Berührungslose Bedienkonzepte für Analysegeräte in der Medizintechnik. - 177 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die rasanten Veränderungen der Bedienmöglichkeiten in den Bereichen der Konsumgüter- und Automobilindustrie lassen die Nutzer neue Anforderungen an die Interaktion stellen, denen auch Herstellern von Labor- und Analysegeräten in Zukunft gerecht werden müssen. Dabei müssen diese berücksichtigen, dass auf Grundlage der Umgebung und der durchzuführenden Arbeiten hohe Ansprüche an Sicherheit, Einfachheit und verringerte Kontamination gestellt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein intuitives, berührungsloses und kosteneffizientes Bedienkonzept für Analysegeräte im Laborumfeld entwickelt. Die nutzernahe Entwicklung in Verbindung mit der Ermittlung der Anforderungen als zentraler Punkt dieser Arbeit wurde realisiert mit den Mitteln eines Usability Engineering Prozesses. Auf Grundlage einer geeigneten Methodenwahl, war es möglich alle benötigten Informationen von den vorab definierten Nutzergruppen und dem gewählten Gerät zu extrahieren. Auf Basis der Analysen und Befragungen wurde ein erstes fundiertes Konzept entwickelt. Kern des Konzeptes war dabei die Aufgabe, die der Nutzer alltäglich mit dem Analysegerät bewältigen muss. Ein solcher Arbeitsprozess wird aus verschiedenen Teilschritten zusammengesetzt, die sowohl konzeptionell als auch technisch realisiert werden mussten. Die technische Umsetzung der entscheidenden Teilschritte erfolgt anschließend in einem ersten Prototyp. Dieser wurde unter realistischen Testbedingungen von acht Nutzern evaluiert. Dabei konnte festgestellt werden, dass es gelungen war, ein intuitives, berührungsloses und für den Nutzer von Analysegeräten innovatives Bedienkonzept zu erarbeiten, welches auf Basis der umgesetzten Anforderungen und Wünsche der Nutzer ein großes Potential für eine Weiterentwicklung und Vertiefung besitzt.
Finite-Elemente-Analyse des Schwingungsverhaltens eines Spinnennetz-analogen Polymernetzes. - 127 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Ausarbeitung eines Schwingungsmodells von Spinnennetzen und deren Umsetzung in der kommerziellen Software ANSYS Workbench 15. Der bisherige Wissensstand des Systems Spinnennetz ist dazu ebenso eingeflossen wie Kenntnisse der Materialeigenschaften. Einem Überblick über den bisherigen Forschungsstand bezüglich den besonderen Eigenschaften der Spinnenseide und des Netzes folgen die mathematischen Grundlagen der Modellbildung. Im weiteren Verlauf beschäftigt sich die Arbeit mit dem Aufbau und der Erläuterung des Material- und Schwingungsmodells sowie der zu untersuchenden Geometrie des Netzes. Es folgt die Implementierung in ANSYS. Zur Umsetzung und Analyse werden Randbedingungen aus der Literatur zusammengetragen und sinnvolle Annahmen getroffen. Es folgt eine Validierung des Finite-Elemente-Modells (FE-Modells) mit bisherigen Messungen. Mit Hilfe der Software LTSPICE und unter Nutzung elektrischer Analogien können fehlende Parameter bestimmt und in Ansys implementiert werden. Der Vergleich mit den Messergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung des FE-Modells. Mittels Parameterstudien kann der Einfluss verschiedener Größen auf die Schwingungsfrequenz einer symmetrischen Netzgeometrie nachgewiesen und quantifiziert werden. Im Anschluss erfolgen die Untersuchungen eines asymmetrischen Netzes sowie der Auswirkung unterschiedlicher Anregungspunkte auf den Schwingungsverlauf. Ergebnis dieser Arbeit ist ein belastbares und für weitere Untersuchungen nutzbares FE-Modell. Anregungen diesbezüglich liefert die Arbeit im Ausblick. Des Weiteren werden weitere interessante Fragestellungen für zukünftige Forschungsaufgaben genannt.
