💅🏿 ☀️ 👃🏾 ¿Qué tocan las paredes virtuales? 🏎️ 🐯 ☮️

En los últimos años, los dispositivos que permiten al usuario sumergirse en la realidad virtual (VR) se han vuelto mucho más complejos y mejores. La realidad virtual se utilizará en educación, en arte y en entretenimiento, e incluso en medicina (no, no estoy hablando de Surgeon Simulator). Gracias a la realidad virtual, una persona puede ver algo que nunca hubiera visto en la realidad real, como un juego de palabras. Sin embargo, para una inmersión completa en el mundo de los sueños, una de las sensaciones más importantes, que proporciona el contacto de una persona con el mundo exterior, es el tacto, el tacto. Constantemente sentimos algo al tacto: teclas del teclado, pomo de la puerta, taza de té, etc. En la realidad virtual, todos los objetos, por realistas que parezcan a los ojos, carecen de representación física en la realidad. Un grupo de científicos de la Universidad Carnegie Mellon (EE. UU.) Decidió solucionar esto utilizando un dispositivo bastante simple en concepto.En qué consiste la invención y cómo funciona, aprendemos del informe de los científicos. Vamos.

Base de estudio

Los sistemas de realidad virtual modernos utilizan controladores (e incluso mandos de juego normales de consolas de juegos) para rastrear la posición de las manos del usuario, controlar las acciones de su avatar virtual y para una respuesta táctil vibratoria.

Aquellos de nosotros que tenemos una consola de juegos sabemos que los gamepads pueden vibrar en ciertos puntos del juego (batalla con el jefe, colisión con un oponente en las carreras, etc.). La realidad virtual también utiliza este método de comunicación con el usuario, pero no brinda la plenitud de las sensaciones que le darían un toque.

Si hablamos de los muros en realidad virtual, implementan con éxito el concepto del gato Schrödinger: parecen estar allí, pero al mismo tiempo no lo están. El usuario puede revisarlos (en su totalidad o en parte) intencionalmente o no. Y esto afecta significativamente la sensación del mundo creado en la realidad virtual.

Deshacerse de las desventajas anteriores es bastante real, aunque difícil en términos de diseño e implementación. Hay varias opciones para crear contacto táctil con objetos de realidad virtual, desde el exoesqueleto que organiza los movimientos del usuario, hasta la limitación física del sistema de realidad virtual en el espacio real (es decir, paredes reales). Sin embargo, ambos métodos limitan la libertad de movimiento del usuario y, por lo tanto, no pueden proporcionar una inmersión completa y cómoda en el mundo virtual.

Imagen # 1: Concepto de sistema de Wireality.

En el estudio que estamos considerando hoy, los científicos decidieron crear su propia versión del sistema de contacto táctil mediante hilos conectados a sensores en las manos del usuario, que se parece a Pinocho. Tal sistema es autónomo y muy móvil, sin mencionar su bajo costo: hasta $ 50 cada uno para producción en masa. Los inventores nombraron sus creaciones Wireality, combinando alambre (alambre, hilo) y realidad (realidad) en una palabra.

Implementación del sistema de Wireality

Por lo tanto, las principales propiedades físicas del sistema que sus creadores querían obtener eran la facilidad de uso (el sistema se conectará al usuario), la eficiencia energética (se necesita una fuente de alimentación autónoma) y un costo relativamente bajo.

La base conceptual y mecánica del sistema son los hilos que detendrán de cierta manera ciertas secciones del pincel del usuario en el momento adecuado. Se decidió utilizar cables de acero suficientemente fuertes y delgados con revestimiento de nylon como material para los hilos.

Imagen No. 2: prototipo del Módulo de etiquetado de amenazas.

Cuando los hilos son los limitadores de la posición de la mano, no se debe permitir que se hundan o que el exceso de tensión, ya que esto interrumpirá el sistema.

Para evitar que esto sucediera, era necesario usar algo que apretara efectivamente los hilos. Las primeras opciones para el módulo de apriete, como admiten los propios científicos, resultaron ser engorrosas debido a los motores, y apareció el problema de la eliminación del calor (el diagrama anterior).

