Virtuelle Umgebungen werden seit einigen Jahren erfolgreich für die motorische Rehabilitation von PatientInnen nach einem Schlaganfall eingesetzt. Moderne Sensoren erfassen die Bewegungen der PatientInnen und stellen die Informationen digitalisiert für die weitere Verarbeitung bereit. In einer computergenerierten Welt wird dann die Durchführung motorischer Übungen visualisiert und mit motivierenden, spielerischen Elementen angereichert. Heute verfügbare Systeme zeigen vor allem natürlich anmutende Umgebungen an, in denen mit realistischen Objekten interagiert wird. Beispielsweise kann die Aufgabenstellung für die PatientInnen sein, heranfliegende Spielbälle über die Steuerung virtueller Arme zu fangen. Das Potential des digitalen Mediums für die Gestaltung virtueller Welten wird bislang jedoch noch nicht vollständig ausgenutzt. Neuere Erkenntnisse über die neurologischen Prozesse motorischer Aktionen führten zur Entwicklung eines therapeutischen Verfahrens, bei dem die visuelle Wahrnehmung von Bewegungen die betroffenen Hirnregionen von SchlaganfallpatientInnen trainiert. Hierfür ist die Verwendung virtueller Umgebungen besonders vielversprechend, weil die Bewegungsvisualisierungen durch algorithmische Transformationen beliebig gestaltet werden können. Abstrakte und ästhetisch ansprechende Darstellungsformen können die wesentlichen Bewegungsinformationen enthalten und die Durchführung der Übungen gleichzeitig interessant und motivierend erscheinen lassen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Therapiesystem entwickelt, welches abstrakte visuelle Effekte als Reaktion auf Bewegungen anzeigt. PatientInnen nach einem Schlaganfall trainieren mit diesem System die motorischen Fähigkeiten ihrer oberen Extremitäten. Die virtuelle Umgebung kann dabei die Effekte sowohl entsprechend der Bewegungen der beiden Körperseiten anzeigen oder aber die Bewegungen der gesunden Körperseite im Sinne einer Spiegelung zusätzlich für die Darstellung auf der betroffenen Seite verwenden. Bei der zweiten Variante, der Spiegelung, wird eine Illusion von korrekter Bewegungsausführung auf der betroffenen Seite erzeugt. Diese unterstützt die motorische Rehabilitation. In einer Pilotstudie im klinischen Kontext erwies sich das Therapiesystem als einsetzbar und die Ergebnisse deuteten auf positive Effekte des Trainings auf die motorische Rehabilitation, die Motivation und das Selbstbewusstsein der PatientInnen hin. Damit demonstriert die Arbeit das Potential einer an den intrinsischen Eigenschaften des digitalen Mediums orientierten Gestaltung von Bewegungsvisualisierungen für die neurologische Rehabilitation. Eine solche Gestaltung ermöglicht es, völlig neue und effektive Therapieformen anzubieten, die ohne den Einsatz der Technologie nicht realisierbar wären.

Hintergrund: Die Simulation wichtiger Handgriffe und Techniken in der Chirurgie wurde bereits seit der Antike praktiziert. Pflanzen, Menschen- und Tierkadaver, Puppen sowie Phantome haben seit Jahrhunderten diesem Zweck gedient. Das 21. Jahrhundert ist jedoch von virtueller Realität geprägt und es gibt viele technische Neuerungen in der Chirurgie. Erste virtuelle Simulationsmöglichkeiten tauchten auf dem Markt bereits im 20. Jahrhundert auf. Zuerst nur schwarzweiß, rudimentär und nur andeutungsweise einer echten Situation im OP-Saal ähnlich, überzeugen die heutigen Simulatoren durch schnelle Prozessoren, qualitative graphische Darstellung und haptisches Feedback. Der Simulator selbst wird zum Forschungsobjekt, endlich können in Simulationsbedingungen Fragestellungen untersucht werden, die bisher unter Operationsbedingungen weder ethisch vertretbar noch technisch möglich waren. Fragestellung: Zwischen 2016 und 2017 fand am VTG Klinikum des Universitätsklinikums der TU Dresden Carl Gustav Carus eine Studie am chirurgischen Simulator für virtuelle Realität statt. Die untersuchte Fragestellung war die Übertragbarkeit von Fertigkeiten zwischen zwei laparoskopischen Operationen: Appendektomie und Cholezystektomie. Material und Methode: Es wurden 44 Studierende aus dem 3. bis 6. Studienjahr rekrutiert und in zwei Gruppen rand-omisiert. Beide Gruppen übten zunächst die Basisübungen bis bestimmte Leistungskriterien erfüllt wurden. Danach haben Probanden der ersten Gruppe die virtuelle Appendektomie und im Anschluss die virtuelle Cholezystektomie trainiert. Die zweite Gruppe ging sofort zum Cholezystektomie Training über. In beiden Gruppen wurden zum Schluss jeweils drei Wiederholungen der kompletten Cholezystektomie absolviert. Verglichen wurden Geschwindigkeit, Sicherheitsparameter wie z. B. aufgetretene Komplikationen sowie Motorik-Parameter der Instrumente. Des Weiteren wurde der mögliche Einfluss von Schlafverhalten, Koffeinkonsum und Erfahrung mit Videospielen auf die Leistung am Simulator untersucht. Ergebnisse: In der statistischen Analyse zeigte die erste Gruppe eine signifikante Verbesserung der Moto-rik-Parameter wie Instrumentenbewegungen und -strecke. Andere Werte wie Geschwindigkeit und Sicherheitsparameter waren innerhalb der zwei Gruppen ähnlich. Zwischen Schlaf-verhalten, Koffeinkonsum und Erfahrung mit Videospielen und der Leistung am Simulator konnte kein Zusammenhang festgestellt werden. Schlussfolgerungen: Die Studie ergab nur einen partiellen Übertragungseffekt zwischen laparoskopischer Appendektomie und Cholezystektomie. Die Gründe liegen in den jeweils unterschiedlichen Schlüsselmomenten, die