BRIX - An Easy-to-Use Modular Sensor and Actuator Prototyping Toolkit

Zehe S, Großhauser T, Hermann T. BRIX - An Easy-to-Use Modular Sensor and Actuator Prototyping Toolkit. In: Tenth Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications, Workshop Proceedings. Lugano, Swizerland: IEEE; 2012: 817-822.In this paper we present BRIX, a novel modular hardware prototyping platform for applications in mobile, wearable and stationary sensing, data streaming and feedback. The system consists of three different types of compact stack- able modules, which can adapt to various applications and scenarios. The core of BRIX is a base module that contains basic motion sensors, a processor and a wireless interface. A battery module provides power for the system and makes it a mobile device. Different types of extension modules can be stacked onto the base module to extend its scope of functions by sensors, actuators and interactive elements. BRIX allows a very intuitive, inexpensive and expeditious prototyping that does not require knowledge in electronics or hardware design. In an example application, we demonstrate how BRIX can be used to track human body movements

Molekularer Magnetismus von homo- und heterooligonuklearen phenolatverbrückten 3d-4f-Verbindungen

Ziel dieser Arbeit war die Synthese mehrkerniger Metallkomplexe in denen 4f-Elemen-te koordiniert sind. Hierzu wurden Liganden synthetisiert die, durch Ausnutzung der Oxophilie, gezielt 4f-Elemente koordinieren. Zudem wurden Liganden dargestellt, die zusätzlich präorganisierte Bindungstaschen für 3d-Elemente aufweisen. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit homodinuklearen Verbindungen der dreiwertigen 4f-Elemente (Kapitel 3.2). Eine Serie der zweikernigen Ln(III)2 (Ln = Y, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Lu) konnte synthetisiert und charakterisiert werden. Mit Ausnahme des Nd(III)-Derivats wurden Kristalle erhalten und Strukturen gelöst, die unterschiedliche Koordinationszahlen an beiden Zentren aufzeigen. Die magnetischen Messungen sind in guter Übereinstimmung mit den erwarteten Werten und zeigen einen antiferromagnetischen Kurvenverlauf auf. In den dynamischen ac-SQUID-Messungen zeigen sich für Dy(III)2 ein schwaches SMM-Verhalten. Unter Verwendung von CASSCF(9,7)-Rechnungen konnten die magnetischen Daten eindeutig interpretiert werden. Anhand von MCD-Spektroskopie konnte das unterschiedliche Ligandenfeld beider Zentren nachgewiesen werden. Unter Verwendung von high-field-ESR-Spektroskopie wurde eine intramolekulare dipolare Wechselwirkung gefunden und quantifiziert. Im zweiten Teil (Kapitel 3.3) wird die Synthese und Analyse heterodinuklearer Verbindungen besprochen. Es war möglich zwei Derivate Ni(II)-Dy(III) und Co(II)-Dy(III) zu synthetisieren und zu charakterisieren. Die magnetischen Messungen zeigen eine ferromagnetische Wechselwirkung für Ni(II)-Dy(III) und eine antiferromagnetische für Co(II)-Dy(III). Ac-SQUID-Messungen zeigten ein SMM Verhalten für Ni(II)-Dy(III) und keines für Co(II)-Dy(III). Durch Berechnung der Anisotropieachsen der Dy(III)-Zentren beider Moleküle wurde eine Ausrichtung der Achse in Ni(II)-Dy(III) entlang der Kernverbindungsachse und in Co(II)-Dy(III) senkrecht dazu gefunden. In Ni(II)-Dy(III) kann daher von einer additiven Wechselwirkung beider Einzelionenanisotropien ausgegangen