Imagen 3: La versión final del Módulo de etiquetado de hilos de Wireality.

En cambio, se usaron resortes planos, como en la cinta métrica. Esta opción es mucho más fácil, más barata, más fuerte y más compacta. Aunque los muelles planos proporcionan una tracción excepcionalmente fija, se descubrió que un módulo retractor con una fuerza de tracción de 80 g elimina perfectamente el problema de las roscas caídas.

Se seleccionan los hilos, el módulo de extracción también queda por determinar el módulo para fijar la posición del cepillo. Uno de los factores más importantes para obtener la sensación más realista es el retraso en la respuesta del módulo de fijación a los movimientos del usuario. Los sistemas de Wireality utilizaron mecanismos de bloqueo de leva y trinquete.

El diseño final del módulo de bloqueo consiste en un mecanismo de trinquete acrílico con trinquete (engranaje con dientes afilados, aproximadamente) con una resolución de 8 ° por diente y un módulo de apriete en el que se instalan el resorte, el carrete y la rosca.

Como el hilo se enrolla en un carrete con un diámetro menor que el trinquete, cada diente es igual a 0,84 mm de "recorrido de cuerda". La leva, a su vez, se conecta al solenoide de CC de empuje y arrastre (12 V).

Por lo tanto, cuando la mano del usuario está en contacto con el objeto virtual, el programa del sistema inicia el solenoide, empujando el pestillo en el trinquete, lo que bloquea la bobina de una mayor rotación, es decir. evita una mayor liberación de hilos, lo que detiene la posición de la mano. Y debido al esfuerzo ejercido por el propio usuario en los hilos, el trinquete sujeta el pestillo, por lo que el solenoide se puede apagar lo suficientemente rápido, lo que reduce el consumo de energía.

Imagen # 4: módulo de bloqueo de hilo.

Un módulo de bloqueo es responsable de una sección de la mano del usuario (por ejemplo, para el dedo índice), por lo tanto, hay varios de ellos. El tamaño compacto (4.1x7x1.4 cm) y la ligereza permiten conectarlos en grupos (foto a continuación).

Imagen # 5: grupo de módulos de bloqueo.

Cada módulo está alojado dentro de una caja de nylon y fibra de carbono impresa en una impresora 3D.

El componente electrónico de los módulos de enclavamiento consiste en el controlador de motor dual HBridge L298N controlado por el microcontrolador Teensy 3.2, que recibe comandos del sistema VR a través de un USB normal.

Estos componentes electrónicos son compactos y prácticamente no consumen energía cuando los solenoides no están involucrados. Las dimensiones y el costo del módulo se pueden reducir mediante el uso de un transistor, que se considerará en otros estudios.

Cuando Teensy le indica que bloquee uno de los hilos, activa el solenoide correspondiente durante 40 ms, que es el intervalo más corto para un bloqueo confiable.

Después de reunir todos los módulos, los científicos pensaron dónde se uniría toda esta alegría al cuerpo humano. El prototipo, por supuesto, aún no es ideal, y su tamaño puede reducirse, pero incluso en esta etapa es bastante cómodo de llevar. Se decidió colocar el sistema Wireality en el hombro del usuario por medio de un chaleco especial que distribuye la carga en el cuerpo (imagen No. 1).

En cuanto a las manos, era necesario comprender el número óptimo de "sensores" de contacto, que determina directamente el número de módulos de bloqueo y, por lo tanto, el número de hilos utilizados. Los científicos han descubierto que con una gran cantidad de puntos de contacto (por ejemplo, la punta del dedo, las articulaciones metacarpofalángicas e interfalángicas), se pueden modelar formas geométricas más complejas. Sin embargo, esto inevitablemente conduce a un aumento en las dimensiones del dispositivo y su peso (se necesitan un total de 15 módulos: tres para los dedos índice, medio, anular y meñique, 2 en el pulgar y 1 en la muñeca).

Durante los experimentos, se descubrió que una cantidad tan grande de sensores no es necesaria para obtener un contacto táctil realista con un objeto virtual. Por lo tanto, al final, el número de cadenas y módulos se redujo a siete: 5 por cada dedo, 1 en la palma y 1 en la muñeca.

