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Das Training der Beinachse beinhaltet das Schulen einer physiologischen Stellung von Hüft-, Knie- und Sprunggelenk zueinander und ist ein wichtiger Faktor in der Prävention von Abnützungen und Schmerzen. Da der Erfolg von der Mitarbeit und Wahrnehmungsfähigkeit der Patient*innen abhängig ist, kann ein technisches Bewegungserfassungssystem in Form eines Live Feedbacks eine gute Unterstützungsmöglichkeit darstellen. Der Fokus liegt auf dem Vergleich zwischen einem kamerabasierten Motion Capture Systems („Goldstandard“) und Inertial Measurement Units (IMU) sowie deren Potential als Live Feedback System während eines Beinachsentrainings. Diese Arbeit ist eine Analyse auf Basis einer Literaturrecherche. Dazu wurden Fachbücher und folgende medizinische Datenbanken als Werkzeuge benutzt: PubMed, ScienceDirect sowie die Wissenschaftssuchmaschine Google Scholar. Die Recherche wurde ausschließlich mit englischen Begriffen gestaltet. Es stellte sich heraus, dass ein sensorbasiertes System mit IMUs im Vergleich zum „Goldstandard“ wesentliche Vorteile in der Anschaffung, Anwendbarkeit und Praktikabilität aufweist. Diese Gründe, kombiniert mit dem wesentlich geringeren Kostenaufwand lassen die Schlussfolgerung zu, dass IMUs im Vergleich zu einem kamerabasierten System eine effektivere Möglichkeit zur Unterstützung eines Beinachsentrainings darstellen können. Allerdings ist es mit dem derzeitigen Stand der Technik nicht möglich, die rotatorische Verschraubung im Zuge eines Beinachsentrainings mit IMUs valide zu messen, weil vor allem in der Transversalebene die Fehlerquote der Messwerte noch zu hoch ausfällt. Dennoch hat ein sensorbasiertes System Potential, um als Live Feedback System Anwendung zu finden. Um die detaillierten Rahmenbedingungen zu schaffen, in der ein System zur Bewegungserfassung mittels Inertialsensoren die bestmögliche Unterstützung als Live Feedback System darstellt, sind spezifische Studien notwendig, welche die tatsächliche Verlässlichkeit der Messwerte auf die Ausrichtung der Beinachse während des Trainings beurteilen. The training of the leg axis includes the training of a physiological position of the hip, knee and ankle joint to one another and is an important factor in the prevention of wear and pain. Since the success depends on the cooperation and perception of the patient, a technical motion detection system in the form of live feedback can be a good support option. The focus is on the comparison between a camera-based motion capture system (“gold standard”) and inertial measurement units (IMU) and their potential as a live feedback system during leg axis training. This work represents an analysis based on a literature research. For this purpose, textbooks and the following medical databases were used as tools: PubMed, ScienceDirect and the science search engine Google Scholar. The research was carried out exclusively with English terms. It turned out that a sensor-based system with IMUs has significant advantages in terms of acquisition, applicability and practicability compared to the “gold standard”. For these reasons combined with a much lower cost, it was possible to conclude that IMUs can represent a much more effective way of supporting leg axis training in a clinical context. However, due to the current state of technology, it is not possible to validly measure the rotational movements in the course of leg axis training with IMUs, since the error rate of the measured values is still too high, especially in the transverse plane. Nevertheless, a sensor-based system has the potential to be used as a live feedback system. In order to find out the detailed framework conditions in which a system for motion detection using inertial sensors provides the best possible support as a live feedback system, specific studies are necessary which assess the actual reliability of the measured values on the alignment of the leg axis during training.

