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什么接触虚拟墙？



在过去的几年中，允许用户投入虚拟现实（VR）的设备变得更加复杂和完善。 VR将用于教育，艺术，娱乐甚至医学（不，我不是在谈论Surgeon Simulator）。多亏了VR，一个人才能看到他在现实中从未见过的东西，例如双关语。但是，要完全沉浸在梦想世界中，最重要的感觉之一就是缺乏与外界的联系，这种感觉可以使人与外界接触。我们不断地摸摸到一些东西：键盘按键，门把手，茶杯等。在VR中，所有对象，无论它们看起来多么逼真，都没有现实中的任何物理表示。来自美国卡内基梅隆大学的一组科学家决定通过使用概念上相当简单的设备来解决此问题。我们从科学家的报告中学到了发明的组成及其作用方式。走。

学习基础


现代的VR系统使用控制器（甚至是游戏机上的普通游戏手柄）来跟踪用户的手的位置，控制其虚拟化身的动作并产生触觉响应。

我们这些拥有游戏机的人都知道，游戏手柄可以在游戏中的某些位置振动（与老板搏斗，在比赛中与对手碰撞，等等）。VR还使用这种与用户进行通信的方法，但是它并没有给人以触感的饱满感。

如果我们谈论虚拟现实中的墙，那么它们成功地实现了Schrödinger猫的概念-它们似乎在那里，但同时却没有。用户可以有意或无意地（全部或部分）浏览它们。这极大地影响了VR创造的世界感。

克服上述缺点是很现实的，尽管在设计和实现方面很困难。从组织用户运动的外骨骼到现实空间中VR系统的物理限制（即真实的墙壁），有多种选择来创建与VR对象的触觉接触。但是，这两种方法都限制了用户的移动自由度，因此无法在虚拟世界中提供完整而舒适的沉浸感。


图片1：无线系统的概念。

在我们今天正在考虑的研究中，科学家决定通过连接到用户手上的传感器上的螺纹（类似于木偶奇遇记）来创建自己的触觉接触系统版本。这样的系统是自主的，并且非常可移动，更不用说它的低成本了-批量生产每台最多50美元。发明人将他们的创作命名为Wireality，将词（电线，线）和现实（现实）结合在一个词中。

有线系统实施


因此，其创建者希望获得的系统的主要物理属性是易用性（系统将连接到用户），能效（需要自主电源）和相对较低的成本。

系统的概念和机械基础是线程，这些线程将以某种方式在正确的时间停止用户画笔的某些部分。决定使用具有尼龙涂层的足够坚固和细小的钢缆作为螺纹材料。


图片编号2：线程性标记模块的原型。

当螺纹成为手部位置的限制器时，不应使它们下垂或过度张紧，因为这会破坏系统。

为了防止这种情况发生，有必要使用可以有效拧紧螺纹的工具。正如科学家们自己所承认的，由于发动机的原因，拧紧模块的第一个选择非常麻烦，并且出现了散热问题（上图）。


图3：Wireality Thread Tagging模块的最终版本。

而是使用卷簧，如卷尺。此选项更容易，更便宜，更强大和更紧凑。即使板簧提供了异常固定的牵引力，也发现牵引力为80 g的牵开器模块完全消除了松弛的问题。

选择了螺纹后，拉动模块也将保留下来，以确定用于固定电刷位置的模块。获得最真实的感觉的最重要因素之一是固定模块对用户运动的响应延迟。有线系统利用凸轮和棘轮锁定机构。

锁定模块的最终设计包括一个丙烯酸棘轮机构和一个带有弹簧，线轴和螺纹的拧紧模块，该棘轮（带有尖齿的齿轮，粗略地说）的分辨率为每齿8°。

由于线绕在直径小于棘轮的线轴上，因此每个齿的“线行程”等于0.84 mm。凸轮又连接到推拉直流电磁铁（12 V）。

因此，当用户的手与虚拟物体接触时，系统程序启动螺线管，将闩锁推入棘轮中，从而阻止线圈进一步旋转，即无法旋转。防止进一步释放线，这会停止手的位置。并且由于用户自己在螺纹上施加的力，棘轮固定了闩锁，因此螺线管可以足够快地关闭，从而减少了能耗。