Konzepterstellung und Umsetzung eines Funktionsdemonstrators für die Einbindung verschiedenster Geräte in das Bedien- und Steuerkonzept des Projekts Bundschuh im Wohnumfeld älterer Nutzer. - 77 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der berührungslosen Mensch-Maschine-Kommunikation erzielt. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Vernetzungsmethoden sich für eine gesten- und sprachbasierte Gerätesteuerung im Wohnumfeld eignen. Dazu werden die Smart Home Systeme RWE SmartHome, Homee und HomeMatic sowie eine Universalfernbedienung von IRTrans untersucht. Das Ergebnis ist, dass alle Smart Home Systeme ihre Informationen über Funkwellen senden. RWE SmartHome setzt zusätzlich einen permanenten Internetanschluss voraus. Ein programmierter Rechnerzugriff auf die Bedienoberflächen der Systeme ist Voraussetzung für eine homogene, berührungslose Gerätesteuerung. Dieser Zugriff ist bei HomeMatic und IRTrans möglich, bei Homee jedoch nur mit großem individuellen Konfigurationsaufwand zu erreichen. Die Fernbedienung von IRTrans ermöglicht eine Bedienung aller Geräte mit erhöhtem Funktionsaufwand und Infrarot Schnittstelle. Ein Demonstrator wurde geplant und gebaut. An ihm werden die Geräte verschiedenen Funktionsumfangs montiert. Mögliche Wege, Nutzer zu autorisieren werden werden vorgestellt. Weiterhin werden Optionen zur Aktivierung des Demonstrators aufgeführt.
Entwurf eines Bedienkonzeptes für ein neuartiges, hinderniskompatibles Mobilitätssystem. - 152 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein intuitives Bedienkonzept für ein neuartiges, hinderniskompatibles Mobilitätssystem, das sogenannte Wheg-Mobil, entwickelt. Als problematisch erweist sich bei konventionellen Mobilitätshilfen eine zu große körperliche Entlastung, die fehlende Hinderniskompatibilität sowie die negative Stigmatisierung. Das zukünftige Produkt ist nicht nur zur Nutzung durch Personen mit eingeschränkter Gehfähigkeit (Schlüsselmobilität) gedacht, sondern richtet sich als Lifestyle-Gefährt auch an eine jüngere und sportliche Zielgruppe. Bei der Umsetzung sollen vor allem die technische Sicherheit, ein hohes subjektives Sicherheitsempfinden sowie eine Individualisierbarkeit gewährleistet werden. Die Bedienung findet vorwiegend im Stehen statt, jedoch sollte in Hinblick auf die anvisierte ältere Nutzergruppe ein Steh-Sitz optional installiert werden können. Zunächst wurde im Rahmen des Usability Engineering-Prozesses ein Anforderungskatalog erarbeitet. Um ein für die angestrebten Zielgruppen angepasstes Bedienkonzept zu finden, wurde eine Produktrecherche über konzeptionell ähnliche Mobilitätssysteme durchgeführt. Im Rahmen eines Bewertungsverfahrens wurden die möglichen Konzeptvarianten aus Sicht des Nutzers mittels Wertempfindungstabelle beurteilt und die technische Wertigkeit für jede Variante ermittelt. Die höchste technische Wertigkeit wurde bei der Kombination der Balance-Control mit der seitlichen Neigung des Holms, bekannt vom Segway der zweiten Generation, festgestellt. Diese an das Wheg-Mobil angepasste Kombination wird als Pivot-Steuerung bezeichnet. Als einziges Bedienelement dient der Lenkholm, der mittels Gelenk mit dem Freiheitsgrad 3 der Rotation schwenkbar gelagert ist. Zur Vorwärtsfahrt wird der Holm nach vorne (bzw. zur Rückwärtsfahrt nach hinten) gedrückt, für einen Lenkvorgang zusätzlich zur Seite. Um zu bremsen wird der Holm zurück in die Neutralstellung gebracht. Ein Spezialmodus erlaubt das Wenden auf der Stelle. Im Rahmen eines Pflichtenhefts wurden die gesammelten Kriterien, Baugruppen und Funktionen definiert. Um das Konzept der Pivot-Steuerung zu evaluieren, wurde eine Nutzerbefragung mit 30 potentiellen Nutzern durchgeführt und ausgewertet. Das Konzept wurde durchgängig als verständlich und intuitiv eingestuft.
