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方法文章

在虚拟现实环境中对人类观察者进行可控旋转

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⸱

DOI：

10.3791/63699

⸱

2022年4月21日

 ,  , 
1School of Psychology, University of Western Australia, 2Falco Enterprise

本文内容

摘要

在某些实验、娱乐和教育应用中，对人类观察者的物理旋转进行控制是可取的。本文概述了一种将办公转椅改装成在虚拟现实环境中实现受控物理旋转装置的方法。

摘要

虚拟现实（VR）系统的低成本和广泛可及性，推动了在更接近自然、多感官且沉浸式条件下开展感知与行为研究的快速发展。其中，多感官整合研究领域尤其受益于VR系统的应用，例如视觉与前庭觉线索的整合可产生自我运动感。因此，一种能够在虚拟环境中对观察者进行可控物理旋转的便捷方法，代表了一项有益的技术创新。本文介绍了一种自动化旋转办公转椅的方法，并提出了将该运动整合到VR体验中的技术方案。通过一个示例实验，证明了所产生的物理运动能够与观察者的视觉体验相整合，且整合程度符合预期：当运动与视觉刺激一致时整合程度高，不一致时整合程度低。

引言

在自然条件下，多种线索共同作用从而产生自我运动感1。在许多娱乐、健康和教育类虚拟现实（VR）应用中，实现这种自我运动感是一个重要目标2,3,4,5，而仅仅理解这些线索如何协同作用以产生自我运动感，长期以来也是神经科学家的研究重点6,7,8,9,10,11。自我运动感知的三类最重要线索分别是视觉、前庭和本体感觉线索1。在真实世界中的自然主动运动过程中，这三类线索以一致的方式共同作用，从而提供稳定而丰富的自我运动感。为了理解每类线索的作用以及线索之间的整合方式，研究人员传统上会剥夺实验受试者的一种或多种线索，或使不同线索之间产生冲突1,12。例如，为了在缺乏本体感觉线索的情况下提供旋转性前庭线索，可使用电动转椅被动地旋转受试者13,14,15,16。研究表明，这种被动运动能够提供非常逼真的自我运动线索17。通过VR头显提供的受控视觉线索，可以与转椅的运动保持一致、不一致，或完全缺失。本体感觉线索则可通过让受试者自主驱动转椅来引入，例如通过用脚推动转椅实现自我旋转。

本文介绍一种将办公转椅改装为可物理旋转观察者身体的方法，并将该旋转运动整合到视觉（以及潜在的听觉）虚拟体验中。转椅的旋转可由观察者、计算机程序或另一人（如实验者）控制。观察者控制的旋转可以是被动式的，即通过电机驱动旋转，并使其依赖于观察者手持控制器的位置；也可以是主动式的，即关闭电机，由观察者自行转动转椅。

本文还展示了该座椅/虚拟现实系统的一种心理物理学应用。这一示例应用突显了通过控制观察者的被动旋转，来理解自我运动线索如何相互作用以产生整体感知体验的重要性。具体目标是深入探究一种长期被研究的视觉错觉——诱导运动18,19。在诱导运动中，一个静止或移动的目标在感知上会被运动的背景“排斥”而偏离其实际路径"repulsed"。例如，当一个红色目标点在向右移动的蓝色点阵背景中垂直向上移动时，该目标点看起来不仅会如预期般向上运动，还会向左偏移，即远离背景运动的方向20,21。本研究旨在检验这种排斥效应是否源于将背景运动解释为由自身运动所引起22,23。

如果情况确实如此，那么添加与背景视觉运动一致的物理旋转，应会增强背景运动是由观察者在静止环境中自身旋转所引起的感觉。这反过来应会增强将背景运动从目标运动中减去，从而获得目标相对于静止世界运动的倾向23。这种增强的减法倾向将导致更大的目标排斥感。为验证这一点，实验中加入了与背景运动一致或不一致的物理自身旋转。本文所介绍的系统能够精确控制物理运动及其对应的视觉运动，以检验该假设。在示例中，座椅的运动由观察者通过VR系统的手持控制器直接控制。

尽管文献中已有许多用于各种虚拟现实（VR）应用的电动旋转座椅实例24,25,26,27,28,29，但作者尚未发现有关如何制作此类座椅并将其集成到交互式VR体验中的简明指导方案。目前仅对SwiVRChair29提供有限的制作说明，其结构与本文所述座椅相似，但设计目的不同：该座椅由计算机程序驱动，旨在增强VR环境中的沉浸感，用户可通过将双脚踩地来手动覆盖座椅的运动。鉴于商用座椅成本较高30,31，部分研究人员可能更倾向于自行在实验室内部"in-house"制作。对于处于此类情况的研究者，以下方案应具有实用价值。

