🤴🏿 🕖 🕟 Was berühren virtuelle Wände? 💇🏿 😡 🧕🏾

In den letzten Jahren sind Geräte, mit denen der Benutzer in die virtuelle Realität (VR) eintauchen kann, viel komplexer und besser geworden. VR wird in der Bildung, in der Kunst, in der Unterhaltung und sogar in der Medizin eingesetzt (nein, ich spreche nicht von Surgeon Simulator). Dank VR kann eine Person etwas sehen, das sie in der Realität niemals gesehen hätte, ein solches Wortspiel. Für ein vollständiges Eintauchen in die Welt der Träume fehlt jedoch eine der wichtigsten Empfindungen, die den Kontakt eines Menschen mit der Außenwelt ermöglicht - Berührung. Wir fühlen ständig etwas an der Berührung: Tastaturtasten, Türknauf, Teetasse usw. In der VR haben alle Objekte, egal wie realistisch sie für die Augen erscheinen, keine physische Repräsentation in der Realität. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Carnegie Mellon University (USA) hat beschlossen, dieses Problem mithilfe eines relativ einfachen Konzepts zu beheben.Woraus die Erfindung besteht und wie sie funktioniert, lernen wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.

Studienbasis

Moderne VR-Systeme verwenden Controller (und sogar gewöhnliche Gamepads von Spielekonsolen), um die Position der Hände des Benutzers zu verfolgen, die Aktionen seines virtuellen Avatars zu steuern und eine vibrationsempfindliche Reaktion zu erzielen.

Diejenigen von uns, die eine Spielekonsole haben, wissen, dass Gamepads an bestimmten Punkten im Spiel vibrieren können (Kampf mit dem Boss, Kollision mit einem Gegner in Rennen usw.). VR verwendet auch diese Kommunikationsmethode mit dem Benutzer, gibt jedoch nicht die Fülle der Empfindungen wieder, die eine Berührung bewirken würden.

Wenn wir über die Wände in VR sprechen, dann setzen sie das Konzept der Schrödinger-Katze erfolgreich um - sie scheinen da zu sein, sind es aber gleichzeitig nicht. Der Benutzer kann sie (ganz oder teilweise) absichtlich oder nicht durchgehen. Und dies beeinflusst maßgeblich das Gefühl der in VR geschaffenen Welt.

Die oben genannten Nachteile zu beseitigen ist durchaus real, wenn auch schwierig in Bezug auf Design und Implementierung. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen taktilen Kontakt mit VR-Objekten herzustellen, vom Exoskelett, das die Bewegungen des Benutzers organisiert, bis zur physischen Begrenzung des VR-Systems im realen Raum (d. H. In realen Wänden). Beide Methoden schränken jedoch die Bewegungsfreiheit des Benutzers ein und können daher kein vollständiges und komfortables Eintauchen in die virtuelle Welt ermöglichen.

Bild 1: Wireality-Systemkonzept.

In der Studie, die wir heute betrachten, haben die Wissenschaftler beschlossen, eine eigene Version des taktilen Kontaktsystems mithilfe von Fäden zu erstellen, die an Sensoren an den Händen des Benutzers angebracht sind und wie Pinocchio aussehen. Ein solches System ist autonom und sehr mobil, ganz zu schweigen von seinen geringen Kosten - bis zu 50 US-Dollar pro Stück für die Massenproduktion. Die Erfinder nannten ihre Kreationen Wireality und kombinierten Draht (Draht, Faden) und Realität (Realität) in einem Wort.

Implementierung des Wireality-Systems

Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften des Systems, die seine Entwickler erhalten wollten, waren Benutzerfreundlichkeit (das System wird an den Benutzer angeschlossen), Energieeffizienz (eine autonome Stromversorgung ist erforderlich) und relativ niedrige Kosten.

