Der Vortrag beschäftigt sich mit der Simulation von Handhabungs- Montage- und Fertigungsaufgaben mit Hilfe von einem bzw. mehreren miteinander zusammenarbeitender Industrieroboter. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Herangehensweise für den Aufbau einer solchen Simulation ist. Weiterhin wird auf das Thema der Glättung von Unstetigkeiten nach verschiedenen Verfahren und deren Auswirkung auf die Bahntrajektorie eingegangen.

Der vorliegende Beitrag befasst sich mit dem Einsatz von Motion-Skeletten bei der kinematischen Analyse von zwei- und dreidimensionalen Getriebestrukturen. Im ersten Teil werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, welche Pro/ENGINEER für die Mechanismus-Analyse bietet und bezüglich ihrer Eignung für kinematische Strukturen verglichen. Am Beispiel einer exzentrischen Schubkurbel wird anschließend der Aufbau und die Funktionsweise eines Motion-Skelettes erklärt. Neben der reinen kinematischen Analyse einer solchen Struktur wird auch der Einsatz von BMX zur Optimierung von Koppelgetrieben gezeigt.

Due to the continuous ageing of our society, both the care and the health sector will encounter challenges in maintaining the quality of human care and health standards. While the number of people with diseases such as dementia and physical illness will be rising, we are simultaneously recording a lack of medical personnel such as caregivers and therapists. One possible approach that tackles the described problem is the employment of technical assistance systems that support both medical personnel and elderly living alone at home. This thesis presents approaches to provide assistance for these target groups. In this work, algorithms that are integrated in prototypical assistance systems for vision-based human daily activity, mobility and motion analysis have been developed. The developed algorithms process 3-D point clouds as well as skeleton joint positions to generate meta information concerning activities and the mobility of elderly persons living alone at home. Such type of information was not accessible so far and is now available for monitoring. By generating this meta information, a basis for the detection of long-term and short-term health changes has been created. Besides monitoring meta information, mobilisation for maintaining physical capabilities, either ambulatory or at home, is a further focus of this thesis. Algorithms for the qualitative assessment of physical exercises were therefore investigated. Thereby, motion sequences in the form of skeleton joint trajectories as well as the heat development in active muscles were considered. These algorithms enable an autonomous physical training under the supervision of a virtual therapist even at home. / Aufgrund der voranschreitenden Überalterung unserer Gesellschaft werden sowohl der Pflege- als auch der Gesundheitssektor vor enorme Herausforderungen gestellt. Während die Zahl an vorrangig altersbedingten Erkrankungen, wie Demenz oder physische Erkrankungen des Bewegungsapparates, weiterhin zunehmen wird, stagniert die Zahl an medizinischem Fachpersonal, wie Therapeuten und Pflegekräften. An dieser Stelle besteht das Ziel, die Qualität medizinischer Leistungen auf hohem Niveau zu halten und dabei die Einhaltung von Pflege- und Gesundheitsstandards sicherzustellen. Ein möglicher Ansatz hierfür ist der Einsatz technischer Assistenzsysteme, welche sowohl das medizinische Personal und Angehörige entlasten als auch ältere, insbesondere allein lebende Menschen zu Hause unterstützen können. Die vorliegende Arbeit stellt Ansätze zur Unterstützung der genannten Zielgruppen vor, die prototypisch in Assistenzsystemen zur visuellen, kamerabasierten Analyse von täglichen Aktivitäten, von Mobilität und von Bewegungen bei Trainingsübungen integriert sind. Die entwickelten Algorithmen verarbeiten dreidimensionale Punktwolken und Gelenkpositionen des menschlichen Skeletts, um sogenannte Meta-Daten über tägliche Aktivitäten und die Mobilität einer allein lebenden Person zu erhalten. Diese Informationen waren bis jetzt nicht verfügbar, können allerdings für den Patienten selbst, für medizinisches Personal und Angehörige aufschlussreich sein, denn diese Meta-Daten liefern die Grundlage für die Detektion kurz- und langfristiger Veränderungen im Verhalten oder in der Mobilität, die ansonsten wahrscheinlich unbemerkt geblieben wären. Neben der Erfassung solcher Meta-Informationen liegt ein weiterer Fokus der Arbeit in der Mobilisierung von Patienten durch angeleitetes Training, um ihre Mobilität und körperliche Verfassung zu stärken. Dabei wurden Algorithmen zur qualitativen Bewertung und Vermittlung von Korrekturhinweisen bei physischen Trainingsübungen entwickelt, die auf Trajektorien von Gelenkpositionen und der Wärmeentwicklung in Muskeln beruhen. Diese Algorithmen ermöglichen aufgrund der Nachahmung eines durch den Therapeuten gegebenen Feedbacks ein autonomes Training.

Bike fitting can have a major impact on the performance of cyclists and can reduce the risk of non-traumatic injuries. This study shows significant changes in lower body biomechanics of road cyclists during and after fatigue and therefore expands the research from a more practical view. These findings support the expansion of future research using sensor-based analyses of road cycling (e.g., IMUs, oxygen saturation). / Die Einstellung des Fahrrads kann einen großen Einfluss auf die Leistung von Radfahrern haben und das Risiko nichttraumatischer Verletzungen verringern. Diese Studie zeigt signifikante Veränderungen in der Biomechanik des Unterkörpers von Rennradfahrern während und nach der Ermüdung und erweitert damit die Forschung aus einer eher praktischen Sicht. Diese Ergebnisse unterstützen die Ausweitung zukünftiger Forschung unter Verwendung sensorbasierter Analysen des Straßenradsports (z. B. IMUs, Sauerstoffsättigung).

