Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. (habil.) Hartmut Witte

The design of human-machine interfaces of occupational exoskeletons is essential for their successful application, but at the same time demanding. In terms of information gain, biosensoric methods such as surface electromyography (sEMG) can help to achieve intuitive control of the device, for example by reduction of the inherent time latencies of a conventional, non-biosensoric, control scheme. To assess the reliability of sEMG onset detection under close to real-life circumstances, shoulder sEMG of 55 healthy test subjects was recorded during seated free arm lifting movements based on assembly tasks. Known algorithms for sEMG onset detection are reviewed and evaluated regarding application demands. A constant false alarm rate (CFAR) double-threshold detection algorithm was implemented and tested with different features. Feature selection was done by evaluation of signal-to-noise-ratio (SNR), onset sensitivity and precision, as well as timing error and deviation. Results of visual signal inspection by sEMG experts and kinematic signals were used as references. Overall, a CFAR algorithm with Teager-Kaiser-Energy-Operator (TKEO) as feature showed the best results with feature SNR = 14.48 dB, 91% sensitivity, 93% precision. In average, sEMG analysis hinted towards impending movements 215 ms before measurable kinematic changes.

Musculoskeletal diseases of the back and upper extremities are one of the main causes of sick leave in Europe. Exoskeletons are one possible approach to preventive measures. The Biomechatronics Group at Technische Universität Ilmenau is developing an antagonistically actuated exoskeleton with non-linear compliance to support flexion and extension of the elbow in repetitive tasks like in assembly. Here, we present a control strategy to achieve joint stiffness control while benefitting from the advantages of non-linear compliant actuation. We use a decentralized control approach, combining two PID controllers to control joint position and string force and thus, joint stiffness, in the antagonistically acting drive. We show limitations and benefits of this approach through simulation and measurement.

Dogs (Canis familiaris) prefer the walk at lower speeds and the more economical trot at speeds ranging from 0.5 Fr up to 3 Fr. Important works have helped to understand these gaits at the levels of the center of mass, joint mechanics, and muscular control. However, less is known about the global dynamics for limbs and if these are gait or breed-specific. For walk and trot, we analyzed dogs’ global dynamics, based on motion capture and single leg kinetic data, recorded from treadmill locomotion of French Bulldog (N = 4), Whippet (N = 5), Malinois (N = 4), and Beagle (N = 5). Dogs’ pelvic and thoracic axial leg functions combined compliance with leg lengthening. Thoracic limbs were stiffer than the pelvic limbs and absorbed energy in the scapulothoracic joint. Dogs’ ground reaction forces (GRF) formed two virtual pivot points (VPP) during walk and trot each. One emerged for the thoracic (fore) limbs (VPPTL) and is roughly located above and caudally to the scapulothoracic joint. The second is located roughly above and cranially to the hip joint (VPPPL). The positions of VPPs and the patterns of the limbs’ axial and tangential projections of the GRF were gaits but not always breeds-related. When they existed, breed-related changes were mainly exposed by the French Bulldog. During trot, positions of the VPPs tended to be closer to the hip joint or the scapulothoracic joint, and variability between and within breeds lessened compared to walk. In some dogs, VPPPL was located below the pelvis during trot. Further analyses revealed that leg length and not breed may better explain differences in the vertical position of VPPTL or the horizontal position of VPPPL. The vertical position of VPPPL was only influenced by gait, while the horizontal position of VPPTL was not breed or gait-related. Accordingly, torque profiles in the scapulothoracic joint were likely between breeds while hip torque profiles were size-related. In dogs, gait and leg length are likely the main VPPs positions’ predictors. Thus, variations of VPP positions may follow a reduction of limb work. Stability issues need to be addressed in further studies.

For technical or medical applications, the knowledge of the exact kinematics of the human hand is key to utilizing its capability of handling and manipulating objects and communicating with other humans or machines. The optimal relationship between the number of measurement parameters, measurement accuracy, as well as complexity, usability and cost of the measuring systems is hard to find. Biomechanic assumptions, the concepts of a biomechatronic system and the mechatronic design process, as well as commercially available components, are used to develop a sensorized glove. The proposed wearable introduced in this paper can measure 14 of 15 angular values of a simplified hand model. Additionally, five contact pressure values at the fingertips and inertial data of the whole hand with six degrees of freedom are gathered. Due to the modular design and a hand size examination based on anthropometric parameters, the concept of the wearable is applicable to a large variety of hand sizes and adaptable to different use cases. Validations show a combined root-mean-square error of 0.99° to 2.38° for the measurement of all joint angles on one finger, surpassing the human perception threshold and the current state-of-the-art in science and technology for comparable systems.