die Beherrschung prozedurspezifischer Techniken erfordern. Diese müssen für jede Prozedur separat geübt werden. Die Verbesserung der feinmotorischen Fähigkeiten spricht jedoch dafür, dass eine Übertragung der Fertigkeiten bis zu einem gewissen Grad dennoch stattfand und durch das Trainieren einer zusätzlichen Modalität Vorteile insbesondere in der Bewegungsökonomie gewonnen werden können.:Inhaltsverzeichnis 3 Abkürzungsverzeichnis 7 1. Einleitung 8 1.1 Einblick in die Geschichte der chirurgischen Simulation 8 1.2 Entwicklung chirurgischer Simulatoren 9 1.3 Einsatz der Laparoskopie-Simulatoren in der heutigen chirurgischen Ausbildung 11 1.4 Übertragbarkeit von Fähigkeiten in der minimal invasiven Chirurgie 13 1.5 Laparoskopische Appendektomie und Cholezystektomie 17 1.5.1 Laparoskopische Appendektomie 17 1.5.2 Laparoskopische Cholezystektomie 18 1.6 Sonstige Aspekte des Trainings 19 1.6.1 Kriterien-basiertes Training 19 1.6.2 Betreuerfeedback 19 1.6.3 Leistung unter Beobachtung 20 1.6.4 Leistung unter Simulationsbedingungen 20 1.6.5.1 Schlafdauer 20 1.6.5.2 Kaffeekonsum 21 1.6.5.3 Motivation 21 1.6.5.4 Erfahrung mit Videospielen 22 2. Materialen und Methoden 23 2.1 Fragestellung 23 2.2 Ablauf der MIC Studie 24 2.3. Probandenrekrutierung 25 2.4 Lap Mentor von Simbionix (3D Systems) 27 2.5 Trainingsprotokolle am VRT-Simulator 28 2.5.1 Organisatorische Aspekte 28 2.5.2 Leistungsfeedback am VRT-Simulator 28 2.5.3 Training der Basis-Fertigkeiten (Basic Skills Training) 29 2.5.3.1 Peg Transfer 31 2.5.3.2 Clipping and Grasping 32 2.5.3.3 Electrocautery 33 2.5.3.4 Cutting 34 2.5.3.5 Pattern Cutting: Training Gauze 35 2.5.4 Training der Appendektomie Prozedur 36 2.5.5 Training der Cholezystektomie Prozedur 39 2.5.6 Subjektiver Schwierigkeitsgrad 43 2.6 Statistische Auswertung 44 3. Ergebnisse 45 3.1. Zusammenfassung der Probandencharakteristiken 45 3.2 Alter und Geschlecht der Probanden 45 3.3 Fragebogen 46 3.3.1 Schlaf 46 3.3.2 Kaffeekonsum 48 3.3.3 Motivation 49 3.3.4 Erfahrung mit Videospielen 50 3.3.5 Einflussfaktoren auf das Basistraining 50 3.4 Allgemeine Ergebnisse des Trainings am VRT Simulator 51 3.5 Ergebnisse des Trainings der Basis-Fertigkeiten 52 3.5.1 Peg Transfer 52 3.5.2 Clipping and Grasping 53 3.5.3 Electrocautery 54 3.5.4 Cutting 55 3.5.5 Pattern Cutting (Test Gauze) 56 3.5.6 Subjektiver Schwierigkeitsgrad für die Basis-Übungen 57 3.5.7. Zeitbedarf für das Erreichen der Könner-Kriterien 59 3.6 Ergebnisse des Appendektomie Trainings 60 3.7 Ergebnisse der Cholezystektomie Komplettprozedur 61 3.7.1 Geschwindigkeit 61 3.7.2 Sicherheitskriterien 62 3.7.2.1 Anzahl lebensbedrohlicher Komplikationen 62 3.7.2.2 Sichere Kauterisation 63 3.7.2.3 Anzahl verlorener Clips 63 3.7.2.4 Anzahl der Leberperforationen 64 3.7.2.5 Anzahl nicht kauterisierter Blutungen 64 3.7.3 Effizienz Kriterien 64 3.7.3.1 Anzahl der Instrumentenbewegungen 64 3.7.3.2 Gesamtstrecke der Instrumente 65 3.7.4 Subjektiver Schwierigkeitsgrad für die Cholezystektomie 65 3.7.5 Zeit für Basis Training und Cholezystektomie Parameter 65 4. Diskussion 67 4.1 Der Begriff des Übertragungsphänomens in Sportwissenschaften und seine Anwendbarkeit auf die laparoskopischen Fertigkeiten 67 4.2 Übertragbarkeit von Fertigkeiten zwischen virtueller Appendektomie und Cholezystektomie und Vergleich mit anderen Studien 74 4.3 Exploration zweitrangiger Fragestellungen 78 4.4 Vergleich zentraler Tendenzen der Cholezystektomie-Parameter mit Hersteller-Kriterien und externen Studien 79 4.5 Schlussfolgerungen aus dem Training der Basis-Fertigkeiten 81 4.6 Schlussfolgerungen aus dem Appendektomie Training 82 4.7 Schlussfolgerungen aus dem Cholezystektomie Training 83 4.8 Empfehlungen für das Ausbildungscurriculum an einem VR Simulator 85 4.9 Vorschlag für das Anfängertraining an einem VRT Simulator 91 4.10 Limitierungen der Arbeit 92 4.11 Ausblick 93 5. Zusammenfassung 94 5.1 Summary 96 6. Literatur 98 6.1 Abbildungsverzeichnis 106 6.2 Tabellenverzeichnis 108 7. Anhang 109 7.1 Probandenrandomisierung 109 7.2 Probandeninformationsblatt 110 7.3 Einwilligungserklärung 112 7.4 Beispiel Teilnahmebescheinigung 114 7.5 Zusammenfassung der aufgetretenen Softwarefehler am Lap Mentor II 115 8. Danksagung 116 9. Eigenständigkeitserklärung 117 Anlage 1 118 Anlage 2 120 / Background: Simulation of important surgical procedures and techniques has been practiced since ancient times. Plants, human and animal cadavers, dolls and phantoms have served this purpose for hundreds of years. However, the 21st century is characterized by virtual reality and there are also many technical innovations in the field of surgery. The first virtual simulation possibilities appeared on the market in the 20th century. Initially only black and white, rudimentary and only suggestively similar to a real situation in the operating room, today's simulators convince with fast processors, qualitative graphical representation and haptic feedback. The simulator itself becomes an object of research. At last, questions can be investigated in simulation conditions that were previously neither ethically nor technically possible under operating conditions. Hypothesis: Between 2016 and 2017, at the VTG clinic of the Carl Gustav Carus University Hospital of the TU Dresden a study using a surgical simulator for virtual reality took place. The question investigated was the transferability of skills between two laparoscopic procedures: appendectomy and cholecystectomy. Methods: 44 students from the 3rd to 6th year of study were recruited and randomly divided into two groups. Both groups initially practiced the basic exercises until certain criteria were met. Afterwards, the first group practiced virtual appendectomy and then virtual cholecystectomy. The second group immediately moved on to cholecystectomy training. In both groups, three repetitions of the complete cholecystectomy were completed in the end. Speed, safety parameters such as complications that occurred and efficiency parameters of the instruments were compared. Furthermore, the possible influence of sleep behavior, caffeine consumption and experience with video games on simulator performance was investigated. Results: In the statistical analysis, the first group showed a significant reduction in the efficiency parameters such as instrument movements and distance travelled. Other values like speed and safety parameters were similar within two groups. There was no correlation between sleep behavior, caffeine consumption and experience with video games and simulator performance. Conclusion: The study showed only a partial skill transfer between laparoscopic appendectomy and cholecystectomy. The reasons are the different key moments that require the mastery of procedure-specific techniques. These must be practiced separately for each procedure. However, the improvement of fine motor skills indicates, that by training an additional modality a skill transfer nevertheless took place to a certain degree and that advantages, especially in the economy of movement, were gained.:Inhaltsverzeichnis 3 Abkürzungsverzeichnis 7 1. Einleitung 8 1.1 Einblick in die Geschichte der chirurgischen Simulation 8 1.2 Entwicklung chirurgischer Simulatoren 9 1.3 Einsatz der Laparoskopie-Simulatoren in der heutigen chirurgischen Ausbildung 11 1.4 Übertragbarkeit von Fähigkeiten in der minimal invasiven Chirurgie 13 1.5 Laparoskopische Appendektomie und Cholezystektomie 17 1.5.1 Laparoskopische Appendektomie 17 1.5.2 Laparoskopische Cholezystektomie 18 1.6 Sonstige Aspekte des Trainings 19 1.6.1 Kriterien-basiertes Training 19 1.6.2 Betreuerfeedback 19 1.6.3 Leistung unter Beobachtung 20 1.6.4 Leistung unter Simulationsbedingungen 20 1.6.5.1 Schlafdauer 20 1.6.5.2 Kaffeekonsum 21 1.6.5.3 Motivation 21 1.6.5.4 Erfahrung mit Videospielen 22 2. Materialen und Methoden 23 2.1 Fragestellung 23 2.2 Ablauf der MIC Studie 24 2.3. Probandenrekrutierung 25 2.4 Lap Mentor von Simbionix (3D Systems) 27 2.5 Trainingsprotokolle am VRT-Simulator 28 2.5.1 Organisatorische Aspekte 28 2.5.2 Leistungsfeedback am VRT-Simulator 28 2.5.3 Training der Basis-Fertigkeiten (Basic Skills Training) 29 2.5.3.1 Peg Transfer 31 2.5.3.2 Clipping and Grasping 32 2.5.3.3 Electrocautery 33 2.5.3.4 Cutting 34 2.5.3.5 Pattern Cutting: Training Gauze 35 2.5.4 Training der Appendektomie Prozedur 36 2.5.5 Training der Cholezystektomie Prozedur 39 2.5.6 Subjektiver Schwierigkeitsgrad 43 2.6 Statistische Auswertung 44 3. Ergebnisse 45 3.1. Zusammenfassung der Probandencharakteristiken 45 3.2 Alter und Geschlecht der Probanden 45 3.3 Fragebogen 46 3.3.1 Schlaf 46 3.3.2 Kaffeekonsum 48 3.3.3 Motivation 49 3.3.4 Erfahrung mit Videospielen 50 3.3.5 Einflussfaktoren auf das Basistraining 50 3.4 Allgemeine Ergebnisse des Trainings am VRT Simulator 51 3.5 Ergebnisse des Trainings der Basis-Fertigkeiten 52 3.5.1 Peg Transfer 52 3.5.2 Clipping and Grasping 53 3.5.3 Electrocautery 54 3.5.4 Cutting 55 3.5.5 Pattern Cutting (Test Gauze) 56 3.5.6 Subjektiver Schwierigkeitsgrad für die Basis-Übungen 57 3.5.7. Zeitbedarf für das Erreichen der Könner-Kriterien 59 3.6 Ergebnisse des Appendektomie Trainings 60 3.7 Ergebnisse der Cholezystektomie Komplettprozedur 61 3.7.1 Geschwindigkeit 61 3.7.2 Sicherheitskriterien 62 3.7.2.1 Anzahl lebensbedrohlicher Komplikationen 62 3.7.2.2 Sichere Kauterisation 63 3.7.2.3 Anzahl verlorener Clips 63 3.7.2.4 Anzahl der Leberperforationen 64 3.7.2.5 Anzahl nicht kauterisierter Blutungen 64 3.7.3 Effizienz Kriterien 64 3.7.3.1 Anzahl der Instrumentenbewegungen 64 3.7.3.2 Gesamtstrecke der Instrumente 65 3.7.4 Subjektiver Schwierigkeitsgrad für die Cholezystektomie 65 3.7.5 Zeit für Basis Training und Cholezystektomie Parameter 65 4. Diskussion 67 4.1 Der Begriff des Übertragungsphänomens in Sportwissenschaften und seine Anwendbarkeit auf die laparoskopischen Fertigkeiten 67 4.2 Übertragbarkeit von Fertigkeiten zwischen virtueller Appendektomie und Cholezystektomie und Vergleich mit anderen Studien 74 4.3 Exploration zweitrangiger Fragestellungen 78 4.4 Vergleich zentraler Tendenzen der Cholezystektomie-Parameter mit Hersteller-Kriterien und externen Studien 79 4.5 Schlussfolgerungen aus dem Training der Basis-Fertigkeiten 81 4.6 Schlussfolgerungen aus dem Appendektomie Training 82 4.7 Schlussfolgerungen aus dem Cholezystektomie Training 83 4.8 Empfehlungen für das Ausbildungscurriculum an einem VR Simulator 85 4.9 Vorschlag für das Anfängertraining an einem VRT Simulator 91 4.10 Limitierungen der Arbeit 92 4.11 Ausblick 93 5. Zusammenfassung 94 5.1 Summary 96 6. Literatur 98 6.1 Abbildungsverzeichnis 106 6.2 Tabellenverzeichnis 108 7. Anhang 109 7.1 Probandenrandomisierung 109 7.2 Probandeninformationsblatt 110 7.3 Einwilligungserklärung 112 7.4 Beispiel Teilnahmebescheinigung 114 7.5 Zusammenfassung der aufgetretenen Softwarefehler am Lap Mentor II 115 8. Danksagung 116 9. Eigenständigkeitserklärung 117 Anlage 1 118 Anlage 2 120

