Master- und Diplomarbeiten

Simulationseinrichtungen in der medizinischen Aus- und Weiterbildung sowie als Plattform für die Neuentwicklung und Verifizierung in der Industrie, haben in den vergangenen Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Vor allem in der Kardiotechnik, wie beim Umgang mit Herzunterstützungssystemen und bei der Programmierung von Herzschrittmachern und Defibrillatoren müssen Herzsimulationen für Testszenarien herangezogen werden. Der von BIOTRONIK Se & Co. KG entwickelte EKG- Herzsimulator dient der Entwicklung einer realistischen, zuverlässigen und rekonfigurierbaren Testumgebung. Er beruht auf einem Echtzeittestsystem auf einer Hardwareplattform von National Instruments (compact RIOTM System). Die Intention dieser Arbeit bestand darin, den Herzsimulator für den Test von implantierbaren Defibrillatoren zu analysieren und in seiner Funktionalität zu erweitern. Zielstellung sollte es sein, mit den gegebenen Eigenschaften des Herzsimulators den Eigenrhythmus des Herzens bestmöglich nachzubilden. Darüber hinaus sollten Patientenprofile erstellt werden, welche relevante Krankheitsbilder abbilden können. Letztere Aufgabenstellung befasste sich mit der Generierung eines Far Field- EKG.

Wissenschaftliche Arbeiten zeigen einen Zusammenhang zwischen der Eigenfrequenz des Spinnennetzes, dessen Geometrie, dem Eigengewicht der Netzspinne und der äquivalenten Vorspannung. Hypothese dieser Masterarbeit ist, dass die Eigenfrequenz von Spinnennetzen konstant ist. Die vorliegende Masterarbeit zeigt jedoch, dass dies nur bedingt richtig ist. Wir belegen dies mit unseren Experimenten mit verschiedenen Individuen der Spinnenart Argiope Argentata durch Ermittlung derer Eigengewichte und der Eigenfrequenzen der erbauten Spinnennetze. Unsere Daten zeigen, dass die Webnetzspinne die Netzvorspannung nicht proportional zu ihrem Eigengewicht erhöht, so dass die Eigenfrequenz für verschiedene Netze nicht konstant bleibt. Es wird das Vorhandensein eines Eigenfrequenzbereichs vermutet, da ihr Gewicht und ihre Möglichkeiten zur Vorspannung in einem bestimmten Bereich liegen. Eigenfrequenzen von Spinnennetzen werden mit dem in dieser Arbeit erweiterten Schwingungsmodell und auf Basis veröffentlichter Arbeiten berechnet.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Konzipierung und Entwicklung einer Versuchsumgebung zur Leistungsevaluation eines taktilen Feedbackhandschuhs zur Interaktion mit einem berührungsempfindlichen Großflächendisplay. Um das Potenzial und die Grenzen des taktilen Feedbacks aufzuzeigen, werden die theoretischen Grundlagen von taktiler Wahrnehmung betrachtet. Eine Analyse des taktilen Feedbackhandschuhs zur Touchscreeninteraktion soll einerseits verschiedene Möglichkeiten aufzeigen, für die taktiles Feedback eingesetzt werden kann und andererseits klären, ob der im taktilen Feedbackhandschuh eingesetzte Vibrationsmotor verschiedene diskriminierbare Vibrationsstufen darbieten kann. Dazu wurde eine Analyse durchgeführt um die Motorkennlinien mit der menschlichen Wahrnehmung vibrotaktiler Reize auf Fingerkuppen vergleichen zu können. Die gefundenen Vibrationsstufen können mit Hilfe der entwickelten JAVA Umgebung "Vibrationstest" generiert und durch psychophysische Experimente verifiziert werden. Ziele für erste Evaluationsstudien wurden definiert und Konzepte für Versuchsumgebungen vorgeschlagen, die sich auf die Evaluierung von einfachen Eingaben mit taktilem und visuellem Feedback beschränken. Das favorisierte Konzept wurde als Software in JAVA umgesetzt. Bei der umgesetzten Versuchsumgebung handelt es sich um einen virtuellen Ziffernblock, der beliebig konfiguriert werden kann, sowie die zu den einzelnen Bedienelementen gehörenden verschiedenen Feedbackmodalitäten (visuell, taktil, auditiv bei Berührung oder Aktivierung der Bedienelemente). Die einzugebenden Ziffern werden dem Probanden auditiv übermittelt. Eine neue Idee ist es, durch simulierte Fehleingaben einen direkten Rückschluss auf die Leistungsfähigkeit des Feedbacks zu ziehen, indem folgende Frage geklärt wird: Wie schnell und wie sicher reagiert der Proband, wenn seine Bedienaktion unterdrückt und somit das Feedback nicht dargeboten wird? Dazu kann eine Annahmewahrscheinlichkeit bei der Aktivierung der Bedienelemente eingestellt werden. Die Versuchsumgebung wurde abschließend mit fünf Probanden erfolgreich getestet und die Leistungskenndaten deskriptiv ausgewertet. Die Eignung der Versuchsumgebung zur Messung von Leistungskenndaten bei Eingaben mit dem taktilen Feedbackhandschuh wurde somit nachgewiesen. Eine kombinierte Feedbackmodalität von visuellem und taktilem Feedback bei Aktivierung der Bedienelemente erwies sich bei der Aufgabe mit simulierten Fehleingaben als die Leistungsfähigste, da sie die geringste Fehlerrate und Korrekturzeit aufweist. Experimente mit größerer Probandenanzahl und zusätzlichen Nebenaufgaben zur Leistungsfähigkeit des taktilen Feedbackhandschuhs können nun mit Hilfe der Versuchsumgebung durchgeführt werden.

