🌽 ⬜️ ☹️ O que toca nas paredes virtuais? 🛵 🕞 👩🏼‍🏫

Nos últimos anos, os dispositivos que permitem ao usuário mergulhar na realidade virtual (VR) tornaram-se muito mais complexos e melhores. A RV será usada na educação, na arte, no entretenimento e até na medicina (não, não estou falando do Surgeon Simulator). Graças à VR, uma pessoa pode ver algo que nunca teria visto na realidade real, um trocadilho. No entanto, para uma imersão completa no mundo dos sonhos, falta uma das sensações mais importantes, que fornece o contato de uma pessoa com o mundo exterior - o toque. Sentimos constantemente algo ao toque: teclas do teclado, maçaneta, xícara de chá, etc. Na VR, todos os objetos, por mais realistas que pareçam aos olhos, são desprovidos de qualquer representação física na realidade. Um grupo de cientistas da Carnegie Mellon University (EUA) decidiu consertar isso usando um dispositivo bastante simples no conceito.Em que consiste a invenção e como ela funciona, aprendemos com o relatório dos cientistas. Vai.

Base de estudo

Os sistemas VR modernos usam controladores (e até gamepads comuns de consoles de jogos) para rastrear a posição das mãos do usuário, controlar as ações de seu avatar virtual e obter resposta tátil à vibração.

Aqueles de nós que possuem um console de jogos sabem que os gamepads podem vibrar em determinados pontos do jogo (batalha com o chefe, colisão com um oponente nas corridas, etc.). A VR também usa esse método de comunicação com o usuário, mas não fornece a plenitude das sensações que dariam um toque.

Se falamos sobre as paredes em VR, elas implementam com sucesso o conceito do gato Schrödinger - elas parecem estar lá, mas ao mesmo tempo não estão. O usuário pode passar por eles (no todo ou em parte) intencionalmente ou não. E isso afeta significativamente o sentimento do mundo criado em VR.

Livrar-se das desvantagens acima é bastante real, embora difícil em termos de design e implementação. Existem várias opções para criar contato tátil com objetos de RV, desde o exoesqueleto que organiza os movimentos do usuário até a limitação física do sistema de VR no espaço real (ou seja, paredes reais). No entanto, esses dois métodos limitam a liberdade de movimento do usuário e, portanto, não podem proporcionar uma imersão completa e confortável no mundo virtual.

Imagem # 1: Conceito de sistema de wireality.

No estudo que estamos considerando hoje, os cientistas decidiram criar sua própria versão do sistema de contato tátil por meio de fios presos a sensores nas mãos do usuário, que se parece com Pinóquio. Esse sistema é autônomo e muito móvel, sem mencionar seu baixo custo - até US $ 50 para produção em massa. Os inventores nomearam suas criações como Wireality, combinando arame (arame, fio) e realidade (realidade) em uma palavra.

Implementação do sistema de wireality

Portanto, as principais propriedades físicas do sistema que seus criadores desejavam obter eram a facilidade de uso (o sistema será conectado ao usuário), a eficiência energética (é necessária uma fonte de alimentação autônoma) e o custo relativamente baixo.

A base conceitual e mecânica do sistema são os fios que, de certa maneira, interrompem certas seções da escova do usuário no momento certo. Foi decidido usar cabos de aço suficientemente fortes e finos com revestimento de nylon como material para as roscas.

Imagem No. 2: protótipo do Módulo de Marcação de Threadality.

Quando as roscas são os limitadores da posição da mão, elas não devem sofrer curvatura ou tensão excessiva, pois isso interromperá o sistema.

Para impedir que isso acontecesse, era necessário usar algo que efetivamente apertasse os threads. As primeiras opções para o módulo de aperto, como os próprios cientistas admitem, acabaram sendo complicadas devido aos motores, e o problema da remoção de calor apareceu (o diagrama acima).

Imagem 3: A versão final do Wireality Thread Tagging Module.