Los sensores con hilos están unidos a la mano del usuario con dedales impresos en una impresora 3D y correas de velcro, lo que ayuda a distribuir la presión concentrada.

Para mantener los dedos del usuario en puntos de espacio tridimensional para simular objetos virtuales complejos, se requiere un seguimiento preciso de múltiples articulaciones del brazo. En los primeros prototipos (una de las opciones en la imagen No. 2), se usó un potenciómetro, que permitió rastrear con precisión la distancia a un punto desde el módulo, pero no el acimut o la altitud.

Finalmente, Leap Motion, conectado a la parte frontal del auricular VR, se usó para rastrear las manos. Leap Motion proporciona datos sobre la posición de todas las articulaciones de la mano en un espacio tridimensional. Es curioso que los dedales que se usan en los dedos del usuario estaban hechos de un material que no interfiere con el funcionamiento de Leap Motion, ya que en el infrarrojo se ven igual que la piel. Otro detalle importante fueron los hilos en sí, que se suponía que debían permanecer invisibles para la cámara, porque su grosor tampoco fue elegido por casualidad.

Oculus Rift se usó como un sistema de realidad virtual, y todos los sitios experimentales virtuales se crearon con Unity. Para detectar el contacto con objetos virtuales, se asignó un ObjectCollider, asignado a cada objeto u obstáculo en el sitio (muro). Cuando se produce un contacto, se distribuye un evento OnTriggerEnter. El controlador de eventos envía un comando de bloqueo a la placa del controlador a través de USB para la unión correspondiente, es decir, el módulo de bloqueo correspondiente.

La detección de contacto se realiza en paralelo para todas las articulaciones de los dedos y la mano, y el accionamiento de los solenoides no interfiere entre sí, proporcionando un control completamente independiente, que es necesario para la visualización táctil de geometrías complejas.

Video que describe cómo funciona el sistema Wireality.

Características del sistema de Wireality

Al completar el sistema, es necesario verificarlo completamente, lo cual se hizo. Los científicos han evaluado varios factores fundamentales: peso, latencia, eficiencia energética, fuerza de bloqueo, precisión de la sensación de contacto, etc.

El peso de un módulo de bloqueo era de 30 G. Un bloque de 7 módulos más todos los componentes electrónicos y soportes necesarios pesa 273 gramos. El peso de todos los elementos usados en la mano del usuario es de solo 11 gramos. Como ejemplo comparativo, los científicos citan el controlador portátil HTC Vive, que pesa 203 g.

Con respecto a la libertad de movimiento, el sistema Wireality le permite contactar objetos virtuales dentro de un radio de 83 cm desde el hombro del usuario.

Dado el diseño del sistema, cada módulo debe detener rápidamente la mano del usuario en la posición correcta, y esto tendrá que hacerse repetidamente. Por lo tanto, fue necesario evaluar la fuerza de carga máxima que el sistema puede soportar. En promedio, este indicador es igual a 186 N. El

funcionamiento de los solenoides también se sometió a pruebas repetidas, durante las cuales se utilizaron voltajes en el rango de 5 a 12 V con una duración de 10 a 1000 ms. Como ya sabemos, se estableció experimentalmente que exactamente 12 V y 40 ms son la combinación perfecta.

Los solenoides y su tiempo de respuesta también juegan un papel importante en la configuración de la eficiencia energética de todo el sistema. Cada módulo de enclavamiento consume 2,19 W (183 mA a 12 V) cuando se activa el solenoide. Teniendo en cuenta que el solenoide se enciende solo durante 40 ms para completar el bloqueo de trinquete, cada evento de bloqueo consume solo 0.024 mWh (0.088 J). Como ejemplo, los científicos citan los auriculares Oculus Quest con una capacidad de batería de 14,000 mWh, lo que sería suficiente para medio millón de eventos de bloqueo.

Cuando un usuario quiere tocar un objeto virtual, el retraso del sistema es extremadamente importante, es decir cuanto más bajo sea, mejor. El retraso total del sistema fue de 29 ms: 9 ms - Leap Motion; 1 ms - comunicación en serie; 4 ms: activación del solenoide; 1 ms - emparejamiento de trinquete y pestillo; ～ 14 ms: unidad de respuesta en el soporte de hombro. En el futuro, se planea reducir estos indicadores.