图片＃4：线程锁定模块。

一个阻止模块负责用户的手的一部分（例如，食指），因此有多个阻止模块。紧凑的尺寸（4.1x7x1.4厘米）和轻巧的结构使它们可以连接成簇（下图）。


图片5：阻止模块集群。

每个模块都放在3D打印机上打印的尼龙和碳纤维外壳内。

互锁模块的电子组件由HBridge L298N双电机驱动器组成，该驱动器由Teensy 3.2微控制器控制，该驱动器通过常规USB从VR系统接收命令。

这些电子组件紧凑，当不使用螺线管时实际上不消耗能量。可以通过使用晶体管来降低模块的尺寸和成本，这将在进一步研究中加以考虑。

当Teensy指示阻塞其中一个线程时，它将激活相应的螺线管40毫秒，这是可靠阻塞的最短间隔。

将所有模块收集在一起后，科学家们思考了所有这些快乐将在人体上附着的位置。当然，原型还不是很理想，可以减小其尺寸，但是即使在这个阶段，佩戴起来也很舒适。决定通过特殊的背心将Wireality系统放置在用户的肩膀上，该背心将负荷分配到身体上（图1）。

至于指针，有必要了解接触“传感器”的最佳数量，它直接确定阻塞模块的数量，并因此确定使用的线程数。科学家发现，通过大量的接触点（例如，指尖，掌指和指间关节），可以对更复杂的几何形状进行建模。但是，这不可避免地导致设备尺寸及其重量的增加（总共需要15个模块：食指，中指，无名指和小指三个，拇指上两个，腕上三个）。

在实验过程中，发现为获得与虚拟物体的真实触觉接触，并不需要如此大量的传感器。因此，最后，线和模块的数量减少到了七个：每个手指5个，手掌1个，手腕1个。

带螺纹的传感器通过在3D打印机和Velcro皮带上打印的顶针连接到用户的手上，这有助于分散集中的压力。

为了将用户的手指握在三维空间的点上以模拟复杂的虚拟对象，需要精确跟踪手臂的多个关节。在早期的原型中（图2中的选项之一），使用了电位计，这使得可以精确地跟踪到模块到点的距离，而不是方位角或高度。

最终，安装在VR耳机正面的Leap Motion被用来追踪手。 Leap Motion提供有关三维空间中手的所有关节位置的数据。奇怪的是，戴在用户手指上的顶针是由不会干扰Leap Motion的材料制成的，因为在红外下，它们看起来与皮革相同。另一个重要的细节是螺纹本身，因为它们的厚度也不是偶然选择的，因此它们应该不会被摄像机看到。

Oculus Rift用作VR系统，所有虚拟实验站点均使用Unity创建。为了检测与虚拟对象的接触，分配了一个ObjectCollider，并将其分配给站点（墙壁）上的每个对象或障碍物。发生联系时，将调度OnTriggerEnter事件。事件处理程序通过USB为相应的关节即相应的锁定模块向驱动板发送锁定命令。

对手指和手的所有关节并行执行接触检测，并且螺线管的致动不会互相干扰，从而提供了完全独立的控制，这对于复杂几何形状的触觉可视化是必需的。


这段视频描述了Wireality系统的工作方式。

有线系统功能


系统完成后，有必要对它进行完全验证。科学家评估了几个基本因素：重量，潜伏期，能效，阻挡强度，接触感觉的准确性等。

一个锁定模块的重量为30克，包括7个模块的块以及所有必需的电子设备和安装座的重量为273克。戴在使用者手上的所有元件的重量仅为11克。作为比较示例，科学家引用了重量为203 g的HTC Vive便携式控制器。