Em vez disso, foram utilizadas molas planas, como na fita métrica. Esta opção é muito mais fácil, mais barata, mais forte e mais compacta. Embora as molas planas proporcionem uma tração excepcionalmente fixa, verificou-se que um módulo retrator com uma força de tração de 80 g elimina perfeitamente o problema das roscas de flacidez.

As roscas são selecionadas e o módulo de tração também permanece para determinar o módulo de fixação da posição da escova. Um dos fatores mais importantes na obtenção da sensação mais realista é o atraso na resposta do módulo de fixação aos movimentos do usuário. Os sistemas de wireality utilizavam mecanismos de travamento de came e catraca.

O projeto final do módulo de travamento consiste em um mecanismo de catraca de acrílico com catraca (engrenagem com dentes afiados, grosso modo) com uma resolução de 8 ° por dente e um módulo de aperto no qual a mola, o carretel e a linha estão instalados.

Como a linha é enrolada em uma bobina de diâmetro menor que a catraca, cada dente é igual a 0,84 mm "curso da corda". A came, por sua vez, conecta-se ao solenóide DC de tração (12 V).

Portanto, quando a mão do usuário está em contato com o objeto virtual, o programa do sistema inicia o solenóide, empurrando a trava para dentro da catraca, que bloqueia a bobina de uma rotação adicional, ou seja, impede a liberação adicional de linhas, o que interrompe a posição da mão. E devido ao esforço exercido pelo próprio usuário nas roscas, a catraca mantém a trava, para que o solenóide possa ser desligado com rapidez suficiente, o que reduz o consumo de energia.

Imagem 4: módulo de trava de linha.

Um módulo de bloqueio é responsável por uma seção da mão do usuário (por exemplo, pelo dedo indicador), portanto, existem vários deles. O tamanho compacto (4,1x7x1,4 cm) e a leveza tornam possível conectá-los aos clusters (foto abaixo).

Imagem 5: cluster de módulos de bloqueio.

Cada módulo está alojado dentro de uma caixa de nylon e fibra de carbono impressa em uma impressora 3D.

O componente eletrônico dos módulos de intertravamento consiste no driver de motor duplo HBridge L298N controlado pelo microcontrolador Teensy 3.2, que recebe comandos do sistema VR via USB comum.

Esses componentes eletrônicos são compactos e praticamente não consomem energia quando os solenóides não estão envolvidos. As dimensões e o custo do módulo podem ser reduzidos usando um transistor, que será considerado em estudos adicionais.

Quando o Teensy instrui a bloquear um dos segmentos, ele ativa o solenóide correspondente por 40 ms, que é o intervalo mais curto para um bloqueio confiável.

Tendo reunido todos os módulos, os cientistas pensaram sobre onde toda essa alegria estaria ligada ao corpo humano. O protótipo, é claro, ainda não é o ideal, e seu tamanho pode ser reduzido, mas mesmo nesse estágio é bastante confortável de usar. Foi decidido colocar o sistema Wireality no ombro do usuário por meio de um colete especial que distribui a carga no corpo (imagem nº 1).

Quanto às mãos, foi necessário entender o número ideal de "sensores" de contato, que determina diretamente o número de módulos de bloqueio e, portanto, o número de threads utilizados. Os cientistas descobriram que, com um grande número de pontos de contato (por exemplo, a ponta do dedo, articulações metacarpofalângicas e interfalângicas), formas geométricas mais complexas podem ser modeladas. No entanto, isso inevitavelmente leva a um aumento nas dimensões do dispositivo e seu peso (são necessários 15 módulos: três para o indicador, meio, anel e dedinho, 2 no polegar e 1 no pulso).

Durante as experiências, verificou-se que um número tão grande de sensores não é necessário para obter contato tátil realista com um objeto virtual. Portanto, no final, o número de cordas e módulos foi reduzido para sete: 5 para cada dedo, 1 na palma da mão e 1 no pulso.

Sensores com roscas são presos à mão do usuário por dedais impressos em uma impressora 3D e tiras de velcro, o que ajuda a distribuir a pressão concentrada.