Die konzeptionelle und mechanische Basis des Systems sind die Fäden, die auf bestimmte Weise bestimmte Abschnitte der Bürste des Benutzers zum richtigen Zeitpunkt stoppen. Es wurde beschlossen, ausreichend starke und dünne Stahlkabel mit Nylonbeschichtung als Material für die Gewinde zu verwenden.

Bild Nr. 2: Prototyp des Threadality Tagging Module.

Wenn die Gewinde die Begrenzung der Position der Hand sind, sollten sie nicht durchhängen oder eine übermäßige Spannung aufweisen, da dies das System stören wird.

Um dies zu verhindern, musste etwas verwendet werden, das die Gewinde effektiv festzieht. Die ersten Optionen für das Anziehmodul erwiesen sich, wie die Wissenschaftler selbst zugeben, aufgrund der Motoren als umständlich, und das Problem der Wärmeabfuhr trat auf (siehe Abbildung oben).

Bild 3: Die endgültige Version des Wireality Thread Tagging Module.

Stattdessen wurden flache Federn wie beim Maßband verwendet. Diese Option ist viel einfacher, billiger, stärker und kompakter. Obwohl die flachen Federn eine außergewöhnlich feste Traktion bieten, wurde festgestellt, dass ein Retraktormodul mit einer Traktionskraft von 80 g das Problem des Durchhängens der Gewinde perfekt beseitigt.

Die Gewinde werden ausgewählt, das Zugmodul bleibt auch, um das Modul zur Fixierung der Position der Bürste zu bestimmen. Einer der wichtigsten Faktoren, um das realistischste Gefühl zu erzielen, ist die Verzögerung der Reaktion des Fixierungsmoduls auf Benutzerbewegungen. Wireality-Systeme verwendeten Nocken- und Ratschenverriegelungsmechanismen.

Das endgültige Design des Verriegelungsmoduls besteht aus einem Acryl-Ratschenmechanismus mit Ratsche (Zahnrad mit scharfen Zähnen, grob gesagt) mit einer Auflösung von 8 ° pro Zahn und einem Spannmodul, in das die Feder, die Spule und das Gewinde eingebaut sind.

Da der Faden auf eine Spule mit einem kleineren Durchmesser als die Ratsche gewickelt ist, entspricht jeder Zahn einem "Fadenweg" von 0,84 mm. Der Nocken wird wiederum am Gegentakt-Gleichstrommagneten (12 V) befestigt.

Wenn daher die Hand des Benutzers mit dem virtuellen Objekt in Kontakt steht, startet das Systemprogramm den Magneten und drückt den Riegel in die Ratsche, wodurch die Spule an einer weiteren Drehung gehindert wird, d. H. verhindert das weitere Lösen von Fäden, wodurch die Position der Hand gestoppt wird. Und aufgrund der Anstrengung, die der Benutzer selbst auf die Gewinde ausübt, hält die Ratsche die Verriegelung, sodass der Magnet schnell genug ausgeschaltet werden kann, was den Energieverbrauch senkt.

Bild 4: Thread-Lock-Modul.

Ein Blockierungsmodul ist für einen Abschnitt der Hand des Benutzers verantwortlich (z. B. für den Zeigefinger), daher gibt es mehrere davon. Die kompakte Größe (4,1 x 7 x 1,4 cm) und die Leichtigkeit ermöglichen es, sie zu Clustern zu verbinden (Foto unten).

Bild 5: Cluster blockierender Module.

Jedes Modul befindet sich in einem Gehäuse aus Nylon und Kohlefaser, das auf einem 3D-Drucker gedruckt wurde.

Die elektronische Komponente der Verriegelungsmodule besteht aus dem Doppelmotor-Treiber HBridge L298N, der vom Teensy 3.2-Mikrocontroller gesteuert wird und Befehle vom VR-System über normales USB empfängt.

Diese elektronischen Komponenten sind kompakt und verbrauchen praktisch keine Energie, wenn die Magnete nicht beteiligt sind. Die Abmessungen und Kosten des Moduls können durch Verwendung eines Transistors reduziert werden, was in weiteren Studien berücksichtigt wird.

