TY - THES A1 - Kluge, Boris T1 - Motion coordination for a mobile robot in dynamic environments N2 - Generating coordinated motion for a mobile robot operating in natural, continuously changing environments among moving obstacles such as humans is a complex task which requires the solution of various sub problems. In this thesis, we will cover the topics of perception and navigation in dynamic environments, as well as reasoning about the motion of the obstacles and of the robot itself. Perception is mainly considered for a laser range finder, and an according method for obstacle detection and tracking is proposed. Network optimization algorithms are used for data association in the tracking step, resulting in considerable robustness with respect to clutter by small objects. Navigation in general is accomplished using an adaptation of the velocity obstacle approach to the given vehicle kinematics, and cooperative motion coordination between the robot and a human guide is achieved using an appropriate selection rule for collision-free velocities. Next, the robot is enabled to compare its path to the path of a human guide using one of a collection of presented distance measures, which permits the detection of exceptional conditions. Furthermore, a taxonomy for the assessment of situations concerning the robot is presented, and following a summary of existing approaches to more intelligent and comprehensive perception, we propose a method for obstruction detection. Finally, a new approach to reflective navigation behaviors is described where the robot reasons about intelligent moving obstacles in its environment, which allows to adjust the character of the robot motion from regardful and defensive to more self-confident and aggressive behaviors. N2 - Die Realisierung einer koordinierten und effektiven Fortbewegung für einen mobilen Roboter in natürlichen, sich kontinuierlich verändernden Umgebungen unter sich ebenso bewegenden Hindernissen ist eine komplexe Aufgabe, die die Lösung einer Reihe von Unterproblemen voraussetzt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich sowohl mit den Themen der Wahrnehmung und Fortbewegung in veränderlichen Umgebungen, als auch mit Methoden zur Analyse der Hindernisbewegungen in Zusammenhang mit der Roboterbewegung selbst. Die Wahrnehmung wird in erster Linie anhand von Laserscannern betrachtet, und ein entsprechendes Verfahren zur Hindernisdetektion und -verfolung wird vorgestellt. Dabei werden Verfahren der globalen Netzwerkoptimierung eingesetzt, um Korrespondenzen zwischen Objekten aus den Einzelbildern herzustellen, was sich positiv auf die Robustheit gegenüber Störungen durch sporadische kleine Objekte auswirkt. Die Navigation basiert auf einer Adaption des sog. "Velocity Obstacle" Ansatzes auf die vorhandene Fahrzeugkinematik, und eine kooperative Bewegungskoordination (Roboter begleitet Mensch) wird durch eine geeignete Auswahlregel für kollisionsfreie Geschwindigkeiten realisiert. Anschließend werden verschiedene Distanzmaße eingeführt, anhand derer sich etwa der Pfad des Roboters mit dem Pfad seiner Begleitperson vergleichen lässt. Weiter wird eine Klassifizierung von Situationen vorgenommen, in die der Roboter potentiell involviert sein kann, und nach einer Übersicht über existierende Ansätze zur automatischen Intentionserkennung wird ein praktikabler Ansatz zur Erkennung gezielter Behinderungen eines mobilen Roboters vorgestellt. Die Arbeit schließt mit einem neuen Ansatz der Bewegungsplanung in dynamischen Umgebungen, der auf rekursiven Modellen des Roboters von seinem Gegenüber basiert, d.h. der Roboter berechnet zunächst, wie er sich in der Situation des (intelligenten, beweglichen) Hindernisses fortbewegen würde, und bezieht dies in die Entscheidung über die eigene Fortbewegung mit ein. Je nach Rekursionstiefe entstehen hierdurch Verhaltensweisen unterschiedlichen Charakters für den Roboter. T2 - Bewegungskoordination für einen mobilen Roboter in dynamischen Umgebungen KW - Bewegungsablauf KW - Roboter KW - Roboter KW - Bewegungsplanung KW - dynamische Umgebungen KW - Robot KW - Motion Planning KW - Dynamic Environments Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15508 ER - TY - THES A1 - Paul, Dietmar Nikolai Vincent T1 - Funktionelle und radiologische Ergebnisse nach roboterassistierter Implantation zementfreier Hüfttotalendoprothesen mit dem System CASPAR T1 - Clinical and Radiological Outcome Following Robotic Assisted Total Hip Replacement Surgery with the System CASPAR N2 - In der Zeit von Juni 1999 bis März 2001 wurden an der Chirurgischen Klinik Rastatt bei 40 Patienten insgesamt 43 computer- und roboterunterstützte zementfreie Hüfttotalendoprothesen mit dem System CASPAR geplant und implantiert. Von den 43 geplanten Hüftprothesenimplantationen konnten alle 40 Patienten (100%) mit diesem Verfahren operiert werden. 