LiftVR : VR-based motion guidance system teaching back-friendly lifting

Abstract

Ein Drittel der Arbeitnehmer in der Europäischen Union wird häufig mit dem Heben schwerer Lasten während der Arbeit beauftragt, was das Risiko der Entwicklung von Muskel-Skelett-Erkrankungen birgt. Die Häufigkeit dieser Erkrankung, die auf unsachgemäße Hebetechniken zurückzuführen ist, verdeutlicht die Notwendigkeit der Prevention durch effektive Schulungsmethoden. Virtual Reality bietet vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der Bewegungschulung durch immersive Erlebnise. Derzeit steht jedoch kein System zur Verfügung, das das Unterrichten von Hebeübungen ermöglicht, während die Benutzer mit realem Gewicht interagieren. Darüber hinaus erfordern Wissenlücken im Bereich der virtuellen Ganzkörperbewegungsführung weitere Untersuchungen. Die Auswirkungen unterschiedlicher Leitfadenvisualisierungen auf die Leistung des Benutzers sind für Ganzkörper Bewegungsführungssysteme nicht bekannt. Außerdem wurde bisher nicht untersucht, ob und wie Feedback die Verbesserung der Schüler beeinflusst, wenn es gleichzeitig mit einer Leitfadenvisualisierungen verwendet wird. Diese Arbeit präsentiert LiftVR, ein zugängliches Ganzkörperbewegungssteuerungssystem, welches nur eine einzige Kamera benötigt und zwei visuelle Leitsysteme (aktueller Forschungsstand und neuartig) und mehrere Feedbacksysteme implementiert. Auf der Suche nach einer Verbesserung der visuellen Leitung wurde ein neuartiges abstraktes Leitsystem namens Zone implementiert, das sich vom derzeit dominierenden Ansatz der Verwendung humanoider Entitäten für die Expertenvisualisierung unterscheidet. Unser neuartiger Entwurf nutzt die symmetrische Natur von Hebebewegungen aus, was dazu führt, dass Zone weniger gleichzeitig aktive Entitäten aufweist und so den Benutzer nicht visuell überfordert. Zusätzlich bieten wir dem Benutzer mehrere Feedbacksysteme. Für die Immersion platziert LiftVR die Schüler in eine voll ausgestattete Fitnessumgebung, die auch die Visualisierung einer Hantel beinhaltet. Schließlich können die Schüler zwischen verschiedenen Übungsmodi, Perspektiven und Geschwindigkeiten wählen. Um LiftVR zu bewerten, führten wir eine Studie durch, in der die Teilnehmer eine Hebebewegung mit den verschiedenen Übungsmodi und Geschwindigkeiten von LiftVR lernen mussten. Insgesamt hatte LiftVR einen signifikant positiven Effekt auf die Hebetechniken der Schüler, unabhängig von Alter, Größe oder Gewicht. Unsere Analyse zeigt, dass Zone in haltungsbasierten Übungsmodi das State-of-the-Art-System übertrifft. Insgesamt erzielten Zone-Schüler geringere Fehler und eine größere Verbesserung bei allen gemessenen Variablen. Eine Umfrage bei den Benutzern bestätigte, dass Zone, in Bezug auf Verständlichkeit, geistige Anstrengung und Hilfsbereitschaft, bessere Bewertungen erzielt. In Bezug auf das Feedback zeigt die Studie keine statistisch signifikanten Auswirkungen auf die Leistung der Schüler, wenn es in Verbindung mit Leitfadenvisualisierungen verwendet wird. Allerdings lässt das Fehlen von vorschreibendem oder korrigierendem Feedback in LiftVR Raum für zukünftige Studien.

A third of the European Union's workforce is frequently tasked with heavy lifts during their shifts, risking the development of musculoskeletal disorders (MSD). The prevalence of MSD resulting from improper lifting techniques highlights the need for effective training methods. Virtual reality offers promising opportunities to improve motion training through immersive experiences, however, no system is currently available for teaching lifting exercises while its users interact with real weight. Additionally, gaps in the domain of virtual full body motion guidance necessitate further exploration. The effects of different concurrent guidance visualizations on user performance are not known for full body systems. Furthermore, it has not been investigated how terminal feedback affects a students improvement when used contemporaneously with concurrent systems. This thesis presents LiftVR, an accessible, single camera, full body motion guidance system which implements two concurrent visual guidance systems (state of the art and novel), and multiple terminal feedback systems. In the pursuit of improving visual guidance, a novel abstract guidance system named Zone has been implemented, contrasting the currently dominant approach of using humanoid entities for expert visualization. We made use of the symmetrical nature of lifting motions, which results in Zone having less visual clutter and fewer simultaneously active entities. Additionally, we provide the user with multiple terminal feedback systems. For immersion, LiftVR places students in a fully equipped gym environment, including a barbell visualization. Finally, students can chose between different practice modes, perspectives, and speeds. To evaluate LiftVR we performed a study in which participants had to practice using each of LiftVR's practice modes and speeds. Overall, LiftVR had a significant positive effect on students lifting techniques, regardless of age, height or weight. Our analysis shows that Zone outperforms the state of the art system in posture driven practice modes. Overall Zone students achieved lower errors and greater improvement across all of our measured variables. User feedback also verified Zone's better scores in terms of understandability, mental effort, and helpfulness. Regarding terminal feedback, the study reveals no statistically significant effects on student performance when used in conjunction with concurrent guidance systems. However, the absence of prescriptive or corrective terminal feedback in LiftVR leaves room for future exploration of its potential impact. The findings of this thesis offer valuable insights for designing and developing concurrent guidance and feedback systems in the field of full body motion guidance.