cadeira até que a correia esteja apertada.
      4. Aperte os 8 parafusos nas barras de fixação do motor para fixar o motor ao suporte do motor.
      5. Aperte os parafusos do grampo e os parafusos da polia.
  5. Conecte uma tampa para evitar que qualquer coisa fique presa no sistema de polia/correia.
    1. Dobre as laterais da tampa protetora acrílica conforme a Figura 5.
      NOTA: Uma ALTERNATIVA, se um dobrador de acrílico não estiver disponível, é usar uma folha de metal e um dobrador de folhas.
    2. Corte uma seção para caber ao redor do eixo da cadeira de acordo com a Figura 5.
    3. Faça furos para combinar com os orifícios nos pequenos suportes de fixação da tampa.
    4. Use os pequenos parafusos de fixação da tampa para fixar a tampa.

2. Procedimento de configuração do sistema elétrico

  1. Conecte o interruptor de liga/desliga e o interruptor de desligamento de emergência à alimentação da rede. Use cabos apropriados de tensão e corrente para conectar o conector IEC (conector masculino para o cabo de alimentação da rede) ao interruptor de desligamento e desligamento de emergência em série (de modo que a quebra do circuito com qualquer um deles corte a energia para o resto dos componentes).
    NOTA: Pode ser necessária solda.
  2. Conecte a fonte de alimentação DC de 5 V para o Arduino ao interruptor de liga/desliga (opcional).
    NOTA: A soldagem e a rede de cabos nominal necessárias.
  3. Conecte a fonte de alimentação DC de 48 V para o driver da cadeira ao interruptor de liga/desliga em paralelo à fonte de alimentação de 5 V.
    NOTA: Cabo nominal de rede necessário.
  4. Faça as configurações apropriadas do interruptor DIP para o condutor do motor de estepe Híbrido. Por exemplo:
    1. Ajuste os interruptores 1-4 para ON, OFF, ON e ON, respectivamente, para 1.600 pulsos por revolução para o motor do passo (quanto maior o número, mais fino o controle, mas menor a tampa na velocidade de rotação, dependendo da rapidez com que o Arduino pode produzir pulsos).
    2. Mude 5 para OFF para a direção de rotação padrão no sentido anti-horário.
    3. Mude 6 para ON para o modo DRIVE Point Motion (PM) em oposição ao modo de controle vetorial de espaço (ou Controle orientado a campo, FOC).
    4. Defina os interruptores 7 e 8 para OFF e OFF para combinar o controlador com o motor de loop fechado série 86 12 NM.
  5. Conecte o condutor do motor do estepe Híbrido à fonte de alimentação e aos cabos do driver da cadeira.
    1. Conecte os cabos devidamente classificados dos terminais de saída de alimentação de 48 V aos conectores de entrada de alimentação do motorista do motor e insira a carcaça.
    2. Conecte os dois cabos do motor através de suas carcaças de conectores ao motorista.
  6. Conecte o Arduino ao motor do estepe Híbrido.
    1. Use fios de salto fixados para conectar os terminais PUL+ ("pulso" +), DIR+ ("direção" +) e ENA+ ("habilitar" +) na carcaça do conector do motorista do motor aos pinos 2, 3 e 5 (números de pinos opcionais, mas indicados aqui como exemplos a serem usados por toda parte) no Arduino.
    2. Use fios curtos para conectar os terminais PUL, DIR e ENA da carcaça do conector do motorista do motor e um fio de salto mais longo para conectar o ENA a um pino GND (terra) no Arduino.
    3. Insira a carcaça do conector no motor.
  7. Conecte o Arduino à fonte de alimentação DC de 5 V (opcional). Use fios de salto fixados para conectar os pinos GND e Vin no Arduino aos terminais de saída de 5 V da fonte de alimentação de 5 V.
  8. Conecte o potencialiômetro ao Arduino. Use fios de salto fixados para conectar os pinos A1 (um terminal "analógico dentro") GND e 5 V no Arduino aos três terminais do potencialiômetro.
    NOTA: É necessária solda.
  9. Conecte o interruptor de alternância ao Arduino. Conecte o pino 6 e o GND no Arduino aos dois terminais de interruptor de alternação usando fios de salto presos.
    NOTA: É necessária solda.
  10. Conecte o LED ao Arduino.
    1. Solde o resistor para um terminal do LED (para soltar a tensão no circuito led).
    2. Conecte os pinos 7 e GND no Arduino até a extremidade do resistor e o outro terminal LED usando fios de salto presos.
      NOTA: É necessária solda.
  11. Isole e abriga os componentes elétricos/eletrônicos. Consulte a Figura 6 para obter uma imagem de um sistema alojado completo.
    NOTA: Existem muitas maneiras de isolar os componentes de alta tensão do sistema elétrico, proteger os frágeis componentes eletrônicos de danos e conter todos esses componentes em um espaço gerenciável. Abaixo está um método sugerido.
    1. Furos de perfuração/corte na lateral da caixa de instrumentos para o conector de alimentação IEC, o interruptor de liga/desliga principal, os dois cabos de controle do motor, o pequeno interruptor de alternação, o LED, o potencialiômetro e a porta USB do Arduino (torná-lo grande para permitir que o ar flua para dentro da caixa para resfriamento).
    2. Conecte cada um desses componentes usando os meios apropriados (por exemplo, parafusos, parafusos, pistola de cola quente).
    3. Corte os orifícios de ventilação (um acima do ventilador na fonte de alimentação de 48 V) e um orifício para o interruptor de emergência na tampa da caixa; em seguida, conecte os filtros de ventilação e o interruptor.
    4. Conecte o Arduino à base da caixa usando espaçadores e parafusos. Posicione para que a porta USB se alinhe com o orifício da porta USB na caixa.
    5. Conecte as fontes de alimentação de 48 V e 5 V e o motor à base da caixa usando Velcro e blocos de espuma.