Arbeitsplätze im Gartenbau sind trotz fortschreitender Mechanisierung durch einen hohen Anteil an Handarbeit gekennzeichnet. Die aktuellen Rahmenbedingungen im Gartenbau erfordern für die Zukunft einen effizienteren Einsatz des Faktors Arbeit in wirtschaftlichen und an Attraktivität gewinnenden Arbeitssystemen. Die Entwicklung solcher Systeme erfordert ein Verfahren zur objektiven Bewertung vorhandener und neuer Betriebs- und Arbeitsabläufe. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung eines auf der Verfolgung von Infrarot-Leuchtdioden basierenden 3-D-Bewegungsanalysesystems. Dazu wurde das Kamerasystem der Firma Wente/Thiedig um eine vom System unabhängige Software erweitert. Die für die Bewertung herangezogenen Indikatoren werden ausführlich beschrieben und im Ergebnisteil auf ihre Eignung überprüft. Aufgrund der digitalen Aufzeichnung der Bewegungen erhöht sich die Aussagekraft durch einen größeren Stichprobenumfang und eine höhere Messgenauigkeit erheblich. Um die Aussagekraft und den Erkenntnisgewinn aus den softwareseitig ermittelten Indikatoren zu überprüfen, wurden Anwendungsversuche mit verschiedenen Fragestellungen durchgeführt, die im zweiten Teil der Arbeit beschrieben werden. Am Beispiel der Produktauflage auf ein Förderband werden die Einflüsse spezifischer Gestaltungsparameter auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems verdeutlicht. Die Veränderung der Bandgeschwindigkeit wirkte sich stark auf die erzielten Leistungen aus. In einem weiteren Versuch werden zwei Sitzplätze auf Spargelerntehilfen über die Bewegungsanalyse miteinander verglichen. Mehrere Indikatoren belegen die Vorzüge des mit Kniepolstern ausgestatteten Sitzplatzes. Die Ergebnisse der beiden Versuche zeigen, dass es gelungen ist, zahlreiche relevante Indikatoren für den Vergleich der aufgezeichneten Bewegungen zu bilden. Der Nutzer gewinnt aus den Bewegungsdaten Informationen, die eine objektive Entscheidungsfindung ermöglichen. Als besonders wertvoll ist der Erkenntnisgewinn bezüglich einer menschengerechten Arbeitsplatzgestaltung zu bewerten, um für die Weiterentwicklung gartenbaulicher Arbeitssysteme neben der Wirtschaftlichkeit andere Entscheidungskriterien zu fördern. / Despite the fast technical progress modern horticultural work places still require a lot of manual work. The current development in the horticultural sector demands a more efficient implementation of manpower and an increasing attractiveness of simple manual tasks for the future. The design of such systems demands a method to objectively evaluate present and new work systems. This thesis describes a largely improved 3-D-motion analysis system based on the tracking of infrared light diodes. The camera system manufactured by Wente/Thiedig is extended by a newly developed independent software to evaluate the motion data. From the recorded motion data quantitative parameters and qualitative parameters are calculated. Several graphical functions within the new software facilitate the understanding of the motion data. The available objective measures of comparison are described in detail in chapter four. In the experiments they are reviewed for their suitability. The digital recording of the motion data allows a large sample size. Accuracy and explanatory power as well as the level of confidence are increased. To proof their suitability and the increase of information gained with the measures of comparison practical experiments were carried out. These are described in the fifth chapter of this thesis. A workstation for placing products on on a conveyor belt is varied to show the influence of design parameters on the operating efficiency. The speed of the conveyor movement strongly affected the output. In another experiment two seat constructions built for asparagus harvesting aids are compared by motion analysis. Several measures of comparison suggest to favor the seat with knee pads. The results from all practical experiments show that relevant measures of comparison were defined to successfully compare the motion data. The user of the newly developed analyzing program gains valuable information to make a truly impartial decision. The motion analysis systems enables scientists to gather a multitude of information out of one experiment, which formerly required a combination of several methods. A more of information to rate human factors is notedly valuable, encouraging the development of horticultural work systems towards incorporating economic and ergonomic criteria.

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Der Vortrag beschäftigt sich mit der Simulation von Handhabungs- Montage- und Fertigungsaufgaben mit Hilfe von einem bzw. mehreren miteinander zusammenarbeitender Industrieroboter. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Herangehensweise für den Aufbau einer solchen Simulation ist. Weiterhin wird auf das Thema der Glättung von Unstetigkeiten nach verschiedenen Verfahren und deren Auswirkung auf die Bahntrajektorie eingegangen.

The central integration of sensory information provided by various afferent receptors is required to control human movement. Although the function of individual afferent receptors is known, the complexity and interactivity of afferent information remains unclear, especially in scenarios which involve the reduction of information provided by one or more afferent receptors. Reduced plantar sensitivity is commonly associated with postural instability, which occurs in ageing, peripheral neuropathies, and other neurological disorders like Parkinson's disease. Although there has been a great advance in understanding afferent inputs during recent years, the role of afferent information in controlling movement is still unclear. Therefore, the aim of the present thesis is to investigate the effects of reduced plantar sensitivity on quasi-static and dynamic balance control, as well as muscle reflexes. The current thesis is comprised of five experiments. Two experiments were designed as preliminary investigations, while the remaining three experiments addressed the main questions of this thesis. The first experiment investigated a basic question about subjective foot sensitivity (vibration perception) measured in two different body positions: standing and sitting. Results of Experiment I showed no differences of vibration perception between both measured conditions. Therefore, comparing data from plantar sensitivity vibration tests performed during sitting and during standing (e.g. balance) is feasible. In Experiment II, the role of afferent information from plantar mechanoreceptors on quasi-static balance was investigated using two different cooling procedures: a permanently cooling thermal platform and conventional ice pads. COP total excursions, plantar temperatures, and scores of a Visual Analogue Scale (VAS) regarding subjective pain were analyzed. Experiment II demonstrated that constant and controllable cooling via the thermal platform is the superior approach with respect to subjective pain (VAS) and to reach and maintain the desired temperature throughout the trials. Furthermore, only cooling via the thermal platform induced postural instability, revealed by increased COP values. This instability was expected due to reduced plantar input, indicating no compensation by other sensory systems. Experiment III focused on the inter- and intraday- reliability of dynamic balance responses using the Posturomed device. Generally good relative and absolute reliability were found for COP excursions. This outcome was fundamental to proceed with dynamic balance measurements using the same setup. Subsequently, effects of reduced plantar cutaneous inputs via cooling on anticipatory and compensatory balance responses (unexpected perturbations) were explored in Experiment IV. COP and EMG