Wenn Teensy anweist, einen der Threads zu blockieren, aktiviert er den entsprechenden Magneten für 40 ms. Dies ist das kürzeste Intervall für ein zuverlässiges Blockieren.

Nachdem die Wissenschaftler alle Module zusammengetragen hatten, überlegten sie, wo all diese Freude mit dem menschlichen Körper verbunden sein würde. Der Prototyp ist natürlich noch nicht ideal und seine Größe kann reduziert werden, aber selbst in diesem Stadium ist er recht angenehm zu tragen. Es wurde beschlossen, das Wireality-System mit einer speziellen Weste, die die Last auf den Körper verteilt, auf der Schulter des Benutzers zu platzieren (Bild Nr. 1).

Bei den Händen war es notwendig, die optimale Anzahl von Kontakt- "Sensoren" zu verstehen, die direkt die Anzahl der Sperrmodule und damit die Anzahl der verwendeten Gewinde bestimmt. Wissenschaftler haben entdeckt, dass mit einer großen Anzahl von Kontaktpunkten (z. B. Fingerspitze, Metacarpophalangeal- und Interphalangealgelenke) komplexere geometrische Formen modelliert werden können. Dies führt jedoch zwangsläufig zu einer Vergrößerung der Abmessungen des Geräts und seines Gewichts (insgesamt werden 15 Module benötigt: drei für den Zeige-, Mittel-, Ring- und kleinen Finger, 2 für den Daumen und 1 für das Handgelenk).

Während der Experimente wurde festgestellt, dass eine so große Anzahl von Sensoren nicht erforderlich ist, um einen realistischen taktilen Kontakt mit einem virtuellen Objekt zu erhalten. Daher wurde am Ende die Anzahl der Saiten und Module auf sieben reduziert: 5 für jeden Finger, 1 auf der Handfläche und 1 am Handgelenk.

Sensoren mit Gewinden werden mit Fingerhüten, die auf einem 3D-Drucker gedruckt sind, und Klettbändern an der Hand des Benutzers befestigt, um den konzentrierten Druck zu verteilen.

Um die Finger des Benutzers in Punkten des dreidimensionalen Raums zu halten, um komplexe virtuelle Objekte zu simulieren, ist eine genaue Verfolgung mehrerer Armgelenke erforderlich. In frühen Prototypen (eine der Optionen in Bild Nr. 2) wurde ein Potentiometer verwendet, mit dem die Entfernung zu einem Punkt vom Modul genau verfolgt werden konnte, nicht jedoch der Azimut oder die Höhe.

Letztendlich wurde Leap Motion, das an der Vorderseite des VR-Headsets angebracht war, zum Verfolgen von Händen verwendet. Leap Motion liefert Daten zur Position aller Gelenke der Hand im dreidimensionalen Raum. Es ist merkwürdig, dass die Fingerhüte, die an den Fingern des Benutzers getragen werden, aus einem Material bestehen, das Leap Motion nicht beeinträchtigt, da sie im Infrarot genauso aussehen wie Leder. Ein weiteres wichtiges Detail waren die Fäden selbst, die für die Kamera unsichtbar bleiben sollten, da ihre Dicke auch nicht zufällig gewählt wurde.

Oculus Rift wurde als VR-System verwendet, und alle virtuellen Versuchsstandorte wurden mit Unity erstellt. Um den Kontakt mit virtuellen Objekten zu erkennen, wurde jedem Objekt oder Hindernis auf der Site (Wand) ein ObjectCollider zugewiesen. Wenn ein Kontakt auftritt, wird ein OnTriggerEnter-Ereignis ausgelöst. Der Ereignishandler sendet einen Sperrbefehl über USB an die Treiberplatine für das entsprechende Gelenk, d. H. Das entsprechende Sperrmodul.

Die Kontakterkennung wird für alle Gelenke von Fingern und Hand parallel durchgeführt, und die Betätigung der Magnete stört sich nicht gegenseitig, wodurch eine völlig unabhängige Steuerung ermöglicht wird, die für die taktile Visualisierung komplexer Geometrien erforderlich ist.