系统概述
本方案包含将办公椅改装为电动旋转椅，并将椅子运动整合到虚拟现实（VR）体验中的操作说明。整个系统完成后由四个部分组成：机械、电气、软件和虚拟现实子系统。图1展示了完整系统的照片。图中所示系统即为示例实验中所使用的系统。

机械子系统的功能是通过电机物理旋转转椅的上部转轴。该系统由一把办公椅组成，其上安装有两个部件：一个固定在办公椅上部旋转转轴上的滑轮，以及一个安装在转轴下部固定部分的可调节安装支架。一台电动步进电机安装在支架上，电机转轴上装有一个滑轮，该滑轮与办公椅上部转轴的滑轮对齐。通过一条皮带将电机滑轮与椅子滑轮连接，从而使电机能够带动椅子旋转。

电气子系统为电机提供电力，并实现对电机的电子控制。该系统包括一个电机驱动器、一个为电机供电的电源、一块用于将驱动器与计算机连接的 Arduino 控制板，以及一个为 Arduino 供电的电源（可选）。Arduino 控制板在电子爱好者和专业电子制作者中广受欢迎，其内部包含可编程微处理器、控制器、输入和输出引脚，以及（在某些型号中）一个 USB 接口（本应用中必需）。所有电气元件均安装在一个经过定制改装的电绝缘箱体内。由于电机供电所需的变压器以及（可选的）Arduino 电源均需使用市电，且电机工作电压较高，因此除低压电子部分操作（如下文协议步骤 2.5 至 2.10）外，所有操作均应由具备资质的专业人员完成。

软件子系统包括用于编程 Arduino 的 Arduino 软件、用于创建虚拟现实（VR）环境的 Unity 软件、用于驱动 VR 系统的 Steam 软件，以及 Ardity——一个允许 Unity 与 Arduino 开发板通信的 Unity 插件。在示例实验中，这些软件安装在一台运行 Microsoft Windows 10 Enterprise 操作系统的 Gygabyte Sabre 15WV8 笔记本电脑上（图 1）。

虚拟现实系统由头戴式显示器（HMD）、手持控制器以及用于确定头戴式显示器和控制器在空间中位置与方向的基站组成。本项目所使用的虚拟现实系统为 HTC Vive Pro（图1）。

以下介绍的是将这些组件组合起来，以实现一种虚拟体验的方法，该体验结合了物理旋转（实验或其他操作），并通过手持控制器由观察者、或通过计算机鼠标或电位器由主机/实验者控制座椅运动。该方案的最后部分包括启动虚拟现实体验所需的步骤。需要注意的是，编写Unity代码以实现试验和数据采集的方法不在本文的讨论范围之内。某些步骤，特别是机械子系统的相关步骤，需要特定的车间设备和一定水平的专业技能。原则上，所介绍的方法可根据这些资源的可获得性进行调整。对于一些技术性较强的步骤，本文提供了替代方案。