data were used to analyze anticipatory and compensatory balance responses. No differences in COP or EMG parameters were found for the anticipatory responses after hyper-thermia, while decreased values for compensatory balance responses were observed in response to cooling. This was interpreted as a kind of overcompensatory behavior of the central nervous system (CNS) due to more cautious behavior induced after plantar cooling. Finally, the question regarding the interaction between afferent receptors arose in Experiment V, in which the effects of reduced plantar temperatures on the Achilles tendon stretch reflex and plantar flexion were examined. Short latency responses and maximal force of plantar flexion were analyzed. Cooling resulted in decreased amplitudes of short latencies, as well as in delays in time to maximal force of plantar flexion. These findings suggest that plantar inputs participate complementarily in the Achilles stretch reflex. Collectively, the current thesis contributes to understanding how plantar receptors are involved in movement control; not only do they seem to work as independent contributors, but they also appear to interact with other afferent receptors. Furthermore, an important outcome is that the reduced plantar inputs seem to induce different alterations in the organization of CNS inputs and outputs, according to different balance tasks: quasi-static responses, anticipatory responses, and compensatory responses. For the future, the use of other methods like microneurography and electroencephalography could be helpful to gain even more understanding of afferent interactions during the control of movements. Similar protocols may also be implemented in other populations, such as elderly people or patients suffering from neurological disorders, who exhibit continued decline or degeneration of sensory receptors. / Die zentrale Integration von sensorischen Informationen, die aus verschiedenen afferenten Rezeptoren zur Verfügung gestellt werden, ist erforderlich, um die menschliche Bewegung zu steuern. Obwohl die Funktion der einzelnen afferenten Rezeptoren bekannt ist, bleibt die Komplexität und Interaktivität von afferenten Information unklar, insbesondere in Szenarien, in denen die Verminderung von Informationen aus einem oder mehreren afferenten Rezeptoren eintritt. Reduzierte plantare Sensibilität wird häufig im Zusammenhang mit Haltungsinstabilität verbunden. Dies tritt häufig während des Alterns ein, bei peripheren Neuropathien und anderen neurologischen Erkrankungen, wie etwa bei der Parkinson-Krankheit. Obwohl es in den vergangen Jahren große Entwicklungen was das Verständnis afferenter Inputs gab, ist die Rolle afferenter Information bei der Bewegungskontrolle immer noch unklar. Daher ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, den Einfluss der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität auf das quasi-statische und dynamische Gleichgewicht, sowie auf den Reflex der Achillessehne, zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation ist dazu aus fünf Untersuchungen aufgebaut. Zwei Untersuchungen werden als Voruntersuchungen präsentiert, während die übrigen drei Untersuchungen auf die Kernfragen dieser Doktorarbeit gerichtet sind. Die erste Untersuchung beschäftigt sich mit der grundlegenden Fragestellung bzgl. der subjektiven Fußsensibilität (Vibrationswahrnehmung), die in zwei verschiedenen Körperpositionen gemessen wurde: Im Stehen und im Sitzen. Ergebnisse aus Untersuchung I zeigten keine Unterschiede der Vibrationswahrnehmung zwischen den beiden Körperpositionen. Daher ist es möglich, Vergleiche zwischen Daten aus plantaren Vibrationswahrnehmungstests während des Sitzens und des Stehens (z.B. bei Gleichgewichtstests) durchzuführen. In Untersuchung II wurde die Rolle afferenter Informationen plantarer Mechanorezeptoren auf das quasi-statische Gleichgewicht mittels zwei unterschiedlicher Abkühlverfahren untersucht: eine permanente Abkühlung durch eine thermische Plattform und konventionelle Eis-Pads. Es wurden der COP Gesamtweg, plantar Temperaturen und eine visuelle Analogskala (VAS) in Bezug auf subjektive Schmerzen analysiert. Untersuchung II hat gezeigt, dass eine konstante und steuerbare Abkühlung über die thermische Plattform der überlegene Ansatz in Bezug auf subjektiven Schmerz (VAS) und bzgl. des Erreichens und Erhaltens einer gewünschten Temperatur innerhalb der Messungen ist. Weiterhin wurde nur durch die Abkühlung mittels thermischer Plattform eine posturale Instabilität induziert, evident durch erhöhte COP Gesamtwege. Diese Instabilität wurde aufgrund der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität erwartet, was auf eine fehlende Kompensation durch andere Sinnessysteme hinzuweisen scheint. In Untersuchung III lag der Fokus auf der inter- und intra-Tag-Reliabilität dynamischer Gleichgewichtsantworten mittels des Posturomed-Trainingsgerätes. Im Allgemeinen wurden eine gute relative und absolute Reliabilität der COP Gesamtwege ermittelt. Dieses Ergebnis war von grundlegender Bedeutung, um die Nutzung des gleichen Setups für die folgenden dynamischen Gleichgewichtsmessungen (Untersuchung IV) zu ermöglichen. Anschließend wurden die Effekte einer Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität mittels Abkühlung auf antizipatorische und kompensatorische Antworten des dynamischen Gleichgewichts (anhand unerwarteter Störungen des Gleichgewichts) in Untersuchung IV erforscht. COP und EMG Daten wurden verwendet, um die antizipatorischen und kompensatorischen Antworten des Gleichgewichts zu analysieren. Nach der Abkühlung wurden bzgl. antizipatorischer Antworten keine Unterschiede in den COP und EMG Parametern gefunden. Im Hinblick auf kompensatorische Antworten zeigten sich reduzierte COP und EMG als Reaktion auf die Abkühlung. Dies wurde wie folgt interpretiert: aufgrund eines vorsichtigen Verhaltens, ausgelöst durch die verminderten sensorischen Inputs infolge der Abkühlung, kam es zu einer Art „Überkompensierungsverhalten“ des zentralen Nervensystems (ZNS). Schließlich stellte sich die Frage der Interaktion afferenter Rezeptoren in Untersuchung V, in welcher die Effekte reduzierter plantarer Temperaturen auf den Achillessehnen-Dehnungsreflex und die Plantarflexion untersucht wurden. Kurze Latenz Antworten (short latency responses) und die maximale Kraft der Plantarflexion wurden dabei analysiert. Die Abkühlung führte zu einer verminderten Amplitude der short latency responses sowie zu Verzögerungen der Zeit bis zur maximalen Kraft der Plantarflexion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass plantare Inputs in komplementärer Weise am Achillessehnen-Dehnungsreflex beteiligt sind. Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass die vorliegende Arbeit zum Verständnis beiträgt, wie plantare Rezeptoren an der Bewegungssteuerung beteiligt sind. Es scheint, dass diese nicht nur in unabhängiger Form zur Bewegungssteuerung beitragen, sondern dabei auch mit anderen afferenten Rezeptoren interagieren. Darüber hinaus ist ein wichtiges Resultat, dass die reduzierten plantaren Inputs scheinbar verschiedene Änderungen in der Organisation von Ein- und Ausgängen im ZNS induzieren. Dies erfolgt anhand unterschiedlicher Anforderungen an das Gleichgewicht: quasi-statische Antworten, antizipatorische Antworten und kompensatorischen Antworten. Für die Zukunft könnte die Implementierung anderer Methoden, wie Mikroneurographie und Elektroenzephalographie, hilfreich sein, um noch mehr Verständnis bezüglich afferenter Interaktionen während der Kontrolle von Bewegungen erlangen zu können. Ähnliche Protokolle könnten auch in anderen Populationen durchgeführt werden, wie ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die einen kontinuierlichen Rückgang oder Degenerationen sensorischer Rezeptoren zeigen.

