Master of Science / Department of Mechanical & Nuclear Engineering / Dale Schinstock / This thesis describes the design, development, and initial testing of the Mobile Reduced Gravity Simulator (MoRGS). MoRGS is a hoist with active force control, to be used in terrestrial environments with human test subjects for the simulation of partial gravity or zero gravity environments. It is to be used with the subject performing activities while being harnessed to the hoist. The following work here describes the mechanical design, structural and dynamic analyses, simulations used to aid in the control design and component selection, the development of unique control algorithms tailored to the objectives and uncommon dynamics of MoRGS, and initial testing performed without the use of human subjects. Major components of the MoRGS system include: AC servo motor, gearbox, custom-designed drum, pneumatic muscle, load cell, and a microprocessor. The system is designed to track the motion of the test subject over several meters of vertical travel at speeds of up to 2 Gs of acceleration. This allows for high performance during subject’s physical tests, including running on a treadmill and a climbing ladder. It is capable of offloading 50 lb. to 600 lb. and the level of desired reduced gravity is programmable. Results from testing of the system demonstrate that MoRGS system achieves its goals. It performs well, and the sensitivity of the force controller enables it to compensate for the most minute human motion disturbance.

<p>The objective of this thesis is to implement a basic, yet realistic, ESC system into the VTI simulator environment. This system is then validated to assure that it is working properly and provides a realistic behavior.</p><p>The implemented ESC system is used in a study, where the ESC system could be turned on and off, to evaluate the benefits of an ESC system after a side impact. This study shows that an ESC system may aid the driver in such a critical situation when the driver is unaware that a side impact will occur. With the ESC system active no driver lost control while with the system inactive there were five drivers that lost control, but deviations in initial speed give statistical difficulties, thus more tests are needed. In the case where the driver knows that an impact will occur the ESC system showed to stabilize the automobile faster and it is shown that an expected improvement in stabilization time is between 40 to 62 percent. It was also seen during this part of the scenario that 2 percent loss of control occurred with an active ESC system and 45 percent without.</p>

This paper involves the calculation for composition of different layer used in laser structure and the simulation of cavity, formed by creating air columns in the InGaAsP medium, for square lattice. The aim of this project is to fabricate approximately zero threshold current lasers. This project involves FDTD simulation for optimizing dimension of the device, fabrication of laser structure and finally characterization of the device structure. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Ombord på moderna fartyg finns möjligheten att navigera med enbart ECDIS. ECDIS är beroende av många olika delsystem för att kunna fungera optimalt. Failure Mode and Effect Anylysis (FMEA) är ett verktyg med vilket man kan undersöka ett specifikt system för att upptäcka eventuella konstruktionsfel och brister i produktionsdesignen. Detta examensarbete har med hjälp av en FMEA undersökt ECDIS simulatorerna vid Sjöfartshögskolan i Kalmar för att ta reda på hur ECDIS påverkas när ett eller flera av delsystemen kopplade till ECDIS fallerar. Syftet med denna undersökning har varit att upptäcka konstruktionsfel, brister och begränsningar i ECDIS systemet vid simulatorerna i Sjöfartshögskolan i Kalmar. Det kunde påvisas att ECDIS i vissa fall ej har avgett de larm som enligt tillverkaren skall varsko navigatören att ett delsystem har fallerat. Vidare har vissa funktioner i ECDIS ej fungerat enligt tillverkarens anvisningar samt att vissa simulatorfunktioner som skall kunna testa en specifik situation i en säker miljö ej har fungerat. / Modern ships have the ability to navigate with the use of ECDIS only. ECDIS is dependent on many subsystems to function optimally. Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) is a tool with which you can examine a specific system to detect potential construction errors and deficiencies in the production design. This thesis has used a FMEA to investigate ECDIS simulators at Sjöfartshögskolan in Kalmar to examine how ECDIS was affected when one or more of the subsystems connected to ECDIS have failed. The purpose of this study was to detect design errors, deficiencies and limitations of the ECDIS simulators at Sjöfartshögskolan in Kalmar. It could be demonstrated that some of the alarms in ECDIS that should alert the navigator that a subsystem has failed not has worked according to the manufacturer´s instructions. Additionally has some features of ECDIS not operated according to the manufacturer's instructions and some simulator functions which should test a specific situation in a safe environment have not worked.