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方案

警告：电气工作应由合格人员进行。

1. 机械系统设置步骤

  1. 将主滑轮安装到转椅的上轴上。
    1. 拆下上轴。
      注意：通常需要将椅子侧放，并拆除位于椅子底部的销钉，该销钉用于防止上轴从下轴中滑出。
    2. 将滑轮通过过盈配合安装到轴上。
      1. 使用游标卡尺测量轴的直径，并用车床加工滑轮孔，使其与轴的直径相匹配。
      2. 在滑轮上加工螺纹孔，用于安装固定滑轮的螺钉。在滑轮轮毂上额外钻孔，使孔总数达到4个，并与螺钉直径匹配。使用丝锥攻丝，使螺钉能够将滑轮固定在轴上，螺纹规格需与螺钉一致。
        注意：如果无法加工螺纹，可选方案是将滑轮轮毂和椅子轴完全钻通，在确定滑轮正确位置后（见步骤1.4.6），用螺栓贯穿固定。
      3. 将滑轮滑套到椅子轴上。
      4. 将螺钉松松插入（待主滑轮和小滑轮对齐后再拧紧）。
    3. 将传动带松松地放置在转椅的上轴上（稍后安装到主滑轮和小滑轮上）。
    4. 将上轴重新安装到椅子底座上。
  2. 将电机支架安装到转椅的下轴上。
    1. 制作一个可调节的夹具，用于连接电机安装支架。
      1. 制作夹具的两个对称部件——每侧轴各一个（通过四个螺栓压紧）。尺寸参见图2。
      2. 将90°角铁按所需长度切割。安装四个用于穿过螺栓的叶片。
      3. 为安全起见，将每个叶片（金属条）边缘打磨圆滑。在每根金属条末端钻出足够大的孔，以便螺栓穿过。在适当位置弯折成45°角（可在金属条上刻痕以确保弯折更精确）。将每根金属条点焊到角铁上，螺栓孔朝外。
        注意：也可选择用螺栓将叶片固定到位，但需注意避免突出部分妨碍角铁与椅子轴接触。
    2. 制作两个电机安装支架。尺寸参见图3。在每个支架的金属条上钻两个孔，用于连接上述夹具。在适当位置弯折成90°角（可在金属条上刻痕以确保弯折更精确）。
    3. 通过将4个螺栓穿过夹具部件和支架并拧紧，将夹具和支架安装到椅子的下轴上。如果后续需要调整支架以完成步骤1.4.6中的对齐操作，则螺栓不要拧得过紧。
  3. 将小滑轮安装到电机轴上。
    1. 将电机轴上的键槽磨平（不再突出）。
      注意：这将提供一个平整表面，使滑轮固定螺钉能够紧固，防止滑轮在电机轴上打滑。
    2. 扩钻滑轮孔，使其直径与电机轴匹配。
    3. 将滑轮套在轴上，并将螺钉松松地紧固在轴的平整面上。
  4. 将电机安装到上述电机支架上。
    1. 准备4个电机连接条，在适当位置各钻两个孔（孔位需与电机上的安装孔对齐）。尺寸参见图4。
    2. 如有必要为避让空间，可从上下两根连接条中的上条切去一段，以便电机轴上的滑轮自由旋转（可选）。
    3. 将四个小型护罩安装支架覆盖在四个外侧孔上，稍后用于安装保护罩，覆盖皮带和滑轮。
    4. 松松安装八个螺母和螺栓，在上下连接条之间留出空间，以便将安装支架条插入其中。
    5. 将电机安装条滑入支架——每个上连接条位于安装支架条上方，每个下连接条位于其下方。
    6. 定位并夹紧电机。
      1. 上下移动主滑轮、小滑轮或两者，直到主滑轮和小滑轮水平对齐。如有需要，移动夹具位置。
      2. 将传动带套在小滑轮和主滑轮上。
      3. 将电机组件从椅子方向向外滑动，直到皮带绷紧。
      4. 拧紧电机连接条上的8个螺栓，将电机牢固固定在电机支架上。
      5. 拧紧夹具螺栓和滑轮固定螺钉。
  5. 安装防护罩，防止任何物体卷入滑轮/皮带系统。
    1. 根据图5所示，弯折亚克力防护罩的两侧。
      ​注意：若无亚克力折弯工具，可选用金属板和金属板折弯机作为替代方案。
    2. 根据图5所示，切割出适配椅子轴的缺口部分。
    3. 钻孔，使其与小型护罩安装支架上的孔对齐。
    4. 使用小型护罩安装螺栓将防护罩固定。