Erweiterung bestehender Modelle zur Bestimmung der Schalldruckverteilung in Außenohr und Gehörgang. - 171 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Das Gehör ist eines der wichtigsten Sinnesorgane des Menschen. Die steigende alltägliche Belastung des Ohres durch einen zu hohen Lärmpegel stellt ein immer größer werdendes Risiko der Hörwahrnehmung dar. Daher nimmt die Lärmprävention in der Medizintechnik und -forschung eine besondere Stellung ein. Für die Analyse physikalischer Vorgänge wie beispielsweise die Ausbreitung von Schall im Raum wird vermehrt auf Ersatzmodelle zurückgegriffen, die es unter Berücksichtigung moderner digitaler Rechenmodelle ermöglichen, verschiedene Eigenschaften und Einflüsse eines Systems genauer zu untersuchen. Zentrale Aufgabe dieser Arbeit ist die Simulation des Schallfeldes in Ohrmuschel und Gehörgang. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung verschiedener Einflüsse auf das Schallfeld durch unterschiedliche Schallfeldphänomene, hervorgerufen beispielsweise durch variierende Einfallswinkel des Schalls und der Geometrie verschiedener Gehörgänge. Als Grundlage wird auf das bestehende digitale Ohrmuschelmodell von BANCES et al. (2014) zurückgegriffen. Die Weiterentwicklung dieses Modells wird angestrebt, um einerseits seinen Nutzen zu erhöhen und andererseits einen Beitrag zur Lärmprävention zu leisten. Zur Umsetzung der Zielstellung galt es zunächst das Modell auf seine Grenzen hin zu untersuchen, Erweiterungsmöglichkeiten herauszustellen sowie ausgewählte Optionen zu implementieren und zu testen. Um die Schalldruckanalyse im Gehörgang zu ermöglichen, erfolgte im Speziellen die Anbindung von Modellen realer Gehörgänge an das Ohrmuschelmodell. Dieses bildet die Grundlage für eine vergleichende numerische Simulation. Sowohl aus lateraler als auch aus dorsaler Richtung wurden Schallquellen für die Schalldruckuntersuchung in Ohrmuschel und Gehörgang herangezogen. Die Simulation erfolgte jeweils über ein Frequenzspektrum von 20 Hz bis 20 kHz. Die Ergebnisse wurden sowohl hinsichtlich ihrer Ortsabhängigkeit (bei konstanter Frequenz) als auch ihrer Frequenzabhängigkeit (bei konstantem Ort) untersucht. Eine Validierung des Modells und der Ergebnisse erfolgte mit Hilfe analoger Studien.
Entwurf einer Orientierungseinheit eines haptischen Eingabegerätes. - 80 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Ziel dieser Arbeit ist es, ein Funktionsmuster einer dreidimensionalen Orientierungseinheit zu entwerfen, wobei eine Designstudie als Vorlage dient. Die Orientierungseinheit ist Teil eines haptischen Eingabegerätes, welches seinen Einsatz in der Telemanipulation findet. Es wird dabei nach den Richtlinien der VDI 2221 und VDI 2206 vorgegangen. Bei der Entwicklung dieser Orientierungseinheit wird besonders auf eine ergonomische Handhabung geachtet. Indes wird stetig das Zusammenspiel von Usability (Gebrauchstauglichkeit) und Functionality (Funktionalität) geprüft. Ebenfalls wird am Ende der Arbeit das Funktionsmuster auf die gestellten Anforderungen getestet und kritisiert.
Weiterentwicklung eines bestehenden Prototyps zur Beißkraftmessung bei Hunden um eine videogestützte Datenerfassung. - 108 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Für ein erweitertes Verständnis der Funktion des Kiefers und seiner möglichen Beißkräfte, wurde die Anatomie und Physiologie vieler Tierarten untersucht. Zum erfassen realitätsnaher Messwerte muss die Motivation des Tieres beachtet werden. Die Messung der Beißkräfte beim Hund stellt sich aus diesem Grund schwierig dar. Mangelnde Motivation, wechselnde Trainingszustände und unterschiedliche Messbedingungen bei den Hunden machten es notwendig mit Polizeihunden als Versuchstier zu arbeiten. Gemessen wird mit standardisierten Abläufen, einem Polizisten als Scheintäter und einem sensorisierten Hetzarm. Letzterer wurde von der TU Ilmenau in Zusammenarbeit mit Fa. Schweikert und dem Max-Planck Institut entwickelt. Neben dem Abgreifen der Beißkräfte, soll das System zukünftig den Biss hetzarmnah und das Verhalten des Hundes insgesamt filmen. Kraftdaten und Videomaterial sollen anschließend, im Sinne der multimodalen Datenkombination, synchronisiert dargestellt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der bestehende Prototyp um eine Action-Cam und eine Spiegelreflexkamera erweitert. Neben den anatomischen Merkmalen des Hundekiefers, werden die Grundlagen zur Datenfusion sowie zur Kamera- und Videotechnik dargestellt. Nach der Formulierung des Anforderungskataloges wurde eine Auswahl für das jeweilige Kamerasystem getroffen. Im weiteren Verlauf ergaben sich Synchronisationsprobleme zwischen der GoPro und der Kraftmessung. Diesem Problem wurde mit einer selbstverfassten Steuersoftware für die GoPro und einem eigenen Videoschnittprogramm begegnet. Beide Programme wurden in der Programmiersprache Python verfasst und sind als eigenständiges Programm auf jedem Windows-PC nutzbar. Die Daten der Spiegelreflexkamera werden als Ergänzung gesehen und in dieser Arbeit nicht weiter bearbeitet. Nach der Synchronisation der Daten wurden diese kombiniert und sind nun im Video mit einem Timer eingeblendet. Die Programme und Videos werden vom Max-Planck Institut in Leipzig zur Auswertung benutzt.
