🃏 🙍🏽 💏 Qu'est-ce qui touche les murs virtuels? ✉️ 👶🏿 🆒

Au cours des dernières années, les appareils qui permettent à l'utilisateur de plonger dans la réalité virtuelle (VR) sont devenus beaucoup plus complexes et meilleurs. La VR sera utilisée dans l'éducation, l'art, le divertissement et même la médecine (non, je ne parle pas de Surgeon Simulator). Grâce à la réalité virtuelle, une personne peut voir quelque chose qu'elle n'aurait jamais vu dans la réalité, un jeu de mots. Cependant, pour une immersion complète dans le monde des rêves, l'une des sensations les plus importantes, qui fournit le contact d'une personne avec le monde extérieur, est le toucher - le toucher. Nous ressentons constamment quelque chose au toucher: touches du clavier, poignée de porte, tasse de thé, etc. En VR, tous les objets, aussi réalistes qu'ils paraissent aux yeux, sont dépourvus de toute représentation physique dans la réalité. Un groupe de scientifiques de l'Université Carnegie Mellon (USA) a décidé de résoudre ce problème en utilisant un appareil assez simple dans son concept.En quoi consiste l'invention et comment elle fonctionne, nous apprenons du rapport des scientifiques. Aller.

Base d'étude

Les systèmes VR modernes utilisent des contrôleurs (et même des manettes de jeu ordinaires à partir des consoles de jeu) pour suivre la position des mains de l'utilisateur, contrôler les actions de leur avatar virtuel et pour une réponse tactile et vibratoire.

Ceux d'entre nous qui ont une console de jeu savent que les manettes de jeu peuvent vibrer à certains moments du jeu (bataille avec le boss, collision avec un adversaire en course, etc.). La VR utilise également cette méthode de communication avec l'utilisateur, mais elle ne donne pas la plénitude des sensations qui donneraient une touche.

Si nous parlons des murs en VR, ils mettent en œuvre avec succès le concept du chat Schrödinger - ils semblent être là, mais en même temps ils ne le sont pas. L'utilisateur peut les parcourir (en tout ou en partie) intentionnellement ou non. Et cela affecte considérablement le sentiment du monde créé en VR.

Se débarrasser des inconvénients ci-dessus est bien réel, bien que difficile en termes de conception et de mise en œuvre. Il existe plusieurs options pour créer un contact tactile avec des objets VR, de l'exosquelette qui organise les mouvements de l'utilisateur à la limitation physique du système VR dans l'espace réel (c'est-à-dire les vrais murs). Cependant, ces deux méthodes limitent la liberté de mouvement de l'utilisateur et ne peuvent donc pas fournir une immersion complète et confortable dans le monde virtuel.

Image # 1: Concept de système de Wireality.

Dans l'étude que nous examinons aujourd'hui, les scientifiques ont décidé de créer leur propre version du système de contact tactile au moyen de fils attachés à des capteurs sur les mains de l'utilisateur, qui ressemble à Pinocchio. Un tel système est autonome et très mobile, sans parler de son faible coût - jusqu'à 50 $ pièce pour la production de masse. Les inventeurs ont nommé leurs créations Wireality, combinant le fil (fil, fil) et la réalité (réalité) en un mot.

Implémentation du système de filaire

Ainsi, les principales propriétés physiques du système que ses créateurs souhaitaient obtenir étaient la facilité d'utilisation (le système sera attaché à l'utilisateur), l'efficacité énergétique (une alimentation électrique autonome est nécessaire) et un coût relativement faible.

La base conceptuelle et mécanique du système sont les fils qui, d'une certaine manière, arrêteront certaines sections de la brosse de l'utilisateur au bon moment. Il a été décidé d'utiliser des câbles en acier suffisamment solides et minces avec un revêtement en nylon comme matériau pour les fils.

Image n ° 2: prototype du module d'étiquetage Threadality.

Lorsque les fils sont les limiteurs de la position de la main, ils ne devraient pas être autorisés à s'affaisser ou à une tension excessive, car cela perturberait le système.

Pour éviter que cela ne se produise, il était nécessaire d'utiliser quelque chose qui resserrerait efficacement les fils. Les premières options pour le module de serrage, comme l'admettent les scientifiques eux-mêmes, se sont avérées lourdes en raison des moteurs, et le problème de l'évacuation de la chaleur est apparu (le schéma ci-dessus).