2. 电气系统设置步骤

  1. 将电源开关和紧急关闭开关连接至主电源。使用额定电压和电流合适的电缆，将IEC连接器（主电源电缆的公插头）连接至紧急关闭开关和电源开关。 在系列中 （断开其中任意一个即可切断对其他组件的供电）。
    注意：可能需要进行焊接。
  2. 将 Arduino 的 5 V 直流电源连接到开关（可选）。
    注意：需要使用焊接工具和额定用于市电的电缆。
  3. 将48 V直流电源（用于椅子驱动器）与5 V电源并联连接至开关。
    注意：需要使用额定主电源电缆。
  4. 为混合式步进电机驱动器设置适当的 DIP 开关。例如：
    1. 将开关1-4分别设置为开、关、开、开，以实现步进电机每转1,600个脉冲（数值越高，控制越精细，但旋转速度上限越低，具体取决于Arduino产生脉冲的速度）。
    2. 将开关5拨至OFF位置，以设置为逆时针默认旋转方向。
    3. 将开关6拨至ON，以启用驱动点动模式（PM），而非空间矢量控制模式（或磁场定向控制，FOC）。
    4. 将开关7和8均设为关（OFF），以使控制器与86系列12 NM闭环电机匹配。
  5. 将混合式步进电机驱动器连接到电源和椅子驱动器电缆。
    1. 将额定参数匹配的电缆从48 V电源输出端子连接至电机驱动器电源输入连接器外壳，并插入该外壳。
    2. 通过连接器外壳将两根电机电缆连接到驱动器上。
  6. 将 Arduino 连接到混合式步进电机驱动器。
    1. 使用带插针的跳线将 PUL+ 连接"脉冲" +），DIR+（"方向" +）和 ENA+（"启用" 将电机驱动器连接器外壳上的 +) 端子连接至 Arduino 上的 2、3 和 5 引脚（引脚编号可选，此处作为示例贯穿全文使用）。
    2. 使用短导线将电机驱动器连接器外壳上的 PUL-、DIR- 和 ENA- 端子相连，并使用一根较长的带针跳线将 ENA- 连接到 Arduino 上的 GND（接地）引脚。
    3. 将连接器外壳插入电机驱动器中。
  7. 将 Arduino 连接到 5 V 直流电源（可选）。使用带针脚的跳线将 Arduino 上的 GND 和 Vin 引脚连接到 5 V 电源的 5 V 输出端子。
  8. 将电位器连接到 Arduino。使用带针脚的跳线将 A1（模拟 "模拟输入" 将 Arduino 上的接地（GND）和 5 V 引脚连接到电位器的三个端子。
    注意：需要焊接。
  9. 将拨动开关连接到 Arduino。使用带针脚的跳线将 Arduino 上的 6 号引脚和 GND 连接到拨动开关的两个端子。
    注意：需要焊接。
  10. 将LED连接到Arduino。
    1. 将电阻焊接到LED的一个引脚上（以降低LED电路中的电压）。
    2. 将 Arduino 上的引脚 7 和 GND 通过带插头的跳线分别连接至电阻器末端和 LED 的另一端。
      注意：需要焊接。
  11. 绝缘并安置电气/电子元件。参见 图6 完成的封闭系统示意图。
    注意：有多种方法可用于绝缘电气系统的高压部件，保护脆弱的电子元件免受损坏，并将所有这些组件集中于一个便于管理的空间内。以下为一种建议方法。
    1. 在仪器外壳侧面钻孔/开孔，用于安装IEC电源连接器、主电源开关、两个电机控制电缆、小型拨动开关、LED、电位器以及Arduino的USB端口（此孔应开得较大，以便空气流入外壳内部散热）。
    2. 使用适当的方法（如螺丝、螺栓、热熔胶枪）将这些部件逐一固定。
    3. 在机箱盖板上切割通风孔（在48 V电源的风扇上方开一个孔）以及紧急开关的安装孔；然后安装通风滤网和开关。
    4. 使用垫圈和螺丝将 Arduino 固定在机箱底部。调整位置，使 Arduino 的 USB 端口与机箱上的 USB 端口孔对齐。
    5. 使用魔术贴和泡沫块将48 V和5 V电源以及电机驱动器固定在机箱底部。