Qualizierung und Optimierung eines Systems zur Messung von Beißkräften. - 135 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
In Zusammenarbeit des Fachgebietes Biomechatronik der Technischen Universität Ilmenau, des Instituts für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie in Leipzig ist ein neues Messsystem zur Bestimmung der Beißkraft bei Hunden entstanden. Dazu wurde ein Hetzarm der Firma Schweikert mit einer speziellen Kraftmesseinrichtung versehen. Sie besteht aus zwei gegenüberliegenden POM-Keilen und vier darin verschraubten Sensoren, die im Beißbereich des Hetzarmes verbaut wurden. Die Daten des Messverstärkers werden dabei per Bluetooth drahtlos an eine Auswertesoftware gesendet, um so die Handhabung des Messsystems zu erleichtern und den Bewegungsradius des Helfers während einer Messung zu vergrößern. Diese Arbeit befasst sich speziell mit der Kalibrierung und Bewertung des Messsystems, bestehend aus Messarm, Messverstärker und dem Laptop mit der Auswertesoftware. Es soll ein Verfahren zur Ermittlung des Systemverhaltens erarbeitet, dabei auftretende Messfehler diskutiert und größenmäßig erfasst werden. Zur vollständigen Beschreibung eines Messsystems gehört ebenso die Anweisung über die Handhabung und eine Beschreibung zur Durchführung einer Messung, sodass in dieser Arbeit zusätzlich ein Durchführungsstandard für eine Beißkraftmessung bei Hunden entwickelt werden soll. Am Ende steht die Erstellung eines Datenblatts zur Charakterisierung des Messsystems. Schlagwörter: Beißkraftmessung, Hund, Messsystem, Messstandard, Hetzarm, Kalibrierung, DMS-Sensoren
Design of the ankle part for a robotic exoskeleton device to rehabilitate human locomotion. - 45 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Während der letzten Jahre haben Exoskelette als Medizinprodukte für die Rehabilitation der menschlichen Fortbewegung stark an Bedeutung gewonnen. Einen gesunden Gang wiederzuerlernen ist für den Patienten von ausschlaggebender Bedeutung. Deswegen ist eine korrekte technische Umsetzung der Bewegung der Extremitäten notwendig. In Bezug auf die bipede Fortbewegung unterstützt ein Exoskelett die unteren Extremitäten. In dieser Arbeit wird der Fußgelenk-Komplex für ein solches Exoskelett entwickelt. Dafür ist es notwendig, die Bewegung selbst, die Kinematik und das Potential im gesunden Fußgelenk (Kinetik) zu untersuchen. Die Basis dafür bildet zum einen eine Bewegungsstudie von Winter (Winter, 1991), in der die Gelenkwinkel während des Gang bestimmt werden. Zum anderen wird eine Videostudie des menschlichen Gangs genutzt, die an der Technischen Universität Ilmenau im Rahmen eines Bewegungsseminars entstanden ist, um die Lage des Schwerpunkts und den horizontalen Abstand des Fußgelenks zum Körperschwerpunkt zu messen. Mit diesen Werten kann eine Matlab Berechnung durchgeführt werden, um die Hauptanforderungen an die Aktorik für die Entwicklung des Fußgelenk-Komplexes aufzustellen. Der Entwicklungsprozess richtet sich nach der in der VDI 2206 Design methodology for mechatronic systems vorgeschlagenen Methodologie. Ziel dieser Masterarbeit ist der technische Entwurf für die Mechanik des Fußgelenk-Komplexes eines Exoskelettes.
Abbildung der Kinematik der Vorderextremitäten kleiner Säugetiere mittels eines Pedipulators. - 79 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Systeme zur taktilen Identifikation von Strukturen in der Umwelt sind im Bereich der Robotik ein wichtiges Thema. Zur Weiterentwicklung und Optimierung solcher Methoden wird auf biologische Modelle, wie zum Beispiel die Sinushaare von Nagetieren, zurückgegriffen. Um Aussagen über das Verhalten dieser taktilen Haare zu treffen, ist eine Beobachtung während der Lokomotion eines Tieres notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit kommt es zur Abbildung eines Modells, das das Führen eines biologischen Beins einer Rattus norvegicus entlang der natürlichen Bewegungsbahn ermöglicht. Hierfür werden zunächst in einem theoretischen Ansatz Thesen für eine technische Realisierung aufgestellt. Im weiteren Verlauf kommt es zur Bestätigung beziehungsweise Widerlegung jener mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen. Im Umfang dieser Versuche kommt es zum schrittweisen Präparieren einer Vorderextremität mit Bewegungs- und Belastungstests sowie einem anschließenden Vermessen der vollständig freigelegten Knochenstruktur. Abschließend werden die theoretischen Ansätze mit den Erkenntnissen aus den praktischen Untersuchungen verknüpft und ein endgültiges Modell, das die Abbildung der Beinkinematik ermöglicht, vorgeschlagen.