Analysis of dual-sided cycling power in a virtual reality game

Abstract

Virtual Reality is an upcoming topic, in which increasingly better hardware enables the realisation of realistic applications. The virtual 3D environment gives the opportunity for visual feedback. In this diploma thesis, visual feedback should be used in an application to show a user if his right and left leg power is equally distributed. Furthermore, the application should serve to improve a possible asymmetry in the leg power distribution through frequently usage. The application was developed for the use in the field of physiotherapy, especially for people with leg, knee or foot injuries and after surgery in one of these areas, as affected people usually put less strain on their injured leg and therefore a higher risk of an asymmetry consists. A persistent asymmetry in the leg power distribution can lead to premature fatigue, as well as to a worse performance and it furthermore increases the risk of injury. During the test, the user is riding a stationary bike in real world and is wearing a Head Mounted Display (HMD). In the VR environment the user is driving a pedal boat, which is steered by the measured leg power distribution of the right and left leg. The measurements are taken with a pedal-based power meter (Garmin Vector 3). In addition to the actual analysis test, where the user should only drive straight ahead, the application contains a second course, where the user drives a slalom. Different difficulty levels exist for both courses to better meet the users' needs. The bicycle analysis has a duration of ~14 -25 minutes, depending on the performance on the stationary bike. This work includes descriptions of all hardware components and the differences to existing VR bicycle applications. Further parts of this work are the explanation of the software and hardware design, details of the implementation and their visual results, as well as the description and evaluation of a user study. The performed user study showed that asymmetry in the leg power distribution can be recognized through this application. These are mostly discovered by the user himself during the usage. As every participant took the test only once, no statement can be done whether a frequently usage leads to an improvement. The analysis test was described as effective, physically demanding and entertaining.

Virtuelle Realität ist ein wachsender Bereich, indem sich durch immer besser werdende Hardware äußerst realitätsnahe Anwendungen realisieren lassen. Dabei bietet die virtuelle 3D Umgebung viele Möglichkeiten für visuelles Feedback. In dieser Diplomarbeit wollen wir visuelles Feedback in einer Anwendung einsetzen, um einen Benutzer zu zeigen, ob seine rechte und linke Beinkraft gleichverteilt ist. Des Weiteren soll die Anwendung dazu dienen eine mögliche Asymmetrie in der Beinkraftverteilung durch häufigere Nutzung zu verbessern. Die Anwendung ist für die Verwendung im Physiotherapie-Bereich entwickelt worden, speziell für Personen mit Bein, Knie oder Fuß Verletzungen und nach Operationen in einen dieser Bereiche, da betroffene Personen meist ihr verletztes Bein weniger belasten und somit ein erhöhtes Risiko einer Asymmetrie besteht. Eine andauernde Asymmetrie in der Beinkraftverteilung kann zu vorzeitiger Ermüdung, sowie zu verschlechterter Leistung führen und erhöht weiters das Verletzungsrisiko. Bei der Anwendung fährt der Benutzer in der realen Welt mit einem stationären Fahrrad und trägt dabei ein Head Mounted Display (HMD). In der VR Umgebung fährt der Benutzer ein Tretboot das durch die gemessene Beinkraftverteilung des rechten und linken Beines gelenkt wird. Gemessen wird mit einem Pedal basierten Leistungsmesser (Garmin Vector 3). Die Anwendung enthält neben den eigentlichen Analysetest, bei dem der Benutzer nur geradeaus fahren soll, einen zweiten Kurs, bei dem der Benutzer einen Slalom fährt. Für beide Kurse gibt es verschiedene Schwierigkeitsstufen, um besser auf den Benutzer eingehen zu können. Die Fahrradanalyse hat eine Dauer von etwa 14-25 Minuten, abhängig von der Leistung am stationären Fahrrad. Diese Arbeit umfasst Beschreibungen zu allen verwendeten Hardwareteilen und die Unterschiede zu existierenden VR Fahrradanwendungen. Weitere Teile dieser Arbeit sind die Erklärung des Software- und Hardware-Designs, Details zur Implementierung und deren visuelle Ergebnisse, sowie die Beschreibung und Evaluierung einer Benutzerstudie. Die durchgeführte Benutzerstudie hat gezeigt, dass sich Asymmetrien in der Beinkraftverteilung durch die Anwendung erkennen lassen. Diese werden meist während der Anwendung vom Benutzer selbst entdeckt. Da jeder Teilnehmer den Test nur einmal fuhr, lässt sich keine Aussage treffen, ob häufigere Nutzung zur Verbesserung führt. Der Analysetest wurde als effektiv, körperlich anstrengend und unterhaltsam beschrieben.