Video, das beschreibt, wie das Wireality-System funktioniert.

Funktionen des Wireality-Systems

Nach Fertigstellung des Systems muss es vollständig überprüft werden, was getan wurde. Wissenschaftler haben mehrere grundlegende Faktoren bewertet: Gewicht, Latenz, Energieeffizienz, Blockierungsstärke, Genauigkeit des Kontaktgefühls usw.

Das Gewicht eines Verriegelungsmoduls betrug 30 g. Ein Block mit 7 Modulen plus der gesamten erforderlichen Elektronik und Halterungen wiegt 273 Gramm. Das Gewicht aller an der Hand des Benutzers getragenen Elemente beträgt nur 11 Gramm. Als Vergleichsbeispiel zitieren Wissenschaftler den tragbaren HTC Vive-Controller mit einem Gewicht von 203 g.

In Bezug auf die Bewegungsfreiheit können Sie mit dem Wireality-System virtuelle Objekte in einem Radius von 83 cm von der Schulter des Benutzers berühren.

In Anbetracht des Systemdesigns muss jedes Modul die Hand des Benutzers schnell in der richtigen Position anhalten, und dies muss wiederholt durchgeführt werden. Daher war es notwendig, die maximale Lastkraft zu bewerten, die das System aushalten kann. Im Durchschnitt beträgt dieser Indikator 186 N. Der

Betrieb der Magnete wurde ebenfalls wiederholt getestet, wobei Spannungen im Bereich von 5 bis 12 V mit einer Dauer von 10 bis 1000 ms angelegt wurden. Wie wir bereits wissen, wurde experimentell festgestellt, dass genau 12 V und 40 ms die perfekte Kombination sind.

Solenoide und ihre Reaktionszeit spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Energieeffizienz des gesamten Systems. Jedes Verriegelungsmodul verbraucht 2,19 W (183 mA bei 12 V), wenn der Magnet eingeschaltet wird. Wenn man bedenkt, dass der Magnet nur 40 ms lang eingeschaltet ist, um die Ratschenblockierung abzuschließen, verbraucht jedes Blockierungsereignis nur 0,024 mWh (0,088 J). Als Beispiel nennen Wissenschaftler das Oculus Quest-Headset mit einer Akkukapazität von 14.000 mWh, was für eine halbe Million Blockierungsereignisse ausreichen würde.

Wenn ein Benutzer ein virtuelles Objekt berühren möchte, ist die Systemverzögerung äußerst wichtig, d. H. Je niedriger es ist, desto besser. Die Gesamtsystemverzögerung betrug 29 ms: 9 ms - Sprungbewegung; 1 ms - serielle Kommunikation; 4 ms - Aktivierung des Magneten; 1 ms - Ratschen- und Latch-Paarung; ～ 14 ms - Antworteinheit in der Schulterhalterung. In Zukunft ist geplant, diese Indikatoren zu reduzieren.

Die Genauigkeit der Bestimmung der Position der Hand des Benutzers durch die Sensoren und die entsprechende Reaktion des Verriegelungssystems wurde ebenfalls bewertet. Natürlich gibt es keine perfekte Übereinstimmung zwischen virtuellen und realen Koordinaten, aber die Diskrepanz überschreitet 1,8 cm bei einer Geschwindigkeit von 30, 60 und 90 cm / s nicht.

Praktische Erfahrungen

Als nächstes wurden Experimente durchgeführt, an denen 12 Personen teilnahmen (4 Männer und 8 Frauen, Durchschnittsalter 21 Jahre). Es ist erwähnenswert, dass 6 Teilnehmer noch nie zuvor VR-Systeme verwendet hatten.

Jeder der Teilnehmer saß mit einem Oculus Rift-Headset in der Mitte eines 2 x 2 m großen Raums. Es wurden drei Testoptionen implementiert: ohne irgendetwas eine Steuerung mit Vibration und das Wireality-System.