One of the central goals of design is the creation of experiences that are rated favorably in the intended application context. User expectations play an integral role in tactile product quality and tactile plausibility judgments alike. In the vibrotactile authoring process for virtual environments, vibra-tion is created to match the user’s expectations of the presented situational context. Currently, inefficient trial and error approaches attempt to match expectations implicitly. A more efficient, model-driven procedure based explicitly on tactile user expectations would thus be beneficial for author-ing vibrations. In everyday life, we are frequently exposed to various whole-body vibrations. Depending on their temporal and spectral proper-ties we intuitively associate specific perceptual properties such as “tin-gling”. This suggests a systematic relationship between physical parame-ters and perceptual properties. To communicate with potential users about such elicited or expected tactile properties, a standardized design language is proposed. It contains a set of sensory tactile perceptual attributes, which are sufficient to characterize the perceptual space of vibration encountered in everyday life. This design language enables the assessment of quantita-tive tactile perceptual specifications by laypersons that are elicited in situational contexts such as auditory-visual-tactile vehicle scenes. Howev-er, such specifications can also be assessed by providing only verbal de-scriptions of the content of these scenes. Quasi identical ratings observed for both presentation modes suggest that tactile user expectations can be quantified even before any vibration is presented. Such expected perceptu-al specifications are the prerequisite for a subsequent translation into phys-ical vibration parameters. Plausibility can be understood as a similarity judgment between elicited features and expected features. Thus, plausible vibration can be synthesized by maximizing the similarity of the elicited perceptual properties to the expected perceptual properties. Based on the observed relationships between vibration parameters and sensory tactile perceptual attributes, a 1-nearest-neighbor model and a regression model were built. The plausibility of the vibrations synthesized by these models in the context of virtual auditory-visual-tactile vehicle scenes was validat-ed in a perceptual study. The results demonstrated that the perceptual spec-ifications obtained with the design language are sufficient to synthesize vibrations, which are perceived as equally plausible as recorded vibrations in a given situational context. Overall, the demonstrated design method can be a new, more efficient tool for designers authoring vibrations for virtual environments or creating tactile feedback. The method enables further automation of the design process and thus potential time and cost reductions.:Preface III Abstract V Zusammenfassung VII List of Abbreviations XV 1 Introduction 1 1.1 General Introduction 1 1.1 Objectives of the Thesis 4 1.2 Structure of the Thesis 4 2. Tactile Perception in Real and Virtual Environments 7 2.1 Tactile Perception as a Multilayered Process 7 2.1.1 Physical Layer 8 2.1.2 Mechanoreceptor Layer 9 2.1.3 Sensory Layer 19 2.1.4 Affective Layer 26 2.2 Perception of Virtual Environments 29 2.2.1 The Place Illusion 29 2.2.2 The Plausibility Illusion 31 2.3 Approaches for the Authoring of Vibrations 38 2.3.1 Approaches on the Physical Layer 38 2.3.2 Approaches on the Mechanoreceptor Layer 40 2.3.3 Approaches on the Sensory Layer 40 2.3.4 Approaches on the Affective Layer 43 2.4 Summary 43 3. Research Concept 47 3.1 Research Questions 47 3.1.1 Foundations of the Research Concept 47 3.1.2 Research Concept 49 3.2 Limitations 50 4. Development of the Experimental Setup 53 4.1 Hardware 53 4.1.1 Optical Reproduction System 53 4.1.2 Acoustical Reproduction System 54 4.1.3 Whole-Body Vibration Reproduction System 56 4.2 Software 64 4.2.1 Combination of Reproduction Systems for Unimodal and Multimodal Presentation 64 4.2.2 Conducting Perceptual Studies 65 5. Assessment of a Sensory Tactile Design Language for Characterizing Vibration 67 5.1.1 Design Language Requirements 67 5.1.2 Method to Assess the Design Language 69 5.1.3 Goals of this Chapter 70 5.2 Tactile Stimuli 72 5.2.1 Generalization into Excitation Patterns 72 5.2.2 Definition of Parameter Values of the Excitation Patterns 75 5.2.3 Generation of the Stimuli 85 5.2.4 Summary 86 5.3 Assessment of the most relevant Sensory Tactile Perceptual Attributes 86 5.3.1 Experimental Design 87 5.3.2 Participants 88 5.3.3 Results 88 5.3.4 Aggregation and Prioritization 89 5.3.5 Summary 91 5.4 Identification of the Attributes forming the Design Language 92 5.4.1 Experimental Design 93 5.4.2 Participants 95 5.4.3 Results 95 5.4.4 Selecting the Elements of the Sensory Tactile Design Language 106 5.4.5 Summary 109 5.5 Summary and Discussion 109 5.5.1 Summary 109 5.5.2 Discussion 111 6. Quantification of Expected Properties with the Sensory Tactile Design Language 115 6.1 Multimodal Stimuli 116 6.1.1 Selection of the Scenes 116 6.1.2 Recording of the Scenes 117 6.1.3 Recorded Stimuli 119 6.2 Qualitative Communication in the Presence of Vibration 123 6.2.1 Experimental Design 123 6.2.2 Participants 124 6.2.3 Results 124 6.2.4 Summary 126 6.3 