Image 3: La version finale du module d'étiquetage de threads Wireality.

Au lieu de cela, des ressorts plats ont été utilisés, comme dans le ruban à mesurer. Cette option est beaucoup plus facile, moins chère, plus solide et plus compacte. Même si les ressorts plats offrent une traction exceptionnellement fixe, il a été constaté qu'un module rétracteur avec une force de traction de 80 g élimine parfaitement le problème des fils affaissés.

Les filetages sont sélectionnés, le module de traction aussi, il reste à déterminer le module de fixation de la position de la brosse. L'un des facteurs les plus importants pour obtenir la sensation la plus réaliste est le retard de la réponse du module de fixation aux mouvements de l'utilisateur. Les systèmes Wireality utilisaient des mécanismes de verrouillage à came et à cliquet.

La conception finale du module de verrouillage se compose d'un mécanisme à cliquet en acrylique avec cliquet (engrenage à dents pointues, en gros) avec une résolution de 8 ° par dent et d'un module de serrage dans lequel le ressort, la bobine et le fil sont installés.

Le fil étant enroulé sur une bobine de plus petit diamètre que le cliquet, chaque dent équivaut à 0,84 mm de "course de chaîne". La came, à son tour, se fixe au solénoïde CC push pull (12 V).

Par conséquent, lorsque la main de l'utilisateur est en contact avec l'objet virtuel, le programme système démarre le solénoïde, poussant le verrou dans le cliquet, ce qui empêche la bobine de tourner davantage, c'est-à-dire empêche la libération ultérieure des fils, ce qui arrête la position de la main. Et en raison de l'effort exercé par l'utilisateur lui-même sur les fils, le cliquet maintient le verrou, de sorte que le solénoïde peut être désactivé assez rapidement, ce qui réduit la consommation d'énergie.

Image # 4: module de verrouillage de fil.

Un module de blocage est responsable d'une section de la main de l'utilisateur (par exemple, de l'index), il y en a donc plusieurs. La taille compacte (4,1x7x1,4 cm) et la légèreté permettent de les connecter en grappes (photo ci-dessous).

Image # 5: cluster de modules de blocage.

Chaque module est logé dans un boîtier en nylon et fibre de carbone imprimé sur une imprimante 3D.

Le composant électronique des modules de verrouillage se compose du pilote de moteur double HBridge L298N contrôlé par le microcontrôleur Teensy 3.2, qui reçoit les commandes du système VR via USB ordinaire.

Ces composants électroniques sont compacts et ne consomment pratiquement pas d'énergie lorsque les solénoïdes ne sont pas impliqués. Les dimensions et le coût du module peuvent être réduits en utilisant un transistor, qui sera pris en compte dans d'autres études.

Lorsque Teensy demande de bloquer l'un des threads, il active le solénoïde correspondant pendant 40 ms, ce qui est l'intervalle le plus court pour un blocage fiable.

Après avoir rassemblé tous les modules, les scientifiques ont réfléchi à l'endroit où toute cette joie serait attachée au corps humain. Le prototype, bien sûr, n'est pas encore idéal, et sa taille peut être réduite, mais même à ce stade, il est assez confortable à porter. Il a été décidé de placer le système Wireality sur l'épaule de l'utilisateur au moyen d'un gilet spécial qui répartit la charge sur le corps (image n ° 1).

Quant aux aiguilles, il fallait comprendre le nombre optimal de "capteurs" de contact, qui détermine directement le nombre de modules de blocage et donc le nombre de fils utilisés. Les scientifiques ont découvert qu'avec un grand nombre de points de contact (par exemple le bout du doigt, les articulations métacarpophalangiennes et interphalangiennes), des formes géométriques plus complexes peuvent être modélisées. Cependant, cela conduit inévitablement à une augmentation des dimensions de l'appareil et de son poids (un total de 15 modules sont nécessaires: trois pour l'index, le majeur, l'annulaire et les petits doigts, 2 sur le pouce et 1 sur le poignet).

Au cours des expériences, il a été constaté qu'un si grand nombre de capteurs n'est pas nécessaire pour obtenir un contact tactile réaliste avec un objet virtuel. Par conséquent, au final, le nombre de cordes et de modules a été réduit à sept: 5 pour chaque doigt, 1 sur la paume et 1 sur le poignet.