3. 虚拟现实设置流程

  1. 根据制造商的说明设置 VR 系统。

4. 软件设置步骤

  1. 安装并设置 Arduino 软件。
    1. 根据开发者的说明下载并安装 Arduino 程序。
    2. 使用USB线将Arduino连接到计算机。
    3. 在……之下 工具 下拉菜单中，选择 Arduino 开发板所连接的端口。
    4. 在同一菜单下，选择相应的开发板和处理器。确保其与上述第 2 节中使用的开发板和处理器一致，例如， "Arduino Mega 2560" 板和 "ATmega2560" 处理器
  2. 使用Arduino板编程，实现通过以下两种方式控制椅子的旋转：1）通过电位计控制；2）通过计算机经由USB发送指令控制。
    1. 编写要上传到 Arduino 处理器的代码。
      注意：示例实验中的示例代码包含在 补充文件 1 （文件名：hybrid_motor_controller.ino）
    2. 注意波特率（Serial.Begin() 命令的参数），例如 9,600。
    3. 保存代码，并使用以下方法将其上传到 Arduino 开发板 上传 按钮
  3. 测试系统目前是否正常工作。
    1. 接通并启动电气子系统。
    2. 将小型拨动开关拨至小LED指示灯亮起的位置。
    3. 调节电位器，以确保其控制椅子的速度和方向。
  4. 根据开发者的说明安装并配置 Steam 和 SteamVR。
  5. 安装并设置 Unity。
    1. 根据开发者的说明安装并配置 Unity。
    2. 打开一个新的或现有的 Unity 项目（选择一个类型，例如 "3D" 适用于该应用的）
    3. 为项目设置 SteamVR 以供使用。
      1. 打开资源商店（点击 窗口 | 资源商店).
      2. 搜索 SteamVR 并选择 SteamVR 插件.
      3. 点击 添加到资源.
      4. 在 Unity 中，打开包管理器（单击） 窗口 | 包管理器).
      5. 在 SteamVR 下查找 我的资源 表。
      6. 点击 导入 并按照提示完成导入。
      7. 点击 接受全部 如果系统提示进行配置更改。
      8. 将 Steam VR 摄像机装置导入场景中。查找一个名为 Steam VR 在检查器屏幕的项目窗口中。打开 Steam VR | 预制件.
      9. 将 [Camera Rig] 资源拖入层级或场景窗口，以启用游戏中的VR头显和控制器。
      10. 移除默认设置 主摄像头 从层级或场景中移除，以免干扰 SteamVR 摄像头。
  6. 安装并设置 Ardity。
    1. 在 Unity 资源商店中搜索 Ardity 并选择下载（如上文步骤 4.5.3.2 所述）。
    2. 更新 API 兼容性级别。
      1. 打开 项目设置 在……之下 编辑 菜单
      2. 点击 播放器 | 其他设置.
      3. 选择 .NET 4.X 在下拉菜单中 API 兼容性级别.
      4. 退出 设置 并等待错误消息消失。
  7. 设置 Unity 游戏环境。
    注意：用户若要控制轮椅并将其运动与虚拟现实（VR）体验相集成，需完成以下最低限度的操作步骤。
    1. 创建特定应用所需的对象和函数。
      1. 通过点击创建对象 游戏对象 并选择以下任意一项 二维物体 或 三维物体.
      2. 通过点击为所创建的对象添加功能 添加组分 按钮在 检查员 选择对象的窗口并选择其中一个选项。选择 新脚本 创建一个类似于其中的 C# 脚本 补充文件 3 （文件名：SetUpTrial.cs）
    2. 将串行控制器脚本导入游戏。
      1. 在……之下 资源 文件夹中的 项目 窗口，打开 Ardity 文件夹 | 脚本 文件夹
      2. 拖动 串行控制器 将脚本导入所需的游戏对象中 层级 窗口，例如， 背景 游戏对象
      3. 单击对象并向下滚动组件列表中的项目 检查员 窗口以定位 串行控制器 脚本
      4. 确保 端口名称 和 波特率 与上述步骤 4.1 和 4.2 中为 Arduino 程序设置的参数一致。
      5. 拖动要关联的物体 串行控制器 脚本已随附 层级结构 输入框旁边的窗口 消息监听器 在检查器窗口中。
    3. 编写并导入 椅子控制器 将脚本导入游戏。
      1. 在底部 检查员 同一游戏对象的窗口，单击 添加组分 并选择 新脚本. 命名新脚本 ChairController.
      2. 编写代码，用于接收控制器和鼠标指令，并将其转换为通过 USB 发送给 Arduino 的数字信号。
        注意：所需代码的最小示例已包含在内 补充文件 2 （文件名：ChairController.cs）
      3. 保存脚本。
      4. 填满空白的方框 检查员 窗口。将HMD对象从 层级结构 输入框旁边的窗口 头部 在……之下 椅子控制器 脚本在其中 检查员 窗口。同样，拖动 控制器 （右侧）物体放入旁边盒子中 手.

5. 实验（或体验）步骤

  1. 选择输入方式。
    注意：提供的示例 ChairController 代码引用了一个名为 SetUpTrial 的脚本，其中设置了公共整型变量 inputType（inputType 3 表示 VR 控制器，inputType 4 表示鼠标）。以下步骤均基于此脚本/变量设置。
  2. 单击附加了 SetUpTrial 脚本的游戏对象，例如 Background。
  3. 在 Inspector 窗口中向下滚动，找到 SetUpTrial 脚本的公共变量。
  4. 将 inputType 设置为 3 以使用 VR 控制器，或设置为 4 以使用 鼠标控制。
  5. 按下 Unity 中的 Play 按钮，开始通过控制器或鼠标控制运动的 VR 体验。

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结果

本示例实验的目的是确定在场景中添加物理旋转——无论是与视觉背景运动方向一致还是不一致——是否会影响该场景中移动目标的感知方向。根据假设，背景运动对目标方向感知的影响程度取决于受试者的视觉系统将背景运动归因于自身运动的难易程度，因此预期在物理运动一致与不一致条件下存在差异32,33。如果背景运动与物理运动方向一致，则预期因果关联感更强，从而导致感知到的目标方向相对于其在视觉显示中的实际方向产生更大的偏移。

观察者使用VR控制器调节转椅的旋转速度和方向。控制器相对于头戴式显示器（HMD）朝向方向偏移越远（越靠左或右），旋转速度就越快。在一致条件下，若目标图案（始终具有向上的垂直运动分量）看起来相对于垂直方向向右漂移，观察者会将控制器向左移动。这会导致转椅向左（逆时针）旋转，同时观察者的HMD也逆时针旋转，从而使视觉场景中的背景以适当的速度向右移动（如同观察者在旋转时所见的静止背景，图7A）。这种向右的背景运动对...