3. Procedimento de configuração vr

  1. Configure o sistema VR de acordo com as instruções do fabricante.

4. Procedimento de configuração de software

  1. Instale e configure o software Arduino.
    1. Baixe e instale o programa Arduino de acordo com as instruções do desenvolvedor.
    2. Conecte o Arduino ao computador usando um cabo USB.
    3. No menu suspenso ferramentas , selecione a porta à qual a placa Arduino está anexada.
    4. No mesmo menu, selecione a placa e o processador apropriados. Certifique-se de que ele corresponde à placa e processador usados na seção 2 acima, por exemplo, placa "Arduino Mega 2560" e processador "ATmega2560".
  2. Programe a placa Arduino para permitir a rotação da cadeira 1) por meio do potencialiômetro e 2) por meio de comandos do computador via USB.
    1. Escreva o código a ser carregado no processador Arduino.
      NOTA: O código de exemplo do experimento de exemplo está incluído no Arquivo Suplementar 1 (nome do arquivo: hybrid_motor_controller.ino).
    2. Tome nota da taxa de baud (argumento para o comando Serial.Begin(), por exemplo, 9.600.
    3. Salve o código e carregue-o na placa Arduino usando o botão de upload .
  3. Teste que o sistema está funcionando até agora.
    1. Ligue e ligue o subsistema elétrico.
    2. Flick o pequeno interruptor de alternância para uma posição onde a pequena luz indicadora LED acende.
    3. Gire o potencialiômetro para garantir que ele controle a velocidade e a direção da cadeira.
  4. Instale e configure Steam e SteamVR de acordo com as instruções do desenvolvedor.
  5. Instale e configure o Unity.
    1. Instale e configure Unity de acordo com as instruções do desenvolvedor.
    2. Abra um projeto unity novo ou existente (escolha um tipo, por exemplo, "3D" apropriado para a aplicação).
    3. Configure o SteamVR para uso no projeto.
      1. Abra a loja de ativos (clique em Janela | Loja de Ativos).
      2. Pesquise por SteamVR e selecione Plugin SteamVR.
      3. Clique em Adicionar a Ativos.
      4. Em Unity, abra o Gerenciador de pacotes (clique em Janela | Gerenciador de pacotes).
      5. Encontre SteamVR na guia Meus ativos .
      6. Clique em Importar e siga as instruções para concluir a importação.
      7. Clique em Aceitar Tudo se solicitado a fazer alterações configurais.
      8. Importe o Steam VR Camera Rig para a cena. Procure um novo ativo chamado Steam VR na janela do projeto na tela do inspetor. Pré -| de vr do Steam Aberto.
      9. Arraste o ativo [Camera Rig] para a hierarquia ou janela de cena para permitir o uso do fone de ouvido VR e controladores no jogo.
      10. Remova a câmera principal padrão da hierarquia ou cena, pois ela interferirá com a câmera SteamVR.
  6. Instale e configure ardity.
    1. Pesquise ardity na Unity Asset Store e selecione-a para download (etapa 4.5.3.2 acima).
    2. Atualize o nível de compatibilidade da API.
      1. Abra configurações de projeto no menu Editar .
      2. Clique em Player | Outras Configurações.
      3. Escolha .NET 4.X no menu suspenso para o nível de compatibilidade da API.
      4. Configurações de saída e aguarde que as mensagens de erro desapareçam.
  7. Configure o ambiente de jogo unity.
    NOTA: Serão necessárias as seguintes etapas mínimas para que o usuário tenha o controle da cadeira e tenha o movimento da cadeira integrado à sua experiência vr.
    1. Crie os objetos e funções necessários para a aplicação específica.