Die Technische Universität Ilmenau versucht auch unter „Corona-Zwängen“ durch Kontakteinschränkungen in Kombination mit begrenzten Lehrkapazitäten Seminare, Übungen und Praktika angemessen durchzuführen und die Lehre nicht zu vorlesungslastig werden zu lassen. Die Seminar- und Praktikumsräume gaben jedoch auch unter intensiver zeitlicher Raumbewirtschaftung von 7 Uhr bis 21 Uhr „zentral“ wie durch die Fachgebiete bei Einhaltung der Hygienevorschriften keine ausreichenden Kapazitäten zur Durchführung in Präsenz her. Der Beitrag berichtet daher über von uns getestete Möglichkeiten zur Umsetzung der etablierten Lehrformate in Onlineformate. Zusätzlich werden Lösungen zur sicheren Realisation von Präsenzprüfungen unter Pandemie-Bedingungen dargestellt. Daher war ab April 2020 neben der relativ einfach umzusetzenden Online-Durchführung der Vorlesungen für die Seminare und insbesondere die Praktika viel Eigeninitiative und Einfallsreichtum erforderlich, um den eigenen Qualitätsanforderungen der Lehrenden genüge leisten zu können. Im Vortrag wird über ausgewählte Beispiele der so entstandenen Lösungen berichtet, wie sie in der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau realisiert wurden. Unsere Fakultät weist ein breites Spektrum von „klassischen“ Fächern bis zu Lichttechnik, Technischer Optik und Biomechatronik auf, so dass schon bei dieser Stichprobe aus nur einem Fachgebiet einer der fünf Fakultäten die dem Wissenschaftler gemeine übergreifende Bewertung kaum zu bieten ist. Selbstverständlich wird nicht nur über Lösungen berichtet, sondern die ungelösten Probleme werden gleichrangig angesprochen.

Bio-inspired robotic designs introducing and benefiting from morphological aspects present in animals allowed the generation of fast, robust, and energy-efficient locomotion. We used engineering tools and interdisciplinary knowledge transferred from biology to build low-cost robots, able to achieve a certain level of versatility. Serval, a compliant quadruped robot with actuated spine and high range of motion in all joints, was developed to address the question of what mechatronic complexity is needed to achieve rich motion skills. In our experiments, the robot presented a high level of versatility (number of skills) at medium speed, with a minimal control effort and, in this article, no usage of its spine. Implementing a basic kinematics-duplication from dogs, we found strengths to emphasize, weaknesses to correct, and made Serval ready for future attempts to achieve more agile locomotion. In particular, we investigated the following skills: walk, trot, gallop, bound (crouched), sidestep, turn with a radius, ascend slopes including flat ground transition, perform single and double step-downs, fall, trot over bumpy terrain, lie/sit down, and stand up.

Die Schallübertragung zum Trommelfell wird maßgeblich durch die anatomischen Gegebenheiten des Außenohres - speziell des Gehörganges mit seiner individuell stark unterschiedlichen Geometrie - beeinflusst. Zur Untersuchung des Einflusses der Gehörgangsgeometrie als auch verschiedener mechanischer und akustischer Eigenschaften des Außenohres auf die Außenohr-Übertragungsfunktion (OETF, outer ear transfer function) wurde am Fachgebiet Biomechatronik ein Prüfstand entwickelt, welcher in diesem Beitrag vorgestellt werden soll. Der Prüfstand kann genutzt werden, um an Modellen des Außenohres die OETF zu messen. Die Schallerzeugung erfolgt über einen Funktionsgenerator DG 1022 der Firma RIGOL und einen Mitteltöner JBL BY HARMAN Control 1. Die Modelle des Außenohres wurden durch geeignete Kombination und konstruktive Ergänzung aus der digitalisierten Ohrmuschel des Kunstkopfes KU-80 (GEORG NEUMANN GmbH) sowie digitalisierter Polysiloxan-Abformungen des Gehörganges erstellt und anschließend per Fused Deposition Modelling aus Materialien mit unterschiedlichem E-Modul gefertigt. Die Signalaufnahme erfolgte in einer gedachten Trommelfellebene mittels eines MICW i436-Messmikrofons, welches nach Norm DIN EN 616 Klasse 2 zertifiziert ist. Die Messung mittels des Prüfstandes ermöglicht die experimentelle Untersuchung und Quantifizierung von Einflussfaktoren, welche durch vergleichbare In vivo-Messungen oder Simulation nur schwer abzubilden sind. Darüber hinaus kann der Prüfstand genutzt werden, um eine einfache und kostengünstige Funktionsprüfung von Gehörschutzsystemen durchzuführen und so zukünftige Entwicklungen zu unterstützen.

