Rotación controlada de observadores humanos en un entorno de realidad virtual

Muchas señales se combinan en condiciones naturales para producir una sensación de automovimiento¹. Producir tal sentido es un objetivo en muchas aplicaciones de realidad virtual recreativas, de salud y educativas 2,3,4,5, y simplemente comprender cómo se combinan las señales para dar una sensación de automovimiento ha sido un esfuerzo a largo plazo de los neurocientíficos 6,7,8,9,10,11 . Las tres clases más importantes de señales para la percepción del automovimiento son visuales, vestibulares y propioceptivas¹. Los tres se combinan de manera congruente durante el movimiento activo natural en el mundo real para proporcionar una sensación robusta y rica de automovimiento. Para comprender el papel de cada clase de señales y tener una idea de cómo se combinan las señales, los investigadores tradicionalmente han privado a los observadores experimentales de una o más señales y / o han colocado señales en conflicto entre sí ^1,12. Por ejemplo, para proporcionar señales vestibulares rotacionales en ausencia de señales propioceptivas, un observador puede ser girado pasivamente por una silla motorizada 13,14,15,16. Se ha demostrado que tal movimiento pasivo proporciona señales muy convincentes para el automovimiento¹⁷. Las señales visuales controladas proporcionadas por un auricular VR pueden ser congruentes o incongruentes con el movimiento de la silla o ausentes por completo. Las señales propioceptivas se pueden agregar haciendo que el observador gire la silla bajo su propio poder, por ejemplo, empujando la silla con los pies.

Aquí se presenta un método para convertir una silla giratoria de oficina en un medio para rotar físicamente el cuerpo de un observador e integrar ese movimiento en una experiencia virtual visual (y potencialmente auditiva). La rotación de la silla puede estar bajo el control del observador, un programa de computadora u otra persona como el experimentador. La rotación controlada por el observador puede ser pasiva haciendo que la rotación impulsada por el motor sea una función de la posición del controlador de mano del observador o activa apagando la silla y haciendo que el observador gire la silla ellos mismos.

También se presenta una aplicación psicofísica para este sistema de silla / VR. Esta aplicación de ejemplo destaca la utilidad de la rotación pasiva controlada de un observador para comprender cómo interactúan las señales de automovimiento para producir experiencias perceptivas generales. El objetivo específico era obtener información sobre un movimiento inducido por la ilusión visual estudiado durante mucho tiempo^18,19. En el movimiento inducido, un objetivo estacionario o en movimiento es perceptualmente “rechazado” lejos de un fondo en movimiento. Por ejemplo, si un punto objetivo rojo se mueve verticalmente hacia arriba contra un campo de puntos azules que se mueve hacia la derecha, el punto objetivo parecerá moverse hacia arriba, como se esperaba, pero también hacia la izquierda, lejos de la dirección del fondo móvil^20,21. El objetivo era probar si la repulsión es el resultado de interpretar el movimiento de fondo como causado por el automovimiento^22,23.

Si este es el caso, entonces la adición de rotación física que sea consistente con el movimiento visual de fondo debería conducir a una sensación más fuerte de que el movimiento de fondo se debe a la autorrotación a través de un entorno estacionario. Esto, a su vez, debería conducir a una mayor tendencia a restar el movimiento de fondo del movimiento objetivo para obtener el movimiento del objetivo en relación con el mundo estacionario²³. Esta mayor tendencia a restar resultaría en una mayor repulsión percibida del objetivo. Se agregó una autorrotación física que era consistente o inconsistente con el movimiento de fondo para probar esto. El sistema presentado aquí permitió el control preciso del movimiento físico y el movimiento visual correspondiente para probar esta hipótesis. En el ejemplo, el movimiento de la silla estaba bajo el control directo del observador utilizando el controlador de mano del sistema VR.

