Design of a CMOS Analog Front-End for Wearable A-Mode Ultrasound Hand Gesture Recognition

This paper presents a CMOS analog front-end for wearable A-mode ultrasound hand gesture recognition. This analog front-end is part of the research into using ultrasound to record and decode muscle signals with the aim of controlling a prosthetic hand as an alternative to surface electromyography. In this paper, the design of a pulser for driving piezoelectric transducers as well as a low-noise amplifier for the received echoes are presented. Simulation results show that the pulser circuit is capable of driving a 137 pF capacitive load with 30 V pulses at a frequency of 1 MHz and dissipates 142.1 mW power. The low-noise amplifier demonstrates a gain of 34 dB and an input-referred noise of 8.58 nV/√Hz at 1 MHz

A Smart Watch with Embedded Sensors to Recognize Objects, Grasps and Forearm Gestures

n/

Digital fabrication of custom interactive objects with rich materials

As ubiquitous computing is becoming reality, people interact with an increasing number of computer interfaces embedded in physical objects. Today, interaction with those objects largely relies on integrated touchscreens. In contrast, humans are capable of rich interaction with physical objects and their materials through sensory feedback and dexterous manipulation skills. However, developing physical user interfaces that offer versatile interaction and leverage these capabilities is challenging. It requires novel technologies for prototyping interfaces with custom interactivity that support rich materials of everyday objects. Moreover, such technologies need to be accessible to empower a wide audience of researchers, makers, and users. This thesis investigates digital fabrication as a key technology to address these challenges. It contributes four novel design and fabrication approaches for interactive objects with rich materials. The contributions enable easy, accessible, and versatile design and fabrication of interactive objects with custom stretchability, input and output on complex geometries and diverse materials, tactile output on 3D-object geometries, and capabilities of changing their shape and material properties. Together, the contributions of this thesis advance the fields of digital fabrication, rapid prototyping, and ubiquitous computing towards the bigger goal of exploring interactive objects with rich materials as a new generation of physical interfaces.Computer werden zunehmend in Geräten integriert, mit welchen Menschen im Alltag interagieren. Heutzutage basiert diese Interaktion weitgehend auf Touchscreens. Im Kontrast dazu steht die reichhaltige Interaktion mit physischen Objekten und Materialien durch sensorisches Feedback und geschickte Manipulation. Interfaces zu entwerfen, die diese Fähigkeiten nutzen, ist allerdings problematisch. Hierfür sind Technologien zum Prototyping neuer Interfaces mit benutzerdefinierter Interaktivität und Kompatibilität mit vielfältigen Materialien erforderlich. Zudem sollten solche Technologien zugänglich sein, um ein breites Publikum zu erreichen. Diese Dissertation erforscht die digitale Fabrikation als Schlüsseltechnologie, um diese Probleme zu adressieren. Sie trägt vier neue Design- und Fabrikationsansätze für das Prototyping interaktiver Objekte mit reichhaltigen Materialien bei. Diese ermöglichen einfaches, zugängliches und vielseitiges Design und Fabrikation von interaktiven Objekten mit individueller Dehnbarkeit, Ein- und Ausgabe auf komplexen Geometrien und vielfältigen Materialien, taktiler Ausgabe auf 3D-Objektgeometrien und der Fähigkeit ihre Form und Materialeigenschaften zu ändern. Insgesamt trägt diese Dissertation zum Fortschritt der Bereiche der digitalen Fabrikation, des Rapid Prototyping und des Ubiquitous Computing in Richtung des größeren Ziels, der Exploration interaktiver Objekte mit reichhaltigen Materialien als eine neue Generation von physischen Interfaces, bei

