Entwurfskriterien feinwerktechnischer integrierter Sensor-Aktor-Systeme

Die vorliegende Arbeit bietet nicht nur einen Überblick über die Tätigkeit des Autors in den vergangenen Jahren am Institut für Elektromechanische Konstruktionen, sondern in Kapitel 2 auch einen fundierten Einblick in den Stand der Technik der integrierten Sensor-Aktor-Systeme. Diese werden unterschieden in integrierte Systeme, Aktorsysteme, die die sensorische Teilfunktion als Nebeneffekt ausnutzen und Aktoren mit intrinsischen Messverfahren. Dem voran gehen Überlegungen zum Entwicklungsprozess als solchem mit Blick auf integrierte feinwerktechnische Sensor-Aktor-Systeme. Deutlich wird, dass sich der überschaubare Entwicklungsumfang auf Komponentenebene gut in bekannte Product Lifecycle Management Prozesse eingliedern und mit den bekannten Modellen umfassend beschreiben lässt. Besonders hervorzuheben und von einem wissenschaftlichen Standpunkt betrachtet sind die Betrachtungen zur Miniaturisierbarkeit von Sensor und Aktorprinzipien in Kapitel 3, aus denen wertvolle Anregungen und Erkenntnisse für die Gestaltung zukünftiger Projekte in diesem Forschungsgebiet für Belange der Wissenschaft aber auch für die industrielle Produktentwicklung abgeleitet werden können. Deutlich wird hier, dass für Aktoren besonders die Leistungsdichte ein Auslegungskriterium darstellt. Für Sensoren hingegen kann das Signal-Rausch-Verhältnis als die Miniaturisierung limitierendes Kriterium identifiziert werden. Dies gilt unabhängig von den Anwendungs- und Praxisbeispielen, die in Kapitel 4 die Bandbreite der durchgeführten Arbeiten widerspiegeln und kann auch getrennt von den in Kapitel 5 angestellten Überlegungen zu den Aspekten, die während des Entwurfsprozess zu beachten sind, betrachtet werden. Der Entwurfsprozess und seine Modellierung mit Hilfe verschiedener Ansätze wurde in Kapitel 1 beschrieben und dient als Ausgangspunkt für zahlreiche Entwicklungen im Wirkungsbereich des Autors