In der vorliegenden Studie wurde mit Hilfe von am Huf fixierten IMU-Sensoren der Einfluss verschiedener Manipulationen am Huf sowie der Einfluss unterschiedlicher Beschlagsmodifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen des Pferdes untersucht. Zu den untersuchten Modifikationen gehörten Gewichtsmodifikationen, Modifikationen der dorsopalmaren und mediolateralen Ebene sowie von Hufeisen mit unterschiedlichen Abrollpunkten. Gegenstand der Studie waren zehn klinisch gesunde, lahmfreie Pferde. Gemessen wurde im Schritt und im Trab auf hartem, ebenem Boden. Die erhobenen Parameter waren die Schrittdauer, die Dauer der Hangbeinphase und die Dauer der Stützbeinphase inklusive der Auffußdauer, der Dauer der Hauptstützphase und der Abrolldauer sowie die Geschwindigkeit. Zusätzlich wurde der Einfluss morphometrischer Faktoren auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen ermittelt. In Bezug auf die Ergebnisse, konnte in der vorliegenden Studie vor allem ein Einfluss der Beschlagsmodifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen nachgewiesen werden. Zu den Kernergebnissen der Studie gehören eine signifikante Abnahme der Abrolldauer im Schritt durch Anschleifen einer Zehenrichtung bzw. Zurücksetzen des Hufeisens. Das Anbringen von Trachtenkeilen ging in beiden Gangarten mit einer signifikanten Abnahme der Abrolldauer sowie einer signifikanten Zunahme der Dauer der Hauptstützphase einher. Durch das Anbringen eines Eisenbeschlages kam es unabhängig von der Position des Abrollpunktes zu einer signifikanten Zunahme der Auffußdauer im Trab im Vergleich zu den Werten Barhuf. Besonderheit der vorliegenden Studie war die genaue Differenzierung der einzelnen Schrittphasen anhand der präzisen Datenerhebung durch die hohe Messfrequenz sowie die direkte Platzierung der Sensoren am Huf.:Inhaltsverzeichnis: Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literatur 2.1 Funktionelle Anatomie der distalen Gliedmaße 2.1.1 Knochen und Gelenke 2.1.2 Muskeln, Sehnen, Bänder 2.1.3 Der Huf 2.1.3.1 Definition und Aufbau 2.1.3.2 Hufschichten und Hufsegmente 2.1.3.3 Hufbeinträger 2.1.3.4 Hufmechanismus 2.1.3.5 Blutgefäße und Innervation 2.2 Biomechanische Grundlagen 2.2.1 Allgemeine Grundlagen der Biomechanik 2.2.1.1 Dynamik: Statik und Kinetik 2.2.1.2 Kinematik 2.2.2 Spezielle Biomechanik der distalen Gliedmaße des Pferdes 2.3 Hufzubereitung und Hufbeschlag 2.3.1 Überblick Hufzubereitung 2.3.2 Allgemeine Beschlagslehre 2.4 Beschlagsmodifikationen und ihre Anwendung bei Erkrankungen der distalen Gliedmaße sowie Fehlstellungen und Gangstörungen 2.4.1 Gewichts- und Materialmodifikationen 2.4.1.1 Gewichtszunahme durch Beschlagsmodifikationen 2.4.1.2 Gewichtsabnahme durch Beschlagsmodifikationen 2.4.2 Modifikationen der mediolateralen Ebene 2.4.2.1 Anwendung von Seitenkeilen 2.4.2.2 Anbringen von Extensionen 2.4.3 Modifikationen der dorsopalmaren Ebene 2.4.3.1 Anwendung von Trachtenkeilen 2.4.3.2 Einsatz von Stegeisen 2.4.4 Modifikationen des Abrollpunktes 2.4.4.1 Anbringen einer Zehenrichtung 2.4.4.2 Positionierung des Eisens 2.5 Bewegungsanalyse zur Untersuchung der distalen Gliedmaße des Pferde 2.5.1 Kinetische Methoden 2.5.1.1 Kraftmessungen 2.5.1.2 Druckmessungen 2.5.2 Kinematische Methoden 2.5.2.1 Optoelektronische Bewegungsanalyse 2.5.2.2 Sensorbasierte Bewegungsanalyse 2.6 Ausblick auf die Studie 3 Material und Methoden 3.1 Tiermaterial 3.1.1 Eigenschaften der Pferde 3.1.2 Selektion und Dokumentation der Tiere 3.2 Studiendesign und Versuchsaufbau 3.3 Datenerhebung 3.3.1 Technik 3.3.2 Hufzubereitung und Hufbeschlag 3.3.3 Praktische Durchführung und Dokumentation 3.4 Datenanalyse 3.4.1 Datenexport und Datenaufbereitung 3.4.2 Statistische Analyse 4 Ergebnisse 4.1 Dauer der einzelnen Schrittphasen Barhuf vor der Hufzubereitung 4.2 Einflussfaktoren auf die Dauer der Schrittphasen Barhuf vor der Hufzubereitung 4.2.1 Einfluss durch morphometrische Faktoren 4.2.2 Einfluss durch Gliedmaße und Gangart 4.3 Übersicht über die Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 4.4 Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 4.4.1 Vergleich der Werte nach unterschiedlichen Manipulationen am Huf mit den Werten Barhuf vor bzw. nach der Hufzubereitung 4.4.1.1 Einfluss durch Hufzubereitung 4.4.1.2 Einfluss der Verwendung zusätzlicher Gewichte 4.4.1.3 Einfluss einer veränderten Hufstellung 4.4.2 Vergleich der zeitlichen Parameter Barhuf und bei Verwendung unterschiedlicher Standardbeschläge 4.4.2.1 Einfluss durch Standardbeschläge mit unterschiedlicher Modifikation des Zehenteils bzw. der Eisenposition 4.4.3 Vergleich der Wirkung verschiedener Beschlagsmodifikationen auf die zeitlichen Parameter 4.4.3.1 Einfluss von Beschlagsmodifikationen zur Veränderung des Abrollpunktes 4.4.3.2 Einfluss durch einen Aluminiumbeschlag 4.4.3.3 Einfluss durch Modifikationen der Eisenoberfläche 5 Diskussion 5.1 Material und Methoden 5.1.1 Tiermaterial 5.1.2 Hufzubereitung und Hufbeschlag 5.1.3 Messbedingungen 5.1.4 Technik 5.1.5 Datenanalyse 5.2 Ergebnisse 5.2.1 Zeitliche Parameter Barhuf vor der Hufzubereitung 5.2.2 Einflussfaktoren auf die zeitlichen Parameter Barhuf vor der Hufzubereitung 5.2.3 Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 5.2.3.1 Einfluss durch Hufzubereitung 5.2.3.2 Einfluss einer dorsopalmaren/ mediolateralen Änderung der Zehenstellung 5.2.3.3 Einfluss der Verwendung zusätzlicher Gewichte 5.2.3.4 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch Standardbeschläge im Vergleich zu Barhuf 5.2.3.5 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch Standardbeschläge mit unterschiedlichen Abrollpunkten 5.2.3.6 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch unterschiedliche Beschlagsmaterialien 5.2.3.7 Einfluss durch Modifikationen der Eisenoberfläche 5.3 Neuromuskuläre Prägung 5.4 Schlussfolgerungen und Ausblick 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang / The aim of the current study was to examine the influence of different horseshoe modifications on the duration of the stride phases by means of hoof mounted IMU sensors. Examined modifications were modifications of weight, modifications of the dorsopalmar and mediolateral plane as well as different points of breakover. The study used a cohort of ten clinically healthy, sound horses. Data were collected at walk and trot on a hard, level surface. The relevant parameters were the step duration, the duration of swing phase and the duration of stance phase including landing duration, midstance duration and breakover duration as well as speed. In addition, the influence of morphometric factors on the duration of the single stride phases was determined. In this study, an obvious influence of the horseshoe modifications was shown mainly on the duration of the single stride phases. A significant decrease of breakover duration at walk could be proven after rolling the toe or setting back the horseshoe. Attaching heel wedges was associated to a significant decrease of breakover duration and a significant increase of midstance duration in both gaits. In comparison to the results of the barefoot measurement, a significant increase of the landing duration was detected at the trot by attaching iron horseshoes, independent of the position of the point of breakover. Characteristic of this study was the differentiation of the single stride phases which was possible due to the high sampling frequency and the direct placement of the sensors on the hoof.:Inhaltsverzeichnis: Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literatur 2.1 Funktionelle Anatomie der distalen Gliedmaße 2.1.1 Knochen und Gelenke 2.1.2 Muskeln, Sehnen, Bänder 2.1.3 Der Huf 2.1.3.1 Definition und Aufbau 2.1.3.2 Hufschichten und Hufsegmente 2.1.3.3 Hufbeinträger 2.1.3.4 Hufmechanismus 2.1.3.5 Blutgefäße und Innervation 2.2 Biomechanische Grundlagen 2.2.1 Allgemeine Grundlagen der Biomechanik 2.2.1.1 Dynamik: Statik und Kinetik 2.2.1.2 Kinematik 2.2.2 Spezielle Biomechanik der distalen Gliedmaße des Pferdes 2.3 Hufzubereitung und Hufbeschlag 2.3.1 Überblick Hufzubereitung 2.3.2 Allgemeine Beschlagslehre 2.4 Beschlagsmodifikationen und ihre Anwendung bei Erkrankungen der distalen Gliedmaße sowie Fehlstellungen und Gangstörungen 2.4.1 Gewichts- und Materialmodifikationen 2.4.1.1 Gewichtszunahme durch Beschlagsmodifikationen 2.4.1.2 Gewichtsabnahme durch Beschlagsmodifikationen 2.4.2 Modifikationen der mediolateralen Ebene 2.4.2.1 Anwendung von Seitenkeilen 2.4.2.2 Anbringen von Extensionen 2.4.3 Modifikationen der dorsopalmaren Ebene 2.4.3.1 Anwendung von Trachtenkeilen 2.4.3.2 Einsatz von Stegeisen 2.4.4 Modifikationen des Abrollpunktes 2.4.4.1 Anbringen einer Zehenrichtung 2.4.4.2 Positionierung des Eisens 2.5 Bewegungsanalyse zur Untersuchung der distalen Gliedmaße des Pferde 2.5.1 Kinetische Methoden 2.5.1.1 Kraftmessungen 2.5.1.2 Druckmessungen 2.5.2 Kinematische Methoden 2.5.2.1 Optoelektronische Bewegungsanalyse 2.5.2.2 Sensorbasierte Bewegungsanalyse 2.6 Ausblick auf die Studie 3 Material und Methoden 3.1 Tiermaterial 3.1.1 Eigenschaften der Pferde 3.1.2 Selektion und Dokumentation der Tiere 3.2 Studiendesign und Versuchsaufbau 3.3 Datenerhebung 3.3.1 Technik 3.3.2 Hufzubereitung und Hufbeschlag 3.3.3 Praktische Durchführung und Dokumentation 3.4 Datenanalyse 3.4.1 Datenexport und Datenaufbereitung 3.4.2 Statistische Analyse 4 Ergebnisse 4.1 Dauer der einzelnen Schrittphasen Barhuf vor der Hufzubereitung 4.2 Einflussfaktoren auf die Dauer der Schrittphasen Barhuf vor der Hufzubereitung 4.2.1 Einfluss durch morphometrische Faktoren 4.2.2 Einfluss durch Gliedmaße und Gangart 4.3 Übersicht über die Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 4.4 Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 4.4.1 Vergleich der Werte nach unterschiedlichen Manipulationen am Huf mit den Werten Barhuf vor bzw. nach der Hufzubereitung 4.4.1.1 Einfluss durch Hufzubereitung 4.4.1.2 Einfluss der Verwendung zusätzlicher Gewichte 4.4.1.3 Einfluss einer veränderten Hufstellung 4.4.2 Vergleich der zeitlichen Parameter Barhuf und bei Verwendung unterschiedlicher Standardbeschläge 4.4.2.1 Einfluss durch Standardbeschläge mit unterschiedlicher Modifikation des Zehenteils bzw. der Eisenposition 4.4.3 Vergleich der Wirkung verschiedener Beschlagsmodifikationen auf die zeitlichen Parameter 4.4.3.1 Einfluss von Beschlagsmodifikationen zur Veränderung des Abrollpunktes 4.4.3.2 Einfluss durch einen Aluminiumbeschlag 4.4.3.3 Einfluss durch Modifikationen der Eisenoberfläche 5 Diskussion 5.1 Material und Methoden 5.1.1 Tiermaterial 5.1.2 Hufzubereitung und Hufbeschlag 5.1.3 Messbedingungen 5.1.4 Technik 5.1.5 Datenanalyse 5.2 Ergebnisse 5.2.1 Zeitliche Parameter Barhuf vor der Hufzubereitung 5.2.2 Einflussfaktoren auf die zeitlichen Parameter Barhuf vor der Hufzubereitung 5.2.3 Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 5.2.3.1 Einfluss durch Hufzubereitung 5.2.3.2 Einfluss einer dorsopalmaren/ mediolateralen Änderung der Zehenstellung 5.2.3.3 Einfluss der Verwendung zusätzlicher Gewichte 5.2.3.4 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch Standardbeschläge im Vergleich zu Barhuf 5.2.3.5 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch Standardbeschläge mit unterschiedlichen Abrollpunkten 5.2.3.6 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch unterschiedliche Beschlagsmaterialien 5.2.3.7 Einfluss durch Modifikationen der Eisenoberfläche 5.3 Neuromuskuläre Prägung 5.4 Schlussfolgerungen und Ausblick 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang

Die dreidimensionale Erfassung der Form und Lage eines beliebigen Objekts durch die flexiblen Methoden und Verfahren der Photogrammetrie spielt für ein breites Spektrum technisch-industrieller und naturwissenschaftlicher Einsatzgebiete eine große Rolle. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von Messaufgaben im Automobil-, Maschinen- und Schiffbau über die Erstellung komplexer 3D-Modelle in Architektur, Archäologie und Denkmalpflege bis hin zu Bewegungsanalysen in Bereichen der Strömungsmesstechnik, Ballistik oder Medizin. In der Nahbereichsphotogrammetrie werden dabei verschiedene optische 3D-Messsysteme verwendet. Neben flächenhaften Halbleiterkameras im Einzel- oder Mehrbildverband kommen aktive Triangulationsverfahren zur Oberflächenmessung mit z.B. strukturiertem Licht oder Laserscanner-Systeme zum Einsatz. 3D-Kameras auf der Basis von Photomischdetektoren oder vergleichbaren Prinzipien erzeugen durch die Anwendung von Modulationstechniken zusätzlich zu einem Grauwertbild simultan ein Entfernungsbild. Als Einzelbildsensoren liefern sie ohne die Notwendigkeit einer stereoskopischen Zuordnung räumlich aufgelöste Oberflächendaten in Videorate. In der 3D-Bewegungsanalyse ergeben sich bezüglich der Komplexität und des Rechenaufwands erhebliche Erleichterungen. 3D-Kameras verbinden die Handlichkeit einer Digitalkamera mit dem Potential der dreidimensionalen Datenakquisition etablierter Oberflächenmesssysteme. Sie stellen trotz der noch vergleichsweise geringen räumlichen Auflösung als monosensorielles System zur Echtzeit-Tiefenbildakquisition eine interessante Alternative für Aufgabenstellungen der 3D-Bewegungsanalyse dar. Der Einsatz einer 3D-Kamera als Messinstrument verlangt die Modellierung von Abweichungen zum idealen Abbildungsmodell; die Verarbeitung der erzeugten 3D-Kameradaten bedingt die zielgerichtete Adaption, Weiter- und Neuentwicklung von Verfahren der Computer Vision und Photogrammetrie. Am Beispiel der Untersuchung des zwischenmenschlichen Bewegungsverhaltens sind folglich die Entwicklung von Verfahren zur Sensorkalibrierung und zur 3D-Bewegungsanalyse die Schwerpunkte der Dissertation. Eine 3D-Kamera stellt aufgrund ihres inhärenten Designs und Messprinzips gleichzeitig Amplituden- und Entfernungsinformationen zur Verfügung, welche aus einem Messsignal rekonstruiert werden. Die simultane Einbeziehung aller 3D-Kamerainformationen in jeweils einen integrierten Ansatz ist eine logische Konsequenz und steht im Vordergrund der Verfahrensentwicklungen. Zum einen stützen sich die komplementären Eigenschaften der Beobachtungen durch die Herstellung des funktionalen Zusammenhangs der Messkanäle gegenseitig, wodurch Genauigkeits- und Zuverlässigkeitssteigerungen zu erwarten sind. Zum anderen gewährleistet das um eine Varianzkomponentenschätzung erweiterte stochastische Modell eine vollständige Ausnutzung des heterogenen Informationshaushalts. Die entwickelte integrierte Bündelblockausgleichung ermöglicht die Bestimmung der exakten 3D-Kamerageometrie sowie die Schätzung der distanzmessspezifischen Korrekturparameter zur Modellierung linearer, zyklischer und signalwegeffektbedingter Fehleranteile einer 3D-Kamerastreckenmessung. Die integrierte Kalibrierroutine gleicht in beiden Informationskanälen gemessene Größen gemeinsam, unter der automatischen Schätzung optimaler Beobachtungsgewichte, aus. Die Methode basiert auf dem flexiblen Prinzip einer Selbstkalibrierung und benötigt keine Objektrauminformation, wodurch insbesondere die aufwendige Ermittlung von Referenzstrecken übergeordneter Genauigkeit entfällt. Die durchgeführten Genauigkeitsuntersuchungen bestätigen die Richtigkeit der aufgestellten funktionalen Zusammenhänge, zeigen aber auch Schwächen aufgrund noch nicht parametrisierter distanzmessspezifischer Fehler. Die Adaptivität und die modulare Implementierung des entwickelten mathematischen Modells gewährleisten aber eine zukünftige Erweiterung. Die Qualität der 3D-Neupunktkoordinaten kann nach einer Kalibrierung mit 5 mm angegeben werden. Für die durch eine Vielzahl von meist simultan auftretenden Rauschquellen beeinflusste Tiefenbildtechnologie ist diese Genauigkeitsangabe sehr vielversprechend, vor allem im Hinblick auf die Entwicklung von auf korrigierten 3D-Kameradaten aufbauenden Auswertealgorithmen. 