Quantitative Communication in the Presence of Vibration 126 6.3.1 Experimental Design 127 6.3.2 Participants 127 6.3.3 Results 127 6.3.4 Summary 129 6.4 Quantitative Communication in the Absence of Vibration 129 6.4.1 Experimental Design 130 6.4.2 Participants 132 6.4.3 Results 132 6.4.4 Summary 134 6.5 Summary and Discussion 135 7. Synthesis Models for the Translation of Sensory Tactile Properties into Vibration 137 7.1 Formalization of the Tactile Plausibility Illusion for Models 139 7.1.1 Formalization of Plausibility 139 7.1.2 Model Boundaries 143 7.2 Investigation of the Influence of Vibration Level on Attribute Ratings 144 7.2.1 Stimuli 145 7.2.2 Experimental Design 145 7.2.3 Participants 146 7.2.4 Results 146 7.2.5 Summary 148 7.3 Comparison of Modulated Vibration to Successive Impulse-like Vibration 148 7.3.1 Stimuli 149 7.3.2 Experimental Design 151 7.3.3 Participants 151 7.3.4 Results 151 7.3.5 Summary 153 7.4 Synthesis Based on the Discrete Estimates of a k-Nearest-Neighbor Classifier 153 7.4.1 Definition of the K-Nearest-Neighbor Classifier 154 7.4.2 Analysis Model 155 7.4.3 Synthesis Model 156 7.4.4 Interpolation of acceleration level for the vibration attribute profile pairs 158 7.4.5 Implementation of the Synthesis 159 7.4.6 Advantages and Disadvantages 164 7.5 Synthesis Based on the Quasi-Continuous Estimates of Regression Models 166 7.5.1 Overall Model Structure 168 7.5.2 Classification of the Excitation Pattern with a Support Vector Machine 171 7.5.3 General Approach to the Regression Models of each Excitation Pattern 178 7.5.4 Synthesis for the Impulse-like Excitation Pattern 181 7.5.5 Synthesis for the Bandlimited White Gaussian Noise Excitation Pattern 187 7.5.6 Synthesis for the Amplitude Modulated Sinusoidal Excitation Pattern 193 7.5.7 Synthesis for the Sinusoidal Excitation Pattern 199 7.5.8 Implementation of the Synthesis 205 7.5.9 Advantages and Disadvantages of the Approach 208 7.6 Validation of the Synthesis Models 210 7.6.1 Stimuli 212 7.6.2 Experimental Design 212 7.6.3 Participants 214 7.6.4 Results 214 7.6.5 Summary 219 7.7 Summary and Discussion 219 7.7.1 Summary 219 7.7.2 Discussion 222 8. General Discussion and Outlook 227 Acknowledgment 237 References 237 / Eines der zentralen Ziele des Designs von Produkten oder virtuellen Um-gebungen ist die Schaffung von Erfahrungen, die im beabsichtigten An-wendungskontext die Erwartungen der Benutzer erfüllen. Gegenwärtig versucht man im vibrotaktilen Authoring-Prozess mit ineffizienten Trial-and-Error-Verfahren, die Erwartungen an den dargestellten, virtuellen Situationskontext implizit zu erfüllen. Ein effizienteres, modellgetriebenes Verfahren, das explizit auf den taktilen Benutzererwartungen basiert, wäre daher von Vorteil. Im Alltag sind wir häufig verschiedenen Ganzkörper-schwingungen ausgesetzt. Abhängig von ihren zeitlichen und spektralen Eigenschaften assoziieren wir intuitiv bestimmte Wahrnehmungsmerkmale wie z.B. “kribbeln”. Dies legt eine systematische Beziehung zwischen physikalischen Parametern und Wahrnehmungsmerkmalen nahe. Um mit potentiellen Nutzern über hervorgerufene oder erwartete taktile Eigen-schaften zu kommunizieren, wird eine standardisierte Designsprache vor-geschlagen. Sie enthält eine Menge von sensorisch-taktilen Wahrneh-mungsmerkmalen, die hinreichend den Wahrnehmungsraum der im Alltag auftretenden Vibrationen charakterisieren. Diese Entwurfssprache ermög-licht die quantitative Beurteilung taktiler Wahrnehmungsmerkmale, die in Situationskontexten wie z.B. auditiv-visuell-taktilen Fahrzeugszenen her-vorgerufen werden. Solche Wahrnehmungsspezifikationen können jedoch auch bewertet werden, indem der Inhalt dieser Szenen verbal beschrieben wird. Quasi identische Bewertungen für beide Präsentationsmodi deuten darauf hin, dass die taktilen Benutzererwartungen quantifiziert werden können, noch bevor eine Vibration präsentiert wird. Die erwarteten Wahr-nehmungsspezifikationen sind die Voraussetzung für eine anschließende Übersetzung in physikalische Schwingungsparameter. Plausible Vibratio-nen können synthetisiert werden, indem die erwarteten Wahrnehmungs-merkmale hervorgerufen werden. Auf der Grundlage der beobachteten Beziehungen zwischen Schwingungs¬parametern und sensorisch-taktilen Wahrnehmungsmerkmalen wurden ein 1-Nearest-Neighbor-Modell und ein Regressionsmodell erstellt. Die Plausibilität der von diesen Modellen synthetisierten Schwingungen im Kontext virtueller, auditorisch-visuell-taktiler Fahrzeugszenen wurde in einer Wahrnehmungsstudie validiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die mit der Designsprache gewonnenen Wahr-nehmungsspezifikationen ausreichen, um Schwingungen zu synthetisieren, die in einem gegebenen Situationskontext als ebenso plausibel empfunden werden wie aufgezeichnete Schwingungen. Die demonstrierte Entwurfsme-thode stellt ein neues, effizienteres Werkzeug für Designer dar, die Schwingungen für virtuelle Umgebungen erstellen oder taktiles Feedback für Produkte erzeugen.:Preface III Abstract V Zusammenfassung VII List of Abbreviations XV 1 Introduction 1 1.1 General Introduction 1 1.1 Objectives of the Thesis 4 1.2 Structure of the Thesis 4 2. Tactile Perception in Real and Virtual Environments 7 2.1 Tactile Perception as a Multilayered Process 7 2.1.1 Physical Layer 8 2.1.2 Mechanoreceptor Layer 9 2.1.3 Sensory Layer 19 2.1.4 Affective Layer 26 2.2 Perception of Virtual Environments 29 2.2.1 