In dieser Masterarbeit wird ein größenskalierbares Modell zur Parametrisierung eines schnellen vierbeinigen terrestrischen Roboters entwickelt. Nach der Erläuterung grundlegender Eigenschaften vierbeiniger Lokomotion wird der Stand der Technik dargestellt. Die funktionell-morphologische Basis der Modellbildung wird durch zwei Studien über die Zusammenhänge zwischen tierischen Körperparametern und den erreichten Spitzengeschwindigkeiten erweitert, aus denen definierte Verhältnisse zwischen Körpermasse und Bein- sowie Rückenlänge abstrahiert werden. Die technisch-biologische Betrachtung wird auf der Suche nach größenbeschreibenden Relationen um die Untersuchung allometrischer Beziehungen ergänzt. Die mathematische Modellierung des Roboters beschäftigt sich vorrangig mit den Beinen und dem Rumpf, speziell der Wirbelsäule. Die Modellvorstellung zur technischen Abbildung der Beine stützt sich ausgehend vom "Inverted pendulum" auf jene des inversen Feder-Masse-Schwingers. Für diese werden verschiedene Modellansätze aus Literatur und experimentellen Daten erarbeitet, von denen einer ausgewählt und in das Berechnungsmodell einbezogen wird. Dieses wird mit einer Feder ausgerüstet, die ähnlich der Bein-Feder als mechanischer Energiespeicher fungiert. Als Vorlage für die Gangart des Bewegungszyklus, der den zeitlichen Ablauf des Modells bestimmt, dient der Bound. Die Ausführung des Modells erfolgt mit der Simulink®-Oberfläche von Matlab®R2011a, in der die Berechnungen zu 10 kg bis 100 kg schweren Robotern mit unterschiedlichen Längenverhältnissen erfolgen. Die essentiellen Verbindungen zwischen den Parametern werden ausgewertet, woraus sich neben dem Leitfaden für eine maximale Geschwindigkeit auch eine Auslegung für hohe Energieeffizienz ergibt.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bewertung der Effekte der Optimierungsarbeiten am Laufroboter RoLV. Für die Fortbewegung des Roboter stehen zwei Whegs--inspirierte Effektortypen zur Verfügung. Eine davon besitzt eine sehr hohe Steifigkeit und verformt sich während der Bewegung kaum. Die andere Variante ist elastisch und soll Bewegungsenergie speichern und wieder abgeben. Die Effektorauswahl wird um einen Satz von Rädern erweitert. - Gegenstand der Betrachtung ist eine messtechnische Bewertung des Systems mit allen drei Effektorkonfigurationen. Dazu werden vier verschiedene Testgelände definiert, die die Bewegung auf ebenem Untergrund sowie im Gelände abdecken. Der Vergleich der Effektorkonfigurationen in jeweils einem Geländetyp wird über die erreichte Rumpfgeschwindigkeit des Roboters und die aufgenommene elektrische Leistung durchgeführt. Für eine eindeutige Aussage wird aus dem Quotienten der beiden Messgrößen ein Gütekriterium definiert. - Aufgrund eines Defekts am Roboter während der Messungen können nicht alle vorgesehenen Geländetypen getestet werden. Die Auswertung erfolgt anhand der Messdaten aus der Messung in der Ebene. Erwartungsgemäß liefert die Konfiguration mit Rädern in diesem Gelände das ein deutlich besseres Ergebnis als die anderen Effektortypen. Die Unterscheidung der Whegs--inspirierte Effektortypen kann mit keiner befriedigenden statistischen Sicherheit festgestellt werden.