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。
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本文内容
摘要
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,
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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
- 将主滑轮安装到转椅的上轴上。
- 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。 - 将滑轮通过过盈配合安装到轴上。
- 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。
- 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。 - 将滑轮滑套到椅子轴上。
- 将螺钉松松插入（待主滑轮和小滑轮对齐后再拧紧）。
- 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）。
- 将上轴重新安装到椅子底座上。
- 拆下上轴。
- 将电机支架安装到转椅的下轴上。
- 制作一个可调节的夹具，用于连接电机安装支架。
- 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....
- 制作一个可调节的夹具，用于连接电机安装支架。
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 48 V直流电源（电机） | 明纬 | RSP-320-48 | https://www.meanwellaustralia.com.au/products/rsp-320 |
| 5 V直流电源（arduino） | Jaycar | MP3295 | https://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 2560 | Jaycar | XC4420 | https://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 | Arduino | https://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 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 |
| 支架螺栓（不用于固定电机） | 紧固件工厂 | 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 |
| 夹紧角铁 | Austral Wright Metals | 50004813 | x 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 | 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 |
| 夹具叶片（不锈钢扁钢） | Austral Wright Metals | 50004687 | x 8. https://www.australwright.com.au/products/stainless-steel/stainless-steel-bar-round-flat-angle-square/ |
| 盖板（亚克力） | Bunnings Warehouse | 1010489 | https://www.bunnings.com.au/suntuf-900-x-600-x-5mm-grey-acrylic-sheet_p1010489 |
| 盖板螺栓/螺母 | Bunnings Warehouse | 247292 | x 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 Warehouse | 44061 | x 4. https://www.bunnings.com.au/zenith-20mm-zinc-plated-angle-bracket-16-pack_p0044061 |
| 紧急关闭开关 | Jaycar | SP0786 | https://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 Components | 811-7213 | https://au.rs-online.com/web/p/iec-connectors/8117213 |
| 仪器箱（外壳） | 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= 相关性 |
| 主滑轮（椅子） | 运动动力学 | ALTP10020 | 选择适合应用的尺寸。齿数越多，旋转越慢。我们使用了36齿。https://www.motiondynamics.com.au/timing-pulleys-t10-16mm.html |
| 电机连接杆（不锈钢扁条） | Austral Wright Metals | 50004687 | x 4. https://www.australwright.com.au/products/stainless-steel/stainless-steel-bar-round-flat-angle-square/ |
| 安装支架（不锈钢扁钢） | Austral Wright Metals | 50004687 | x 2. https://www.australwright.com.au/products/stainless-steel/stainless-steel-bar-round-flat-angle-square/ |
| 坚果 | 快速工厂 | 161989 | x 12. https://www.thefastenerfactory.com.au/stainless-steel-hex-nylon-insert-lock-nut-m6-100pc |
| 开关 | Jaycar | SK0982 | https://www.jaycar.com.au/dpdt-illuminated-rocker-large-red/p/SK0982?pos=4&queryId=88e0c5abfa682b74 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。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所产生的自我运动感知。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。&&sort=相关性 |
| 电位器 | Jaycar | RP8610 | https://www.jaycar.com.au/10k-ohm-logarithmic-a-single-gang-9mm-potentiometer/p/RP8610?pos=4&&queryId=0d1510281ba100d<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，以产生自我运动感知。因此，开发一种可在虚拟环境中对观察者进行可控物理旋转的便捷方法，是一项有益的创新。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进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。> 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迅速发展。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可引发自我运动感知。因此，开发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，成为一项有益的创新。本文介绍了一种自动化旋转办公转椅的方法，以及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：当运动与视觉刺激一致时整合程度高，不一致时整合程度低。 |
| 滑轮螺钉 | 快速工厂 | 155856 | x 5. https://www.thefastenerfactory.com.au/stainless-steel-hex-socket-head-cap-screw-m4-x-25mm-100pc |
| 150 欧姆电阻器 | Jaycar | RR2554 | https://www.jaycar.com.au/150-ohm-1-watt-carbon-film-resistors-pack-of-2/p/RR2554?pos=19&&queryId=48c6317c73fd361 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 |
| 小滑轮（电机） | 运动动力学 | ALTP10020 | 根据应用需求选择合适的尺寸。齿数越多，旋转速度越快。我们使用了24齿。https://www.motiondynamics.com.au/timing-pulleys-t10-16mm.html |
| 小型拨动开关 | Jaycar | ST0555 | https://www.jaycar.com.au/sealed-mini-toggle-switch/p/ST0555?pos=14&&queryId=066b989a151d83 虚拟现实系统的低成本与普及性推动了在更接近自然、多感官且沉浸式的条件下对感知与行为的研究加速发展。其中，多感官整合研究领域尤其受益于虚拟现实系统的应用，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具有重要创新意义。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。通过一个示例实验表明，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。&&sort= 相关性 |
| Steam 软件 | Valve Corporation | https://store.steampowered.com/ | |
| SteamVR 插件（用于 Steam） | Valve Corporation | https://store.steampowered.com/app/250820/SteamVR/ | |
| Unity 软件 | Unity Technologies | https://unity3d.com/get-unity/download | |
| VR 系统 | Scorptec | 99HANW007-00 | HTC Vive Pro 配控制器和基站。https://www.scorptec.com.au/product/gaming-peripherals/vr/72064-99hanw007-00?gclid=Cj0KCQiA5OuNBhCRARIsA CgaiqX8NjXZ9F6ilIpVmYEhhanm 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
- 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).
- Radianti, J., Majchrzak, T. A., Fromm, J., Wohlgenannt, I. A systematic review of immersi....
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