Simulering är en viktig del av utvecklingsarbetet för nya datorkort hos Centre of Excellence - Computers på Saab AB i Jönköping. Ju tidigare i utvecklingsarbetet som defekter och svagheter hos designen hittas desto enklare och mindre kostsamma blir ändringarna att införa. På CoE används simulerings och analysverktyget HyperLynx från Mentor Graphics för att simulera alla kritiska nät. På så sätt kan svagheter hos en design hittas redan innan prototypstadiet. För att simulatorn ska vara användbar krävs dock en kunskap om hur dess resultat korrelerar med verkligheten. Det leder till den övergripande frågeställningen för detta arbete, hur väl överensstämmer HyperLynx simuleringsresultat med verkligheten? Frågeställningen besvarades genom att jämföra simuleringsresultat med motsvarande uppmätta signaler på ett testkort. Resultaten visar att HyperLynx håller en mycket god kvalitet. För signalen i helhet överensstämmer kurvformerna väl både när det gäller vilka reflektioner som bildas och timingen för reflektionerna. Enda genomgående skillnaden mellan simuleringarna och mätningarna visar på något för små amplituder för de simulerade reflektionerna. / Simulations are an important part of the process of designing new computer boards at the Centre of Excellence - Computers at Saab AB in Jönköping. The earlier problems and weaknesses in the design can be found during the design process the less time and money it will take to fix them. The engineers at CoE uses HyperLynx, an analysis and simulation software from Mentor Graphics, to simulate all the critical nets at the board. By doing so, the majority of the problems can be fixed before the prototyping stage. However, the engineers need to know how the simulated signals relate to real signals if the simulator is to be useful. Therefore the question to be answered in this study is how well does the simulated signals in HyperLynx imitate real signals? The question was answered by comparing simulated signals with measurements of corresponding signals on a test board. Overall the shapes of the signals are matching for both which reflections occurs and the timing of the reflections. The only noticeable difference found throughout the study is a slightly smaller amplitude of the reflections for the simulated signals compared to the corresponding measured signal. Due to these results, HyperLynx can be considered a high quality simulator.

The objective of this thesis is to implement a basic, yet realistic, ESC system into the VTI simulator environment. This system is then validated to assure that it is working properly and provides a realistic behavior. The implemented ESC system is used in a study, where the ESC system could be turned on and off, to evaluate the benefits of an ESC system after a side impact. This study shows that an ESC system may aid the driver in such a critical situation when the driver is unaware that a side impact will occur. With the ESC system active no driver lost control while with the system inactive there were five drivers that lost control, but deviations in initial speed give statistical difficulties, thus more tests are needed. In the case where the driver knows that an impact will occur the ESC system showed to stabilize the automobile faster and it is shown that an expected improvement in stabilization time is between 40 to 62 percent. It was also seen during this part of the scenario that 2 percent loss of control occurred with an active ESC system and 45 percent without.

Endoscopy is an involved clinical practice requiring considerable skill in performing the procedure. Virtual reality together with haptics offers immersive, flexible, and cost-effective platform for training in endoscopic procedures. In this thesis, we present mechanical design, control, characterization, and integration of a novel endoscopic haptic simulator with three degrees of freedom. Related ideas, computations, and experiments that support endoscopy and endoscopic simulator are also investigated in this thesis. The haptic device is designed to reflect forces in the three important directions, namely, longitudinal, rotational, and radial directions. The mechanical design of the haptic device overcomes some of the limitations of the existing systems. The device provides large sustained output force and possesses low friction, low inertia and zero backlash. Dynamics-based feed-forward control algorithm is developed to achieve high fidelity and transparency in force-feedback. Tracking performance, transparency, and nonlinearity are all quantified using experiments designed to validate the control structure and to characterize the developed haptic device. The device is shown to apply a maximum continuous force of 11 N in the longitudinal direction, maximum continuous torque of 196 mN.m in the rotational DoF, and a maximum force of 1.5 N (at each of the four radial pads) in the radial direction. Furthermore, we also present the design of a novel compliant mechanism for the radial DoF. The circumferentially actuated compliant (CAC) mechanism is a planar, reversible, and single degree-of-freedom compliant mechanism that emulates controlled and responsive circularly shaped opening. The mechanism is designed in view of the anatomy of the throat and the special manoeuvre required for intubation of the endoscope into the oesophagus by avoiding the trachea. As part of the auxiliary work for the endoscopic simulator, we developed a computational technique for simulating the shape of the entire endoscope during endoscopy. Strain measurements made at discrete locations along the length of endoscope are used in the method. Strain measurement, stain interpolation, and shape reconstruction based on strain information are discussed. Furthermore, a method to predict the location of point forces acting on the endoscope tube during endoscopy is proposed. A novel concept of haptic playback for endoscopy is also investigated in this work. Haptic playback aids the endoscopists to recall both visual as well as haptic information from an earlier endoscopic session. The endoscopic playback concept is evaluated using psychophysical experiments. Through these experiments, we quantified haptic perception through the endoscope, the effect of temporal separation on haptic memory, and the interaction between haptic and visual information in sensory processing.

