🤜 🔙 🔺 Apa yang menyentuh dinding virtual? 🍩 🙇🏾 🧛

Selama beberapa tahun terakhir, perangkat yang memungkinkan pengguna untuk terjun ke realitas virtual (VR) telah menjadi jauh lebih kompleks dan lebih baik. VR akan digunakan dalam pendidikan, dan dalam seni, dan dalam hiburan, dan bahkan dalam kedokteran (tidak, saya tidak berbicara tentang Surgeon Simulator). Berkat VR, seseorang dapat melihat sesuatu yang tidak akan pernah dilihatnya dalam kenyataan nyata, permainan kata-kata seperti itu. Namun, untuk perendaman total dalam dunia mimpi, salah satu sensasi paling penting, yang memberikan kontak seseorang dengan dunia luar, adalah sentuhan-sentuhan. Kami terus merasakan sesuatu saat disentuh: tombol keyboard, gagang pintu, cangkir teh, dll. Dalam VR, semua objek, tidak peduli seberapa realistis mereka terlihat oleh mata, tidak memiliki representasi fisik dalam kenyataan. Sekelompok ilmuwan dari Carnegie Mellon University (AS) memutuskan untuk memperbaikinya dengan menggunakan perangkat yang cukup sederhana dalam konsep.Terdiri dari apa penemuan ini dan bagaimana kerjanya, kita belajar dari laporan para ilmuwan. Pergilah.

Dasar studi

Sistem VR modern menggunakan pengontrol (dan bahkan gamepad biasa dari konsol game) untuk melacak posisi tangan pengguna, mengontrol aksi avatar virtual mereka dan untuk respons getaran-sentuhan.

Kita yang memiliki konsol permainan tahu bahwa gamepad dapat bergetar pada titik-titik tertentu dalam permainan (bertempur dengan bos, bertabrakan dengan lawan dalam balapan, dll.). VR juga menggunakan metode komunikasi ini dengan pengguna, tetapi tidak memberikan kepenuhan sensasi yang akan memberi sentuhan.

Jika kita berbicara tentang dinding di VR, maka mereka berhasil mengimplementasikan konsep kucing Schrödinger - mereka tampaknya ada di sana, tetapi pada saat yang sama tidak. Pengguna dapat melewati mereka (secara keseluruhan atau sebagian) dengan sengaja atau tidak. Dan ini secara signifikan mempengaruhi perasaan dunia yang diciptakan dalam VR.

Untuk menghilangkan kerugian di atas cukup nyata, meskipun sulit dalam hal desain dan implementasi. Ada beberapa opsi untuk membuat kontak taktil dengan objek VR, dari kerangka luar yang mengatur gerakan pengguna, hingga batasan fisik sistem VR di ruang nyata (mis. Dinding nyata). Namun, kedua metode ini membatasi kebebasan pengguna untuk bergerak, dan karenanya tidak dapat memberikan perendaman yang lengkap dan nyaman di dunia virtual.

Gambar # 1: Konsep sistem wireality.

Dalam penelitian yang kami pertimbangkan hari ini, para ilmuwan memutuskan untuk membuat versi mereka sendiri dari sistem kontak sentuhan melalui benang yang terpasang pada sensor di tangan pengguna, yang terlihat seperti Pinocchio. Sistem seperti itu bersifat otonom dan sangat mobile, belum lagi biayanya yang murah - hingga $ 50 per unit untuk produksi massal. Para penemu menamai kreasi mereka Wireality, menggabungkan kawat (kawat, utas) dan realitas (realitas) dalam satu kata.

Implementasi sistem wireality

Jadi, sifat fisik utama sistem yang ingin didapatkan oleh penciptanya adalah kemudahan penggunaan (sistem akan melekat pada pengguna), efisiensi energi (diperlukan pasokan daya otonom) dan biaya yang relatif rendah.

Basis konseptual dan mekanis dari sistem adalah utas yang dengan cara tertentu akan menghentikan bagian tertentu dari kuas pengguna pada waktu yang tepat. Diputuskan untuk menggunakan kabel baja yang cukup kuat dan tipis dengan lapisan nilon sebagai bahan untuk benang.

Gambar No. 2: prototipe Modul Penandaan Threaditas.

Ketika benang adalah pembatas posisi tangan, mereka tidak boleh melorot atau kelebihan ketegangan, karena ini akan mengganggu sistem.

Untuk mencegah hal ini terjadi, perlu menggunakan sesuatu yang secara efektif akan mengencangkan utas. Opsi pertama untuk modul pengetatan, seperti yang diakui para ilmuwan sendiri, ternyata tidak praktis akibat mesin, dan masalah pelepasan panas muncul (diagram di atas).