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讨论

本文介绍了一种在观察者或实验者控制下，为办公椅增加自动旋转功能的方法，以及将该运动整合到虚拟体验中的配套方法。关键步骤包括将电机机械固定到椅子上、搭建电机的供电与电气控制系统，然后配置Arduino和计算机以驱动电机控制器。机械固定步骤需要一些专用设备和技能，尽管针对最困难的操作已提出了替代方案。根据硬件的可获得性，可能还需要进一步修改。

高压电气操作应由具备资质的人员完成，并且在法律要求的情况下，须由相关机构认证。低压操作可由经验有限的人员进行。上述说明已足够详细，若使用相同设备可实现重复实验，但若使用不同设备，则需对步骤进行适当调整。

已提供 Arduino 代码以配合此处建议的特定电子配置。请注意，所提供的 Arduino 及其他软件指令适用于 Arduino 1.8.12 版本、SteamVR 1.18.7 版本、Unity 2020.2.7f1 版本以及 Ardity 1 版本。其他软件版本可能需要对协议进行相应修改。

该方法的一个局限性在于需要对角加速度进行阻...

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致谢

本工作得到了澳大利亚研究理事会基金 DP160104211、DP190103474 和 DP190103103 的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
48 V直流电源（电机）明纬RSP-320-48https://www.meanwellaustralia.com.au/products/rsp-320
5 V直流电源（arduino）JaycarMP3295https://www.jaycar.com.au/15w-5v-3a-enclosed-power-supply/p/MP3295?pos=5&&queryId=dda344422ab16c6
7f558551ac0acbd40
Unity 的 Ardity 插件开源https://ardity.dwilches.com/
Arduino MEGA 2560JaycarXC4420https://www.jaycar.com.au/duinotech-mega-2560-r3-board-for-arduino/p/XC4420?pos=2&&queryId=901771805f4bf6e0
虚拟现实（VR）系统的低成本和广泛可及性，推动了在更接近自然、多感官且沉浸式条件下开展感知与行为研究的快速发展。多感官整合研究领域尤其受益于VR系统的应用，例如视觉与前庭觉线索的整合可产生自我运动感知。因此，一种能够在虚拟环境中对观察者进行可控物理旋转的便捷方法，代表了一项有益的技术创新。本文介绍了一种自动化旋转办公转椅的方法，并提出了将该运动整合到虚拟现实体验中的技术方案。通过一个示例实验，验证了所产生的物理运动能够与观察者的视觉体验相整合，且整合程度符合预期：当物理运动与视觉刺激一致时，整合程度较高；当二者不一致时，整合程度较低。
Arduino 软件Arduinohttps://www.arduino.cc/en/software
腰带运动动力学RFTB10010选择适合应用的尺寸。我们使用了60齿。https://www.motiondynamics.com.au/polyurethane-timing-belts-16mm-t-10/
支架螺栓（用于固定电机）The Fastner Factory161260x 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
支架螺栓（不用于固定电机）紧固件工厂161258x 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
夹紧角铁Austral Wright Metals50004813x 2. https://www.australwright.com.au/products/stainless-steel/stainless-steel-bar-round-flat-angle-square/
夹紧螺栓紧固件工厂161265x 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  
夹具叶片（不锈钢扁钢）Austral Wright Metals50004687x 8. https://www.australwright.com.au/products/stainless-steel/stainless-steel-bar-round-flat-angle-square/