3 Patienten erhielten jeweils im Abstand von 12 Monaten eine zementfreie Hüftprothese mittels CASPAR-Fräsung auf der Gegenseite. Einen Abbruch der Operation aufgrund technischer Probleme fand sich in keinem Fall. In einer mittelfristigen Nachuntersuchung aller Patienten wurden wichtige klinische Parameter wie Schmerzempfinden, Beweglichkeit im Hüftgelenk und Mobilität im täglichen Leben erhoben. Diese Parameter wurden im Harris Hip Score und im Index nach Merle d ́Aubigné zusammengefasst. Zudem erfolgten radiologische Vergleichsaufnahmen als Kontrolle zu den unmittelbar postoperativ erstellten Röntgenbildern. Zusammenfassend ergibt die Auswertung des Harris Hip Score eine Verteilung von 38 Patienten in der Kategorie „sehr gut“ und 2 Patienten in der Kategorie „gut“. In dem Index nach Merle d ́Aubigné zusammengefasst zeigten die Untersuchungen ebenfalls ausgesprochen gute Ergebnisse. Hier fanden sich 36 Patienten in der Kategorie „sehr gut“. Die restlichen 4 Patienten erfüllten die Kriterien für ein „gut“. Dieses hervorragende outcome schlug sich in der Patientenzufriedenheit nieder. Die Bewegungsausmaße der mittels roboterassistierten Hüfte zeigten sehr gute Werte. In diesem Zusammenhang konnte auch in keinem Fall eine Schädigung mit Beeinträchtigung der pelvitrochantären Muskulatur festgestellt werden. Ein positives Trendelenburg- Zeichen fand sich bei keinem von uns mit CASPAR operierten Patienten. Die radiologischen Ergebnisse der robotergefrästen zementfrei implantierten Hüfttotalendoprothesen ergaben sehr gute Ergebnisse. Eine Lockerung oder Schaftsinterung konnte ebenso wenig wie eine Fehlpositionierung des Prothesenschaftes festgestellt werden. Insgesamt erbringt die Nachuntersuchung unserer mittels CASPAR-assistierten Patienten weitaus weniger Komplikationen als zum Teil in der Literatur beschrieben. Insbesondere die häufig erwähnten Weichteilschäden und Bewegungseinschränkungen, die durch Roboter verursacht sind, können wir nicht nachvollziehen. N2 - A total of 43 computer- and robot-assisted cementless total hip endoprostheses were implanted into 40 patients using the CASPAR system at the Surgical Clinic in Rastatt between June 1999 and March 2001. Of the 43 planned hip prosthesis implants, all 40 patients (100 %) could be operated on using this approach. After a 12 month interval, 3 of the patients also received a cementless hip prosthesis on the opposite side by CASPAR-milling. There were no cases of surgical failure due to technical problems. In a midterm postoperative follow-up of all patients, all important clinical parameters such as pain, hip joint flexibility, as well as general mobility were examined. These parameters were summarized in the Harris Hip score and in the scoring system according to Merle d’Aubigné and Postel. In addition, comparison radiographs served as controls to the immediately postoperative X-Rays. In summary, an analysis of the Harris Hip score showed a distribution of 38 patients in the category “very good” and 2 patients in the category “good”. The follow-up results were also markedly good according to the Merle d’Aubigné and Postel scoring system. Here, 36 patients were assigned to the category “very good”, while the other 4 patients satisfied the criteria for “good”. This outstanding outcome was reflected in patient satisfaction. The movement data of the robot-assisted hip were very good. In this context there were no cases of impairment of the musculature of the pelvis-trochanter. There were also no positive Trendelenburg’s signs found with any of our CASPAR operated patients. In conclusion, the robot-assisted cementless total hip arthroplasties yielded very good results. A stem loosening or subsidence or a false positioning of the stem shaft could also not be found. Altogether, the post-operative checkup of our CASPAR-assisted patients showed far fewer complications than is described in the literature. In particular, we could not retrace the robot-induced often mentioned soft tissue injuries and restrictions in mobility. KW - Implantation KW - Roboter KW - Hüftgelenkarthrose KW - Hüfttotalendoprothese KW - CASPAR KW - roboterassistierte Hüftprothetik KW - Harris Hip Score KW - Merle d´Aubigné Index KW - robot-assisted hip replacement surgery KW - follow-up KW - cementless total hip arthroplasties KW - Harris Hip Score KW - Trendelenburg´s sign Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-24060 ER - TY - THES A1 - Stier, Simon T1 - Konzepte, Materialien und Verfahren für multimodale und hochintegrierte Elastomersensorik T1 - Concepts, Materials and Processes for Multimodal and Highly Integrated Elastomer Sensors N2 - Dielektrische Elastomersensoren sind aus Elastomermaterialien aufgebaute Sensoren mit einem kapazitiven Messprinzip. In ihrer einfachsten Form bestehen sie aus einer dehnbaren Elastomerfolie als Dielektrikum, die beidseitig mit leitfähigen und ebenfalls dehnbaren Schichten als Elektroden bedeckt ist. Damit entsteht ein mechanisch verformbarer elektrischer Kondensator, dessen Kapazität mit der Dehnung der Elastomerfolie stetig ansteigt. Neben solchen Dehnungssensoren lassen sich mit einem geeigneten geometrischen Aufbau auch dielektrische Elastomersensoren realisieren, bei denen eine elektrische Kapazität mit einem angelegten Druck bzw. einer Kraft auf die Oberfläche, mit einer Scherkraft oder mit der Annäherung eines elektrisch leitfähigen oder polarisierbaren Körpers wie z. B. der menschlichen Hand messbar ansteigt. Durch ihre vielfältige Funktion, intrinsische Verformbarkeit und flächige