Untersuchung von Kinematiken für handgehaltene Roboter

Abstract Einleitung & Fragestellung Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit auf verschiedenen Kinematiken basierenden Maschinen zum Einsatz als handgehaltene Roboter für den orthopädisch-chirurgischen Bereich. An Medizinroboter werden hohe Anforderungen besonders im Bezug auf die Integration des Roboters in den Operationsablauf gestellt. Diese erscheinen mit einem Roboter, der in der Hand des Benutzers gehalten wird und somit dem Bediener die Überwachung seiner Arbeit ermöglicht, während gleichzeitig mit hoher Präzision programmierte Frästrajektorien ausgeführt werden, besonders gut erfüllt zu sein. Die Entwicklung eines handgehaltenen Roboters ist nicht zuletzt wegen der hohen Anforderungen an die Dynamik, die Kräfte und speziell das Gewicht der Maschine eine besondere Herausforderung. Für den Einsatz als handgehaltener Roboter steht neben bekannten Parallelkinematiken eine neuartige hybride Kinematik zur Verfügung, die auf der Verdrehung achsparalleler Scheiben basiert. Diese wird als Epizaktor (aus "epizyklisch"' und "Aktor"') bezeichnet, erscheint viel versprechend und soll ausführlich hinsichtlich des Einsatzes als handgehaltener Roboter beschrieben, untersucht und mit den zwei bekannten Parallelkinematiken "Hexapod"' und "Hexaglide"' verglichen werden. Ziel ist es, zu ergründen, welche Kinematik sich prinzipiell am besten für eine technische Umsetzung eignet. Vorgehensweise Um den Vergleich führen zu können, werden in einem ersten Schritt die Spezifikationen, die für einen handgehaltenen Medizinroboter anzunehmen sind, mit Hilfe von Literaturrecherchen und technischen Überlegungen erarbeitet. Im Anschluss wird eine Literaturrecherche zur handgehaltenen Robotik und zum Stand der Technik der epizyklischen Kinematiken präsentiert. In einem weiteren Schritt wird gezeigt, dass epizyklische Kinematiken mit mehreren Freiheitsgraden möglich sind und aus der Menge der so identifizierten Kinematiken die 6-DOF-Kinematik mit den günstigsten Eigenschaften ausgewählt. Hierzu wird ein aus der Literatur bekanntes Vergleichsverfahren angewandt. In einem dritten Schritt werden zunächst die Kinematiken Hexapod, Hexaglide und Epizaktor auf theoretischer Ebene verglichen. Ein Vergleich von drei auf den genannten Kinematiken basierenden und als handgehaltene Roboter konzipierten Maschinen schließt die Untersuchung ab. Ergebnisse In Abschnitt 1 wird die Klassifizierung der handgehaltenen Robotik erarbeitet. Ein handgehaltener Roboter ist demnach eine einfach umprogrammierbare Bearbeitungsmaschine, deren Baugröße und Gewicht ein Tragen in der Hand des Bedieners erlauben. Abschnitt 2 stellt den Stand der Technik im Bereich der handgehaltenen Robotik sowie den der epizyklischen Kinematiken vor und beschreibt das Arbeitsumfeld von Medizinrobotern. Dabei wird deutlich, dass bisher kein handgehaltener Roboter bekannt ist und epizyklische Kinematiken mit mehr als drei Freiheitsgraden in der Literatur bisher nicht beschrieben sind. Eine ausführliche Zusammenstellung der Spezifikationen für handgehaltene Medizinroboter im orthopädisch-chirurgischen Bereich wird in Abschnitt 3 präsentiert. Diese Spezifikationen betreffen u.a. die Baugröße, das Gewicht, die Größe des Arbeitsraumes, die Dynamik, die Kräfte, die Genauigkeit, die Störgrößen, die externe Sensorik sowie medizinische Aspekte. Es wird deutlich, dass die Realisierung eines handgehaltenen Roboters besonders an das mechatronische Teilsystem eine Herausforderung darstellt. Abschnitt 4 befasst sich mit dem Epizaktor und stellt mögliche Konfigurationen mit mehreren Freiheitsgraden vor. Für die sechs ausgemachten 6-DOF-Kinematikvarianten wird jeweils die Lösung des direkten und inversen kinematischen Problems vorgestellt und ein Vergleich geführt mit dem Ziel, die günstigste 6-DOF-Kinematik zu identifizieren. Für diese werden ein inverses dynamisches Modell sowie eine Möglichkeit zur Vermeidung von Singularitäten erarbeitet. Für die Singularitätsvermeidung werden mit Hilfe von Matlab/Simulink entwickelte Simulationen präsentiert. Dabei wird deutlich, dass der gewählte Regler in der Lage ist, den Einfluss der Singularität in der Mitte des Arbeitsraumes eines Epizaktor-Scheibensystems zu kompensieren. Abschnitt 5 schließlich führt den Vergleich der drei genannten Kinematiken und auf ihnen basierenden Maschinen. Dabei wird ersichtlich, dass der Epizaktor das deutlich größte Potenzial für kleine, leichte und kompakte Maschinen besitzt, weil er das günstigste Verhältnis von Arbeitsraum und Bauraum aufweist. Außerdem führt die Verwendung von rotierenden Antrieben zu einem geringeren Motorgewicht und somit Gesamtgewicht einer solchen Maschine. Die ausgeführten Konstruktionen unterscheiden sich aus verschiedenen vor allem praktischen Gründen im vorliegenden Prototypenstatus nur geringfügig. Diskussion Die handgehaltene Robotik ist eine wenig bekannte Disziplin im Bereich der Robotik und Mechatronik, wie die Literaturrecherche zum Stand der Technik zeigte. Die Spezifikationen für die Entwicklung von Maschinen für den Einsatz als handgehaltene Medizinroboter konnten mit Hilfe der Literatur sowie technischer Überlegungen in ausreichender Tiefe ermittelt werden. Die Entwicklung der epizyklischen Kinematiken mit sechs Freiheitsgraden erbrachte eine Reihe von Varianten, von denen eine für den Einsatz in einem handgehaltenen Roboter ausgewählt wurde. Die Menge der identifizierten Kinematiken erscheint vollständig und die für die weitere Untersuchung ausgewählte Kinematik entsprechend des Vergleichsverfahrens geeignet. Eine Eignung der übrigen Kinematiken für alternative Einsatzzwecke soll nicht ausgeschlossen werden. Der Vergleich von Hexapod, Hexaglide und Epizaktor erbrachte große Unterschiede auf theoretischer Ebene, die im Vergleich der praktisch ausgeführten Konstruktionen weniger deutlich ausfallen. Dies kann vor allem mit dem unterschiedlich weit gediehenen Entwicklungsfortschritt der Maschinen begründet werden. Die Epizaktor-Kinematik bietet das größte Potenzial für den Einsatz als kompakter Medizinroboter und soll für einen solchen als Basis weiterer Entwicklungen - nicht nur im Bereich der Medizinrobotik - dienen