就移动自由度而言，Wwireality系统允许您接触距用户肩膀83厘米半径范围内的虚拟物体。

根据系统的设计，每个模块必须迅速将用户的手停在正确的位置，这将需要重复进行。因此，有必要评估系统可以承受的最大负载力。平均而言，该指示器为186N。

螺线管的操作也经过反复测试，在此期间施加5至12 V的电压，持续时间为10至1000 ms。众所周知，通过实验确定，恰好12 V和40 ms是完美的组合。

电磁阀及其响应时间在影响整个系统的能效方面也起着重要作用。当螺线管打开时，每个互锁模块消耗2.19 W（12 V时为183 mA）。考虑到螺线管仅打开40毫秒即可完成棘轮锁定，每个锁定事件仅消耗0.024 mWh（0.088 J）。例如，科学家引用了Oculus Quest耳机，其电池容量为14,000 mWh，足以应对50万次阻塞事件。

当用户想要触摸虚拟对象时，系统延迟非常重要，即 越低越好。系统总延迟为29毫秒：9毫秒-跳跃运动；1 ms-串行通讯；4 ms-激活电磁阀；1 ms-棘轮和闩锁配对；〜14 ms-肩部安装中的响应单元。将来计划减少这些指标。

还评估了通过传感器确定用户手部位置的准确性以及锁定系统的相应响应。当然，虚拟坐标和真实坐标之间没有完美的匹配，但是在30、60和90 cm / s的速度下，差异不会超过1.8 cm。

实践经验


接下来，进行了12人参加的实验（4名男性和8名女性，平均年龄21岁）。值得注意的是，有6位参与者从未使用过VR系统。

每个参与者都戴着Oculus Rift耳机坐在2x2 m会议室的中央。实现了三个测试选项：不带任何东西，带有振动的控制器和Wireality系统。

在每个实验中，参与者与五个对象进行交互：一堵墙；倾斜45°平面;球第六种不规则物体（形状不规则，大致而言）。


图片编号6

对象和体验选项的顺序对每个参与者都是随机的。实验结束后，每个参与者填写一份简短的调查表，以1（非常差）至7（优秀）的等级来评估他在实验的不同条件下工作的感觉。使用舒适；行动自由。


7号

图上图显示了实际实验的结果。科学家们注意到，他们已经为实验参与者相对较低的自由度和舒适度来评估有线系统做好了充分准备。但是，在此原型中，主要重点是实现感觉的最大真实感，而不是舒适性，这将在将来得到改进，并注重人体工程学。

尽管如此，实验的所有参与者对Wireality系统的反应都非常积极。根据他们的说法，它使他们能够显着评估虚拟现实中的对象。

有趣的是，实验中的一些参与者认为，手的位置阻塞会从物体的侧面发生（即，某些物体会在手上施加压力，从而形成物体的轮廓）。其他人则希望物体具有质感。当然，此功能在Wireality中并不存在，但这也是一个原型。



总结实验中的数据，科学家创建了几种虚拟现实场景的变体，以展示Wireality的功能。

总共实施了四种方案，它们反映了“有线性”的可能使用：边界（空间受限的对象）；大而重的物体；交互对象（按钮，控制杆等）；虚拟角色。

要更详尽地了解这项工作的细微差别，建议您研究一下科学家的报告。

结语


虚拟现实可以使一个人有机会探索现实中不存在的世界，实践艺术，为他的画作增添三维感，在遥远国家的博物馆中闲逛等等。 VR系统不仅是游戏和娱乐，而且是一个新的学习环境，对于某人（例如，残疾人）来说，这是感觉行动自由的唯一途径。换句话说，当然，VR可以在任何地方实现。

令人惊讶的是，虚拟现实唯一不能做的就是确保触觉交互的现实。Wireality系统以一种非常有创意的方式解决了这个问题。钢线，棘轮，螺线管等都不是科幻未来派的细节，但是，结合起来，它们可以创建一个完全未来派的系统。当然，无线性仍然远非理想，因为您需要研究人体工程学，能源效率和系统延迟，这是本发明的作者计划在将来进行的工作。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家周末愉快！:)

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