Blending the Material and Digital World for Hybrid Interfaces

The development of digital technologies in the 21st century is progressing continuously and new device classes such as tablets, smartphones or smartwatches are finding their way into our everyday lives. However, this development also poses problems, as these prevailing touch and gestural interfaces often lack tangibility, take little account of haptic qualities and therefore require full attention from their users. Compared to traditional tools and analog interfaces, the human skills to experience and manipulate material in its natural environment and context remain unexploited. To combine the best of both, a key question is how it is possible to blend the material world and digital world to design and realize novel hybrid interfaces in a meaningful way. Research on Tangible User Interfaces (TUIs) investigates the coupling between physical objects and virtual data. In contrast, hybrid interfaces, which specifically aim to digitally enrich analog artifacts of everyday work, have not yet been sufficiently researched and systematically discussed. Therefore, this doctoral thesis rethinks how user interfaces can provide useful digital functionality while maintaining their physical properties and familiar patterns of use in the real world. However, the development of such hybrid interfaces raises overarching research questions about the design: Which kind of physical interfaces are worth exploring? What type of digital enhancement will improve existing interfaces? How can hybrid interfaces retain their physical properties while enabling new digital functions? What are suitable methods to explore different design? And how to support technology-enthusiast users in prototyping? For a systematic investigation, the thesis builds on a design-oriented, exploratory and iterative development process using digital fabrication methods and novel materials. As a main contribution, four specific research projects are presented that apply and discuss different visual and interactive augmentation principles along real-world applications. The applications range from digitally-enhanced paper, interactive cords over visual watch strap extensions to novel prototyping tools for smart garments. While almost all of them integrate visual feedback and haptic input, none of them are built on rigid, rectangular pixel screens or use standard input modalities, as they all aim to reveal new design approaches. The dissertation shows how valuable it can be to rethink familiar, analog applications while thoughtfully extending them digitally. Finally, this thesis’ extensive work of engineering versatile research platforms is accompanied by overarching conceptual work, user evaluations and technical experiments, as well as literature reviews.Die Durchdringung digitaler Technologien im 21. Jahrhundert schreitet stetig voran und neue Geräteklassen wie Tablets, Smartphones oder Smartwatches erobern unseren Alltag. Diese Entwicklung birgt aber auch Probleme, denn die vorherrschenden berührungsempfindlichen Oberflächen berücksichtigen kaum haptische Qualitäten und erfordern daher die volle Aufmerksamkeit ihrer Nutzer:innen. Im Vergleich zu traditionellen Werkzeugen und analogen Schnittstellen bleiben die menschlichen Fähigkeiten ungenutzt, die Umwelt mit allen Sinnen zu begreifen und wahrzunehmen. Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, stellt sich daher die Frage, wie neuartige hybride Schnittstellen sinnvoll gestaltet und realisiert werden können, um die materielle und die digitale Welt zu verschmelzen. In der Forschung zu Tangible User Interfaces (TUIs) wird die Verbindung zwischen physischen Objekten und virtuellen Daten untersucht. Noch nicht ausreichend erforscht wurden hingegen hybride Schnittstellen, die speziell darauf abzielen, physische Gegenstände des Alltags digital zu erweitern und anhand geeigneter Designparameter und Entwurfsräume systematisch zu untersuchen. In dieser Dissertation wird daher untersucht, wie Materialität und Digitalität nahtlos ineinander übergehen können. Es soll erforscht werden, wie künftige Benutzungsschnittstellen nützliche digitale Funktionen bereitstellen können, ohne ihre physischen Eigenschaften und vertrauten Nutzungsmuster in der realen Welt zu verlieren. Die Entwicklung solcher hybriden Ansätze wirft jedoch übergreifende Forschungsfragen zum Design auf: Welche Arten von physischen Schnittstellen sind es wert, betrachtet zu werden? Welche Art von digitaler Erweiterung verbessert das Bestehende? Wie können hybride Konzepte ihre physischen Eigenschaften beibehalten und gleichzeitig neue digitale Funktionen ermöglichen? Was sind geeignete Methoden, um verschiedene Designs zu erforschen? Wie kann man Technologiebegeisterte bei der Erstellung von Prototypen unterstützen? Für eine systematische Untersuchung stützt sich die Arbeit auf einen designorientierten, explorativen und iterativen Entwicklungsprozess unter Verwendung digitaler Fabrikationsmethoden und neuartiger Materialien. Im Hauptteil werden vier Forschungsprojekte vorgestellt, die verschiedene visuelle und interaktive Prinzipien entlang realer Anwendungen diskutieren. Die Szenarien reichen von digital angereichertem Papier, interaktiven Kordeln über visuelle Erweiterungen von Uhrarmbändern bis hin zu neuartigen Prototyping-Tools für intelligente Kleidungsstücke. Um neue Designansätze aufzuzeigen, integrieren nahezu alle visuelles Feedback und haptische Eingaben, um Alternativen zu Standard-Eingabemodalitäten auf starren Pixelbildschirmen zu schaffen. Die Dissertation hat gezeigt, wie wertvoll es sein kann, bekannte, analoge Anwendungen zu überdenken und sie dabei gleichzeitig mit Bedacht digital zu erweitern. Dabei umfasst die vorliegende Arbeit sowohl realisierte technische Forschungsplattformen als auch übergreifende konzeptionelle Arbeiten, Nutzerstudien und technische Experimente sowie die Analyse existierender Forschungsarbeiten