The Place Illusion 29 2.2.2 The Plausibility Illusion 31 2.3 Approaches for the Authoring of Vibrations 38 2.3.1 Approaches on the Physical Layer 38 2.3.2 Approaches on the Mechanoreceptor Layer 40 2.3.3 Approaches on the Sensory Layer 40 2.3.4 Approaches on the Affective Layer 43 2.4 Summary 43 3. Research Concept 47 3.1 Research Questions 47 3.1.1 Foundations of the Research Concept 47 3.1.2 Research Concept 49 3.2 Limitations 50 4. Development of the Experimental Setup 53 4.1 Hardware 53 4.1.1 Optical Reproduction System 53 4.1.2 Acoustical Reproduction System 54 4.1.3 Whole-Body Vibration Reproduction System 56 4.2 Software 64 4.2.1 Combination of Reproduction Systems for Unimodal and Multimodal Presentation 64 4.2.2 Conducting Perceptual Studies 65 5. Assessment of a Sensory Tactile Design Language for Characterizing Vibration 67 5.1.1 Design Language Requirements 67 5.1.2 Method to Assess the Design Language 69 5.1.3 Goals of this Chapter 70 5.2 Tactile Stimuli 72 5.2.1 Generalization into Excitation Patterns 72 5.2.2 Definition of Parameter Values of the Excitation Patterns 75 5.2.3 Generation of the Stimuli 85 5.2.4 Summary 86 5.3 Assessment of the most relevant Sensory Tactile Perceptual Attributes 86 5.3.1 Experimental Design 87 5.3.2 Participants 88 5.3.3 Results 88 5.3.4 Aggregation and Prioritization 89 5.3.5 Summary 91 5.4 Identification of the Attributes forming the Design Language 92 5.4.1 Experimental Design 93 5.4.2 Participants 95 5.4.3 Results 95 5.4.4 Selecting the Elements of the Sensory Tactile Design Language 106 5.4.5 Summary 109 5.5 Summary and Discussion 109 5.5.1 Summary 109 5.5.2 Discussion 111 6. Quantification of Expected Properties with the Sensory Tactile Design Language 115 6.1 Multimodal Stimuli 116 6.1.1 Selection of the Scenes 116 6.1.2 Recording of the Scenes 117 6.1.3 Recorded Stimuli 119 6.2 Qualitative Communication in the Presence of Vibration 123 6.2.1 Experimental Design 123 6.2.2 Participants 124 6.2.3 Results 124 6.2.4 Summary 126 6.3 Quantitative Communication in the Presence of Vibration 126 6.3.1 Experimental Design 127 6.3.2 Participants 127 6.3.3 Results 127 6.3.4 Summary 129 6.4 Quantitative Communication in the Absence of Vibration 129 6.4.1 Experimental Design 130 6.4.2 Participants 132 6.4.3 Results 132 6.4.4 Summary 134 6.5 Summary and Discussion 135 7. Synthesis Models for the Translation of Sensory Tactile Properties into Vibration 137 7.1 Formalization of the Tactile Plausibility Illusion for Models 139 7.1.1 Formalization of Plausibility 139 7.1.2 Model Boundaries 143 7.2 Investigation of the Influence of Vibration Level on Attribute Ratings 144 7.2.1 Stimuli 145 7.2.2 Experimental Design 145 7.2.3 Participants 146 7.2.4 Results 146 7.2.5 Summary 148 7.3 Comparison of Modulated Vibration to Successive Impulse-like Vibration 148 7.3.1 Stimuli 149 7.3.2 Experimental Design 151 7.3.3 Participants 151 7.3.4 Results 151 7.3.5 Summary 153 7.4 Synthesis Based on the Discrete Estimates of a k-Nearest-Neighbor Classifier 153 7.4.1 Definition of the K-Nearest-Neighbor Classifier 154 7.4.2 Analysis Model 155 7.4.3 Synthesis Model 156 7.4.4 Interpolation of acceleration level for the vibration attribute profile pairs 158 7.4.5 Implementation of the Synthesis 159 7.4.6 Advantages and Disadvantages 164 7.5 Synthesis Based on the Quasi-Continuous Estimates of Regression Models 166 7.5.1 Overall Model Structure 168 7.5.2 Classification of the Excitation Pattern with a Support Vector Machine 171 7.5.3 General Approach to the Regression Models of each Excitation Pattern 178 7.5.4 Synthesis for the Impulse-like Excitation Pattern 181 7.5.5 Synthesis for the Bandlimited White Gaussian Noise Excitation Pattern 187 7.5.6 Synthesis for the Amplitude Modulated Sinusoidal Excitation Pattern 193 7.5.7 Synthesis for the Sinusoidal Excitation Pattern 199 7.5.8 Implementation of the Synthesis 205 7.5.9 Advantages and Disadvantages of the Approach 208 7.6 Validation of the Synthesis Models 210 7.6.1 Stimuli 212 7.6.2 Experimental Design 212 7.6.3 Participants 214 7.6.4 Results 214 7.6.5 Summary 219 7.7 Summary and Discussion 219 7.7.1 Summary 219 7.7.2 Discussion 222 8. General Discussion and Outlook 227 Acknowledgment 237 References 237

How congruence cues and congruence-based expectations may together shape perception in virtual reality (VR) still need to be unravelled. We linked the concept of plausibility used in VR research with congruence-based modulation by assessing brain responses while participants experienced vehicle riding experiences in VR scenarios. Perceptual plausibility was manipulated by sensory congruence, with multisensory stimulations confirming with common expectations of road scenes being plausible. We hypothesized that plausible scenarios would elicit greater cortical responses. The results showed that: (i) vibrotactile stimulations at expected intensities, given embedded audio-visual information, engaged greater cortical activities in frontal and sensorimotor regions; (ii) weaker plausible stimulations resulted in greater responses in the sensorimotor cortex than stronger but implausible stimulations; (iii) frontal activities under plausible scenarios negatively correlated with plausibility violation costs in the sensorimotor cortex. These results potentially indicate frontal regulation of sensory processing and extend previous evidence of contextual modulation to the tactile sense.