Zur Gefährdungsanalyse von manuellen Lastenhandhabungen empfiehlt die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) unter anderem die Leitmerkmalmethode Heben, Halten, Tragen (2001). Die Beurteilung des Leitmerkmals Körperhaltung erfolgt subjektiv. Die Verwendung einer Tiefenkamera mit integrierter stick figure-Generierung (markerloser Erkennung) hilft mögliche Variationen in der Bewertung zu minimieren. Über Probandenstudien erfolgt die Identifikation von Parametern, auf deren Basis die interne Auswertung (Klassifikation der Körperhaltung nach Leitmerkmalmethode) im Unterstützungssystem erfolgen soll. Die Parameter werden durch die joint-Daten der stick figure beschrieben.

Im Alltag sind Kommunikationsgeräte mit Gestensteuerung (z.B. Smartphones) vielen vertraut. Die Nutzung von Freiraumgesten zur Steuerung von anderen (größeren) Geräten ist dagegen ein hochaktueller Forschungsgenstand (z.B. für Fahrzeuge, Verbundprojekte KLARA, Bundschuh). Für Labor- und Analysegeräte wurde ein Bediensystem entworfen und umgesetzt, welches ausschließlich über Freiraumgesten und berührungsloser RFID-Identifikation die Bedienung ermöglicht. Für den Entwurfsprozess wurden Methoden des Usability Engineerings eingesetzt, und darüber Nutzeranforderungen und -erwartungen ins Konzept einbezogen. Die Anbindung an ein Laborinformations- und Managementsystem ermöglicht über eine Vorauswahl aus zertifizierten Prozessschritten bei gleichzeitiger Dokumentation die Qualitätssicherung.

To realize a hands-free controlled system by recognition of mid-air gestures still a bundle of serious problems exists. It is not really clarified how commands have to be interpreted by gestures because it is possible to understand the stroke phases as static as well as dynamic. But depending on which meaning will be used the gesture itself has to be executed in different manners. With video sequences of different interpretations and an online questionnaire this question was examined. The results and also pending problems led to a first solution of a mobile and hands-free controlled transportation system (for picking, lifting and transportation of small boxes) in logistic domains.

TETRA GmbH Ilmenau und drei universitäre Lehrstühle zeigen im Projekt InspiRat, dass bei wissenschaftlicher Unterstützung auch die deutsche Industrie in der Lage ist, in der Robotik internationale Standards zu setzen. InspiRat und RatNics als Akronyme sollen Assoziationen wecken: Analyse des Kletterns insbesondere von Ratten trieb den Bau einer neuen Klasse von Robotern. Waren zu Beginn des Projektes integrierte Kletterroboter mit Massen > 35 kg verfügbar, so gibt es nun Maschinen mit 1 kg bis 2 kg Masse, experimentell modulare Systeme mit 250 g Masse. Nebenergebnis ist die weltweite Definition des Standes der Technik der Röntgenvideographie zusammen mit der Siemens® AG: biplanar 2.000 Röntgenbilder/Sekunde in HD. Ergebnisse universitärer Studien werden in Journalen publiziert, doch belegt die Nachfrage nach dem Abschlussbericht des Projektes für das BMBF das Interesse an einer übergreifenden, transdisziplinären Darstellung des bionischen Entwicklungsprozesses. Wir publizieren deswegen diesen Abschlussbericht nur geringfügig redaktionell überarbeitet. Er beschreibt somit den wissenschaftlichen Stand 2011 in einer auf den Fördermittelgeber zugeschnittenen Darstellungsweise. Die Wissenschaft ist nicht stehen geblieben, wir erleichtern die Nachverfolgung durch Angabe einiger Publikationen aus der Zeit nach Projektende. Doch ist unser Anspruch nicht prospektiv wie bei Zeitschriftenartikeln, wir wollen retrospektiv die Analyse eines erfolgreich abgeschlossenen Prozesses ermöglichen.

The reception of vibrations is a special sense of touch, important for many insects and vertebrates. The latter realize this reception by means of hair-shaped vibrissae in the mystacial pad, to acquire tactile information about their environments. The system models have to allow for stabilizing and tracking control while nevertheless being able to detect superimposed solitary excitations. Controllers have to be adaptive in view of both the randomness of the external signals to be suppressed and the uncertainty of system data. We presents mechanical models and an improved adaptive control strategy that avoids indentification but renders the systemn sensitive.

A life support system for the cultivation of adherent 2-D and scaffold-based 3-D cell cultures in a microfluidic device, a Bio-Micro-Electro-Mechanical System (BioMEMS) is presented. The miniaturization level and system set-up allow incubator-independent operation modes and long-term experiments with real-time microscope observation. A dedicated seeding procedure for adherent cells into the microstructures is one key issue of the BioMEMS developed. Several seeding methods for the cells were evaluated. Biocompatibility of all materials, surfaces and methods could be demonstrated. First experiments with several cell types show the feasibility of the approach employing standard laboratory protocols. At present, the modular design and set-up offer a broad application spectrum as well as its future extension to e.g. culti.