Tactile myography: an off-line assessment on intact subjects and one upper-limb disabled

Castellini C, Kõiva R, Pasluosta C, Viegas C, Eskofier BM. Tactile myography: an off-line assessment on intact subjects and one upper-limb disabled. Technologies / SI: Assistive Robotics. 2018;6(2): 38.Human-machine interfaces to control prosthetic devices still suffer from scarce dexterity and low reliability; for this reason, the community of assistive robotics is exploring novel solutions to the problem of myocontrol. In this work, we present experimental results pointing in the direction that one such method, namely Tactile Myography (TMG), can improve the situation. In particular, we use a shape-conformable high-resolution tactile bracelet wrapped around the forearm/residual limb to discriminate several wrist and finger activations performed by able-bodied subjects and a trans-radial amputee. Several combinations of features/classifiers were tested to discriminate among the activations. The balanced accuracy obtained by the best classifier/feature combination was on average 89.15% (able-bodied subjects) and 88.72% (amputated subject); when considering wrist activations only, the results were on average 98.44% for the able-bodied subjects and 98.72% for the amputee. The results obtained from the amputee were comparable to those obtained by the able-bodied subjects. This suggests that TMG is a viable technique for myoprosthetic control, either as a replacement of or as a companion to traditional surface electromyography

From wearable towards epidermal computing : soft wearable devices for rich interaction on the skin