In jedem Experiment interagierten die Teilnehmer mit fünf Objekten: einer Wand; geneigte 45 ° flache Oberfläche; Kugel das sechste und unregelmäßige Objekt (unregelmäßige Form, grob gesagt).

Bild Nr. 6

Die Reihenfolge der Objekte und Erfahrungsoptionen wurde für jeden Teilnehmer randomisiert. Nach dem Experiment füllte jeder Teilnehmer einen kurzen Fragebogen aus, in dem er seine Gefühle bezüglich der Arbeit unter verschiedenen Bedingungen des Experiments auf einer Skala von 1 (sehr schlecht) bis 7 (ausgezeichnet) bewertete: realistisches Gefühl des Objekts; Bedienkomfort; Bewegungsfreiheit.

Bild Nr. 7

Die obige Grafik zeigt die Ergebnisse praktischer Experimente. Wissenschaftler stellen fest, dass sie vollständig darauf vorbereitet waren, dass die Teilnehmer an den Experimenten das Wireality-System in Bezug auf Freiheit und Komfort relativ niedrig bewerten werden. Bei diesem Prototyp lag das Hauptaugenmerk jedoch auf der Erzielung eines maximalen Realismus der Empfindungen und nicht auf dem Komfort, der in Zukunft unter Berücksichtigung der Ergonomie verbessert werden kann.

Trotzdem reagierten alle Teilnehmer an den Experimenten äußerst positiv auf das Wireality-System. Ihnen zufolge konnten sie Objekte in der virtuellen Realität signifikant bewerten.

Komischerweise glaubten einige Teilnehmer an den Experimenten, dass die Blockierung der Position ihrer Hände von der Seite der Objekte aus erfolgen würde (d. H. Etwas würde auf die Hand drücken und den Umriss des Objekts bilden). Andere hofften auf ein Gefühl der Textur von Objekten. Natürlich existiert diese Funktion in Wireality nicht, aber dies ist auch ein Prototyp.

Die Wissenschaftler fassten die Daten aus den Experimenten zusammen und erstellten verschiedene Varianten von Virtual-Reality-Szenarien, um die Fähigkeiten von Wireality zu demonstrieren.

Insgesamt wurden vier Szenarien implementiert, die die mögliche Verwendung von Wireality widerspiegeln: Grenzen (Objekte mit räumlichen Einschränkungen); große und schwere Gegenstände; Interaktionsobjekte (Tasten, Hebel usw.); virtuelle Charaktere.

Um die Nuancen dieser Arbeit genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Epilog

Die virtuelle Realität kann einem Menschen die Möglichkeit geben, Welten zu erkunden, die es in der Realität nicht gibt, Kunst zu üben, seinen Gemälden Dreidimensionalität zu verleihen, durch Museen in fernen Ländern zu wandern und vieles mehr. VR-Systeme sind nicht nur Spiele und Unterhaltung, sondern auch eine neue Lernumgebung. Für jemanden (z. B. Menschen mit Behinderungen) ist dies die einzige Möglichkeit, Bewegungsfreiheit zu spüren. Mit anderen Worten, VR kann überall implementiert werden, wenn das natürlich Sinn macht.

Das einzige, was die virtuelle Realität nicht kann, ist überraschenderweise die Realität taktiler Interaktionen sicherzustellen. Das Wireality-System löst dieses Problem auf ziemlich kreative Weise. Stahlfäden, Ratschen, Magnetspulen usw. sind weit entfernt von futuristischen Science-Fiction-Details. Zusammen ermöglichten sie jedoch die Schaffung eines vollständig futuristischen Systems. Natürlich ist Wireality noch lange nicht ideal, da Sie an Ergonomie, Energieeffizienz und Latenz des Systems arbeiten müssen, was die Autoren dieser Erfindung in Zukunft planen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und wünschen Sie allen ein schönes Wochenende! :) :)

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