Aunque hay muchos ejemplos de sillas giratorias motorizadas para diversas aplicaciones de realidad virtual en la literatura ^{24,25,26,27,28,29}, los autores desconocen un conjunto conciso de instrucciones para hacer una silla de este tipo e integrarla en una experiencia interactiva de realidad virtual. Hay instrucciones limitadas disponibles para el SwiVRChair²⁹, que es similar en estructura al que se presenta aquí pero que está diseñado con un propósito diferente en mente, es decir, ser impulsado por un programa informático para mejorar la inmersión en un entorno de realidad virtual, donde el movimiento de la silla puede ser anulado por el usuario colocando los pies en el suelo. Dado el gasto de^sillas disponibles comercialmente ^30,31, hacer una “interna” puede ser una opción más viable para algunos investigadores. Para aquellos en esta situación, el protocolo a continuación debe ser de utilidad.

Descripción general del sistema
El protocolo consiste en instrucciones para convertir una silla de oficina en una silla giratoria accionada eléctricamente e integrar el movimiento de la silla en una experiencia de realidad virtual. Todo el sistema, una vez completado, se compone de cuatro partes: los subsistemas mecánico, eléctrico, de software y de realidad virtual. Una fotografía del sistema completo se muestra en la Figura 1. El sistema mostrado fue el utilizado en el experimento de ejemplo.

El trabajo del subsistema mecánico es girar físicamente el eje superior de una silla giratoria a través de un motor. Consiste en una silla de oficina a la que se unen dos cosas: una polea fijada al eje giratorio superior de la silla de oficina y un marco de montaje ajustable unido a la parte fija inferior del eje. Un motor paso a paso eléctrico está unido al soporte, que tiene una polea unida a su eje que se alinea con la polea en el eje superior de la silla de oficina. Una correa acopla la polea del motor a la polea de la silla, lo que permite que el motor haga girar la silla.

El subsistema eléctrico proporciona energía al motor y permite el control electrónico del motor. Consiste en un controlador de motor, una fuente de alimentación para el motor, una placa Arduino para interconectar el controlador con una computadora y una fuente de alimentación para el Arduino (opcional). Una placa Arduino es una placa pequeña popular entre los aficionados y fabricantes profesionales de cualquier cosa electrónica, que contiene un microprocesador programable, controladores, pines de entrada y salida, y (en algunos modelos) un puerto USB (requerido aquí). Todos los componentes eléctricos están alojados en una caja con aislamiento eléctrico modificada a medida. Como se requiere alimentación de red para el transformador que proporciona energía al motor y para la fuente de alimentación Arduino (opcional), y como el motor requiere altos voltajes de funcionamiento, todo menos el trabajo electrónico de bajo voltaje (pasos de protocolo 2.5 a 2.10 a continuación) debe ser realizado por una persona calificada.

El subsistema de software consiste en el software Arduino para programar el Arduino, el software Unity para crear el entorno VR, el software Steam para conducir el sistema VR y Ardity, un complemento de Unity que permite a Unity comunicarse con la placa Arduino. Este software se instaló en una computadora portátil Gygabyte Sabre 15WV8 que ejecuta Microsoft Windows 10 Enterprise para el experimento de ejemplo (Figura 1).

El sistema VR consiste en una pantalla montada en la cabeza (HMD), un controlador de mano y estaciones base para determinar la posición y orientación del HMD y el controlador en el espacio. El sistema VR utilizado para este proyecto fue el HTC Vive Pro (Figura 1).

A continuación se describe el procedimiento para combinar estos componentes para lograr una experiencia virtual que incorpore la rotación física (experimento o de otro tipo) con el movimiento de la silla controlado por el observador a través del controlador de mano o por el anfitrión / experimentador a través de un mouse de computadora o un potenciómetro. La parte final del protocolo consiste en los pasos necesarios para iniciar la experiencia de realidad virtual. Tenga en cuenta que el método para codificar Unity para permitir ensayos y recopilación de datos está más allá del alcance de este manuscrito. Algunos pasos, particularmente para el subsistema mecánico, requieren cierto equipo de taller y un cierto nivel de habilidad. En principio, los métodos presentados pueden ajustarse para adaptarse a la disponibilidad de esos recursos. Se ofrecen alternativas para algunos de los pasos más técnicos.