Human skin provides a large, always available, and easy to access real-estate for interaction. Recent advances in new materials, electronics, and human-computer interaction have led to the emergence of electronic devices that reside directly on the user's skin. These conformal devices, referred to as Epidermal Devices, have mechanical properties compatible with human skin: they are very thin, often thinner than human hair; they elastically deform when the body is moving, and stretch with the user's skin. Firstly, this thesis provides a conceptual understanding of Epidermal Devices in the HCI literature. We compare and contrast them with other technical approaches that enable novel on-skin interactions. Then, through a multi-disciplinary analysis of Epidermal Devices, we identify the design goals and challenges that need to be addressed for advancing this emerging research area in HCI. Following this, our fundamental empirical research investigated how epidermal devices of different rigidity levels affect passive and active tactile perception. Generally, a correlation was found between the device rigidity and tactile sensitivity thresholds as well as roughness discrimination ability. Based on these findings, we derive design recommendations for realizing epidermal devices. Secondly, this thesis contributes novel Epidermal Devices that enable rich on-body interaction. SkinMarks contributes to the fabrication and design of novel Epidermal Devices that are highly skin-conformal and enable touch, squeeze, and bend sensing with co-located visual output. These devices can be deployed on highly challenging body locations, enabling novel interaction techniques and expanding the design space of on-body interaction. Multi-Touch Skin enables high-resolution multi-touch input on the body. We present the first non-rectangular and high-resolution multi-touch sensor overlays for use on skin and introduce a design tool that generates such sensors in custom shapes and sizes. Empirical results from two technical evaluations confirm that the sensor achieves a high signal-to-noise ratio on the body under various grounding conditions and has a high spatial accuracy even when subjected to strong deformations. Thirdly, Epidermal Devices are in contact with the skin, they offer opportunities for sensing rich physiological signals from the body. To leverage this unique property, this thesis presents rapid fabrication and computational design techniques for realizing Multi-Modal Epidermal Devices that can measure multiple physiological signals from the human body. Devices fabricated through these techniques can measure ECG (Electrocardiogram), EMG (Electromyogram), and EDA (Electro-Dermal Activity). We also contribute a computational design and optimization method based on underlying human anatomical models to create optimized device designs that provide an optimal trade-off between physiological signal acquisition capability and device size. The graphical tool allows for easily specifying design preferences and to visually analyze the generated designs in real-time, enabling designer-in-the-loop optimization. Experimental results show high quantitative agreement between the prediction of the optimizer and experimentally collected physiological data. Finally, taking a multi-disciplinary perspective, we outline the roadmap for future research in this area by highlighting the next important steps, opportunities, and challenges. Taken together, this thesis contributes towards a holistic understanding of Epidermal Devices}: it provides an empirical and conceptual understanding as well as technical insights through contributions in DIY (Do-It-Yourself), rapid fabrication, and computational design techniques.Die menschliche Haut bietet eine große, stets verfügbare und leicht zugängliche Fläche für Interaktion. Jüngste Fortschritte in den Bereichen Materialwissenschaft, Elektronik und Mensch-Computer-Interaktion (Human-Computer-Interaction, HCI) [so that you can later use the Englisch abbreviation] haben zur Entwicklung elektronischer Geräte geführt, die sich direkt auf der Haut des Benutzers befinden. Diese sogenannten Epidermisgeräte haben mechanische Eigenschaften, die mit der menschlichen Haut kompatibel sind: Sie sind sehr dünn, oft dünner als ein menschliches Haar; sie verformen sich elastisch, wenn sich der Körper bewegt, und dehnen sich mit der Haut des Benutzers. Diese Thesis bietet, erstens, ein konzeptionelles Verständnis von Epidermisgeräten in der HCI-Literatur. Wir vergleichen sie mit anderen technischen Ansätzen, die neuartige Interaktionen auf der Haut ermöglichen. Dann identifizieren wir durch eine multidisziplinäre Analyse von Epidermisgeräten die Designziele und Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um diesen aufstrebenden Forschungsbereich voranzubringen. Im Anschluss daran untersuchten wir in unserer empirischen Grundlagenforschung, wie epidermale Geräte unterschiedlicher Steifigkeit die passive und aktive taktile Wahrnehmung beeinflussen. Im Allgemeinen wurde eine Korrelation zwischen der Steifigkeit des Geräts und den taktilen Empfindlichkeitsschwellen sowie der Fähigkeit zur Rauheitsunterscheidung festgestellt. Basierend auf diesen Ergebnissen leiten wir Designempfehlungen für die Realisierung epidermaler Geräte ab. Zweitens trägt diese Thesis zu neuartigen Epidermisgeräten bei, die eine reichhaltige Interaktion am Körper ermöglichen. SkinMarks trägt zur Herstellung und zum Design neuartiger Epidermisgeräte bei, die hochgradig an die Haut angepasst sind und Berührungs-, Quetsch- und Biegesensoren mit gleichzeitiger visueller Ausgabe ermöglichen. Diese Geräte können an sehr schwierigen Körperstellen eingesetzt werden, ermöglichen neuartige Interaktionstechniken und erweitern den Designraum für die Interaktion am Körper. Multi-Touch Skin ermöglicht hochauflösende Multi-Touch-Eingaben am Körper. Wir präsentieren die ersten nicht-rechteckigen und hochauflösenden Multi-Touch-Sensor-Overlays zur Verwendung auf der Haut und stellen ein Design-Tool vor, das solche Sensoren in benutzerdefinierten Formen und Größen erzeugt. Empirische Ergebnisse aus zwei technischen Evaluierungen bestätigen, dass der Sensor auf dem Körper unter verschiedenen Bedingungen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht und eine hohe räumliche Auflösung aufweist, selbst wenn er starken Verformungen ausgesetzt ist. Drittens, da Epidermisgeräte in Kontakt mit der Haut stehen, bieten sie die Möglichkeit, reichhaltige physiologische Signale des Körpers zu erfassen. Um diese einzigartige Eigenschaft zu nutzen, werden in dieser Arbeit Techniken zur schnellen Herstellung und zum computergestützten Design von multimodalen Epidermisgeräten vorgestellt, die mehrere physiologische Signale des menschlichen Körpers messen können. Die mit diesen Techniken hergestellten Geräte können EKG (Elektrokardiogramm), EMG (Elektromyogramm) und EDA (elektrodermale Aktivität) messen. Darüber hinaus stellen wir eine computergestützte Design- und Optimierungsmethode vor, die auf den zugrunde liegenden anatomischen Modellen des Menschen basiert, um optimierte Gerätedesigns zu erstellen. Diese Designs bieten einen optimalen Kompromiss zwischen der Fähigkeit zur Erfassung physiologischer Signale und der Größe des Geräts. Das grafische Tool ermöglicht die einfache Festlegung von Designpräferenzen und die visuelle Analyse der generierten Designs in Echtzeit, was eine Optimierung durch den Designer im laufenden Betrieb ermöglicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen eine hohe quantitative Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen des Optimierers und den experimentell erfassten physiologischen Daten. Schließlich skizzieren wir aus einer multidisziplinären Perspektive einen Fahrplan für zukünftige Forschung in diesem Bereich, indem wir die nächsten wichtigen Schritte, Möglichkeiten und Herausforderungen hervorheben. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem ganzheitlichen Verständnis von Epidermisgeräten bei: Sie liefert ein empirisches und konzeptionelles Verständnis sowie technische Einblicke durch Beiträge zu DIY (Do-It-Yourself), schneller Fertigung und computergestützten Entwurfstechniken