Due to the lack of investigations and standards describing the design of real 3D input devices a real 3D input device was develop. To compare several devices a test task was created and performed with combination of a motion capturing system. During the experiment 19 attendees with different levels of experience performed the test with this setup. Several intra-individual motion patterns and using strategies belonging to different input devices could be observed.

Derived from a complex tourist assistance system for users with special needs (e.g. disabled users with physical impairments) a down-scaled system was successful tested. It consists of a handheld device like the whole system but disclaims to a permanent online server access. The reducing of components was determined by a user-centred design process with an intense requirement analysis.

To fulfil the requirements of several user groups with the need of assistance in tourist activities and regions an assistance system was developed. The user frontend is realised by a handheld device combined with additional features matched to the user specifics. The system assures a optimal presentation of the needed information by a easy to learn and easy to use new gesture-based GUI. This and the additional specific I/O-devices and components provide the IT-Biocompatibility. These add-ons are adaptors for wireless transfer to hearing aids, vibro-tactile belts or accumulators and sensors for measuring of vital parameters.

As the number of elderly and handicapped people in our society increases more and more it is important to take into account the special needs of these user groups. Most tasks of daily life can be achieved through learning recurring procedures. But new and unknown situations reveal problems most people with bodily limitations can not handle. This keeps most of these people from participating in holiday, leisure time and educational activities. This paper proposes a handheld/server based assistance system, which offers users with special needs access to recreational activities. Therefore it takes account of the needs of the user by including a scalable and easy to use user interface, a routing algorithm that evaluates barriers and the possibility to add medical observation as well as an emergency system.

The goal to develop an assistance system for handicapped users with several impairments was successfully achieved. The design process as a whole lifecycle with iterative processes was shortened by several reasons. But this newly applied design process with underlying design rules given from mechatronic and biomedical products results into a usable system for the targeted groups as well as for other potential users. The main components of the design process were an intensive task analysis and determining of user profiles and user requirements.

Für chronische Belastungen wie Lärm kann bisher nur selten eine evidenz-basiert reproduzierbare Dosis-Wirkungsbeziehung zu individuellen Schädigungen exponierter Arbeitnehmer belegt werden. Gleiche externe Reize führen durch die variante Prädisposition von Arbeitnehmern zu individuellen Beanspruchungen. Folgerichtig konzentriert sich die arbeitsmedizinische Forschung für die Bewertung von Beanspruchungen auf eine höhere Quantifikation der Messgrößen für die Prädisposition und die Belastung. Ziel der Studie war es, mittels eines Experiments eine standardisierte Kontrolle der Lärmbelastung für Besucher einer Diskothek sowie eine standardisierte Kontrolle der psychophysischen Reaktion (Beanspruchung) auf diese Exposition durchzuführen. Neben der Beschreibung von physikalischen Reizgrößen durch konventionelle Messverfahren wie den A-bewerteten Schalldruckpegel wurden psychoakustische Empfindungsgrößen wie die Lautheit (DIN 45 631), die Schärfe und die Rauhigkeit berechnet. An diesem Experiment nahmen 25 männliche Probanden im Alter von 22 bis 28 Jahren teil. Sie repräsentierten durchschnittliche Besucher einer Diskothek. Um die psychophysische Reaktion zu erfassen, erfolgten audiometrische Untersuchungen (Tonschwellenaudiometrie, Distorsionsprodukte otoakustischer Emissionen) vor und nach einer definierten Schallexposition während normaler Veranstaltungsabende in dieser Diskothek. Weiterhin wurden die Probanden zu Art, Dauer, Häufigkeit von Lärmbelastungen in der Freizeit sowie individuellen Hörgewohnheiten, Motivation und Stimmungslage befragt. Grundlage für die Auswertung war die Annahme, dass die gewählten Beschreibungsgrößen für die Reize überzufällig mit den Beschreibungsgrößen für individuelle Reaktionen korrelieren. Der Vergleich der Ergebnisse aus der Berechnung der (psycho-)physischen Kennwerte, welche die von einem Geräusch ausgehende Belastung bzw. Beanspruchung beschreiben sowie die probandenspezifische Reaktion sprechen für einen engen Zusammenhang zwischen der Lautheit und den zeitweiligen Hörschwellenverschiebungen (TTS) der Probanden, welche durch Distorsionsprodukte otoakustischer Emissionen ermittelt wurden.