2,5D Least Squares Tracking (LST) ist eine im Rahmen der Dissertation entwickelte integrierte spatiale und temporale Zuordnungsmethode zur Auswertung von 3D-Kamerabildsequenzen. Der Algorithmus basiert auf der in der Photogrammetrie bekannten Bildzuordnung nach der Methode der kleinsten Quadrate und bildet kleine Oberflächensegmente konsekutiver 3D-Kameradatensätze aufeinander ab. Die Abbildungsvorschrift wurde, aufbauend auf einer 2D-Affintransformation, an die Datenstruktur einer 3D-Kamera angepasst. Die geschlossen formulierte Parametrisierung verknüpft sowohl Grau- als auch Entfernungswerte in einem integrierten Modell. Neben den affinen Parametern zur Erfassung von Translations- und Rotationseffekten, modellieren die Maßstabs- sowie Neigungsparameter perspektivbedingte Größenänderungen des Bildausschnitts, verursacht durch Distanzänderungen in Aufnahmerichtung. Die Eingabedaten sind in einem Vorverarbeitungsschritt mit Hilfe der entwickelten Kalibrierroutine um ihre opto- und distanzmessspezifischen Fehler korrigiert sowie die gemessenen Schrägstrecken auf Horizontaldistanzen reduziert worden. 2,5D-LST liefert als integrierter Ansatz vollständige 3D-Verschiebungsvektoren. Weiterhin können die aus der Fehlerrechnung resultierenden Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsangaben als Entscheidungskriterien für die Integration in einer anwendungsspezifischen Verarbeitungskette Verwendung finden. Die Validierung des Verfahrens zeigte, dass die Einführung komplementärer Informationen eine genauere und zuverlässigere Lösung des Korrespondenzproblems bringt, vor allem bei schwierigen Kontrastverhältnissen in einem Kanal. Die Genauigkeit der direkt mit den Distanzkorrekturtermen verknüpften Maßstabs- und Neigungsparameter verbesserte sich deutlich. Darüber hinaus brachte die Erweiterung des geometrischen Modells insbesondere bei der Zuordnung natürlicher, nicht gänzlich ebener Oberflächensegmente signifikante Vorteile. Die entwickelte flächenbasierte Methode zur Objektzuordnung und Objektverfolgung arbeitet auf der Grundlage berührungslos aufgenommener 3D-Kameradaten. Sie ist somit besonders für Aufgabenstellungen der 3D-Bewegungsanalyse geeignet, die den Mehraufwand einer multiokularen Experimentalanordnung und die Notwendigkeit einer Objektsignalisierung mit Zielmarken vermeiden möchten. Das Potential des 3D-Kamerazuordnungsansatzes wurde an zwei Anwendungsszenarien der menschlichen Verhaltensforschung demonstriert. 2,5D-LST kam zur Bestimmung der interpersonalen Distanz und Körperorientierung im erziehungswissenschaftlichen Untersuchungsgebiet der Konfliktregulation befreundeter Kindespaare ebenso zum Einsatz wie zur Markierung und anschließenden Klassifizierung von Bewegungseinheiten sprachbegleitender Handgesten. Die Implementierung von 2,5D-LST in die vorgeschlagenen Verfahren ermöglichte eine automatische, effektive, objektive sowie zeitlich und räumlich hochaufgelöste Erhebung und Auswertung verhaltensrelevanter Daten. Die vorliegende Dissertation schlägt die Verwendung einer neuartigen 3D-Tiefenbildkamera zur Erhebung menschlicher Verhaltensdaten vor. Sie präsentiert sowohl ein zur Datenaufbereitung entwickeltes Kalibrierwerkzeug als auch eine Methode zur berührungslosen Bestimmung dichter 3D-Bewegungsvektorfelder. Die Arbeit zeigt, dass die Methoden der Photogrammetrie auch für bewegungsanalytische Aufgabenstellungen auf dem bisher noch wenig erschlossenen Gebiet der Verhaltensforschung wertvolle Ergebnisse liefern können. Damit leistet sie einen Beitrag für die derzeitigen Bestrebungen in der automatisierten videographischen Erhebung von Körperbewegungen in dyadischen Interaktionen. / The three-dimensional documentation of the form and location of any type of object using flexible photogrammetric methods and procedures plays a key role in a wide range of technical-industrial and scientific areas of application. Potential applications include measurement tasks in the automotive, machine building and ship building sectors, the compilation of complex 3D models in the fields of architecture, archaeology and monumental preservation and motion analyses in the fields of flow measurement technology, ballistics and medicine. In the case of close-range photogrammetry a variety of optical 3D measurement systems are used. Area sensor cameras arranged in single or multi-image configurations are used besides active triangulation procedures for surface measurement (e.g. using structured light or laser scanner systems). The use of modulation techniques enables 3D cameras based on photomix detectors or similar principles to simultaneously produce both a grey value image and a range image. Functioning as single image sensors, they deliver spatially resolved surface data at video rate without the need for stereoscopic image matching. In the case of 3D motion analyses in particular, this leads to considerable reductions in complexity and computing time. 3D cameras combine the practicality of a digital camera with the 3D data acquisition potential of conventional surface measurement systems. Despite the relatively low spatial resolution currently achievable, as a monosensory real-time depth image acquisition system they represent an interesting alternative in the field of 3D motion analysis. The use of 3D cameras as measuring instruments requires the modelling of deviations from the ideal projection model, and indeed the processing of the 3D camera data generated requires the targeted adaptation, development and further development of procedures in the fields of computer graphics and photogrammetry. This Ph.D. thesis therefore focuses on the development of methods of sensor calibration and 3D motion analysis in the context of investigations into inter-human motion behaviour. As a result of its intrinsic design and measurement principle, a 3D camera simultaneously provides amplitude and range data