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Diplom- und Master-Arbeiten (eigene und betreute):

M. Bressler:
"A Virtual Reality Training Tool for Upper Limb Prostheses";
Betreuer/in(nen): H. Kaufmann; Institut für Softwaretechnik und Interaktive Systeme, 2013; Abschlussprüfung: 20.11.2013.



Kurzfassung deutsch:
Der Gebrauch von myoelektrischen Handprothesen ist inzwischen weit verbreitet. Mit dieser
Technologie ist es möglich, Steuersignale für die Prothese mittels Elektroden zu erfassen,
welche direkt auf der Haut über Muskeln platziert werden. Allerdings muss der Betroffene
den Heilungsprozess der Amputation abwarten, bevor er damit anfangen kann, eine Prothese
zu verwenden. Außerdem kann dieser Prozess vor allem am Anfang schwierig und frustrierend
sein.
In dieser Arbeit wird eine Trainingsanwendung vorgestellt, welche es erlaubt, in einem virtuellen
Raum mit einer Hand nach Kugeln zu greifen, wofür eine jeweils der Kugel enstprechende
Griffkraft aufgewendet werden muss. Um die virtuelle Realität zu erschaffen, in der sich dieses
Szenario abspielt, wird das Tracking-System ioTracker verwendet, welches an der technischen
Unversität Wien entwickelt wurde. Mit diesem System werden die Bewegungen von Kopf und
Arm des Akteurs in 6 Freiheitsgraden aufgezeichnet (Position und Orientierung) und mittels des
OpenTracker Frameworks an eine weitere Anwendung übertragen, welche mit der freien Version
der Game Engine Unity3D entwickelt wurde. In dieser werden diese Bewegungsdaten mittels
einer dafür entwickelten Software in eine virtuelle 3D Umgebung übertragen und visualisiert.
Das Bild der virtuellen Kamera, welche mit dem Kopf des Akteurs mitbewegt wird, wird drahtlos
an ein am Kopf des Akteurs befestigtes Display (Head mounted display, HMD) übertragen. Dies
ermöglicht es dem Akteur, sich innerhalb eines begrenzten Bereiches von 4x4 Metern frei im
Raum umherzubewegen.
Da diese Arbeit in Zusammenarbeit mit Otto Bock durchgeführt wurde, konnte für die
Steuerung der virtuellen Hand die gleiche Technologie verwendet werden, wie sie in der von
Otto Bock entwickelten Michelangelo Handprothese eingebaut ist. Mittels zweier Elektroden
wird die elektrische Aktivität von Muskeln unter der Haut gemessen und in Steuersignale
umgerechnet. Diese werden anschließend über eine drahtlose Verbindung an die Simulation
gesendet.
Da das Ziel dieser Arbeit sowohl in einer Trainingsumgebung als auch in einer Testumgebung
für Handprothesen bestand, gibt es mehrere Möglichkeiten, die elektromyographischen
(EMG) Steuersignale auf die virtuelle Hand anzuwenden.Weiters können diverse Simulationsarten
für die Erzeugung von Griffkraft verwendet werden, welche wiederum dem Akteur während
des Greifens durch optische Anzeigen signalisiert wird. Der virtuelle Arm kann angepasst werden,
um die Simulation so gut wie möglich an die realen Gegebenheiten anzupassen. Schließlich
wurden diverse Einstellungsmöglichkeiten implementiert, um das Erstellen und Durchführen
von unterschiedlichen Test- und Trainingsszenarion zu ermöglichen. Im Anschluss an die Arbeit
wurden Übungs-Szenarien entwickelt und mit Personen durchgeführt, Um die Fähigkeiten des
Systems zu testen, wurden im Anschluss an die Arbeit Übungs-Szenarien entwickelt und mit
Versuchspersonen durchgeführt.

Kurzfassung englisch:
The technology of electromyography has become very common in being used to control hand
prostheses. This technology allows the capture of controlling signals for a prosthesis by attaching
electrodes to the skin, over skeletal muscles. However, before practicing with a real prosthesis,
the patient has to await the healing process of the arm stump. Furthermore, the learning process
can be difficult and frustrating.
In this thesis, a training environment will be presented, capable of simulating the process of
grasping virtual spheres with a virtual hand by using the proper amount of grip force. The virtual
reality experience, is created by using the ioTracker motion tracking system, developed at the
Vienna University of Technology. This system is capable of tracking the motions of the head and arm
of a protagonist with six degrees of freedom (position and orientation). The created tracking data
is forwarded through the OpenTracker framework into an application created with the free version of
the game engine Unity3D. In this application, the tracking data is translated into a virtual 3D
environment and visualized. The picture created by the virtual camera, which is mounted to the head
of the protagonist, is transmitted wirelessly to a head mounted display (HMD) that the protagonist
is wearing. This allows the protagonist to move around freely inside an area of 4x4 meters.
As this work was done in collaboration with Otto Bock, the same technology was used for controlling
the virtual hand, as it is embedded in the Michelangelo Hand prosthesis by Otto Bock. Using two
electrodes, the electrical activity of skeletal muscles is measured through the skin and is further
processed into controlling signals, which are then sent to the simulation.
As the goal of this work was both, to create an environment for exercising and to evaluate hand
prostheses, the electromyographic (EMG) controlling signals can be mapped in a flexible way to
certain behaviors of the prosthesis. Furthermore, several simulation modes for creating grip force
can be used, which again is indicated to the protagonist by several optical grasping aides. The
virtual arm can be adjusted to best match the real circumstances. Finally, several options are
provided for creating and performing various evaluation and training scenarios. Based on the final
application, several of these scenarios have been created and tested with
probands for evaluating the capabilities of the system.


Elektronische Version der Publikation:
http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_223987.pdf


Erstellt aus der Publikationsdatenbank der Technischen Universität Wien.