Hintergrund Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Vergleich der Anwendungen des eGonios und des herkömmlichen Goniometers. Beide Geräte sind zur Messung des aktiven Bewegungsausmaßes der Gelenke am menschlichen Körper bestimmt. Das Goniometer ist in der derzeitigen Berufspraktik der Goldstandard für die Gelenksmessung. Das eGonio wurde im Zuge des Masterstudienganges „Health Assisting Engineering“ entwickelt. Das Goniometer weist gewisse Ungenauigkeiten in der Messung auf, welche größtenteils durch verschiedene Anlegetechniken zustande kommen. Um diese Ungenauigkeiten zu überwinden, wurde das eGonio entwickelt, welches den relativen Winkel zwischen zwei Inertial-Sensoren über ein Display ausgibt. Ziel Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Anwendungen der beiden Geräte zu vergleichen, die Benutzerfreundlichkeit des eGonios zu testen und die Reproduzierbarkeit der Messdaten, sowie die Dauer der einzelnen Messungen zu vergleichen. Methode Diese Studie nutzt einen qualitativen und quantitativen Methodenmix aus Beobachtungsprotokoll, dem USE Questionnaire, Einzelinterviews und das Erheben der Messdaten, sowie der Messdauer. Dazu wurden aus den 10 TeilnehmerInnen Zweier-Teams gebildet, welche die Messungen mit beiden Geräten an dem jeweils anderen Teammitglied durchführten. Die zu messenden Fingergelenke wurden vorgegeben. Im Anschluss daran wurden die Messungen von der Studienleiterin an beiden Teammitgliedern wiederholt. Die TeilnehmerInnen sind Ergo- und PhysiotherapeutInnen, welche im beruflichen Alltag mit dem Goniometer arbeiten. Die quantitativen Daten des USE Questionnaire wurden mittels passender Lageparameter (Median und Modus) ausgewertet, miteinander verglichen und anhand von Kastendiagrammen dargestellt. Anhand von Mittelwerten, Mediane, Interquartilsabstände und Spannweiten wurden die Messdaten ausgewertet und miteinander verglichen, sowie in Kastendiagrammen dargestellt. Die qualitativen Daten wurden mittels einer Inhaltsanalyse, angelehnt an die Analysemethode nach Kuckartz, ausgewertet und miteinander verglichen. Ergebnisse Das eGonio weist eine hohe Benutzerfreundlichkeit auf und ist in der Anwendung ähnlich einfach wie das Goniometer. Einzig der Kalibriervorgang wird von den TeilnehmerInnen als negativ eingestuft und weist so einen Nachteil gegenüber dem Goniometer auf. Die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Daten ist sehr hoch und die Messdauer, ohne Anbringung der Inertial-Sensoren an den Gelenkspartnern, geringfügig länger als beim Goniometer. Nach der Weiterentwicklung des Prototypens des eGonios, kann dieses eine reale Konkurrenz für das Goniometer darstellen. Mögliche Weiterentwicklungen wären die Vereinfachung des Kalibriervorganges und der Anbringung der Inertial-Sensoren, sowie eine Implementierung eines Serious Games, um das eGonio nicht nur als Messinstrument, sondern auch als Trainingsgerät nutzen zu können. Background This thesis deals with the comparison of the usage of the eGonio and the conventional goniometer. Both of these devices are for measuring the active range of motion of the joints of the human body. The goniometer is the gold standard in the professional routine for joint measurement. The eGonio was developed during the master classes of Health Assisting Engineering. The goniometer possesses some inaccuracies in the measurement, because of the different ways to lay alongside the joints. The eGonio, which calculates the relative angle between two Inertial Measurement Units, was developed to compensate these inaccuracies. Objective The objective of this master thesis is to compare the usage of these two devices, to test the usability of the eGonio and to compare the replicability of the measurement data as well as the measurement time. Method This study uses a qualitative and quantitative method mix, which includes an observation protocol, the USE Questionnaire, individual interviews and the collection of the measurement data and time. Therefore 10 participants were put into teams of two and both of them have to measure predetermined finger joints with both devices. After the measurement, the leader of this study did the same measurement on both participants. All of these participants are occupational or physical therapists and they are using the goniometer in their professional routine. The quantitative data of the USE Questionnaire were evaluated with appropriate location parameter (median and mode), compared and pictured with the help of a box plot. By using the arithmetic mean, median, interquartile distance and the range, the measurement data and time were evaluated, compared and also pictured by box plots. The qualitative data were evaluated with the help of a qualitative content analysis, based on the analytical method from Kuckartz. Outcome The eGonio has a high usability and the usage is as simple as the usage of the conventional goniometer. Only the procedure of calibration of the eGonio is a very negative aspect for all of the 10 participants. The replicability and accuracy of the measurement data is very high and the measurement time is just a bit longer than the measurement time with the goniometer. After some enhancements the eGonio could be a real competitor for the goniometer. Possible enhancements are to simplify the procedure of calibration and to implement a serious game, to use the eGonio not only as a measuring device but also for practicing the active range of motion. vorgelegt von: Ines Nagiller Wien, FH Campus Wien, Masterarb., 2021