Mit der Interaktionstechnik der "direkten Objektmanipulation" für virtuelle Umgebungen wird angestrebt, virtuelle Objekte genauso realistisch und flexibel handhaben zu können, wie das bei realen Objekten der Fall ist. Das bedeutet, virtuelle Objekte können mittels eines Handmodells direkt berührt, ergriffen, getragen, gedrückt und gezogen werden. Diese Interaktionstechnik findet vor allem dort Anwendung, wo Objektmanipulationen möglichst realistisch simuliert und erfasst werden sollen, z.B. bei Ergonomieuntersuchungen, virtuellem Prototyping, Trainingssimulationen usw. Neben einigen Ansätzen zur technischen Umsetzung von direkten Objektmanipulationen werden in dieser Arbeit vor allem Konzepte und Verfahren entwickelt und vorgestellt, die eine Erfassung und Analyse von Benutzerinteraktionen unter Verwendung dieser Interaktionstechnik ermöglichen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Untersuchung von Greifvorgängen, insbesondere die automatische Erkennung von Greifarten. Dazu wurden mehrere ausführliche empirische Studien mit einer neuartigen systematischen Methodik durchgeführt, woraus sich Empfehlungen für die Wahl von Klassifikationsverfahren und die Zusammensetzung der Merkmale ergeben. Ein weiteres Ergebnis ist eine neue Taxonomie von Greifarten, die speziell auf den Einsatz in virtueller Realität zugeschnitten ist und sich durch die Integration nicht-prehensiler Greifarten auszeichnet. Als weiterer wesentlicher Beitrag wird ein Analyseverfahren vorgestellt, mit dem der kontinuierliche Strom von Bewegungs- und Interaktionsdaten in Sequenzen von diskreten sinntragenden Basisinteraktionen zerlegt werden kann. Diese Sequenzen können anschließend manuell ausgewertet oder im Rahmen des "Action Capture"-Verfahrens in eine abstrakte Aktionsrepräsentation überführt und durch unterschiedliche virtuelle Figuren wiedergegeben werden.:Abbildungsverzeichnis ix Tabellenverzeichnis xiii Verzeichnis der Listings xv 1. Einleitung 1 1.1. Wissenschaftlicher Kontext und Abgrenzung 2 1.2. Zielsetzung und Beitrag 3 1.3. Aufbau der Arbeit 5 2. Interaktion in virtuellen Umgebungen 7 2.1. Grundbegriffe 7 2.2. Techniken der Interaktion in virtuellen Umgebungen 10 2.2.1. Zeigerbasierte Interaktion 10 2.2.2. Multimodale Interaktion 11 2.2.3. Direkte Objektmanipulation 12 2.3. Eingabegeräte 14 2.3.1. Positionstracker 14 2.3.2. Datenhandschuh (Cyberglove) 15 2.3.3. Fingertracker 18 2.4. Virtuelle Objekte 20 2.4.1. Funktionale Komponenten virtueller Umgebungen 20 2.4.2. Artikulierte Objekte und Stellteile 21 2.4.3. Die Industrienorm EN 894-3 für Stellteile 23 2.5. Zusammenfassung 24 3. Direkte Objektmanipulation in der Realität 25 3.1. Menschliches Greifen 25 3.1.1. Anatomische Grundbegriffe der menschlichen Hand 26 3.1.2. Eigenschaften von Greifvorgängen 28 3.2. Taxonomien von Greifarten 31 3.2.1. Greifarten nach Schlesinger 32 3.2.2. Griffkategorien nach Napier 34 3.2.3. Taxonomie von Greifarten nach Cutkosky 37 3.2.4. Taxonomie von Greifarten nach Kamakura 38 3.3. Eine spezielle Grifftaxonomie für Objektmanipulationen in VR 41 3.3.1. Anforderungen an eine Grifftaxonomie 41 3.3.2. Erfüllung dieser Anforderungen durch bestehende Taxonomien 43 3.3.3. Entwurfsprozess der Taxonomie 44 3.3.4. Detailbeschreibung der neuen Taxonomie 46 3.4. Zusammenfassung 51 4. Umsetzung direkter Objektmanipulation in virtuellen Umgebungen 53 4.1. Annotierte Objekte 53 4.1.1. Deklaration annotierter Objekte 55 4.1.2. Szenende?nitionen 58 4.1.3. Implementierung annotierter Objekte 60 4.2. Virtuelle Stellteile 62 4.2.1. Implementierung virtueller Stellteile 62 4.2.2. Stellteilereignisse 66 4.3. Virtuelles Handmodell 67 4.3.1. Deklaration des Handmodells 69 4.3.2. Implementierung des Handmodells 70 4.3.3. Physikalisches Handmodell 72 4.4. Simulation des Greifens 72 4.4.1. Implementierung der Geometrie-basierten Simulation 74 4.4.2. Implementierung der Sensor-Kräfte-basierten Simulation 75 4.4.3. Implementierung der Dynamik-basierten Simulation 76 4.5. Zusammenfassung 77 5. Automatische Erkennung von Greifarten 79 5.1. Verwandte Arbeiten 80 5.2. Methodik 81 5.3. Erkennung basierend auf Rohdaten des Cyberglove 82 5.3.1. Erste Studie (CG-S-R): Cyberglove-Rohdaten, Schlesinger-Taxonomie, reale Objekte 83 5.3.2. Anschlussstudie zur Verbesserung der Generalisierungsfähigkeit 97 5.3.3. Zweite Studie (CG-H-R): Cyberglove-Rohdaten, neue Taxonomie, reale Objekte 108 5.4. Erkennung basierend auf Gelenkwinkeln des Fingertrackings 119 5.4.1. Dritte Studie (FT3-S-R): Fingertracking, Schlesinger-Taxonomie, reale Objekte 119 5.4.2. Vierte Studie (FT5-S-V): Fingertracking, Schlesinger-Taxonomie, virtuelle Objekte 130 5.5. Vergleichende Diskussion aller Studien 143 5.6. Zusammenfassung 146 6. Erfassung und Analyse von direkten Objektmanipulationen in virtuellen Umgebungen 149 6.1. Erfassung und Aufzeichnung von Interaktionen 149 6.1.1. Ebene 0 - Rohdaten der Eingabegeräte 150 6.1.2. Ebene 1 - Bewegungsdaten der Körpermodells 151 6.1.3. Ebene 2 - Interaktionsdaten 152 6.2. Basisinteraktionen 153 6.2.1. Taxonomie von Basisinteraktionen 153 6.2.2. Detailbeschreibung der Basisinteraktionen 154 6.3. Erkennung von Basisinteraktionen 157 6.3.1. Segmentierung der Bewegungen 158 6.3.2. Verarbeitung von Kontaktinformationen 160 6.3.3. Verarbeitung von Stellteilereignissen 161 6.3.4. Weiterverarbeitung von Basisinteraktionen 162 6.4. Interaktionsereignisse 162 6.4.1. Typen von Interaktionsereignissen 163 6.4.2. XML-Format 164 6.4.3. Typabhängige Inhalte 166 6.4.4. Sequenzen von Interaktionsereignissen 171 6.4.5. Visualisierung von Interaktionsereignissen 171 6.5. Interaktionsdatenbank 172 6.5.1. Interaktionskanäle 173 6.5.2. Aufzeichnungssitzungen 174 6.6. Zusammenfassung 176 7. Beispielszenarien 179 7.1. Objekt an andere Position tragen (pick and place) 180 7.1.1. Die Werkbank-Szene 180 7.1.2. Interaktionssequenz im Detail 181 7.2. Stellteilbedienung 191 7.2.1. Die Pult-Szene 191 7.2.2. Die Interaktionssequenz mit dem Stellteil im Detail 192 7.3. Beispiel eines virtuellen Prototyps 200 7.3.1. Die Autocockpit-Szene 200 7.3.2. Aufgezeichnete Aktionssequenz 201 7.4. Zusammenfassung 203 8. Zusammenfassung und Ausblick 205 8.1. Ergebnisse 205 8.2. Einbettung der Arbeit in das „Action Capture“-Verfahren 209 8.2.1. Automatische Generierung von Aktionsbeschreibungen 209 8.2.2. Erzeugung von Animationen 211 8.3. Diskussion: Limitierungen und Anwendbarkeit des vorgestellten Ansatzes 213 8.4. Ausblick 215 A. Schemata der XML-Formate 219 A.1. Interaktionsereignisse 219 A.2. Handsensoren 223 A.3. Annotierte Objekte 224 A.4. Szenenbeschreibung 226 B. Abkürzungsverzeichnis 227 Literaturverzeichnis 229

Traditionelle 3D-Anwendungsentwicklung für VR/AR verläuft in heterogenen Entwicklerteams unstrukturiert, ad hoc und ist fehlerbehaftet. Der präsentierte Roundtrip3D Entwicklungsprozess ermöglicht die iterativ inkrementelle 3D-Anwendungsentwicklung, wechselseitig auf Softwaremodell- und Implementierungsebene. Modelle fördern das gemeinsame Verständnis unter Projektbeteiligten und sichern durch generierte Schnittstellen gleichzeitiges Programmieren und 3D-Modellieren zu. Das Roundtrip3D Werkzeug ermittelt Inkonsistenzen zwischen vervollständigten 3D-Inhalten und Quelltexten auch für verschiedene Plattformen und visualisiert sie auf abstrakter Modellebene. Die gesamte Implementierung wird nicht simultan, sondern nach codegetriebener Entwicklung kontrolliert mit Softwaremodellen abgeglichen. Inkremente aus aktualisierten Softwaremodellen fließen in dann wieder zueinander konsistente Quelltexte und 3D-Inhalte ein. Der Roundtrip3D Entwicklungsprozess vereint dauerhaft Vorteile codegetriebener mit modellgetriebener 3D-Anwendungsentwicklung und fördert strukturiertes Vorgehen im agilen Umfeld.

