✍🏾 🖐️ 🎐 ما لمس الجدران الافتراضية؟ 👩🏼‍🤝‍👨🏻 🤘🏿 ⛵️

على مدى السنوات القليلة الماضية ، أصبحت الأجهزة التي تسمح للمستخدم بالانغماس في الواقع الافتراضي (VR) أكثر تعقيدًا وأفضل. سيتم استخدام الواقع الافتراضي في التعليم ، وفي الفن ، وفي الترفيه ، وحتى في الطب (لا ، أنا لا أتحدث عن Surgeon Simulator). بفضل الواقع الافتراضي ، يمكن للشخص أن يرى شيئًا لم يكن ليراه أبدًا في الواقع الحقيقي ، مثل هذا التورية. ومع ذلك ، من أجل الانغماس الكامل في عالم الأحلام ، فإن أحد أهم الأحاسيس ، التي توفر اتصال الشخص بالعالم الخارجي ، يفتقر إلى اللمس. نشعر باستمرار بشيء ملموس: مفاتيح لوحة المفاتيح ، مقبض الباب ، فنجان الشاي ، إلخ. في الواقع الافتراضي ، جميع الأشياء ، بغض النظر عن مدى واقعية أنها تبدو للعيون ، خالية من أي تمثيل جسدي في الواقع. قررت مجموعة من العلماء من جامعة كارنيجي ميلون (الولايات المتحدة الأمريكية) إصلاح ذلك باستخدام جهاز بسيط إلى حد ما في المفهوم.من ماذا يتكون الاختراع وكيف يعمل ، نتعلم من تقرير العلماء. اذهب.

أساس الدراسة

تستخدم أنظمة الواقع الافتراضي الحديثة وحدات التحكم (وحتى لوحات الألعاب العادية من وحدات التحكم في الألعاب) لتتبع موضع أيدي المستخدم ، والتحكم في إجراءات الصورة الرمزية الافتراضية الخاصة بهم والاستجابة اللمسية للاهتزاز.

أولئك منا الذين لديهم وحدة تحكم في الألعاب يعرفون أن لوحات الألعاب يمكن أن تهتز في نقاط معينة من اللعبة (معركة مع الرئيس ، تصادم مع خصم في السباقات ، وما إلى ذلك). يستخدم الواقع الافتراضي أيضًا طريقة الاتصال هذه مع المستخدم ، ولكنه لا يعطي امتلاء الأحاسيس التي من شأنها أن تعطي لمسة.

إذا تحدثنا عن الجدران في الواقع الافتراضي ، فإنهم ينفذون مفهوم قطة شرودنغر بنجاح - يبدو أنهم موجودون ، ولكنهم في نفس الوقت ليسوا كذلك. يمكن للمستخدم من خلالهم (كليًا أو جزئيًا) عن قصد أم لا. وهذا يؤثر بشكل كبير على شعور العالم الذي تم إنشاؤه في الواقع الافتراضي.

للتخلص من العيوب المذكورة أعلاه أمر حقيقي للغاية ، على الرغم من صعوبة ذلك من حيث التصميم والتنفيذ. هناك العديد من الخيارات لإنشاء اتصال ملموس مع كائنات الواقع الافتراضي ، من الهيكل الخارجي الذي ينظم حركات المستخدم ، إلى الحد المادي لنظام الواقع الافتراضي في الفضاء الحقيقي (أي الجدران الحقيقية). ومع ذلك ، فإن كلتا الطريقتين تحد من حرية حركة المستخدم ، وبالتالي لا يمكنها توفير انغمار كامل ومريح في العالم الافتراضي.

الصورة رقم 1: مفهوم نظام Wireality.

في الدراسة التي نفكر فيها اليوم ، قرر العلماء إنشاء نسختهم الخاصة من نظام الاتصال اللمسي عن طريق الخيوط المتصلة بأجهزة الاستشعار الموجودة على يد المستخدم ، والتي تبدو مثل Pinocchio. مثل هذا النظام مستقل ومتنقل للغاية ، ناهيك عن تكلفته المنخفضة - ما يصل إلى 50 دولارًا للقطعة الواحدة للإنتاج بالجملة. قام المخترعون بتسمية إبداعاتهم Wireality ، وجمعوا السلك (السلك ، الخيط) والواقع (الواقع) في كلمة واحدة.