Gambar 3: Versi terakhir dari Modul Tagging Thread Wireality.

Sebaliknya, pegas datar digunakan, seperti dalam pita pengukur. Opsi ini jauh lebih mudah, lebih murah, lebih kuat dan lebih kompak. Meskipun pegas rata memberikan traksi yang sangat tetap, ditemukan bahwa modul retractor dengan gaya traksi 80 g dengan sempurna menghilangkan masalah benang yang kendur.

Thread dipilih, modul tarik, juga, masih menentukan modul untuk memperbaiki posisi sikat. Salah satu faktor terpenting dalam memperoleh sensasi paling realistis adalah keterlambatan dalam respons modul fiksasi terhadap pergerakan pengguna. Sistem wireality menggunakan mekanisme penguncian cam dan ratchet.

Desain akhir dari modul penguncian terdiri dari mekanisme ratchet akrilik dengan ratchet (gigi dengan gigi tajam, secara kasar) dengan resolusi 8 ° per gigi dan modul pengetatan di mana pegas, spool dan benang dipasang.

Karena benang dililit pada spul dengan diameter lebih kecil dari ratchet, setiap gigi sama dengan "string travel" 0,84 mm. Cam, pada gilirannya, menempel ke solenoid DC tarikan dorong (12 V).

Oleh karena itu, ketika tangan pengguna bersentuhan dengan objek virtual, program sistem memulai solenoid, mendorong kait ke ratchet, yang menghalangi kumparan dari rotasi lebih lanjut, mis. mencegah pelepasan benang lebih lanjut, yang menghentikan posisi tangan. Dan karena upaya yang dilakukan oleh pengguna sendiri pada utas, ratchet memegang kait, sehingga solenoid dapat dimatikan dengan cukup cepat, yang mengurangi konsumsi energi.

Gambar # 4: modul kunci ulir.

Satu modul pemblokiran bertanggung jawab untuk satu bagian dari tangan pengguna (misalnya, untuk jari telunjuk), oleh karena itu ada beberapa di antaranya. Ukuran yang ringkas (4.1x7x1.4 cm) dan ringan memungkinkan untuk menghubungkannya ke dalam kelompok (foto di bawah).

Gambar # 5: cluster modul pemblokiran.

Setiap modul ditempatkan di dalam kotak nilon dan serat karbon yang dicetak pada printer 3D.

Komponen elektronik dari modul interlocking terdiri dari driver motor ganda HBridge L298N yang dikendalikan oleh mikrokontroler Teensy 3.2, yang menerima perintah dari sistem VR melalui USB biasa.

Komponen elektronik ini kompak dan praktis tidak mengkonsumsi energi ketika solenoida tidak terlibat. Dimensi dan biaya modul dapat dikurangi dengan menggunakan transistor, yang akan dipertimbangkan dalam studi lebih lanjut.

Ketika Teensy menginstruksikan untuk memblokir salah satu utas, itu mengaktifkan solenoid yang sesuai untuk 40 ms, yang merupakan interval terpendek untuk pemblokiran yang andal.

Setelah mengumpulkan semua modul, para ilmuwan memikirkan di mana semua kegembiraan ini akan melekat pada tubuh manusia. Prototipe, tentu saja, belum ideal, dan ukurannya dapat dikurangi, tetapi bahkan pada tahap ini cukup nyaman untuk dipakai. Diputuskan untuk menempatkan sistem Wireality di bahu pengguna dengan menggunakan rompi khusus yang mendistribusikan beban pada tubuh (gambar No. 1).

Sedangkan untuk tangan, perlu dipahami jumlah optimal "sensor" kontak, yang secara langsung menentukan jumlah modul penghalang dan, oleh karena itu, jumlah ulir yang digunakan. Para ilmuwan telah menemukan bahwa dengan sejumlah besar titik kontak (misalnya, ujung jari, sendi metacarpophalangeal dan interphalangeal), bentuk geometris yang lebih kompleks dapat dimodelkan. Namun, ini pasti mengarah pada peningkatan dimensi perangkat dan bobotnya (total 15 modul diperlukan: tiga untuk indeks, jari tengah, jari manis dan kelingking, 2 pada ibu jari dan 1 pada pergelangan tangan).

Selama percobaan, ditemukan bahwa sejumlah besar sensor tidak diperlukan untuk mendapatkan kontak sentuhan realistis dengan objek virtual. Oleh karena itu, pada akhirnya, jumlah string dan modul dikurangi menjadi tujuh: 5 untuk setiap jari, 1 di telapak tangan dan 1 di pergelangan tangan.