Para segurar os dedos do usuário em pontos do espaço tridimensional para simular objetos virtuais complexos, é necessário um rastreamento preciso de várias articulações do braço. Nos primeiros protótipos (uma das opções da imagem nº 2), foi utilizado um potenciômetro, que possibilitava rastrear com precisão a distância a um ponto do módulo, mas não o azimute ou altitude.

Por fim, o Leap Motion, acoplado à frente do fone de ouvido VR, foi usado para rastrear as mãos. O Leap Motion fornece dados sobre a posição de todas as articulações da mão no espaço tridimensional. É curioso que os dedais que são usados nos dedos do usuário sejam feitos de um material que não interfira no Leap Motion, pois no infravermelho eles se parecem com o couro. Outro detalhe importante foram os próprios fios, que deveriam permanecer invisíveis para a câmera, porque sua espessura também não foi escolhida por acaso.

O Oculus Rift foi usado como um sistema de RV e todos os sites experimentais virtuais foram criados usando o Unity. Para detectar o contato com objetos virtuais, um ObjectCollider foi atribuído, atribuído a cada objeto ou obstáculo no site (parede). Quando um contato ocorre, um evento OnTriggerEnter é despachado. O manipulador de eventos envia um comando de bloqueio para a placa do driver via USB para a junta correspondente, ou seja, o módulo de bloqueio correspondente.

A detecção de contato é realizada em paralelo para todas as articulações dos dedos e das mãos, e a atuação dos solenóides não interfere entre si, fornecendo controle completamente independente, necessário para a visualização tátil de geometrias complexas.

Vídeo que descreve como o sistema Wireality funciona.

Recursos do sistema Wireality

Após a conclusão do sistema, é necessário verificar completamente, o que foi feito. Os cientistas avaliaram vários fatores fundamentais: peso, latência, eficiência energética, força de bloqueio, precisão da sensação de contato, etc.

O peso de um módulo de travamento era de 30 G. Um bloco de 7 módulos, além de todos os componentes eletrônicos e suportes necessários, pesa 273 gramas. O peso de todos os elementos usados nas mãos do usuário é de apenas 11 gramas. Como exemplo comparativo, os cientistas citam o controlador portátil HTC Vive, que pesa 203 g.

Com relação à liberdade de movimento, o sistema Wireality permite que você entre em contato com objetos virtuais em um raio de 83 cm do ombro do usuário.

Dado o design do sistema, cada módulo deve parar rapidamente a mão do usuário na posição correta, e isso terá que ser feito repetidamente. Portanto, foi necessário avaliar a força máxima de carga que o sistema pode suportar. Em média, esse indicador é 186 N. A

operação dos solenóides também foi submetida a testes repetidos, durante os quais foram aplicadas tensões na faixa de 5 a 12 V com duração de 10 a 1000 ms. Como já sabemos, foi estabelecido experimentalmente que exatamente 12 V e 40 ms são a combinação perfeita.

Os solenóides e seu tempo de resposta também desempenham um papel importante na definição da eficiência energética de todo o sistema. Cada módulo de intertravamento consome 2,19 W (183 mA a 12 V) quando o solenóide é ligado. Considerando que o solenóide está ligado apenas por 40 ms para concluir o bloqueio da catraca, cada evento de bloqueio consome apenas 0,024 mWh (0,088 J). Como exemplo, os cientistas citam o fone de ouvido Oculus Quest com uma capacidade de bateria de 14.000 mWh, o que seria suficiente para meio milhão de eventos de bloqueio.

Quando um usuário deseja tocar em um objeto virtual, o atraso do sistema é extremamente importante, ou seja, quanto mais baixo, melhor. O atraso total do sistema foi de 29 ms: 9 ms - Leap Motion; 1 ms - comunicação serial; 4 ms - ativação do solenóide; 1 ms - emparelhamento de catraca e trava; ～ 14 ms - unidade de resposta no suporte de ombro. No futuro, está planejado reduzir esses indicadores.