También se evaluó la precisión de determinar la posición de la mano del usuario mediante los sensores y la respuesta correspondiente del sistema de bloqueo. Por supuesto, no existe una coincidencia perfecta entre las coordenadas virtuales y reales, pero la discrepancia no supera los 1,8 cm a una velocidad de 30, 60 y 90 cm / s.

Experiencias prácticas

A continuación, se realizaron experimentos en los que participaron 12 personas (4 hombres y 8 mujeres, edad promedio 21 años). Vale la pena señalar que 6 participantes nunca antes habían usado sistemas de realidad virtual.

Cada uno de los participantes se sentó en el centro de una habitación de 2x2 m con un auricular Oculus Rift. Se implementaron tres opciones de prueba: sin nada, un controlador con vibración y el sistema Wireality.

En cada experimento, los participantes interactuaron con cinco objetos: una pared; superficie plana inclinada de 45 °; esfera el sexto e irregular objeto (forma irregular, más o menos).

Imagen No. 6

El orden de los objetos y las opciones de experiencia se asignaron al azar para cada participante. Después del experimento, cada participante llenó un breve cuestionario, donde evaluó sus sentimientos sobre trabajar en diferentes condiciones del experimento en una escala de 1 (muy malo) a 7 (excelente): sentimiento realista del objeto; comodidad de uso; libertad de movimiento.

Imagen No. 7

El gráfico anterior muestra los resultados de experimentos prácticos. Los científicos señalan que estaban completamente preparados para el hecho de que los participantes en los experimentos evaluarán relativamente poco el sistema Wireality en términos de libertad y comodidad. Sin embargo, en este prototipo, el énfasis principal estaba en lograr el máximo realismo de las sensaciones, y no en la comodidad, que se puede mejorar en el futuro, prestando atención a la ergonomía.

Sin embargo, todos los participantes en los experimentos reaccionaron de manera extremadamente positiva al sistema Wireality. Según ellos, les permitió evaluar significativamente los objetos en la realidad virtual.

Es curioso, algunos participantes en los experimentos creían que el bloqueo de la posición de sus manos ocurriría desde el lado de los objetos (es decir, algo presionaría la mano, formando el contorno del objeto). Otros esperaban una sensación de textura de los objetos. Por supuesto, esta función no existe en Wireality, pero también es un prototipo.

Resumiendo los datos de los experimentos, los científicos crearon varias variantes de escenarios de realidad virtual para demostrar las capacidades de Wireality.

En total, se implementaron cuatro escenarios que reflejan el posible uso de Wireality: bordes (objetos de limitaciones de espacio); objetos grandes y pesados; objetos de interacción (botones, palancas, etc.); personajes virtuales

Para conocer más detalladamente los matices de este trabajo, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .

Epílogo

La realidad virtual puede brindarle a una persona la oportunidad de explorar mundos que no existen en la realidad, practicar arte, agregar tridimensionalidad a sus pinturas, pasear por museos ubicados en países distantes y mucho más. Los sistemas de realidad virtual no son solo juegos y entretenimiento, sino también un nuevo entorno de aprendizaje, y para alguien (por ejemplo, personas con discapacidades), esta es la única forma de sentir la libertad de movimiento. En otras palabras, la realidad virtual se puede implementar en cualquier lugar, si eso tiene sentido, por supuesto.

Lo único que la realidad virtual no puede hacer es, sorprendentemente, garantizar la realidad de las interacciones táctiles. El sistema Wireality resuelve este problema de una manera bastante creativa. Los hilos de acero, trinquetes, solenoides, etc. están lejos de ser detalles futuristas de ciencia ficción, sin embargo, en conjunto, hicieron posible crear un sistema completamente futurista. Por supuesto, Wireality aún está lejos de ser ideal, porque necesita trabajar en la ergonomía, la eficiencia energética y la latencia del sistema, que es lo que los autores de esta invención planean hacer en el futuro.

Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana a todos, muchachos. :)

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