reconstructed from a measurement signal. The simultaneous integration of all data obtained using a 3D camera into an integrated approach is a logical consequence and represents the focus of current procedural development. On the one hand, the complementary characteristics of the observations made support each other due to the creation of a functional context for the measurement channels, with is to be expected to lead to increases in accuracy and reliability. On the other, the expansion of the stochastic model to include variance component estimation ensures that the heterogeneous information pool is fully exploited. The integrated bundle adjustment developed facilitates the definition of precise 3D camera geometry and the estimation of range-measurement-specific correction parameters required for the modelling of the linear, cyclical and latency defectives of a distance measurement made using a 3D camera. The integrated calibration routine jointly adjusts appropriate dimensions across both information channels, and also automatically estimates optimum observation weights. The method is based on the same flexible principle used in self-calibration, does not require spatial object data and therefore foregoes the time-consuming determination of reference distances with superior accuracy. The accuracy analyses carried out confirm the correctness of the proposed functional contexts, but nevertheless exhibit weaknesses in the form of non-parameterized range-measurement-specific errors. This notwithstanding, the future expansion of the mathematical model developed is guaranteed due to its adaptivity and modular implementation. The accuracy of a new 3D point coordinate can be set at 5 mm further to calibration. In the case of depth imaging technology – which is influenced by a range of usually simultaneously occurring noise sources – this level of accuracy is very promising, especially in terms of the development of evaluation algorithms based on corrected 3D camera data. 2.5D Least Squares Tracking (LST) is an integrated spatial and temporal matching method developed within the framework of this Ph.D. thesis for the purpose of evaluating 3D camera image sequences. The algorithm is based on the least squares image matching method already established in photogrammetry, and maps small surface segments of consecutive 3D camera data sets on top of one another. The mapping rule has been adapted to the data structure of a 3D camera on the basis of a 2D affine transformation. The closed parameterization combines both grey values and range values in an integrated model. In addition to the affine parameters used to include translation and rotation effects, the scale and inclination parameters model perspective-related deviations caused by distance changes in the line of sight. A pre-processing phase sees the calibration routine developed used to correct optical and distance-related measurement specific errors in input data and measured slope distances reduced to horizontal distances. 2.5D LST is an integrated approach, and therefore delivers fully three-dimensional displacement vectors. In addition, the accuracy and reliability data generated by error calculation can be used as decision criteria for integration into an application-specific processing chain. Process validation showed that the integration of complementary data leads to a more accurate, reliable solution to the correspondence problem, especially in the case of difficult contrast ratios within a channel. The accuracy of scale and inclination parameters directly linked to distance correction terms improved dramatically. In addition, the expansion of the geometric model led to significant benefits, and in particular for the matching of natural, not entirely planar surface segments. The area-based object matching and object tracking method developed functions on the basis of 3D camera data gathered without object contact. It is therefore particularly suited to 3D motion analysis tasks in which the extra effort involved in multi-ocular experimental settings and the necessity of object signalling using target marks are to be avoided. The potential of the 3D camera matching approach has been demonstrated in two application scenarios in the field of research into human behaviour. As in the case of the use of 2.5D LST to mark and then classify hand gestures accompanying verbal communication, the implementation of 2.5D LST in the proposed procedures for the determination of interpersonal distance and body orientation within the framework of pedagogical research into conflict regulation between pairs of child-age friends facilitates the automatic, effective, objective and high-resolution (from both a temporal and spatial perspective) acquisition and evaluation of data with relevance to behaviour. This Ph.D. thesis proposes the use of a novel 3D range imaging camera to gather data on human behaviour, and presents both a calibration tool developed for data processing purposes and a method for the contact-free determination of dense 3D motion vector fields. It therefore makes a contribution to current efforts in the field of the automated videographic documentation of bodily motion within the framework of dyadic interaction, and shows that photogrammetric methods can also deliver valuable results within the framework of motion evaluation tasks in the as-yet relatively untapped field of behavioural research.