[pt] Com o aumento da popularidade e acessibilidade de sistemas de realidade virtual (RV) de alta qualidade, tem-se levantado preocupações com relação a tendência dos sistemas de realidade virtual em provocar perda de equilíbrio. O equilíbrio é essencial para o uso seguro da realidade virtual e a perda do mesmo pode causar lesões graves. O objetivo deste trabalho é criar um sistema para avaliar o impacto da realidade virtual no equilíbrio humano. Neste trabalho, propomos e conduzimos um experimento usando o Oculus Rift e o MS Kinect Sensor. Nesse experimento, foi possível observar, quantificar e comparar o efeito de diferentes cenas de RV no equilíbrio dos usuários, bem como o efeito de avisos visuais e sonoros sobre perda de equilíbrio. / [en] With the increasing popularity and accessibility of high-quality Virtual Reality (VR) systems, concerns have been raised about the propensity of VR to induce balance loss. Balance is essential for safe use of VR experience and its loss can result in severe injury. This project is set to create a system able to measure the impact of VR in the human balance system. In this work, we design and conduct an experiment making use of the Oculus Rift VR headset and MS Kinect Sensor. In this experiment, we are able to visualize, quantify, and compare the effect of different VR scenes on the balance of the experiment subjects as well as the effect of visual and auditory warnings of balance loss.

[pt] Esta tese apresenta o estudo dinâmico de três sistemas pendulares e de um sistema de corpo livre no espaço com 3 graus de liberdade. O primeiro sistema pendular consiste de um pêndulo acoplado ao centro de uma roda, que rola sem escorregar na direção horizontal, enquanto o segundo, se baseia num pêndulo simples, porém com comprimento variável, que ao mudar seu tamanho consegue ganhar/perder energia para aumentar/diminuir a amplitude de seu movimento e finalmente o terceiro está baseado num pêndulo duplo que, a despeito de restrições impostas ao movimento consegue inserir/retirar energia do sistema de forma similar ao segundo. O modelo de corpo livre no espaço está baseado na suspensão cardânica de um giroscópio e se utiliza de um modelo didático real de um giroscópio para observação das características dinâmicas. A partir destes exemplos estudou-se formas de controle não-linear para movimentar os sistemas de maneira a utilizar-se da mudança de posição interna do centro de massa para injetar e retirar energia dos sistemas. Foram gerados modelos matemáticos simulados no Simulink valendo-se do Matlab para análise, e geradas animações também com o Matlab para melhor observação dos efeitos. Em paralelo, para dois destes sistemas foram construídos em bancada experimentos para comprovação dos resultados numéricos, e os resultados são comparados em cada caso, analisando as diferenças. Ao final, todas as observações sobre os estudos foram analisadas, e comentários feitos baseados nos resultados, além de sugerir trabalhos futuros. / [en] This thesis presents the study of the dynamics of three pendulum systems and a 3DoF free body in space. The first pendular system is based on a simple pendulum coupled to the center of a wheel that translates horizontally without slip; while the second system is based on a simple pendulum, with variable length, which is able to acquire/lose energy to grow/diminish the amplitude of its movement; and finally the third one is based on a double pendulum that, in spite of movement restrictions, can as well inject/drop energy like the second system. The free body in space is based on a real gyroscope for didactical use, which is helpful for the observation of the dynamic characteristics of the motion. Using these examples a non-linear control was designed to drive the system by using the property that changing the internal position of the center of mass it is possible to inject or to subtract energy from the systems. Mathematical models were simulated with Simulik software, Matlab was used for the analysis, and animations were created also with Matlab for a better sight of the effects. In parallel, there were developed 2 test rig systems for verification of the numerical results. In the conclusions all the considerations about the study were analyzed, and comments made on the results, as well also future developments are suggested.

[pt] O equilíbrio corporal é uma importante habilidade física e um aspecto fundamental para a saúde dos idosos, sendo as quedas a principal causa de lesões não intencionais que levam a perda de autonomia e ao óbito neste grupo. Com o envelhecimento da população mundial e sendo os déficits de equilíbrio uma das maiores causas de atendimentos fisioterapêuticos, o uso de instrumentos portáveis de baixo custo e confiáveis para avaliação do equilíbrio são de extrema relevância. Diversos estudos avaliaram a validade concorrente e/ou confiabilidade do Microsoft Kinect (Kinect) e do Nintendo Wii Balance Board (WBB) durante testes de equilíbrio. Estes estudos foram favoráveis ao uso destes equipamentos nestas avaliações em posições semi-estáticas. Este estudo examinou a confiabilidade teste-reteste com o uso concorrente do Kinect e do WBB durante um teste de equilíbrio em três posições semi-estáticas, analisando variáveis do centro de pressão (CoP) e do centro de gravidade (CoG) em manequins e em 70 indivíduos saudáveis. Cada participante executou dois testes na mesma sessão. Os equipamentos demonstraram sensibilidade para identificar diferentes padrões de oscilação corporal. As variáveis mais confiáveis foram a velocidade média e o percurso total em todas as direções e tarefas. A confiabilidade foi considerada de fraca a boa nos testes com pessoas e nos testes com manequins, excelente. Porém, os resultados com as variáveis das pessoas baseadas em dados consolidados das três tarefas alcançaram confiabilidade excelente. Propriedades do CoP demonstraram ser mais confiáveis do que as do CoG, sugerindo que o WBB seja superior ao Kinect nesta tarefa. O presente trabalho corrobora estudos anteriores, podendo, estes dispositivos, prover informações quantitativas confiáveis, aprimorando avaliações qualitativas do equilíbrio. / [en] Body balance is an important physical skill and it is fundamental for elderly´s health, considering that falls are a major cause of unintentional injuries leading to the loss of autonomy and death in this group. Growth of aging in world population and being balance impairment one of the major causes of physiotherapeutic attendance, simple, affordable, portable, and reliable devices for evaluating body balance are of great relevance. Several studies have been examining concurrent validity and reliability of Microsoft Kinect (Kinect) and Nintendo Wii Balance Board (WBB) during balance tests. The majority of these studies suggested that those devices could be used as reliable and valid tools for assessing balance in semi-static positions. Based on that, this study investigated test-retest reliability using Kinect and WBB, concurrently, in three standing positions, and analyzed variables related to center of pressure (CoP) and center of gravity (CoG), in static manikins and in 70 healthy subjects. Each participant performed the set of tests twice in the same day. Our solution demonstrated sensibility to identify different body sway patterns. Tests showed that the most reliable variables were average speed and total path length in all directions and tasks. Despite tests with static manikin signalized excellent reliability, tests with individuals were considered poor to good. However, variables of consolidated data based on different tasks achieved excellent scores. CoP properties outperformed those related to CoG, suggesting that WBB was superior when compared to Kinect in providing more reliable body sway information. This study reinforced that these devices may provide reliable quantitative information that enhances qualitative body balance assessments.