تنفيذ نظام Wireality

لذلك ، كانت الخصائص الفيزيائية الرئيسية للنظام التي أراد منشئوها الحصول عليها هي سهولة الاستخدام (سيتم إرفاق النظام بالمستخدم) ، وكفاءة الطاقة (هناك حاجة إلى مصدر طاقة مستقل) والتكلفة المنخفضة نسبيًا.

الأساس المفاهيمي والميكانيكي للنظام هو الخيوط التي ستوقف بطريقة معينة أقسامًا معينة من فرشاة المستخدم في الوقت المناسب. تقرر استخدام كابلات فولاذية قوية ورفيعة بما يكفي مع طلاء نايلون كمادة للخيوط.

الصورة رقم 2: النموذج الأولي لوحدة وسم مؤشر الترابط.

عندما تكون الخيوط هي محددات لموضع اليد ، لا يجب السماح لها بالترهل أو التوتر الزائد ، لأن هذا سيعطل النظام.

لمنع حدوث ذلك ، كان من الضروري استخدام شيء من شأنه أن يشد الخيوط بشكل فعال. تبين أن الخيارات الأولى لوحدة الشد ، كما يعترف العلماء أنفسهم ، مرهقة بسبب المحركات ، وظهرت مشكلة إزالة الحرارة (الرسم البياني أعلاه).

شكل 3: النسخة النهائية لوحدة وسم خيط Wireality.

بدلاً من ذلك ، تم استخدام الينابيع المسطحة ، كما هو الحال في شريط القياس. هذا الخيار أسهل بكثير وأرخص وأقوى وأكثر إحكاما. على الرغم من أن الينابيع المسطحة توفر جرًا ثابتًا بشكل استثنائي ، فقد وجد أن وحدة الكاسح ذات قوة الجر 80 جم تقضي تمامًا على مشكلة الترهل.

يتم تحديد الخيوط ، وحدة السحب ، أيضًا ، يبقى تحديد الوحدة لإصلاح موضع الفرشاة. أحد أهم العوامل في الحصول على الإحساس الأكثر واقعية هو التأخير في استجابة وحدة التثبيت لحركات المستخدم. استخدمت أنظمة السلك آليات قفل الكامة والسقاطة.

يتكون التصميم النهائي لوحدة القفل من آلية سقاطة أكريليك مع سقاطة (ترس مع أسنان حادة ، تقريبًا) بدقة 8 درجات لكل سن ووحدة تشديد يتم فيها تثبيت النابض ، والبكرة والخيط.

بما أن الخيط ملفوف على بكرة بقطر أصغر من السقاطة ، فإن كل سن يساوي 0.84 مم "انتقال سلسلة". الكاميرا ، بدورها ، تعلق على الملف اللولبي DC لسحب الدفع (12 فولت).

لذلك ، عندما تكون يد المستخدم على اتصال مع الكائن الافتراضي ، يبدأ برنامج النظام الملف اللولبي ، ويدفع المزلاج إلى السقاطة ، مما يمنع الملف من الدوران الإضافي ، أي يمنع إطلاق مزيد من الخيوط ، مما يوقف موضع اليد. وبسبب الجهد الذي بذله المستخدم نفسه على الخيط ، يمسك المزلاج المزلاج ، بحيث يمكن إيقاف الملف اللولبي بسرعة كافية ، مما يقلل من استهلاك الطاقة.

الصورة رقم 4: وحدة قفل الخيط.

وحدة واحدة للحظر مسؤولة عن قسم واحد من يد المستخدم (على سبيل المثال ، لإصبع السبابة) ، وبالتالي هناك العديد منها. الحجم الصغير (4.1x7x1.4 سم) وخفة الوزن تجعل من الممكن توصيلها بمجموعات (الصورة أدناه).

الصورة رقم 5: مجموعة من وحدات الحجب.

يتم وضع كل وحدة داخل علبة من النايلون وألياف الكربون مطبوعة على طابعة ثلاثية الأبعاد.

يتكون المكون الإلكتروني للوحدات المتشابكة من محرك HBridge L298N ثنائي المحرك الذي يتم التحكم فيه بواسطة متحكم Teensy 3.2 ، والذي يتلقى أوامر من نظام VR عبر USB العادي.