The usage of a robotic simulator hasprovidedthe advantages of the efficientdevelopment and testing of robotics applications, saving time and resources and making easier publics demonstrations. This thesis project consists on the simulation of a wheel loader at an industrial environment inthe cycle of material handling. For the development of the Project have been used the Robot Operating System (ROS) and Gazebo frameworks which allows to reproduce the 3D map of the work site as well as the robotic wheel loaderand simulate it in a realistic way. The developed softwarealsoprovidesthemechanism to drive the wheel loader throughthereproduced terrain, to controlthe movement of the different articulated joints of the robot, to recompile information of the environmentthroughdifferent sensors (Laser, Odometry, GPS, IMU, etc) and to provide of a waypoint routes to the robot. Furthermore the simulator will be able to reproduce and integrate an asphalt plant modelto the scenario. Allowing an interaction with the wheel loader, this will transport gravel from the piles of the terrain to the pocket of the asphalt plant.

Objective The present study aims to investigate whether drivers’ age and their experience with driving simulators could explain differences between a subjective estimation of system adaptation and a respective objective systematic measurement. Background Assessing valid measurements in driving simulators causes concern because driving simulators are not yet as realistic as real on-road driving scenarios. Common methods like pre-defined training sessions and self-appraisals of simulator adaptation might therefore be insufficient to ensure actual valid data. Hence, influential variables on this discrepancy are investigated. Method In total, N = 203 drivers participated in a training session and a subsequent testing session in a close-to-production driving simulator. Subjective adaptation was estimated by the drivers and an objective adaptation value was gathered on the basis of driving accuracy. The discrepancy between these two measures was calculated and related to age, self-reported driving experience and occurrence of previous adaptation. Results Subjective adaptation was significantly faster than objective adaptation but neither drivers’ age, experience, nor previous adaptation could explain this discrepancy. Discussion Results indicate that younger and older drivers likewise underestimate the time needed for adaptation. Measuring a subjective point of adaptation seems to be an insufficient measure to ensure simulator validity when assessing both older and younger drivers.

In der Anästhesiologie ist die Nutzung sog. Full-Scale-Simulatoren in der Aus- und Weiterbildung inszwischen etabliert. Bisher weitgehend ungenutzt ist dieses Setting zur Untersuchung habitueller und situationaler Faktoren im Zusammenhang mit Stressreaktionen sowie der Leistungen, die Trainierende hier zeigen. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf dem Konzept der Kontrolle. Dabei werden ausgewählte habituelle Persönlichkeitsmerkmale (Studie 1) untersucht. Zudem wird die situative Kontrollierbarkeit von Narkosekomplikationen experimentell variiert (Studie 2): Gemäß der Theorie der gelernten Hilflosigkeit führt Unkontrollierbarkeit (im Vergleich zu Kontrollierbarkeit) von Ereignissen erhöhter Stressbelastung (im Sinne eines emotionalen und somatischen Defizits) und zu Leistungsreduzierungen (im Sinne eines kognitiv-assoziativen Defizits). Teilnehmer der Studien waren Medizinstudierende im Praktischen Jahr mit Wahlfach Anästhesiologie, wobei das Geschlecht als quasiexperimenteller Faktor berücksichtigt wurde. In Studie 1 durchliefen 34 Probanden (16 Frauen und 18 Männer) in gegenbalancierter Reihenfolge eine Ruhe-, eine Standardlaborstress- und eine Simulationsbedingung. Die Simulationsbedingung umfasste ein Notfallszenario mit einer Phase des Kammerflimmerns. Während dieser Phase wurde die medizinische (Reanimations-)Leistung anhand der Richtlinien des Europäischen Fachrates für Wiederbelebung evaluiert (Nolan et al., 2005). Der Standardlaborstress bestand aus einer Rede vor einer Videokamera. Die psychische Stressreaktion (mittels visueller Analogskalen) und endokrine Stressreaktion (per Speichelcortisol) wurde in allen Bedingungen zu sieben Messzeitpunkten erfasst. In der vorliegenden Arbeit wurde bezüglich Studie 1 die Teilfragestellung untersucht, welche Zusammenhänge zwischen habituellen Persönlichkeitsmerkmalen und der medizinischen Leistung sowie der psychischen bzw. endokrinen Stressreaktion in der Simulationsbedingung auftreten. Als habituelle Variablen wurden allgemeine Kontrollüberzeugungen (mittels Fragebogen zu Kompetenz- und Kontrollüberzeugungen [FKK]; Krampen, 1991) und für die Anästhesie spezifische Kontrollüberzeugungen (mittels Anästhesie-spezifischer Kontroll-überzeugungen [SKÜ]; unveröffentlichter Fragebogen) erfasst: Diese generalisierten Erwartungen betreffen den Glauben einer Person, bedeutsame Ereignisse in ihrem Leben selbst beeinflussen zu können (Internalität), bzw. äußeren Kräften, wie anderen Personen (soziale Externalität) oder dem Schicksal (fatalistische Externalität), ausgeliefert zu sein. Außerdem wurden kontrollorientierte Copingstrategien, d. h. Stressbewältigungsversuche durch Veränderung der Situation, der eigenen Reaktion oder Selbstinstruktionen (mittels Stressverarbeitungsfragebogen [SVF]; Janke et al., 1985) erhoben. Die medizinische Leistung korrelierte wie folgt mit den habituellen Variablen: Allgemeine und spezifische fatalistische Externalität korrelierten in der Gesamtgruppe (Frauen und Männer) signifikant negativ mit der medizinischen Leistung (jeweils p < 0.05). Bei Frauen war die negative Korrelation zwischen allgemeiner fatalistischer Externalität und der Leistung ebenfalls signifikant (p < 0.01). Außerdem ergaben sich für die Copingstrategien durchweg negative Korrelationen mit der medizinischen Leistung: In Bezug auf die Copingstategien „Situationskontrolle – SVF“ und „Reaktionskontrolle – SVF“ waren diese Korrelationen für die Gesamtgruppe signifikant (jeweils p < 0.05). Bei Männern korrelierte die „Positive Selbstinstruktion – SVF“ signifikant negativ mit der medizinischen Leistung (p < 0.05). Die medizinische Leistung wurde dabei im Rahmen einer multiplen Regressionsanalyse durch die Kombination von anästhesie-spezifischer fatalistischer Externalität und der Copingstrategie „Situationskontrolle – SVF“ vorhergesagt (p < 0.01). Hinsichtlich der Korrelation zwischen der psychischen Stressreaktion und den habituellen Variablen zeigte sich eine Geschlechtsdifferenzierung: Bei Frauen war das „Selbstkonzept eigener Fähigkeiten – FKK“ negativ und die allgemeine „Fatalistische Externalität – FKK“ positiv mit dem Anstieg im psychischen Stressmaß korreliert (jeweils p < 0.05). Bei Männern hingegen trat zwischen der „Reaktionskontrolle – SVF“ und dem Anstieg im psychischen Stressmaß eine negative Korrelation auf (p < 0.01). Zwischen den habituellen Variablen und der endokrinen Stressreaktionen wurden keine signifikanten Assoziationen festgestellt. In Studie 1 konnten erstmals in einem anästhesiologischen Simulationssetting substantielle Zusammenhänge zwischen habituellen Variablen, die mit dem Konzept der Kontrolle assoziiert sind, und medizinischer Leistung sowie psychischer Stressreaktion festgestellt werden. Diese Zusammenhänge legen nahe, in Trainingsmaßnahmen in Full-Scale-Simulatoren zukünftig Module zur Modifikation von Kontrollüberzeugungen (insbesondere fatalistischer Externalität) – und damit zur Leistungsförderung – zu integrieren. Durch die Erhebung habitueller Variablen könnte das Training individuell an die jeweilige Persönlichkeit des Trainierenden angepasst werden. Angesichts der negativen Assoziationen zwischen den betrachteten Copingstrategien und der medizinischen Leistung sollten zukünftig solche negativ assoziierten Copingstrategien