Fabrication and Experimental Evaluation of Simple Tissue-Mimicking Phantoms with Realistic Electrical Properties for Impedance-Based Sensing

Venipuncture is one of the most often performed invasive clinical procedure. Nevertheless, complications still occur. One opportunity to counteract these complications is to indicate the insertion by electrical impedance measurement, which bases on the various electrical properties of different tissues. This paper presents the evaluation and reproducible fabrication of simple tissue-mimicking phantoms for investigation of impedance sensing techniques. Three different tissue-mimicking phantoms, representing blood, fat, and skin, were made on water-based recipes, including agar and gelatin as gelling agents. For evaluation of the electrical properties an electrode probe, made of hypodermic needles, was fabricated and characterized using six sodium chloride (NaCl) solutions of defined concentrations. For characterization of the phantoms, conductances were measured over a frequency range from 20 Hz up to 1 MHz using the self-fabricated electrodes. The calculated conductivities of the tissue-mimicking phantoms showed sufficient agreement with corresponding electrical literature data of native tissue. Tests with a layered tissue structure proved usability for impedance-based venous entry tests. However, the method proposed was not suitable for investigation of relative permittivity, which would be required for full electrical characterization

Highly dynamic robotic leg for non-biomimetic walking robots

Due to a predisposition of DNA to generate symmetric anatomy, there are no tripedal animals in nature. Yet, threelegged walking might be the sweet spot between the energy efficiency of bipeds and the stability of quadrupeds. This paper presents the non-biomimetic leg for the TriPed, a novel three-legged mobile walking robot that aims to study the advantages and disadvantages of three-legged walking. We showcase its new non-biomimetic leg design that allows for fast repositioning by keeping the leg mass close to the body. This is done using physical experiments as well as a simscape simulation. The experiments show that the legs are capable of moving about 3 m/s

GoM DE: interpreting structure in sequence count data with differential expression analysis allowing for grades of membership

Parts-based representations, such as non-negative matrix factorization and topic modeling, have been used to identify structure from single-cell sequencing data sets, in particular structure that is not as well captured by clustering or other dimensionality reduction methods. However, interpreting the individual parts remains a challenge. To address this challenge, we extend methods for differential expression analysis by allowing cells to have partial membership to multiple groups. We call this grade of membership differential expression (GoM DE). We illustrate the benefits of GoM DE for annotating topics identified in several single-cell RNA-seq and ATAC-seq data sets

Sex-Specific Causal Relations between Steroid Hormones and Obesity—A Mendelian Randomization Study

Steroid hormones act as important regulators of physiological processes including gene expression. They provide possible mechanistic explanations of observed sex-dimorphisms in obesity and coronary artery disease (CAD). Here, we aim to unravel causal relationships between steroid hormones, obesity, and CAD in a sex-specific manner. In genome-wide meta-analyses of four steroid hormone levels and one hormone ratio, we identified 17 genome-wide significant loci of which 11 were novel. Among loci, seven were female-specific, four male-specific, and one was sex-related (stronger effects in females). As one of the loci was the human leukocyte antigen (HLA) region, we analyzed HLA allele counts and found four HLA subtypes linked to 17-OH-progesterone (17-OHP), including HLA-B*14*02. Using Mendelian randomization approaches with four additional hormones as exposure, we detected causal effects of dehydroepiandrosterone sulfate (DHEA-S) and 17-OHP on body mass index (BMI) and waist-to-hip ratio (WHR). The DHEA-S effect was stronger in males. Additionally, we observed the causal effects of testosterone, estradiol, and their ratio on WHR. By mediation analysis, we found a direct sex-unspecific effect of 17-OHP on CAD while the other four hormone effects on CAD were mediated by BMI or WHR. In conclusion, we identified the sex-specific causal networks of steroid hormones, obesity-related traits, and CAD