werden. Als Ursache konnten die Co-Liganden an Dy(III) (Pivalat) ausgemacht werden, da diese, wie in den Kristallstrukturen beider Moleküle ersichtlich, unterschiedlich und entlang der Dy(III)-Anisotropieachse orientiert sind. In Kapitel 4.2 wird die Synthese von homotrinuklearen Ln(III)3-Verbindungen (Ln(III) = Y, Gd, Tb, Dy) beschrieben und auf ihre magnetischen Eigenschaften analysiert. In den Kristallstrukturen ist eine gewinkelte symmetrische Anordnung der drei Zentren zu sehen. Zudem wurden für das zentrale und die äußeren Ionen unterschiedliche Koordinationszahlen gefunden. Die magnetischen Messungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den erwarteten Werten und folgen antiferromagnetischen Kurvenverläufen. In den ac-SQUID-Messungen ergab nur Dy(III)3 Signale und diese sind nicht quantifizierbar. Durch eine diamagnetische Verdünnung von Dy(III)3 in Y(III)3 wurden bessere Signale erhalten, die allerdings auch nicht auswertbar waren. Dies veranschaulicht, dass durch die Entfernung der Ionen voneinander die Relaxation der Magnetisierung teilweise unterdrückt werden kann. Durch die Berechnung der Orientierung der Anisotropieachsen wurde deutlich, dass keine der lokalen Achsen der drei magnetischen Zentren in Dy(III)3 gleichgerichtet sind. Für Gd(III)3 wurde anhand der magnetischen Messungen eine sehr kleine Wechselwirkung zwischen den Zentren bestimmt. Eine Serie von Ni(II)2Ln(III) Komplexen (Ln(III) = Y, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu) wurde synthetisiert und charakterisiert (Kapitel 4.3.1). Bei den Kristallstrukturen der Moleküle waren, außer bei Ni(II)2Sm(III), Ni(II)2Eu(III) und Ni(II)2Tb(III), eine lineare Anordnung der drei Zentren und eine pseudo-C3-Achse entlang der Metallverbindungsachse feststellbar. In Ni(II)2Sm(III), Ni(II)2Eu(III) und Ni(II)2Tb(III) sind zusätzlich Aqua-Liganden am Lanthanid koordiniert, wodurch eine gewinkelte Struktur erreicht wird. Die magnetischen Messungen zeigen wie erwartet einen antiferromagnetischen Kurvenverlauf. Die dreikernige Ni(II)2Ln(III)-Verbin-dungen, Ni(II)2Y(III), Ni(II)2La(III) und Ni(II)2Lu(III), konnten als dinukleare Ni(II)-Verbindungen analysiert werden und ergaben elektronische Parameter für die Ni(II)-Ionen. Durch Subtraktion der Suszeptibilitäten dieser Verbindungen wurden schwache ferromagnetische Kurvenverläufe bei den Sm(III)-, Eu(III)-, Ho(III)-, Er(III)- und Dy(III)-Derivaten aufgezeigt. Paramagnetische NMR-Messungen von Ni(II)2Dy(III), Ni(II)2Tb(III), Ni(II)2Er(III) und Ni(II)2Y(III) stimmen mit CASSCF-Rechnungen dahingehend überein, dass eine lineare Anordnung der Einzelionenanisotropien der drei Zentren vorliegt. Trotzdem wurde in den ac-SQUID-Messungen kein SMM-Verhalten detektiert. Die CASSCF-Rechnungen identifizierten das Ligandenfeld am Lanthanid als Ursache hierfür. Abschließend (Kapitel 4.3.2) wird eine Serie von Co(III)2Ln(III)-Komplexen (Ln(III) = Y, Gd, Dy) vorgestellt. In der Kristallstruktur von Co(III)2Gd(III) waren an das Gd(III) drei zusätzliche Aqua-Liganden koordiniert. UV-Vis-NIR-Spektroskopie bestätigte die Oxi-dationsstufe von Kobalt als +3. Die magnetischen Messungen zeigten einen ferromagnetischen Kurvenverlauf. Der untypische Kurvenverlauf lässt auf ein mögliches Vorhandensein von Radikalen schließen. Die Verbindung Co(III)2Dy(III) wurde durch ac-SQUID-Messungen als SMM charakterisiert