Ausgestaltung weisen Dielektrische Elastomersensoren erhebliches Potential in der Schaffung smarter, sensitiver Oberflächen auf. Dabei sind weitgehende und individuelle Adaptionen auf den jeweiligen Anwendungszweck durch Abstimmung geometrischer, mechanischer und elektrischer Eigenschaften möglich. Die bisherige Forschung beschränkt sich jedoch auf die Analyse und Optimierung einzelner Aspekte ohne das Potential einer übergreifenden systemischen Perspektive zu nutzen. Diese Arbeit widmet sich daher der Betrachtung der Sensorik als Gesamtsystem, sowohl horizontal - von abstrakten Modellen bis zur Fertigung und prototypischen Anwendung - als auch vertikal über die Komponenten Material, Struktur und Elektronik. Hierbei wurden in mehreren Teilgebieten eigenständige neue Erkenntnisse und Verbesserungen erzielt, die anschließend in die übergreifende Betrachtung des Gesamtsystems integriert wurden. So wurden in den theoretischen Vorarbeiten neue Konzepte zur ortsaufgelösten Erfassung mehrerer physikalischer Größen und zur elektrischen und mechanischen Modellierung entwickelt. Die abgeleiteten Materialanforderungen wurden in eine tiefgehende Charakterisierung der verwendeten Elastomer-Kompositwerkstoffe überführt, in der neuartige analytische Methoden in Form von dynamischer elektromechanischer Testung und nanoskaliger Computertomographie zur Aufklärung der inneren Wechselwirkungen zum Einsatz kamen. Im Bereich der automatisierten Prozessierung wurde ein für die komplexen mehrschichtigen Elektrodenstrukturen geeigneter neuer lasergestützer substraktiver Fertigungprozess etabliert, der zudem die Brücke zu elastischer Elektronik schlägt. In der abschließenden Anwendungsevaluierung wurden mehrere ortsaufgelöste und multimodale Gesamtsysteme aufgebaut und geeignete Messelektronik und Software entwickelt. Abschließend wurden die Systeme mit einem eigens entwickelten robotischen Testsystem charakterisiert und zudem das Potential der Auswertung mittels maschinellem Lernen aufgezeigt. N2 - Dielectric elastomer sensors are sensors constructed from elastomer materials with a capacitive measuring principle. In their simplest form, they consist of a stretchable elastomer film as dielectric, which is covered on both sides with conductive and also stretchable layers as electrodes. This creates a mechanically deformable electrical capacitor whose capacitance increases steadily with the stretching of the elastomer film. In addition to such strain sensors, with a suitable geometric design it is also possible to realize dielectric elastomer sensors in which an electrical capacitance increases measurably with an applied pressure or force on the surface, with a shear force or with the approach of an electrically conductive or polarizable body such as the human hand. Due to their versatile function, intrinsic deformability and flat design, dielectric elastomer sensors have considerable potential in the creation of smart, sensitive surfaces. Extensive and individual adaptations to the respective application purpose are possible by matching geometric, mechanical and electrical properties. However, research to date has been limited to the analysis and optimization of individual aspects without exploiting the potential of an overarching systemic perspective. This work is therefore certainly dedicated to the consideration of sensor technology as an overall system, both horizontally - from abstract modeling to manufacturing and prototypical application - and vertically via the components material, structure and electronics. In this context, individual new findings and improvements were achieved in several sub-areas, which were subsequently integrated into the overall consideration of the entire system. Thus, in the preliminary theoretical work, new concepts were developed for the spatially resolved measurement of multiple physical quantities and for electrical and mechanical modeling. The derived material requirements were transferred into an in-depth characterization of the elastomer composite materials used, in which novel analytical methods in the form of dynamic electro-mechanical testing and nanoscale computer tomography were applied to elucidate the internal mechanisms of interaction. In the area of automated processing, a new laser-based subtractive manufacturing process suitable for the complex multilayer electrode structures was established, which also bridges the gap to stretchable electronics. In the final application evaluation, several spatially resolved and multimodal sensor systems were built and suitable measurement electronics and software were developed. Finally, the systems were characterized with a specially developed robotic test system and, in addition, the potential of evaluation by means of machine learning was demonstrated. KW - Taktiler Sensor KW - Silicone KW - Schaltungsentwurf KW - Roboter KW - Künstliche Intelligenz KW - Dielektrische Elastomersensoren KW - Mikroelektronik KW - Laserstrukturierung KW - Moultimodale Sensorik KW - Roboter Sensorhaut KW - Dielectric Elastomer Sensors KW - Mikroelektronik KW - Laser structuring KW - Multimodal sensors KW - Robot Sensor Skin Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260875 ER -