Sensor dengan utas melekat pada tangan pengguna melalui bidal yang dicetak pada printer 3D dan tali Velcro, yang membantu mendistribusikan tekanan pekat.

Untuk memegang jari pengguna di titik ruang tiga dimensi untuk mensimulasikan objek virtual yang kompleks, diperlukan pelacakan akurat dari beberapa sendi lengan. Dalam prototipe awal (salah satu opsi dalam gambar No. 2), potensiometer digunakan, yang memungkinkan untuk secara akurat melacak jarak ke titik dari modul, tetapi bukan azimuth atau ketinggian.

Pada akhirnya, Leap Motion, yang terpasang di bagian depan headset VR, digunakan untuk melacak tangan. Leap Motion menyediakan data tentang posisi semua sendi tangan dalam ruang tiga dimensi. Sangat aneh bahwa bidal yang dikenakan pada jari-jari pengguna terbuat dari bahan yang tidak mengganggu Leap Motion, karena pada inframerah mereka terlihat sama seperti kulit. Detail penting lainnya adalah utas itu sendiri, yang seharusnya tetap tidak terlihat oleh kamera, karena ketebalannya juga tidak dipilih secara kebetulan.

Oculus Rift digunakan sebagai sistem VR, dan semua situs eksperimen virtual dibuat menggunakan Unity. Untuk mendeteksi kontak dengan objek virtual, ObjectCollider ditugaskan, ditugaskan untuk setiap objek atau hambatan di situs (dinding). Ketika kontak terjadi, peristiwa OnTriggerEnter dikirim. Pengatur kejadian mengirimkan perintah kunci ke papan driver melalui USB untuk sambungan yang sesuai, mis. Modul kunci yang sesuai.

Deteksi kontak dilakukan secara paralel untuk semua sendi jari dan tangan, dan aktuasi solenoida tidak saling mengganggu, memberikan kontrol yang sepenuhnya independen, yang diperlukan untuk visualisasi taktil dari geometri kompleks.

Video yang menjelaskan cara kerja sistem Wireality.

Fitur Sistem Wireality

Setelah menyelesaikan sistem, perlu untuk memverifikasi sepenuhnya, yang sudah dilakukan. Para ilmuwan telah menilai beberapa faktor mendasar: berat badan, latensi, efisiensi energi, kekuatan pemblokiran, akurasi sensasi kontak, dll.

Berat satu modul penguncian adalah 30 g. Satu blok dengan 7 modul plus semua elektronik dan dudukan yang diperlukan memiliki berat 273 gram. Berat semua elemen yang dipakai di tangan pengguna hanya 11 gram. Sebagai contoh pembanding, para ilmuwan mengutip pengontrol portabel HTC Vive, yang memiliki berat 203 g.

Berkenaan dengan kebebasan bergerak, sistem Wireality memungkinkan Anda untuk menghubungi objek virtual dalam radius 83 cm dari bahu pengguna.

Mengingat desain sistem, setiap modul harus dengan cepat menghentikan tangan pengguna di posisi yang tepat, dan ini harus dilakukan berulang kali. Oleh karena itu, perlu untuk mengevaluasi kekuatan beban maksimum yang dapat ditahan oleh sistem. Rata-rata, indikator ini sama dengan 186 N.

Operasi solenoida juga diuji berulang-ulang, selama voltase dalam kisaran 5 hingga 12 V digunakan dengan durasi 10 hingga 1000 ms. Seperti yang telah kita ketahui, secara eksperimen ditetapkan bahwa tepat 12 V dan 40 ms adalah kombinasi sempurna.

Solenoida dan waktu responsnya juga memainkan peran penting dalam membentuk efisiensi energi seluruh sistem. Setiap modul interlock mengkonsumsi 2,19 W (183 mA pada 12 V) ketika solenoid dihidupkan. Menimbang bahwa solenoid hanya diaktifkan selama 40 ms untuk menyelesaikan pemblokiran ratchet, setiap peristiwa pemblokiran hanya mengkonsumsi 0,024 mWh (0,088 J). Sebagai contoh, para ilmuwan mengutip headset Oculus Quest dengan kapasitas baterai 14.000 mWh, yang cukup untuk setengah juta peristiwa pemblokiran.

Ketika pengguna ingin menyentuh objek virtual, keterlambatan sistem sangat penting, mis. semakin rendah, semakin baik. Total keterlambatan sistem adalah 29 ms: 9 ms - Leap Motion; 1 ms - komunikasi serial; 4 ms - aktivasi solenoid; 1 ms - ratchet dan latch pairing; ～ 14 ms - unit respons di dudukan bahu. Di masa depan, direncanakan untuk mengurangi indikator-indikator ini.