      1. Crie objetos clicando no GameObject e selecionando objeto 2D ou objeto 3D.
      2. Adicione funcionalidade ao objeto criado clicando no botão Adicionar componente na janela Inspetor para o objeto e selecionando uma das opções. Selecione Novo Script para criar um script C# semelhante ao do Arquivo Suplementar 3 (nome do arquivo: SetUpTrial.cs).
    2. Importe o script do Serial Controller para o jogo.
      1. Na pasta Ativos na janela Projeto , abra a pasta Ardity | Pasta de scripts .
      2. Arraste o script SerialController para o objeto de jogo desejado na janela Heirarchy , por exemplo, o objeto de jogo Background .
      3. Clique no objeto e role para baixo a lista de componentes na janela Inspetor para localizar o script SerialController .
      4. Certifique-se de que o Nome do Porto e a Taxa baud correspondam aos do programa Arduino definido nas etapas 4.1 e 4.2 acima.
      5. Arraste o objeto ao qual o script SerialController está conectado da janela de hierarquia para a caixa de entrada ao lado do Ouvinte de mensagens na janela Inspetor.
    3. Escreva e importe o script do controlador da cadeira para o jogo.
      1. Na parte inferior da janela Inspetor para o mesmo objeto de jogo, clique em Adicionar componente e selecione Novo Script. Nomeie o novo script ChairController.
      2. Escreva o código necessário para pegar comandos de controlador e mouse e transformá-los em números a serem enviados via USB para o Arduino.
        NOTA: Um exemplo mínimo do código necessário está incluído no Arquivo Suplementar 2 (nome do arquivo: ChairController.cs).
      3. Guarde o roteiro.
      4. Encha as caixas vazias na janela do Inspetor . Arraste o objeto HMD da janela Hierarquia para a caixa de entrada ao lado do quadro Head sob o script Controlador da Cadeira na janela Inspetor . Da mesma forma, arraste o objeto Controlador (à direita) para a caixa ao lado da Mão.

5. Procedimento de experimento (ou experiência)

  1. Selecione o método de entrada.
    NOTA: O código ChairController de exemplo fornecido refere-se a um script chamado SetUpTrial onde a entrada variável de inteiro públicoType está definida (onde o inputType 3 é controlador VR e o inputType 4 é mouse). Este script/arranjo variável foi assumido nas etapas abaixo.
  2. Clique no objeto de jogo ao qual o script SetUpTrial está anexado, por exemplo, Fundo.
  3. Role para baixo na janela Inspetor para encontrar as variáveis públicas do script SetUpTrial .
  4. Defina entradaType para 3 para controlador VR ou 4 para controle do mouse.
  5. Pressione o botão Reproduzir em Unity para iniciar a experiência VR com movimento controlado pelos controladores ou pelo mouse.

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Representative Results

O objetivo do experimento de exemplo foi determinar se a adição de rotação física – congruente ou incongruente com o movimento de fundo visual em uma cena - afetou a direção percebida de um alvo em movimento naquela cena. Uma diferença entre movimento físico congruente e incongruente era esperada com base na hipótese de que o movimento de fundo afeta a direção do alvo percebido de acordo com a forma como o sistema visual de um participante atribui a causa do movimento de fundo ao auto-movimento32,33. Se o fundo e os movimentos físicos eram congruentes, então era esperado um maior senso de nexo causal e, assim, um maior desvio da direção do alvo percebido a partir de sua direção real no visor visual.