Einleitung: Eine langfristige Einschränkung der Becken- Hüftstabilität kann zu erheblichen Folgewirkungen führen. Deren Rehabilitation ist individuell durchzuführen und kann durch Hilfsmittel unterstützt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines kostengünstigen und portablen Prototyps, bestehend aus einem digitalen Feedback und einem Serious Game. Anhand dieses Prototyps wird evaluiert, wie dieser im therapeutischen Setting effizient eingesetzt und angewendet werden kann. Dabei werden die Anforderungen, welche die Therapeuten*innen an Funktionen, Parameter und visuellen Darstellungen haben, erhoben. Methode: Um die Fragestellungen zu beantworten wurde im Sinne einer Entwicklungsstudie ein Prototyp aus inertialen Messeinheiten entwickelt und via Video fünf Experten*innen präsentiert. Deren Evaluation wurde anschließend in qualitativen, semistrukturierten Interviews befragt. Die Interviews wurden durch die Inhaltsanalyse nach Mayring (2015) ausgewertet. Ergebnisse: Der Prototyp, bestehend aus zwei inertialen Messeinheiten und Software, könnte laut den Experten*innen bei einem Großteil der Patienten*innen mit Defiziten in der lateralen Becken-Hüftstabilität eingesetzt werden. Für eine effiziente Nutzung sollte unter anderem ein möglichst kurzer zusätzlicher Zeitaufwand entstehen, eine positive Kosten-Nutzenrechnung und eine einfache Bedienung möglich sein. Bezüglich Verbesserungen des Prototyps werden Implementation von Trackingparameter, Kombinationen aus akustischem und visuellem Feedback, Verbesserung der Graphik und eine individuelle Anpassung durch den*die Benutzer*in gefordert. Conclusio: In dieser Masterarbeit konnte am Beispiel des Prototyps gezeigt werden, wie eine technische Unterstützung für die Rehabilitation entwickelt werden kann. Diesem Prototyp standen die Experten*innen positiv gegenüber und es konnten notwendige Implementierung der Verbesserungen erhoben werden. Folgeforschung bedarf es im Bereich der Testungen durch Patienten*innen und der Evaluierung von individuellen Sensorapplikationen und Anpassungsmöglichkeiten. Introduction: A long-term limitation of pelvic hip stability can lead to considerable consequences. Their rehabilitation must be carried out individually and can be supported by medical aids. The aim of this thesis is the development of an inexpensive and portable prototype, consisting of digital motion feedback and a serious game. This prototype was used to evaluate how it can be used efficiently in the therapeutic setting. Additionally it was examined which requirements therapists have in terms of functions, parameters and visual representations. Method: In order to answer the questions, a prototype consisting of inertial measuring units was developed. As part of a development study, the prototype was presented to five experts via video. Their evaluation was conducted in qualitative semi-structured interviews. The interviews were evaluated by the content analysis according to Mayring (2015). Results: According to the experts, the prototype, consisting of two inertial measuring units and software, could be used in a majority of the patients with deficits in the lateral pelvic hip stability. For efficient use, among other things, the shortest possible additional time should be incurred, a positive cost-benefit calculation and simple handling should be possible. With regard to improvements of the prototype, implementation of tracking parameters, combinations of acoustic and visual feedback, improvement of the graphics and individual adjustment by the user are required. Conclusion: In this master thesis, the prototype was used to show how technical support for rehabilitation can be developed. The experts were positive about this prototype, but implementation of the improvements is required. Follow-up research is required in the area of patient testing and the evaluation of individual sensor applications and adaptation options. Wien, FH Campus Wien, Masterarb., 2020

Pedestrian positioning is still a challenging field of interest when not receiving any GNSS or other reference signals as it might be the case in indoor environments or tunnels. For professional applications, where it is not possible to rely on any infrastructure, a common technique is to mount Inertial Measurement Units (IMUs) on the foot or other parts of the body for positioning. IMU based techniques still suffer from the remaining drift especially when the environment is unknown and not re-visited, or when the pedestrian walks randomly in large areas. In order to overcome this problem the so called FootSLAM algorithm applied in this paper is extended to handle known locations. FootSLAM is a SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) algorithm estimating the map of the environment while walking wearing an inertial sensor on the foot or at other locations of the body. With only few known locations the estimated FootSLAM map can be refined or corrected in the case of non-convergence in critical areas. Beside the derivation of the algorithm handling known locations in FootSLAM, the influence of different kinds of prior information on the FootSLAM algorithm is analyzed in this paper in terms of error and map quality performance.