Keakuratan menentukan posisi tangan pengguna oleh sensor dan respons yang sesuai dari sistem penguncian juga dievaluasi. Tentu saja, tidak ada kecocokan sempurna antara koordinat virtual dan nyata, tetapi perbedaannya tidak melebihi 1,8 cm pada kecepatan tangan 30, 60 dan 90 cm / s.

Pengalaman praktis

Selanjutnya, percobaan dilakukan di mana 12 orang mengambil bagian (4 pria dan 8 wanita, usia rata-rata 21 tahun). Perlu dicatat bahwa 6 peserta belum pernah menggunakan sistem VR sebelumnya.

Setiap peserta duduk di tengah ruangan 2x2 m dengan headset Oculus Rift. Tiga opsi pengujian diterapkan: tanpa apa pun, pengontrol dengan getaran, dan sistem Wireality.

Dalam setiap percobaan, peserta berinteraksi dengan lima objek: dinding; permukaan datar 45 ° miring; bola objek keenam dan tidak beraturan (bentuk tidak beraturan, berbicara kasar).

Gambar No. 6

Urutan objek dan opsi pengalaman secara acak untuk setiap peserta. Setelah percobaan, setiap peserta mengisi kuesioner pendek, di mana ia menilai perasaannya tentang bekerja dalam berbagai kondisi percobaan pada skala dari 1 (sangat buruk) hingga 7 (luar biasa): perasaan realistis terhadap objek; kenyamanan penggunaan; kebebasan bertindak.

Gambar No. 7

Grafik di atas menunjukkan hasil percobaan praktis. Para ilmuwan mencatat bahwa mereka sepenuhnya siap untuk fakta bahwa para peserta dalam percobaan akan relatif rendah mengevaluasi sistem Wireality dalam hal kebebasan dan kenyamanan. Namun, dalam prototipe ini, penekanan utama adalah pada pencapaian realisme maksimum sensasi, dan bukan pada kenyamanan, yang dapat ditingkatkan di masa depan, dengan memperhatikan ergonomi.

Namun demikian, semua peserta dalam percobaan bereaksi sangat positif terhadap sistem Wireality. Menurut mereka, itu memungkinkan mereka untuk secara signifikan mengevaluasi objek dalam realitas virtual.

Lucu, beberapa peserta dalam percobaan percaya bahwa pemblokiran posisi tangan mereka akan terjadi dari sisi objek (mis., Sesuatu akan menekan di tangan, membentuk garis besar objek). Yang lain berharap untuk merasakan tekstur benda. Tentu saja, fungsi ini tidak ada di Wireality, tetapi ini juga merupakan prototipe.

Merangkum data dari percobaan, para ilmuwan menciptakan beberapa varian skenario realitas virtual untuk menunjukkan kemampuan Wireality.

Secara total, empat skenario diimplementasikan yang mencerminkan kemungkinan penggunaan Wireality: borders (objek keterbatasan ruang); benda besar dan berat; objek interaksi (tombol, tuas, dll.); karakter virtual.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa karya ini, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog

Realitas virtual dapat memberi seseorang kesempatan untuk menjelajahi dunia yang tidak ada dalam kenyataan, mempraktikkan seni, menambahkan tiga dimensi pada lukisannya, berkeliaran di sekitar museum yang terletak di negara-negara yang jauh, dan banyak lagi. Sistem VR tidak hanya permainan dan hiburan, tetapi juga lingkungan belajar yang baru, dan bagi seseorang (misalnya, penyandang cacat), ini adalah satu-satunya cara untuk merasakan kebebasan bergerak. Dengan kata lain, VR dapat diterapkan di mana saja, jika itu masuk akal, tentu saja.

Satu-satunya hal yang tidak dapat dilakukan realitas virtual adalah, secara mengejutkan, memastikan realitas interaksi sentuhan. Sistem Wireality memecahkan masalah ini dengan cara yang cukup kreatif. Namun, benang baja, ratchet, solenoida, dan sebagainya jauh dari detail futuristik fiksi ilmiah, namun memungkinkan untuk menciptakan sistem yang sepenuhnya futuristik. Tentu saja, Wireality masih jauh dari ideal, karena Anda perlu bekerja pada ergonomi, efisiensi energi dan latensi sistem, yang merupakan apa yang penulis rencanakan untuk dilakukan di masa depan.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Sedikit iklan :)

Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?