Um observador controlava a velocidade de rotação e a direção da cadeira usando um controlador VR. Quanto mais à esquerda ou à direita o controlador era da direção frontal do HMD, maior a velocidade de rotação. Na condição congruente, se o padrão alvo, que sempre tinha um componente de movimento vertical positivo, parecesse estar à deriva para a direita da vertical, o observador moveria o controlador para a esquerda. Isso fez com que a cadeira girasse para a esquerda (no sentido anti-horário) e o HMD no observador girasse no sentido anti-horário, o que fez com que o fundo da cena visual se movesse para a direita na velocidade apropriada (como se fosse um fundo estacionário contra o qual o observador estava girando, Figura 7A). Este movimento de fundo para a direita "repeliu" o alvo, adicionando um componente de movimento para a esquerda ao movimento de alvo percebido, como esperado pela ilusão de movimento induzido. A direção alvo era controlada pelo computador, sempre para cima, mas aleatoriamente pisando no sentido horário ou anti-horário de sua direção atual em pequenos intervalos regulares (alcançando uma caminhada aleatória, começando na vertical e abrangendo os dois quadrantes superiores do espaço euclidiano). O objetivo do observador era ajustar sua própria velocidade e direção rotacionais e, assim, a velocidade e direção do fundo, de modo que o movimento induzido causado pelo fundo exatamente cancelou qualquer componente de movimento para a esquerda ou para a direita no alvo.

Na condição incongruente, o movimento do controlador esquerdo fez com que a cadeira girasse para a direita (sentido horário) e o fundo se movesse para a direita através da rotação HMD no sentido horário (Figura 7B). Assim, o movimento do controlador de esquerda causou movimento de fundo para a direita, assim como na condição congruente, mas a cadeira se movia na direção oposta ao que fazia na condição congruente, ou seja, movia-se incongruentemente com o fundo. A rotação para a direita, por exemplo, foi acompanhada pelo movimento de fundo para a direita, o que é inconsistente com um observador girando contra um fundo estacionário.

Uma captura de tela do estímulo visual é mostrada na Figura 8. Os padrões em cada pequeno elemento de estímulo circular se moviam na mesma velocidade e direção que os outros padrões do mesmo objeto (alvo ou fundo) sem que os próprios elementos se movessem, como se cada elemento fosse uma janela estacionária através da qual pudesse ser visto o movimento de um grande objeto subjacente. Isso permitiu uma sensação de movimento sem o alvo e o fundo movendo-se para fora da área de exibição. A área de exibição era um avião a 8 m de distância do observador na cena virtual e trancado em posição em relação ao HMD. Os elementos alvo estavam em um anel com um raio de ângulo visual de 5°, e os elementos de fundo foram espalhados aleatoriamente sobre uma área de 20° x 20° no plano de exibição. A velocidade do alvo foi mantida em 6°/s, e sua direção variou de -10° em torno de 190° (ou seja, geralmente permaneceu nos dois quadrantes superiores do espaço euclidiano). A direção de fundo sempre foi horizontal, e a velocidade variou de acordo com a rapidez com que a cabeça do observador girava no sentido horário ou anti-horário. Os dados coletados continuamente foram analisados por método previamente desenvolvido em laboratório para análise de dados psicofísicos contínuos. Este método é uma extensão de uma abordagem existente para analisar dados de rastreamento contínuo33.

A força do efeito de movimento induzido sob as condições de movimento congruentes e incongruentes foi representada pelo valor do parâmetro β em Eq (1):

Equation 1(1)

Onde p é um vetor representando a velocidade de alvo percebida, t representa a velocidade real do alvo, e b representa a velocidade de fundo. β controla até que ponto a velocidade de fundo é subtraída do movimento alvo para produzir a velocidade de alvo percebida. Quando um observador está girando no mundo real, e um alvo está se movendo dentro de seu campo visual, o movimento de fundo deve ser subtraído completamente do movimento alvo para obter o movimento alvo em relação ao mundo estacionário32. Um β valor de 1 é, portanto, propício com o sistema visual atribuindo a causa do movimento de fundo completamente ao auto-movimento, e um valor mais baixo indica atribuição parcial. Os valores médios β de nove observadores para as duas condições são mostrados na Figura 9.