Smart Wristband for Gesture Recognition

This paper aim to design a smart wristband for gesture recognition. Tendon movements around the wrist were measured by FSR sensors as input variables to classify different gestures. Polydimethylsiloxane material (PDMS) was applied to encapsulate FSR sensors, so that the wristband is flexible and suitable for people with different wrist sizes. Subsequently, the sensor data was transmitted to the computer via Bluetooth low energy (BLE) technology. MATLAB was used to train a classifier with ensemble subspace discrimination algorithm. After that, the received signal was processed by this trained classifier and made prediction. The accuracy is about 99.4%. Additionally, the paper explored how predict accuracy would be impacted when twisting the wrist. The result showed that a gesture in different angles was classified as different gestures. Overall, the wristband is rechargeable, portable and can accurately recognize over 6 gestures

Hand Gesture Recognition Based on Near-Infrared Sensing Wristband

Wrist-worn gesture sensing systems can be used as a seamless interface for AR/VR interactions and control of various devices. In this paper, we present a low-cost gesture sensing system that utilizes near Infrared Emitters (600 - 1100 nm) and Photo-Receivers encompassing the wrist to infer hand gestures. The proposed system consists of a wristband comprising Infrared emitters and receivers, data acquisition hardware, data post-processing software, and gesture classification algorithms. During the data acquisition process, 24 near Infrared Emitters are sequentially switched on around the wrist, and twelve Photo-diodes measure the light reflected, refracted, and scattered by the tissues inside the wrist. The acquired data corresponding to different gestures are labeled and input into a machine learning algorithm for gesture classification. To demonstrated the accuracy and speed of the proposed system, real-time gesture sensing user studies were conducted. As a result of this comparison, we obtained an average accuracy of 98.06% with standard deviation of 1.82%. In addition, we evaluated that the system can perform six-eight gestures per second in real time using a desktop computer operating with Core i7-7800X CPU at 3.5GHz and 32 GB RAM

The Potential of Printed Electronics and Personal Fabrication in Driving the Internet of Things

In the early nineties, Mark Weiser, a chief scientist at the Xerox Palo Alto Research Center (PARC), wrote a series of seminal papers that introduced the concept of Ubiquitous Computing. Within this vision, computers and others digital technologies are integrated seamlessly into everyday objects and activities, hidden from our senses whenever not used or needed. An important facet of this vision is the interconnectivity of the various physical devices, which creates an Internet of Things. With the advent of Printed Electronics, new ways to link the physical and digital worlds became available. Common printing technologies, such as screen, flexography, and inkjet printing, are now starting to be used not only to mass-produce extremely thin, flexible and cost effective electronic circuits, but also to introduce electronic functionality into objects where it was previously unavailable. In turn, the growing accessibility to Personal Fabrication tools is leading to the democratization of the creation of technology by enabling end-users to design and produce their own material goods according to their needs. This paper presents a survey of commonly used technologies and foreseen applications in the field of Printed Electronics and Personal Fabrication, with emphasis on the potential to drive the Internet of Things