盖板（亚克力）Bunnings Warehouse1010489https://www.bunnings.com.au/suntuf-900-x-600-x-5mm-grey-acrylic-sheet_p1010489
盖板螺栓/螺母Bunnings Warehouse247292x 4. https://www.bunnings.com.au/pinnacle-m3-x-16mm-stainless-steel-hex-head-bolts-and-nuts-12-pack_p0247292
覆盖支架Bunnings Warehouse44061x 4. https://www.bunnings.com.au/zenith-20mm-zinc-plated-angle-bracket-16-pack_p0044061
紧急关闭开关JaycarSP0786https://www.jaycar.com.au/latching-emergency-stop-switch/p/SP0786?pos=1&&queryId=5abe9876cf78dc3d
d26b9067fbc36f74
混合式步进电机及驱动器Vevor?闭环步进电机 Nema 34 12NM 伺服电机混合驱动器 https://vevor.com.au/products/1712oz-in-nema34-closed-loop-stepper-motor-12nm-hybrid-servo-driver-hsc86-kit?variant=33058303311975
IEC 电源连接器RS Components811-7213https://au.rs-online.com/web/p/iec-connectors/8117213
仪器箱（外壳）JaycarHB6381https://www.jaycar.com.au/abs-instrument-case-with-purge-valve-mpv2/p/HB6381
LEDJaycarZD0205https://www.jaycar.com.au/green-10mm-led-100mcd-round-diffused/p/ZD0205?pos=11&&queryId=e596cbd3d71e86
37ab9340cee51175e7&&sort=
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虚拟现实（VR）系统的低成本和广泛可获得性，推动了在更接近自然、多感官且沉浸式条件下开展感知与行为研究的快速发展。多感官整合研究领域尤其受益于VR系统的应用，例如视觉与前庭觉线索的整合可产生自我运动感知。因此，一种能够在虚拟环境中对观察者进行可控物理旋转的便捷方法代表了一项有益的创新。本文介绍了一种自动化旋转办公转椅的方法，并提出了将该运动整合到虚拟现实体验中的技术方案。通过一个示例实验，验证了所产生的物理运动能够与观察者的视觉体验相整合，且整合程度符合预期：当物理运动与视觉刺激一致时，整合程度较高；当二者不一致时，整合程度较低。&&sort=<虚拟现实（VR）系统的低成本和广泛可及性，推动了在更接近自然、多感官且沉浸式条件下对感知与行为研究的近期加速。在这一背景下，多感官整合研究领域尤其受益于VR系统的应用，例如视觉与前庭觉线索的整合，从而产生自我运动感知。因此，一种能够在虚拟环境中对观察者进行可控物理旋转的便捷方法，代表了一项有益的创新。本文介绍了一种自动化旋转办公转椅的方法，并提出将该运动整合至虚拟现实体验的技术方案。通过一个示例实验，我们证明了所产生的物理运动能够与观察者的视觉体验相整合，且整合程度符合预期：当物理运动与视觉刺激一致时整合程度高，不一致时整合程度低。> 相关性
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GA67xLzllk5EmjuG0gnhu4xmiE<虚拟现实（VR）系统的低成本和广泛可及性，推动了在更接近自然、多感官且沉浸式条件下开展感知与行为研究的快速发展。其中，多感官整合研究领域尤其受益于VR系统的应用，例如视觉与前庭觉线索的整合可产生自我运动感。因此，一种能够在虚拟环境中对观察者进行可控物理旋转的便捷方法，代表了一项有益的技术创新。本文介绍了一种自动化旋转办公转椅的方法，并提出将该运动整合至虚拟现实体验的技术方案。通过一个示例实验，验证了所产生的物理运动能够与观察者的视觉体验相整合，且整合程度符合预期：当物理运动与视觉刺激一致时整合程度高，不一致时整合程度低。> _RwSgaAhn8EALw_wcB