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In dieser Dissertation untersuche ich das Zusammenspiel mentaler und körperlicher Prozesse, insbesondere den Einfluss von kontemplativem Mentaltraining (KMT) auf Interozeption (innerliches Spüren des Körpers) und physiologische Regulation. In einer großangelegten Trainingsstudie (n = 332, Trainingsdauer 3-9 Monate), der ReSource-Studie, zeige ich, dass KMT die interozeptive Genauigkeit in den Trainingskohorten erhöht, nicht jedoch in einer Retest-Kontrollgruppe. Die Steigerungen in interozeptiver Genauigkeit gehen mit Veränderungen im emotionalen Gewahrsein einher und sagen diese voraus. Im Einklang mit diesen Befunden berichten die Studienteilnehmenden von positiven Veränderungen in verschiedenen Dimensionen des Körpergewahrseins. Diese betreffen vor allem die Fähigkeit, Aufmerksamkeit auf Körperempfindungen aufrechtzuerhalten sowie deren Gebrauch zur Emotionserkennung und -regulation. Ich beschreibe eine neuentwickelte Biofeedback-Aufgabe, welche die Fähigkeit misst, willentlich die hochfrequente Herzratenvariabilität (HF-HRV) hochzuregulieren, wodurch die willentliche parasympathische Kontrollfähigkeit (WPK) indiziert wird. Ich zeige, dass individuelle Unterschiede in WPK mit dem Oxytocin-Rezeptorgen-Polymorphismus rs53576 zusammenhängen und mit individuellen Unterschieden im altruistisch motivierten Verhalten korrelieren. WPK wird durch KMT verbessert, wobei diese Verbesserungen durch den rs53576 Genotyp moduliert werden. In einer weiteren Untersuchung zeige ich, dass retrospektive, subjektive Berichte über eine emotional erregende Erfahrung teilweise die objektiv gemessene körperliche Erregung widerspiegeln. Das Ausmaß dieser körperlich-mentalen Kohärenz ist abhängig von der interozeptiven Genauigkeit. Zusammengenommen vertiefen diese Studien unser Verständnis des Zusammenspiels von physiologischen und mentalen Prozessen und zeigen wie KMT das innerliche Spüren des Körpers und die willentliche physiologische Regulation verbessert. / In this dissertation, I investigate interactions between mental and bodily processes, specifically by studying the influence of contemplative mental training (CMT) on interoception (inner body sensing) and physiological regulation. In a large-scale mental training study (n = 332, training durations 3–9 months), the ReSource Project, I find that CMT increases interoceptive accuracy in the training cohorts, but not in a retest control cohort. These increases in interoceptive accuracy co-occur with and predict improvements in emotional awareness. In line with these objective data on interoception, participants self-report training-related benefits on multiple dimensions of body awareness. The strongest changes occur in the ability to sustain attention to body sensations and the use of this ability to identify and regulate emotions. I also introduce a novel biofeedback task that measures the ability to voluntarily upregulate high frequency heart rate variability (HF-HRV), indicative of voluntary parasympathetic control. Cross-sectional data of the ReSource Project show that individual differences in voluntary parasympathetic control are related to the oxytocin receptor gene rs53576 polymorphism and correlate to individual differences in altruistically motivated behavior. Furthermore, CMT improves various aspects of voluntary HF-HRV regulation, with modulation of these improvements by rs53576 genotype. An additional investigation in cross-sectional data shows that subjective retrospective reports of an emotionally arousing experience partially mirror the objectively measured bodily arousal during the actual experience. Individual differences in this mind–body coherence are related to individual differences in interoceptive accuracy. Together, these studies highlight the tight interplay between physiological and mental processes and show how CMT improves inner body sensing and voluntary physiological regulation.

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In der vorliegenden Dissertation wurde ein datengetriebenes Verfahren zum maschinellen Lernen von Mensch-Roboter Interaktionen auf Basis von Mensch-Mensch Demonstrationen entwickelt. Während einer Trainingsphase werden Bewegungen zweier Interakteure mittels Motion Capture erfasst und in einem Zwei-Personen Interaktionsmodell gelernt. Zur Laufzeit wird das Modell sowohl zur Erkennung von Bewegungen des menschlichen Interaktionspartners als auch zur Generierung angepasster Roboterbewegungen eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird in drei komplexen Anwendungen evaluiert, die jeweils kontinuierliche Bewegungskoordination zwischen Mensch und Roboter erfordern. Das Ergebnis der Dissertation ist ein Lernverfahren, das intuitive, zielgerichtete und sichere Kollaboration mit Robotern ermöglicht.