Astrometry with the Keck-Interferometer: the ASTRA project and its science

The sensitivity and astrometry upgrade ASTRA of the Keck Interferometer is introduced. After a brief overview of the underlying interferometric principles, the technology and concepts of the upgrade are presented. The interferometric dual-field technology of ASTRA will provide the KI with the means to observe two objects simultaneously, and measure the distance between them with a precision eventually better than 100 uas. This astrometric functionality of ASTRA will add a unique observing tool to fields of astrophysical research as diverse as exo-planetary kinematics, binary astrometry, and the investigation of stars accelerated by the massive black hole in the center of the Milky Way as discussed in this contribution.Comment: 22 pages, 10 figures (low resolution), contribution to the summerschool "Astrometry and Imaging with the Very Large Telescope Interferometer", 2 - 13 June, 2008, Keszthely, Hungary, corrected authorlis

Erythropoietin Treatment Enhances Muscle Mitochondrial Capacity in Humans

Erythropoietin (Epo) treatment has been shown to induce mitochondrial biogenesis in cardiac muscle along with enhanced mitochondrial capacity in mice. We hypothesized that recombinant human Epo (rhEpo) treatment enhances skeletal muscle mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity in humans. In six healthy volunteers rhEpo was administered by sub-cutaneous injection over 8 weeks with oral iron (100 mg) supplementation taken daily. Mitochondrial OXPHOS was quantified by high-resolution respirometry in saponin-permeabilized muscle fibers obtained from biopsies of the vastus lateralis before and after rhEpo treatment. OXPHOS was determined with the mitochondrial complex I substrates malate, glutamate, pyruvate, and complex II substrate succinate in the presence of saturating ADP concentrations, while maximal electron transport capacity (ETS) was assessed by addition of an uncoupler. rhEpo treatment increased OXPHOS (from 92 ± 5 to 113 ± 7 pmol·s−1·mg−1) and ETS (107 ± 4 to 143 ± 14 pmol·s−1·mg−1, p < 0.05), demonstrating that Epo treatment induces an upregulation of OXPHOS and ETS in human skeletal muscle

Activated Protein Synthesis and Suppressed Protein Breakdown Signaling in Skeletal Muscle of Critically Ill Patients

BACKGROUND: Skeletal muscle mass is controlled by myostatin and Akt-dependent signaling on mammalian target of rapamycin (mTOR), glycogen synthase kinase 3β (GSK3β) and forkhead box O (FoxO) pathways, but it is unknown how these pathways are regulated in critically ill human muscle. To describe factors involved in muscle mass regulation, we investigated the phosphorylation and expression of key factors in these protein synthesis and breakdown signaling pathways in thigh skeletal muscle of critically ill intensive care unit (ICU) patients compared with healthy controls. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: ICU patients were systemically inflamed, moderately hyperglycemic, received insulin therapy, and showed a tendency to lower plasma branched chain amino acids compared with controls. Using Western blotting we measured Akt, GSK3β, mTOR, ribosomal protein S6 kinase (S6k), eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein 1 (4E-BP1), and muscle ring finger protein 1 (MuRF1); and by RT-PCR we determined mRNA expression of, among others, insulin-like growth factor 1 (IGF-1), FoxO 1, 3 and 4, atrogin1, MuRF1, interleukin-6 (IL-6), tumor necrosis factor α (TNF-α) and myostatin. Unexpectedly, in critically ill ICU patients Akt-mTOR-S6k signaling was substantially higher compared with controls. FoxO1 mRNA was higher in patients, whereas FoxO3, atrogin1 and myostatin mRNAs and MuRF1 protein were lower compared with controls. A moderate correlation (r2=0.36, p<0.05) between insulin infusion dose and phosphorylated Akt was demonstrated. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: We present for the first time muscle protein turnover signaling in critically ill ICU patients, and we show signaling pathway activity towards a stimulation of muscle protein synthesis and a somewhat inhibited proteolysis