Dynamik kompakter Kurzschlussläufer - Experimentelle Analyse, Modellbildung und Parameteridentifikation

Main topic of the thesis is a comparison of tested and calculated modal behavior of squirrel cage rotors of induction motors. For that, an investigation of four different types and a total of 45 rotors have been planned and carried out. The rotors are freely hanging and tested by experimental modal analyses. Excitation is done by hammer impact, response is measured by a moving acceleration sensor. This setup has been tested and verified and it can be shown, that it is a stable process. Results of the tests are natural frequencies and mode shapes of the rotors. They show a repeatable behavior of the modal behavior and small deviations of results within types of new-manufactured rotors. Also, the deviation within a type of rotor, which is in service, is acceptable. By using the same geometry, natural frequencies and mode shapes are also calculated by finite-element-analyses. The results of the FE-models can be adjusted by several material and contact parameters. It can be seen, that the coupling between copper bars and lamination has a major influence on the modal behavior of the system. Apart from that, the lamination itself is defined as an orthotropic material with different stiffness properties in axial direction. The influence of all possible input parameters can be found out by sensitivity analyses. Their results are converted into a metamodel. This describes the results of the sensitivity analysis in a mathematically easier way. The calculation times for such a mathematically easy model are even lower than for an FE-model. So, the metamodel can be used for testing new designs. This is done during the parameter optimization process. Some thousand design points are tested by an evolutionary algorithm. This aims to reduce differences between measured and calculated results. With meaningful boundary conditions for sensitivity analysis and optimization process, results fit very well. It is the first time, that the modal behavior of the squirrel cage rotors can be described by tests and by FE-calculations in a closed-loop. The found design rules for tests and FE-models can be used for similar rotors and systems, too. For getting additional results, tests at special test benches are planned and carried out. This includes investigations about the system behavior under higher temperatures and higher excitation loads. The tests with higher excitation loads are done on a shaker test bench. The test setup was planned completely new and could be approved by test results. So it is possible to vary the excitation within location and a wide load and frequency range. Finally, the test conditions where simulated for additional approve of the developed FEmodel. It can be shown, that simulated and measured results fit very well for shaker tests, too. Therefore, the simulation model is able to satisfy the requested quality of results for modal and dynamic calculations.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Abgleich des modalen Verhaltens zwischen Messung und Rechnung bei Kupfer-Kurzschlussläufern von Asynchronmotoren. Dazu werden umfangreiche Reihenuntersuchungen an vier Bauformen und insgesamt etwa 45 Exemplaren der Läufer durchgeführt. Die Versuche umfassen experimentelle Modalanalysen der frei hängenden Prüflinge. Die Anregung erfolgt mittels Hammerschlag, die Strukturreaktionen werden mit wanderndem Aufnehmer erfasst. Dieser Versuchsaufbau wurde vorab verifiziert und weist ein stabiles Verhalten auf. Die ermittelten Eigenfrequenzen und Eigenformen der Prüflinge werden reproduzierbar ermittelt und ergeben ein einheitliches Bild mit geringen Exemplarstreuungen innerhalb einer Bauform bei neu gefertigten und im Betrieb befindlichen Läufern. Mit geometrisch identischen FE-Modellen werden die Eigenfrequenzen und Eigenformen auch rechnerisch bestimmt. Zur Anpassung der Ergebnisse an die Versuchsergebnisse stehen diverse Material- und Kontaktparameter des Modells zur Verfügung. Großen Einfluss haben die Modellierung der Verbindung zwischen Stäben und Blechpaket und die orthotropen Steifigkeitseigenschaften des Blechpakets. Für eine Quantifizierung des Einflusses der einzelnen Parameter und dem Finden von Abhängigkeiten werden Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Die Ergebnisse werden in ein Metamodell überführt und stellen die Grundlage für eine Parameteroptimierung dar. Das Metamodell beinhaltet eine mathematische Beschreibung der in der Sensitivitätsanalyse gefundenen Zusammenhänge. Die Berechnung von Designs innerhalb des untersuchten Parameterraums ist dadurch mit sehr geringen Rechenzeiten möglich. Für die Optimierung der Eingangsparameter kommen evolutionäre Algorithmen mit mehreren Tausend Designs zur Anwendung. Sind Randbedingungen und Wertebereiche für Sensitivitätsanalyse und Optimierung sinnvoll gewählt, werden Parametersätze für die Simulationsmodelle ermittelt, bei denen die Abweichungen zwischen rechnerischen und experimentellen Ergebnissen sehr gering sind. Damit liegt erstmals ein Prozess vor, mit dem es möglich ist, das dynamische Verhalten von Läufern über experimentelle und rechnerische Verfahren vollständig zu beschreiben. Die gefundenen Modellierungsvorschriften können auch auf andere Bauformen angewandt werden oder, bei Vorlage neuer Versuchsergebnisse, darauf angepasst werden. Zur weiteren Untersuchung des Verhaltens des realen Systems werden mit einem Läufer Prüfstandversuche unter Temperatur und unter erhöhten Anregungsamplituden - aufgebracht mittels elektrodynamischem Shaker - durchgeführt. Für die Shakeranregung wird, in Zusammenarbeit mit dem Prüflabor, eine neue Art von Versuchsaufbau entwickelt und erfolgreich umgesetzt. So ist es möglich, den Läufer an verschiedenen Positionen in einem weiten Frequenz- und Amplitudenbereich anzuregen. Abgerundet wird die Arbeit durch eine rechnerische Nachbetrachtung der durchgeführten Prüfstandversuche. Die für die vorliegenden Aufgabenstellungen entwickelten Simulationsmodelle haben dadurch ihre Eignung hinsichtlich aller geforderten Berechnungsdisziplinen und Ergebnisse unter Beweis gestellt