هذه المكونات الإلكترونية مضغوطة ولا تستهلك الطاقة عمليًا عندما لا تكون الملفات اللولبية متورطة. يمكن تقليل أبعاد وتكلفة الوحدة باستخدام ترانزستور ، والذي سيتم النظر فيه في مزيد من الدراسات.

عندما يوجه Teensy حظر أحد الخيوط ، فإنه ينشط الملف اللولبي المقابل لمدة 40 مللي ثانية ، وهو أقصر فاصل زمني للحظر الموثوق به.

بعد جمع كل الوحدات معًا ، فكر العلماء في المكان الذي سيتم فيه ربط كل هذا الفرح بجسم الإنسان. بالطبع ، النموذج الأولي ليس مثاليًا بعد ، ويمكن تقليل حجمه ، ولكن حتى في هذه المرحلة يكون من المريح جدًا ارتداءه. تقرر وضع نظام Wireality على كتف المستخدم عن طريق سترة خاصة توزع الحمل على الجسم (الصورة رقم 1).

أما بالنسبة لليدين ، كان من الضروري فهم العدد الأمثل لأجهزة استشعار الاتصال ، التي تحدد مباشرة عدد وحدات الحجب ، وبالتالي عدد الخيوط المستخدمة. اكتشف العلماء أنه مع وجود عدد كبير من نقاط الاتصال (على سبيل المثال ، طرف الإصبع ، والمفاصل السُّلامية ، والسلامية) ، يمكن تصميم أشكال هندسية أكثر تعقيدًا. ومع ذلك ، يؤدي هذا حتمًا إلى زيادة في أبعاد الجهاز ووزنه (هناك حاجة إلى ما مجموعه 15 وحدة: ثلاثة لأصابع السبابة والوسطى والحلقية والصغيرة ، و 2 على الإبهام و 1 على المعصم).

خلال التجارب ، وجد أن مثل هذا العدد الكبير من أجهزة الاستشعار ليس ضروريًا للحصول على اتصال ملموس واقعي مع كائن افتراضي. لذلك ، في النهاية ، تم تقليل عدد الخيوط والوحدات إلى سبعة: 5 لكل إصبع ، 1 على راحة اليد و 1 على المعصم.

يتم توصيل المستشعرات ذات الخيوط بيد المستخدم باستخدام الكشتبان المطبوعة على طابعة ثلاثية الأبعاد وأشرطة فيلكرو ، مما يساعد على توزيع الضغط المركز.

لإمساك أصابع المستخدم في نقاط فراغ ثلاثي الأبعاد لمحاكاة الأشياء الافتراضية المعقدة ، يلزم تتبع دقيق لمفاصل الذراع المتعددة. في النماذج الأولية المبكرة (أحد الخيارات في الصورة رقم 2) ، تم استخدام مقياس جهد ، مما جعل من الممكن تتبع المسافة بدقة إلى نقطة من الوحدة ، ولكن ليس السمت أو الارتفاع.

في النهاية ، تم استخدام Leap Motion ، المرفقة بمقدمة سماعة الرأس VR ، لتتبع اليدين. يوفر Leap Motion بيانات حول موضع جميع مفاصل اليد في مساحة ثلاثية الأبعاد. من الغريب أن الكشتبانات التي يتم ارتداؤها على أصابع المستخدم مصنوعة من مادة لا تتداخل مع تشغيل Leap Motion ، حيث تبدو في الأشعة تحت الحمراء مثل الجلد. كانت التفاصيل المهمة الأخرى هي الخيوط نفسها ، والتي كان من المفترض أن تظل غير مرئية للكاميرا ، لأن سمكها لم يتم اختياره عن طريق الصدفة.

تم استخدام Oculus Rift كنظام VR ، وتم إنشاء جميع المواقع التجريبية الافتراضية باستخدام Unity. للكشف عن الاتصال بكائنات افتراضية ، تم تعيين ObjectCollider وتعيينه لكل كائن أو عقبة على الموقع (الجدار). عند حدوث جهة اتصال ، يتم إرسال حدث OnTriggerEnter. يرسل معالج الأحداث أمر قفل إلى لوحة التشغيل عبر USB للمفصل المقابل ، أي وحدة القفل المقابلة.

يتم الكشف عن الاتصال بالتوازي مع جميع مفاصل الأصابع واليد ، ولا يتداخل تشغيل الملفات اللولبية مع بعضها البعض ، مما يوفر تحكمًا مستقلاً تمامًا ، وهو ضروري للتصور اللمسي للهندسة المعقدة.