Des capteurs avec des fils sont fixés à la main de l'utilisateur avec des dés imprimés sur une imprimante 3D et des sangles Velcro, ce qui aide à répartir la pression concentrée.

Pour maintenir les doigts de l'utilisateur dans des points de l'espace tridimensionnel pour simuler des objets virtuels complexes, un suivi précis de plusieurs articulations du bras est nécessaire. Dans les premiers prototypes (l'une des options de l'image n ° 2), un potentiomètre était utilisé, ce qui permettait de suivre avec précision la distance jusqu'à un point du module, mais pas l'azimut ou l'altitude.

En fin de compte, Leap Motion, attaché à l'avant du casque VR, a été utilisé pour suivre les mains. Leap Motion fournit des données sur la position de toutes les articulations de la main dans un espace tridimensionnel. Il est curieux que les dés à coudre qui sont portés sur les doigts de l'utilisateur soient faits d'un matériau qui n'interfère pas avec Leap Motion, car dans l'infrarouge, ils ressemblent au cuir. Un autre détail important était les fils eux-mêmes, qui étaient censés rester invisibles à la caméra, car leur épaisseur n'était pas non plus choisie par hasard.

Oculus Rift a été utilisé comme système VR et tous les sites expérimentaux virtuels ont été créés avec Unity. Pour détecter le contact avec des objets virtuels, un ObjectCollider a été attribué, attribué à chaque objet ou obstacle sur le site (mur). Lorsqu'un contact se produit, un événement OnTriggerEnter est distribué. Le gestionnaire d'événements envoie une commande de verrouillage à la carte du pilote via USB pour l'articulation correspondante, c'est-à-dire le module de verrouillage correspondant.

La détection des contacts est effectuée en parallèle pour toutes les articulations des doigts et de la main, et l'actionnement des solénoïdes n'interfère pas les uns avec les autres, offrant un contrôle complètement indépendant, ce qui est nécessaire pour la visualisation tactile de géométries complexes.

Vidéo décrivant le fonctionnement du système Wireality.

Caractéristiques du système Wireality

Une fois le système terminé, il est nécessaire de le vérifier complètement, ce qui a été fait. Les scientifiques ont évalué plusieurs facteurs fondamentaux: poids, latence, efficacité énergétique, résistance au blocage, précision de la sensation de contact, etc.

Le poids d'un module de verrouillage était de 30 g. Un bloc de 7 modules plus toute l'électronique et les supports nécessaires pèsent 273 grammes. Le poids de tous les éléments portés à la main de l'utilisateur n'est que de 11 grammes. À titre d'exemple comparatif, les scientifiques citent la manette portable HTC Vive, qui pèse 203 g.

En ce qui concerne la liberté de mouvement, le système Wireality vous permet de contacter des objets virtuels dans un rayon de 83 cm de l'épaule de l'utilisateur.

Compte tenu de la conception du système, chaque module doit rapidement arrêter la main de l'utilisateur dans la bonne position, et cela devra être fait à plusieurs reprises. Par conséquent, il était nécessaire d'évaluer la force de charge maximale que le système peut supporter. En moyenne, cet indicateur est égal à 186 N. Le

fonctionnement des solénoïdes a également été soumis à des tests répétés, au cours desquels des tensions comprises entre 5 et 12 V ont été utilisées avec une durée de 10 à 1000 ms. Comme nous le savons déjà, il a été établi expérimentalement qu'exactement 12 V et 40 ms sont la combinaison parfaite.

Les solénoïdes et leur temps de réponse jouent également un rôle important dans le façonnement de l'efficacité énergétique de l'ensemble du système. Chaque module de verrouillage consomme 2,19 W (183 mA à 12 V) lorsque le solénoïde est allumé. Étant donné que le solénoïde n'est activé que pendant 40 ms pour terminer le blocage du cliquet, chaque événement de blocage ne consomme que 0,024 mWh (0,088 J). À titre d'exemple, les scientifiques citent le casque Oculus Quest avec une capacité de batterie de 14 000 mWh, ce qui serait suffisant pour un demi-million d'événements bloquants.