参考文献

  1. Campos, J., Bülthoff, H. Multimodal integration during self-motion in virtual reality. The Neural Bases of Multisensory. Murray, M. M., Wallace, M. T. , CRC Press. (2012).
  2. Radianti, J., Majchrzak, T. A., Fromm, J., Wohlgenannt, I. A systematic review of immersive virtual reality applications for higher education: Design elements, lessons learned, and research agenda. Computers & Education. 147, 103778(2020).
  3. Madshaven, J. M. Investigating the user experience of virtual reality rehabilitation solution for biomechatronics laboratory and home environment. Frontiers in Virtual Reality. 2, 645042(2021).
  4. Fan, Z. Design of physical training motion simulation system based on virtual reality technology. 2021 The 13th International Conference on Computer Modeling and Simulation. Association for Computing Machinery. , 81-86 (2021).
  5. Roettl, J., Terlutter, R. The same video game in 2D, 3D or virtual reality - How does technology impact game evaluation and brand placements. PLoS One. 13 (7), 0200724(2018).
  6. Riecke, B. E., Sigurdarson, S., Milne, A. P. Moving through virtual reality without moving. Cognitive Processing. 13, Suppl 1 293-297 (2012).
  7. Fauville, G., Queiroz, A. C. M., Woolsey, E. S., Kelly, J. W., Bailenson, J. N. The effect of water immersion on vection in virtual reality. Scientific Reports. 11 (1), 1022(2021).
  8. Bernhard, E. R., Jörg, S. -P., Marios, N. A., Markus Von Der, H., Heinrich, H. B. Cognitive factors can influence self-motion perception (vection) in virtual reality. ACM Transactions on Applied Perception. 3 (3), 194-216 (2006).
  9. Gibson, J. J. The perception of the visual world. , Houghton Mifflin. (1950).
  10. Angelaki, D. E., Gu, Y., Deangelis, G. C. Visual and vestibular cue integration for heading perception in extrastriate visual cortex. Journal of Physiology. 589, Pt 4 825-833 (2011).
  11. Badcock, D., Palmisano, S., May, J. G. Vision and virtual environments. Handbook of Virtual Environments: Design, Implementation, and Applications. Hale, K. S., Stanney, K. M. , CRC Press. 39-85 (2014).
  12. Kaliuzhna, M., Prsa, M., Gale, S., Lee, S. J., Blanke, O. Learning to integrate contradictory multisensory self-motion cue pairings. Journal of Vision. 15 (1), (2015).
  13. Wilkie, R. M., Wann, J. P. The role of visual and nonvisual information in the control of locomotion. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance. 31 (5), 901-911 (2005).
  14. Sinha, N., et al. Perception of self motion during and after passive rotation of the body around an earth-vertical axis. Progress in Brain Research. 171, 277-281 (2008).
  15. Tremblay, L., et al. Biases in the perception of self-motion during whole-body acceleration and deceleration. Frontiers in Integrative Neuroscience. 7, 90(2013).
  16. Nooij, S. A. E., Bockisch, C. J., Bülthoff, H. H., Straumann, D. Beyond sensory conflict: The role of beliefs and perception in motion sickness. PLoS One. 16 (1), 0245295(2021).
  17. Harris, L., et al. Simulating self-motion I: Cues for the perception of motion. Virtual Reality. 6 (2), 75-85 (2002).
  18. Carr, H. A., Hardy, M. C. Some factors in the perception of relative motion: A preliminary experiment. Psychological Review. 27, 24-37 (1920).
  19. Reinhardt-Rutland, A. H. Induced movement in the visual modality: An overview. Psychological Bulletin. 103, 57-71 (1988).
  20. Zivotofsky, A. Z., et al. Tracking of illusory target motion: Differences between gaze and head responses. Vision Research. 35 (21), 3029-3035 (1995).
  21. Farrell-Whelan, M., Wenderoth, P., Wiese, M. Studies of the angular function of a Duncker-type induced motion illusion. Perception. 41 (6), 733-746 (2012).
  22. Warren, P. A., Rushton, S. K. Optic flow processing for the assessment of object movement during ego movement. Current Biology. 19 (18), 1555-1560 (2009).
  23. Fajen, B. R., Matthis, J. S. Visual and non-visual contributions to the perception of object motion during self-motion. PLoS One. 8 (2), 55446(2013).
  24. Duminduwardena, U. C., Cohen, M. Controlling the Schaire Internet Chair with a mobile device. Proceedings CIT: The Fourth International Conference on Computer and Information Technology. , Wuhan, China. 215-220 (2004).
  25. Ashiri, M., Lithgow, B., Mansouri, B., Moussavi, Z. Comparison between vestibular responses to a physical and virtual reality rotating chair. Proceedings of the 11th Augmented Human International Conference. , Association for Computing Machinery. Winnipeg, Manitoba, Canada. (2020).
  26. Koenig, E. A new multiaxis rotating chair for oculomotor and vestibular function testing in humans. Neuro-ophthalmology. 16 (3), 157-162 (1996).
  27. Mowrey, D., Clayson, D. Motion sickness, ginger, and psychophysics. The Lancet. 319 (8273), 655-657 (1982).
  28. Sanmugananthan, P., Nguyen, N., Murphy, B., Hossieni, A. Design and development of a rotating chair to measure the cervico-ocular reflex. Cureus. 13 (10), 19099(2021).
  29. Gugenheimer, J., Wolf, D., Haas, G., Krebs, S., Rukzio, E. SwiVRChair: a motorized swivel chair to nudge users' orientation for 360 degree storytelling in virtual reality. 1996-2000. Proceedings of the 2016 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. , Association for Computing Machinery. San Jose, California, USA. (2016).
  30. Roto VR Ltd. Roto VR Chair. , Available from: https://www.rotovr.com/ (2021).
  31. Yaw VR Ltd. Yaw Motion Simulator. , Available from: https://www.yawvr.com/ (2021).
  32. Warren, P. A., Rushton, S. K. Perception of object trajectory: Parsing retinal motion into self and object movement components. Journal of Vision. 7 (11), 1-21 (2007).
  33. Bonnen, K., Burge, J., Yates, J., Pillow, J., Cormack, L. K. Continuous psychophysics: Target-tracking to measure visual sensitivity. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (3), (2015).
  34. SimXperience. , Available from: https://www.simxperience.com/ (2021).
  35. Harris, L. R., Jenkin, M., Zikovitz, D. C. Visual and non-visual cues in the perception of linear self-motion. Experimental Brain Research. 135, 12-21 (2000).
  36. DOF Reality Motion Simulators. , Available from: https://www.dofreality.com/ (2021).
  37. Next Level Racing. , Available from: https://nextlevelracing.com/ (2022).
  38. Motion Systems. , Available from: https://motionsystems.eu/ (2022).
  39. Redbird Flight Simulations. , Available from: https://simulators.redbirdflight.com/ (2022).
  40. Teufel, H. J., et al. MPI motion simulator: development and analysis of a novel motion simulator. Proceedings of the AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit (AIAA 2007). , Hilton Head, South Carolina. (2007).

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