فيديو يصف كيفية عمل نظام Wireality.

ميزات نظام Wireality

عند الانتهاء من النظام ، من الضروري التحقق منه بالكامل ، والذي تم القيام به. قام العلماء بتقييم العديد من العوامل الأساسية: الوزن ، وزمن الوصول ، وكفاءة الطاقة ، وقوة الحظر ، ودقة الإحساس بالتلامس ، إلخ.

كان وزن وحدة قفل واحدة 30 جم ، وتزن كتلة من 7 وحدات بالإضافة إلى جميع الإلكترونيات والحوامل الضرورية 273 جرامًا. يبلغ وزن جميع العناصر التي يرتديها المستخدم 11 جرامًا فقط. كمثال مقارن ، يستشهد العلماء بوحدة التحكم المحمولة HTC Vive ، التي تزن 203 جم.

فيما يتعلق بحرية الحركة ، يسمح لك نظام Wireality بالاتصال بأشياء افتراضية داخل دائرة نصف قطرها 83 سم من كتف المستخدم.

نظرًا لتصميم النظام ، يجب أن توقف كل وحدة نمطية يد المستخدم بسرعة في الموضع الصحيح ، ويجب القيام بذلك بشكل متكرر. لذلك ، كان من الضروري تقييم قوة الحمل القصوى التي يمكن أن يتحملها النظام. في المتوسط ، هذا المؤشر يساوي 186 شمالاً.

تم أيضًا تشغيل الملف اللولبي للاختبار المتكرر ، حيث تم استخدام الفولتية في النطاق من 5 إلى 12 فولت بمدة تتراوح من 10 إلى 1000 مللي ثانية. كما نعلم بالفعل ، فقد ثبت تجريبيًا أن 12 فولت و 40 مللي ثانية بالضبط هي التركيبة المثالية.

تلعب ملفات اللولبي ووقت استجابتها أيضًا دورًا مهمًا في تشكيل كفاءة الطاقة في النظام بأكمله. تستهلك كل وحدة تشابك 2.19 واط (183 مللي أمبير عند 12 فولت) عند تشغيل الملف اللولبي. بالنظر إلى أن الملف اللولبي قيد التشغيل لمدة 40 مللي ثانية فقط لإكمال حظر السقاطة ، فإن كل حدث حظر يستهلك فقط 0.024 مللي واط في الساعة (0.088 جول). كمثال ، يستشهد العلماء بسماعة Oculus Quest بسعة بطارية تصل إلى 14000 mWh ، والتي ستكون كافية لنصف مليون حدث حجب.

عندما يرغب المستخدم في لمس كائن افتراضي ، فإن تأخير النظام مهم للغاية ، أي كلما انخفض ، كان ذلك أفضل. كان إجمالي تأخير النظام 29 مللي ثانية: 9 مللي ثانية - Leap Motion ؛ 1 مللي ثانية - الاتصال التسلسلي ؛ 4 مللي ثانية - تفعيل الملف اللولبي ؛ 1 مللي ثانية - إقران المزلاج والسقاطة ؛ ms 14 مللي ثانية - وحدة استجابة في حامل الكتف. في المستقبل ، من المخطط تقليل هذه المؤشرات.

كما تم تقييم دقة تحديد موضع يد المستخدم بواسطة المستشعرات والاستجابة المقابلة لنظام القفل. بالطبع ، لا يوجد تطابق تام بين الإحداثيات الافتراضية والحقيقية ، لكن التباين لا يتجاوز 1.8 سم بسرعة 30 و 60 و 90 سم / ثانية.

الخبرات العملية

بعد ذلك ، أجريت تجارب شارك فيها 12 شخصًا (4 رجال و 8 نساء ، متوسط العمر 21 عامًا). تجدر الإشارة إلى أن 6 مشاركين لم يستخدموا أنظمة الواقع الافتراضي من قبل.

جلس كل واحد من المشاركين في وسط غرفة 2x2 متر مزودة بسماعة رأس Oculus Rift. تم تنفيذ ثلاثة خيارات اختبار: بدون أي شيء ، وحدة تحكم مع اهتزاز ، ونظام Wireality.