Para todos, exceto para um observador, o valor médio β diminuiu por causa da cadeira se mover incongruentemente com o estímulo visual (embora a mudança tenha sido significativa para apenas um observador, t(4) = 13,6, p = 0,000). Os dados foram analisados com uma ANOVA bidirecional utilizando observador e congruência como os dois fatores. Ambos os fatores foram significativos com o observador F (8, 32) = 2,857, p = 0,016 e congruência F (1, 32) = 8,236, p = 0,007 indicando uma diferença significativa entre observadores e um efeito significativo da direção de rotação da cadeira. A média prevista β valor para a condição congruente foi de 1,03 e 0,87 para a condição incongruente. Esses resultados correspondem às expectativas apresentadas acima. Um valor β próximo de 1 para a condição congruente indica uma prontidão para atribuir movimento de fundo ao auto-movimento. Um valor significativamente menor para a condição incongruente indica uma prontidão diminuída para fazê-lo. Isso, por sua vez, indica que a experiência de movimento proporcionada pela cadeira correspondeu às expectativas; a cadeira forneceu um meio eficaz de dar aos observadores uma sensação de movimento físico da maneira esperada.

Figure 1
Figura 1: Uma fotografia do sistema completo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Fixar para fixar motor à base da cadeira. (A) Toda a montagem do grampo. (B) Dimensões para ferro angular e folhas combinadas. (C) Dimensões da folha. (D) Dimensionar as dimensões do ferro. Todas as dimensões em mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Suporte para fixação do motor ao conjunto do grampo. (A). (B) Dimensões em mm. Abreviação: dia = diâmetro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Fixação do motor ao suporte do motor. (A) Como fixar as barras de fixação do motor. (B) Dimensões da barra de fixação do motor em mm. (C) Como anexar os suportes de tampa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Anexar a tampa. (A) Processo de fixação de cobertura. (B) O sistema mecânico completo. (C) Cobrir as dimensões em mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Todos os componentes elétricos e eletrônicos na caixa do instrumento. Observe que a potência de 5 V para o Arduino está desconectada nesta foto. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Uma representação esquemática das ações do observador e das mudanças de cadeira e cena resultantes durante o experimento. (A) Condição congruente: se o controlador foi movido no sentido anti-horário, a cadeira se movia no sentido anti-horário também, e o fundo visual se movia na direção oposta como se fosse uma cena estacionária contra a qual a pessoa estava girando. (B) Condição incongruente: a mesma que o congruente, exceto que a cadeira se movia na direção oposta tornando o movimento da cadeira incongruente com o movimento visual de fundo. No diagrama, o observador gira no sentido horário, e a cena gira ainda mais no sentido horário em relação ao movimento do observador, o que é inconsistente com a experiência natural. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: Uma captura de tela da área contendo estímulo de movimento do display visual. Este plano de imagem 2D foi colocado a 8 m de distância do observador ocupando uma área de 35° x 35° da cena visual no ambiente VR. O anel alvo tinha um raio de ângulo visual de 5° e a área de fundo subtendida 20° x 20°. Abreviação: VR = realidade virtual. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: Valores beta médios para cada observador nas condições congruentes e incongruentes. Para todos, exceto para um observador, o valor beta diminuiu para a incongruente condição de presidente/movimento visual, indicando uma diminuição da probabilidade de ver o movimento de fundo visual como sendo causado pelo movimento físico do observador. Um ANOVA de 2 vias revelou que a mudança de grupo no valor beta foi significativa (veja texto para detalhes). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivo Suplementar 1: Exemplo código Arduino, hybrid_motor_controller.ino. Clique aqui para baixar este Arquivo.

Arquivo suplementar 2: Exemplo Unity C# script, ChairController.cs. Clique aqui para baixar este Arquivo.

Arquivo suplementar 3: Exemplo Unity C# script, SetUpTrial.cs. Clique aqui para baixar este Arquivo.

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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 especializadas, embora soluções alternativas tenham sido sugeridas para as tarefas mais difíceis. Outras modificações podem ser solicitadas dependendo da disponibilidade de hardware.

O trabalho elétrico de alta tensão deve ser concluído por um indivíduo qualificado e, se exigido por lei, ser certificado pelo órgão competente. O trabalho de baixa tensão pode ser feito por uma pessoa com experiência limitada. Acima estão instruções específicas o suficiente para permitir a reprodução se o mesmo equipamento for usado, mas equipamentos diferentes exigirão pequenas modificações do procedimento.