The navigation of pedestrians based on inertial sensors, i.e., accelerometers and gyroscopes, has experienced a great growth over the last years. However, the noise of medium- and low-cost sensors causes a high error in the orientation estimation, particularly in the yaw angle. This error, called drift, is due to the bias of the z-axis gyroscope and other slow changing errors, such as temperature variations. We propose a seamless landmark-based drift compensation algorithm that only uses inertial measurements. The proposed algorithm adds a great value to the state of the art, because the vast majority of the drift elimination algorithms apply corrections to the estimated position, but not to the yaw angle estimation. Instead, the presented algorithm computes the drift value and uses it to prevent yaw errors and therefore position errors. In order to achieve this goal, a detector of landmarks, i.e., corners and stairs, and an association algorithm have been developed. The results of the experiments show that it is possible to reliably detect corners and stairs using only inertial measurements eliminating the need that the user takes any action, e.g., pressing a button. Associations between re-visited landmarks are successfully made taking into account the uncertainty of the position. After that, the drift is computed out of all associations and used during a post-processing stage to obtain a low-drifted yaw angle estimation, that leads to successfully drift compensated trajectories. The proposed algorithm has been tested with quasi-error-free turn rate measurements introducing known biases and with medium-cost gyroscopes in 3D indoor and outdoor scenarios.

GNSS/IMU navigation systems offer low-cost and robust solution to navigate UAVs. Since redundant measurements greatly improve the reliability of navigation systems, extensive researches have been made to enhance the efficiency and robustness of GNSS/IMU by additional sensors. This paper presents a method for integrating reference data, images taken from UAVs, barometric height data and GNSS/IMU data to estimate accurate and reliable pose parameters of UAVs. We provide improved pose estimations by integrating multi-sensor observations in an EKF algorithm with IMU motion model. The implemented methodology has demonstrated to be very efficient and reliable for automatic pose estimation. The calculated position and attitude of the UAV especially when we removed the GNSS from the working cycle clearly indicate the ability of the purposed methodology.

The applications of activity recognition have increased in the last years. Among its uses are promoting healthy life styles or monitoring professional users (like first responders) during life-threatening operations; which caused the need for new research lines. However systems using common devices (like smart phones) equipped with the necessary sensors (e.g. inertial sensors) are not fully developed. Our work develops and activity recognition system, with a focus on professional users, that uses a displaceable sensor. The activity set is comprised of the most common activities (static, walking, running, etc.) but also crawling and 3D motions like stairs walking. A detector of upright dynamic activities has been developed and implemented to cope with the changing sensor position. The system is evaluated using 10-fold cross validation with the inference network, and recall with the detector. The final system proves to perform well with respect to the initial requirements.

In 2010 the German Aerospace Center (DLR) will conduct the second experiment of the DLR hypersonic SHarp Edge Flight EXperiment Program SHEFEX-2. The purpose is to investigate possible new shapes for future launcher or re-entry vehicles with faceted surfaces and sharp edges and to demonstrate key technologies for re-entry like hypersonic ight control using steerable canard ns. Accurate control of the vehicle using the canards requires a highly accurate knowledge of the angle of attack and the side slip angle. Both angles can only be derived from the ight path and an attitude measurement. The rst can be achieved using GPS measurements. The second can be provided only by the most accurate Inertial Navigation Systems (INS) because drifts due to launch vibrations exceed the accuracy requirements. Therefore, a star tracker will be used to update the attitude information shortly before entry. The SHEFEX-2 mission describes an entry scenario which is applicable to other entry missions. There is a general need to develop a high accuracy integrated navigation system which can be used for multiple missions. This navigation system should combine the measurements from an inertial measurement unit (IMU), GPS receiver and star tracker with the option to include additional sensors. This paper will describe the concept of the integrated navigation system with a focus on integrating the star tracker into the SHEFEX-2 experiment.