في كل تجربة ، تفاعل المشاركون مع خمسة أشياء: جدار ؛ مائل سطح مستو 45 درجة ؛ جسم كروى الكائن السادس وغير المنتظم (الشكل غير المنتظم ، تقريبًا).

الصورة رقم 6

تم ترتيب العناصر وخيارات التجربة بشكل عشوائي لكل مشارك. بعد التجربة ، قام كل مشارك بملء استبيان قصير ، حيث قام بتقييم مشاعره حول العمل في ظروف مختلفة من التجربة على مقياس من 1 (سيء جدًا) إلى 7 (ممتاز): شعور واقعي بالجسم ؛ راحة الاستخدام ؛ حرية الحركة.

الصورة رقم 7

يوضح الرسم البياني أعلاه نتائج التجارب العملية. لاحظ العلماء أنهم كانوا مستعدين تمامًا لحقيقة أن المشاركين في التجارب سيقيمون نظامًا نسبيًا منخفضًا نسبيًا من حيث الحرية والراحة. ومع ذلك ، في هذا النموذج الأولي ، كان التركيز الرئيسي على تحقيق أقصى قدر من الواقعية للأحاسيس ، وليس على الراحة ، والتي يمكن تحسينها في المستقبل ، مع الانتباه إلى بيئة العمل.

ومع ذلك ، كان رد فعل جميع المشاركين في التجارب إيجابيا للغاية لنظام Wireality. وفقا لهم ، سمحت لهم بتقييم الأشياء بشكل كبير في الواقع الافتراضي.

مضحك ، اعتقد بعض المشاركين في التجارب أن انسداد موضع أيديهم سيحدث من جانب الأشياء (أي أن شيئًا ما سيضغط على اليد ، مما يشكل مخططًا للكائن). يأمل آخرون في الشعور بنسيج الأشياء. بالطبع ، هذه الوظيفة غير موجودة في Wireality ، ولكن هذا أيضًا نموذج أولي.

تلخيصًا للبيانات من التجارب ، أنشأ العلماء العديد من المتغيرات لسيناريوهات الواقع الافتراضي لإثبات قدرات Wireality.

في المجموع ، تم تنفيذ أربعة سيناريوهات تعكس الاستخدام المحتمل لل Wireality: الحدود (كائنات محدودة المساحة) ؛ أشياء كبيرة وثقيلة ؛ كائنات التفاعل (الأزرار والرافعات وما إلى ذلك) ؛ الشخصيات الافتراضية.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في هذا العمل ، أوصيك بالنظر في تقرير العلماء .

الخاتمة

يمكن للواقع الافتراضي أن يمنح الشخص فرصة لاستكشاف عوالم غير موجودة في الواقع ، وممارسة الفن ، وإضافة ثلاثية الأبعاد إلى لوحاته ، والتجول حول المتاحف الموجودة في بلدان بعيدة ، وأكثر من ذلك بكثير. أنظمة الواقع الافتراضي ليست فقط ألعابًا وترفيهًا ، ولكنها أيضًا بيئة تعليمية جديدة ، وبالنسبة لشخص ما (على سبيل المثال ، الأشخاص ذوي الإعاقة) ، هذه هي الطريقة الوحيدة للشعور بحرية الحركة. وبعبارة أخرى ، يمكن تنفيذ الواقع الافتراضي في أي مكان ، إذا كان ذلك منطقيًا ، بالطبع.

الشيء الوحيد الذي لا يمكن للواقع الافتراضي فعله هو ، بشكل مدهش ، ضمان واقع التفاعلات اللمسية. يحل نظام Wireality هذه المشكلة بطريقة إبداعية إلى حد ما. الخيوط الفولاذية ، والسقاطات ، والملفات اللولبية وما إلى ذلك بعيدة كل البعد عن التفاصيل المستقبلية للخيال العلمي ، ومع ذلك ، فإنها جعلت من الممكن إنشاء نظام مستقبلي تمامًا. بالطبع ، لا تزال Wireality بعيدة عن المثالية ، لأنك تحتاج إلى العمل على بيئة العمل وكفاءة الطاقة وكمون النظام ، وهو ما يفعله مؤلفو هذا الاختراع في المستقبل.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم عطلة نهاية أسبوع رائعة يا رفاق! :)

القليل من الدعاية :)

أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك ، VPS السحابي للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