Lorsqu'un utilisateur veut toucher un objet virtuel, le retard du système est extrêmement important, c'est-à-dire plus il est bas, mieux c'est. Le retard total du système était de 29 ms: 9 ms - Leap Motion; 1 ms - communication série; 4 ms - activation du solénoïde; 1 ms - paire de cliquets et de verrous; ～ 14 ms - unité de réponse dans le support d'épaule. À l'avenir, il est prévu de réduire ces indicateurs.

La précision de la détermination de la position de la main de l'utilisateur par les capteurs et la réponse correspondante du système de verrouillage ont également été évaluées. Bien sûr, il n'y a pas de correspondance parfaite entre les coordonnées virtuelles et réelles, mais l'écart ne dépasse pas 1,8 cm à une vitesse de 30, 60 et 90 cm / s.

Expériences pratiques

Ensuite, des expériences ont été menées auxquelles ont participé 12 personnes (4 hommes et 8 femmes, âge moyen 21 ans). Il convient de noter que 6 participants n'avaient jamais utilisé de systèmes VR auparavant.

Chacun des participants était assis au centre d'une pièce de 2x2 m avec un casque Oculus Rift. Trois options de test ont été implémentées: sans rien, un contrôleur avec vibration et le système Wireality.

Dans chaque expérience, les participants ont interagi avec cinq objets: un mur; surface plane inclinée à 45 °; sphère le sixième et irrégulier objet (forme irrégulière, grosso modo).

Image n ° 6

L'ordre des objets et les options d'expérience ont été randomisés pour chaque participant. Après l'expérience, chaque participant a rempli un court questionnaire, où il a évalué ses sentiments sur le travail dans différentes conditions de l'expérience sur une échelle de 1 (très mauvais) à 7 (excellent): sensation réaliste de l'objet; confort d'utilisation; liberté de mouvement.

Image n ° 7

Le graphique ci-dessus montre les résultats d'expériences pratiques. Les scientifiques notent qu'ils étaient pleinement préparés au fait que les participants aux expériences évalueront relativement bas le système Wireality en termes de liberté et de confort. Cependant, dans ce prototype, l'accent était mis sur la réalisation d'un réalisme maximal des sensations, et non sur le confort, qui peut être amélioré à l'avenir, en faisant attention à l'ergonomie.

Néanmoins, tous les participants aux expériences ont réagi extrêmement positivement au système Wireality. Selon eux, cela leur a permis d'évaluer significativement des objets en réalité virtuelle.

Drôle, certains participants aux expériences pensaient que le blocage de la position de leurs mains se produirait du côté des objets (c'est-à-dire que quelque chose appuierait sur la main, formant le contour de l'objet). D'autres espéraient un sens de la texture des objets. Bien sûr, cette fonction n'existe pas dans Wireality, mais c'est aussi un prototype.

En résumant les données des expériences, les scientifiques ont créé plusieurs variantes de scénarios de réalité virtuelle pour démontrer les capacités de Wireality.

Au total, quatre scénarios ont été mis en œuvre qui reflètent l'utilisation possible de Wireality: les frontières (objets de limitations d'espace); objets gros et lourds; objets d'interaction (boutons, leviers, etc.); personnages virtuels.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de ce travail, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue

La réalité virtuelle peut donner à une personne l'occasion d'explorer des mondes qui n'existent pas dans la réalité, de pratiquer l'art, d'ajouter une dimension tridimensionnelle à ses peintures, de se promener dans des musées situés dans des pays lointains, et bien plus encore. Les systèmes VR ne sont pas seulement des jeux et des divertissements, mais aussi un nouvel environnement d'apprentissage, et pour quelqu'un (par exemple, les personnes handicapées), c'est la seule façon de ressentir la liberté de mouvement. En d'autres termes, la VR peut être implémentée n'importe où, si cela a du sens, bien sûr.

La seule chose que la réalité virtuelle ne peut pas faire est, de façon surprenante, d'assurer la réalité des interactions tactiles. Le système Wireality résout ce problème d'une manière assez créative. Les fils d'acier, les cliquets, les solénoïdes, etc. sont loin d'être des détails futuristes de science-fiction, cependant, conjointement, ils ont permis de créer un système complètement futuriste. Bien sûr, Wireality est encore loin d'être idéal, car vous devez travailler sur l'ergonomie, l'efficacité énergétique et la latence du système, ce que les auteurs de cette invention envisagent de faire à l'avenir.

Merci de votre attention, restez curieux et passez un bon week-end à tous, les gars! :)

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