O código Arduino foi fornecido para complementar a configuração eletrônica específica sugerida aqui. Observe que o Arduino e outras instruções de software fornecidas funcionam com a versão Arduino 1.8.12, Versão SteamVR 1.18.7, versão Unity 2020.2.7f1 e versão Ardity 1. Outras versões de software podem exigir modificações do protocolo.

Uma limitação do método é que a aceleração angular precisa ser amortecido. Um método para fazê-lo é fornecido no código Arduino. Isso ocorre porque o servo híbrido tentará "recuperar" as etapas perdidas do motor (se o atrito ou a inércia impedirem que o motor acelere tão rápido quanto é instruído), o que pode levar a ultrapassagens e "saltos rotativos". Amortecer os comandos de aceleração provenientes do computador é uma maneira de lidar com isso; esta é a abordagem tomada no código de exemplo fornecido. Um motor DC escovado ou sem escova pode ser usado para aliviar esse problema, mas esses motores tendem a ter baixo torque em baixas velocidades, tornando o controle de rotação em baixas velocidades muito difícil. Os autores primeiro experimentaram um motor DC sem escova antes de mudar para o motor de estepe híbrido.

Existem alternativas à abordagem aqui apresentadas. É possível comprar cadeiras giratórias pré-fabricadas30 e cadeiras que se movam em outras direções31, por exemplo, cadeiras que fazem pequenos movimentos translacionais34,35 ourotacionais 36,37 até cadeiras e gaiolas que realizam grandes movimentos multidimensionais 38,39,40 . Esses sistemas são geralmente construídos para aplicações recreativas, mas podem, em princípio, ser adaptados para a realização de experimentos, embora "desbloquear" o sistema para permitir que ele trabalhe com o software de um experimentador pode ser difícil em algumas circunstâncias. Esses sistemas também tendem a ser caros. Foi, no final, a despesa que levou os autores a desenvolver seu próprio sistema. Para comparação, o custo do kit usado para automatizar a movimento da cadeira de escritório neste projeto foi de aproximadamente US$ 540 (custo do laptop, cadeira de escritório e sistema VR não incluído).

Os dados apresentados na seção de resultados representativos indicam que o movimento físico de um observador na cadeira motorizada pode ter um impacto significativo em sua experiência no cenário visual. Especificamente, a direção de spin -congruente versus incongruente - foi um fator altamente significativo na condução de valores β para o grupo, produzindo um valor médio de β de 1,03 quando a cadeira girou em uma direção congruente com o movimento visual de fundo e um valor de β significativamente menor (0,87) quando a cadeira girou incongruentemente. Houve variações na força do efeito entre os indivíduos (mesmo produzindo o efeito oposto em um indivíduo, embora insignificante). No entanto, a variação média causada pela mudança da direção de giro foi altamente significativa, conforme revelado pelo ANOVA (p = 0,007). Outro apoio para a eficácia da cadeira é que o valor médio β para o grupo na condição congruente foi próximo de 1 (não significativamente diferente de 1; p = 0,89, t-test emparelhado), indicando que os observadores estavam, em média, vendo a cena visual como se estivessem realmente girando no mundo real, subtraindo totalmente o movimento do fundo do movimento alvo para obter o verdadeiro movimento do alvo em relação ao mundo estacionário.

As aplicações experimentais para o método aqui apresentado são expansivas, dado o maior interesse em experimentação mediada por VR. Sempre que o movimento rotacional automatizado em um ambiente virtual é desejável, o método é aplicável. A cadeira fornece dicas rotacionais vestibulares e pequenas, como sinais de pressão, vibração e inerciais. Controlar tais pistas é importante na compreensão dos mecanismos do sentido de auto-movimento e na compreensão de como as pistas vestibulares geralmente se integram com outras pistas sensoriais. O experimento de exemplo indica que as pistas físicas fornecidas pela cadeira combinam-se com pistas visuais para produzir uma interpretação de cena, ou seja, a direção percebida do alvo, que é consistente com a experiência do mundo real quando as pistas são congruentes e inconsistentes quando não são.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pelas bolsas do Conselho de Pesquisa Australiano DP160104211, DP190103474 e DP190103103.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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
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Comportamento Questão 182
Rotação controlada de observadores humanos em um ambiente de realidade virtual
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Falconbridge, M., Falconbridge, P., Badcock, D. R. Controlled Rotation of Human Observers in a Virtual Reality Environment. J. Vis. Exp. (182), e63699, doi:10.3791/63699 (2022).

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