Multimodal Closed-loop Human Machine Interaction

Großhauser T, Hermann T. Multimodal Closed-loop Human Machine Interaction. In: Bresin R, ed. Proceedings of the 3rd International workshop on Interactive Sonification. KTH, Stockholm, Sweden: KTH School of Computer Science and Communication (CSC); 2010: 59-63.The paper presents a multi-modal approach to tightly close the interaction loop between a human user and any tool in operation. Every activity of a human being generates multi-modal feedback, more or less related to the eyes (visual), the skin (sensory), the nose (olfactory) and the ears (auditive). Here we show the useful augmentation or complete creation of a nonexistent or less available feedback. As an example the performance of drilling tasks, line drawing tasks, or the complex task of bowing a violin can be considered

Wearable Setup for Gesture and Motion based Closed Loop Audio-Haptic Interaction

Großhauser T, Hermann T. Wearable Setup for Gesture and Motion based Closed Loop Audio-Haptic Interaction. In: Brazil E, ed. Proceedings of the 16th International Community for Auditory Display. Washington, USA: International Community for Auditory Display; 2010: 31-38.The wearable sensor and feedback system presented in this paper is a type of audio-haptic display which contains on board sensors, embedded sound synthesis, external sensors, and on the feedback side a loudspeaker and several vibrating motors. The so-called "embedded sonification" in this case here is an onboard IC with implemented sound synthesis. This is adjusted directly by the user and/or controlled in real-time by the sensors, which are on the board or fixed on the human body and connected to the board via cable or radio frequency transmission. Direct audio out and tactile feedback closes the loop between the wearable board and the user. In many situations, this setup can serve as a complement to visual output, e.g. exploring data in 3D-space or learning motion and gestures in dance, sports or outdoor and every-day activities. A new metaphor for interactive acoustical augmentation is introduced, the so called "audio loupe". In this case it means the sonification of minimal movements or state changes, which can sometimes hardly be perceived visually or corporal. These are for example small jitters or deviations of predefined ideal gestures or movements. Our system is easy to use, it even allows operation without an external computer. We demonstrate and outline the benefits of our wearable interactive setup in highly skilled motion learning scenarios in dance and sports

Multimodal contributions to body representation

Our body is a unique entity by which we interact with the external world. Consequently, the way we represent our body has profound implications in the way we process and locate sensations and in turn perform appropriate actions. The body can be the subject, but also the object of our experience, providing information from sensations on the body surface and viscera, but also knowledge of the body as a physical object. However, the extent to which different senses contribute to constructing the rich and unified body representations we all experience remains unclear. In this review, we aim to bring together recent research showing important roles for several different sensory modalities in constructing body representations. At the same time, we hope to generate new ideas of how and at which level the senses contribute to generate the different levels of body representations and how they interact. We will present an overview of some of the most recent neuropsychological evidence about multisensory control of pain, and the way that visual, auditory, vestibular and tactile systems contribute to the creation of coherent representations of the body. We will focus particularly on some of the topics discussed in the symposium on Multimodal Contributions to Body Representation held on the 15th International Multisensory Research Forum (2015, Pisa, Italy)

Aroma active compounds in champignons and porcini and formation reactions during processing

Braten und Kochen induzieren deutliche Veränderungen im Aroma von Speisepilzen; deren stoffliche Ursachen sind allerdings bisher wenig untersucht. Durch Anwendung des Konzeptes der molekularen Sensorik auf gebratene Champignons konnten darin erstmals die wichtigsten Aromastoffe charakterisiert und quantifiziert werden. Der Vergleich mit Geruchsstoffen in rohen Champignons zeigte signifikante quantitative Veränderungen durch die thermische Behandlung in einer Reihe von Aromastoffen auf. Interessanterweise nahmen aber Streckeraldehyde, Verbindungen bekannt aus dem thermischen Abbau von Aminosäuren, innerhalb weniger Stunden bereits bei der Lagerung roher Champignons deutlich zu, so dass von einer enzymatischen Bildung ausgegangen werden konnte. Untersuchungen an getrockneten Steinpilzen zeigten, dass die Enzyme offenbar durch eine Trocknung nicht inaktiviert werden, denn bei Wasserzugabe trat eine drastische Erhöhung der Streckeraldehyde auf.Cooking and frying induce a significant change in the flavor of edible mushrooms; though the material causes of these changes are hardly studied so far. By applying the concept of molecular sensory on fried champignons the main flavors were characterized and quantified for the first time. The comparison with odorants in raw mushrooms showed significant quantitative changes caused by the thermal treatment in a variety of odorants. Interestingly, however, Strecker aldehydes, compounds known from the thermal degradation of amino acids, increased within a few hours already during the storage of raw mushrooms, so that an enzymatic formation could be expected. Studies on dried porcini showed that the enzymes are apparently not inactivated by drying, because water addition resulted in a drastic increase in the Strecker aldehydes