modifiziert und auch Strategien identifiziert werden, die in anästhesiologischen Notfallsituationen eher leistungsförderlich sind. In Studie 2 durchliefen 24 Medizinstudierende (12 Männer, 12 Frauen) jeweils eine von zwei Versuchsbedingungen. Erneut wurden zu sieben Messzeitpunkten die psychische und endokrine Stressreaktion erfasst. Die Probanden hatten an Tag 1 („Trainingsphase“) entweder durch ihre Interventionen Kontrolle über den medizinischen Zustand des simulierten Patienten bei der Behandlung auftretender Narkosekomplikationen (Kontrollierbar) oder aber die Ereignisse waren unkontrollierbar und durch das Verhalten des Joch-Kontrollpartners der Kontrollierbarkeitsgruppe determiniert (Unkontrollierbar). Tag 2 („Testphase“) beinhaltete ein weiteres simuliertes Notfallszenario mit Kontrollierbarkeit für beide Versuchsgruppen, wobei neben der psychischen und endokrinen Stressreaktion die medizinische Leistung in einem Reanimationsszenario (analog zum Vorgehen in Studie 1) erfasst wurde. Infolge der Vorerfahrung von unkontrollierbaren (verglichen mit kontrollierbaren) Narkosekomplikationen war die medizinische Leistung in der Testphase in der Gesamtgruppe entgegen der Erwartung höher (und nicht geringer). Eine große Effektstärke belegte, dass dieser Effekt insbesondere bei Männern auftrat. In der psychischen Stressreaktion trat für die Gesamtgruppe in der Testphase ein tendenziell höherer Ausgangswert nach Unkontrollierbarkeit (im Sinne eines emotionalen Defizits) auf (p < 0.10). Dies war primär auf die Frauen zurückzuführbar, bei denen ein signifikanter Effekt vorlag (p < 0.05). Auch im endokrinen Stressmaß war der Ausgangswert in der Testphase nach Unkontrollierbarkeitserfahrung (im Sinne eines somatischen Defizits) für die Gesamtgruppe tendenziell höher (p < 0.10). Der Anstieg im Cortisol fiel infolge der Vorerfahrung von Unkontrollierbarkeit nur bei Frauen tendenziell höher aus (p < 0.10). In Hinblick auf die Veränderungen im Cortisolanstieg von der Trainingsphase zur Testphase ergaben sich unterschiedliche Ergebnismuster für Frauen und Männer: Bei Frauen nahmen die Cortisolanstiege von Trainings- zu Testphase unter der Bedingung Kontrollierbar ab und unter der Bedingung Unkontrollierbar zu, bei Männern zeigte sich das umgekehrte Muster (jeweils p < 0.05). Diese Interaktion (Versuchsbedingung x Geschlecht) erwies sich als signifikant (p < 0.01). Es konnte erstmals für ein anästhesiologisches Setting gezeigt werden, dass die Vorerfahrung von Kontrollierbarkeit vs. Unkontrollierbarkeit signifikante Transfereffekte hervorruft. Der leistungsförderliche Effekt von Unkontrollierbarkeit könnte in Simulatortrainings genutzt werden, sofern er sich in weiteren Studien als stabil erweist. In Hinblick auf die Folgen von Erfahrungen im (simulierten) Operationssaal ist gleichzeitig zu berücksichtigen, dass erfahrene Unkontrollierbarkeit im Hinblick auf emotionale und somatische Hilflosigkeitsdefizite stresserhöhend wirkt. Die Daten liefern ferner erste Hinweise darauf, dass die Effekte von Unkontrollierbarkeit vs. Kontrollierbarkeit in einem Full-Scale-Simulator auf die Stressreaktionen in nachfolgenden kontrollierbaren Transfersituationen bei Männern und Frauen unterschiedlich ausfallen. Diese Ergebnisse sollten in Folgeuntersuchungen an größeren Stichproben repliziert und erweitert werden. Die vorliegende Arbeit erbrachte für den Simulationsbereich neue Erkenntnisse: Mit dem Konzept der Kontrolle assoziierte habituelle Variablen sind sowohl mit Leistungs- als auch Stressindikatoren in einem OP-Setting verbunden. Die situative – hier experimentell variierte – Kontrollierbarkeit wirkt sich auf diese Indikatoren aus. Daraus ergeben sich ggf. Möglichkeiten, Aus- und Weiterbildungsangebote in Full-Scale-Simulatoren einerseits individuell an die Teilnehmerpersönlichkeit anzupassen. Andererseits könnten Lernerfolge von Trainingsmaßnahmen durch die gezielte Schaffung situativer Kontrollierbarkeit optimiert werden.