A precisão de determinar a posição da mão do usuário pelos sensores e a resposta correspondente do sistema de travamento também foram avaliadas. Obviamente, não existe uma combinação perfeita entre coordenadas virtuais e reais, mas a discrepância não excede 1,8 cm a uma velocidade de 30, 60 e 90 cm / s.

Experiências práticas

Em seguida, foram realizados experimentos nos quais participaram 12 pessoas (4 homens e 8 mulheres, idade média de 21 anos). Vale ressaltar que 6 participantes nunca haviam usado sistemas de RV antes.

Cada um dos participantes sentou-se no centro de uma sala de 2x2 m com um fone de ouvido Oculus Rift. Três opções de teste foram implementadas: sem nada, um controlador com vibração e o sistema Wireality.

Em cada experimento, os participantes interagiram com cinco objetos: uma parede; superfície plana inclinada a 45 °; esfera o sexto objeto irregular (forma irregular, grosso modo).

Imagem Nº 6

A ordem dos objetos e as opções de experiência foram randomizados para cada participante. Após o experimento, cada participante preencheu um pequeno questionário, onde avaliou seus sentimentos sobre o trabalho em diferentes condições do experimento em uma escala de 1 (muito ruim) a 7 (excelente): sentimento realista do objeto; conforto de uso; liberdade de movimento.

Imagem nº 7

O gráfico acima mostra os resultados de experiências práticas. Os cientistas observam que estavam totalmente preparados para o fato de que os participantes dos experimentos avaliarão relativamente baixo o sistema Wireality em termos de liberdade e conforto. No entanto, nesse protótipo, a ênfase principal foi em alcançar o realismo máximo das sensações, e não no conforto, que pode ser aprimorado no futuro, prestando atenção à ergonomia.

No entanto, todos os participantes dos experimentos reagiram extremamente positivamente ao sistema Wireality. Segundo eles, isso permitiu avaliar significativamente os objetos na realidade virtual.

Engraçado, alguns participantes das experiências acreditavam que o bloqueio da posição de suas mãos ocorreria do lado dos objetos (isto é, algo pressionaria a mão, formando o contorno do objeto). Outros esperavam uma sensação de textura dos objetos. Obviamente, essa função não existe no Wireality, mas também é um protótipo.

Resumindo os dados dos experimentos, os cientistas criaram várias variantes de cenários de realidade virtual para demonstrar os recursos do Wireality.

No total, foram implementados quatro cenários que refletem o possível uso da Wireality: bordas (objetos de limitações de espaço); objetos grandes e pesados; objetos de interação (botões, alavancas, etc.); caracteres virtuais.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances deste trabalho, recomendo que você analise o relatório dos cientistas .

Epílogo

A realidade virtual pode dar a uma pessoa a oportunidade de explorar mundos que não existem na realidade, praticar arte, adicionar tridimensionalidade às suas pinturas, passear por museus localizados em países distantes e muito mais. Os sistemas de RV não são apenas jogos e entretenimento, mas também um novo ambiente de aprendizado e, para alguém (por exemplo, pessoas com deficiência), essa é a única maneira de sentir liberdade de movimento. Em outras palavras, a VR pode ser implementada em qualquer lugar, se isso faz sentido, é claro.

A única coisa que a realidade virtual não pode fazer é, surpreendentemente, garantir a realidade das interações táteis. O sistema Wireality resolve esse problema de maneira bastante criativa. Roscas de aço, catracas, solenóides e assim por diante estão longe de serem detalhes futuristas de ficção científica, no entanto, em conjunto, eles tornaram possível a criação de um sistema completamente futurista. Obviamente, a Wireality ainda está longe do ideal, porque você precisa trabalhar em ergonomia, eficiência energética e latência do sistema, que é o que os autores desta invenção planejam fazer no futuro.

Obrigado pela atenção, fique curioso e tenha um ótimo final de semana a todos, pessoal! :)

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