Schema matching is a basic problem in many database application domains, such as data integration, E-business, data warehousing, and semantic query processing. In current implementations, schema matching is typically performed manually, which has significant limitations. On the other hand, previous research papers have proposed many techniques to achieve a partial automation of the match operation for specific application domains. We present a taxonomy that covers many of these existing approaches, and we describe the approaches in some detail. In particular, we distinguish between schema-level and instance-level, element-level and structure-level, and language-based and constraint-based matchers. Based on our classification we review some previous match implementations thereby indicating which part of the solution space they cover. We intend our taxonomy and review of past work to be useful when comparing different approaches to schema matching, when developing a new match algorithm, and when implementing a schema matching component.

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Ziel der Arbeit war es, die zellulären Auswirkungen der Anwendung der Herz-Lungen-Maschine histologisch zu untersuchen und zu quantifizieren. Auf der Suche nach Ansätzen für die Kardioprotektion im Rahmen des kardiopulmonalen Bypasses wurden außerdem der Einfluss des Medikaments Minozyklin und des pulsatilen Perfusionsmodus der HLM auf die Gewebeschädigung analysiert. Die Untersuchung erfolgte am Tiermodell des Ferkels. Die 39 Versuchstiere wurden in fünf Versuchsgruppen eingeteilt: (1) Kontrollgruppe (n=9), (2) Kontrollgruppe mit Minozyklin (n=7), (3) laminare HLM-Gruppe (n=9), (4) laminare HLM-Gruppe mit Minozyklin (n=6) und (5) pulsatile HLM-Gruppe (n=8). Alle Versuchstiere wurden narkotisiert und sternotomiert. Die Tiere der drei HLM-Gruppen (Gruppen 3, 4 und 5) wurden im Anschluss an die Sternotomie kanüliert und an die HLM angeschlossen. Hierbei gab es zwei Versuchsgruppen mit laminarem, kontinuierlichem Flussprofil (Gruppen 3 und 4) und eine Versuchsgruppe mit pulsatilem Perfusionsmodus der HLM (Gruppe 5). Die Dauer der Aortenklemmung betrug 90 min. Für den kardialen Arrest wurde Kardioplegie (Custodiol®, Dr. Franz Köhler Chemie GmbH, Bensheim) verabreicht. Der Eingriff wurde unter hypothermen Bedingungen bei 28°C durchgeführt. Nach Wiedereröffnung der Aorta und Reperfusion wurde nach insgesamt 120 min von der HLM abgegangen. Danach schloss sich eine Rekonvaleszenzzeit von 90 min an. Für die Untersuchung des Effekts von Minozyklin wurde zwei Versuchsgruppen (Gruppen 2 und 4) zu zwei Zeitpunkten Minozyklin verabreicht (1. Gabe nach der Sternotomie 4 mg/kg KG, 2. Gabe nach Abgang von der HLM 2 mg/kg KG). Der Versuch endete mit der Euthanasierung der Versuchstiere und der Organentnahme. Für die immunhistochemische Analyse wurden zelluläre Marker für Hypoxie, Apoptose, nitrosativer zellulärer Belastung und Inflammation untersucht. Für die Beurteilung des Energiehaushalts wurde chromatographisch das Verhältnis aus ATP/ (ADP + AMP) im Myokard bestimmt. Die laminare HLM führte im Vergleich zur Kontrollgruppe zu einer signifikanten Erhöhung der Expression aller erhobener Parameter. Der mittels HPLC bestimmte Anteil energiereicher Substrate war für die laminare HLM im Vergleich zur Kontrolle signifikant reduziert. Die Daten für Minozyklin zeigen eine Abschwächung des myokardialen Ischämie- und Reperfusionsschadens im Zuge des Einsatzes der HLM. Die Minozyklin-Gabe resultiert in der signifikanten Reduktion der Expression des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF), 3-Nitrotyrosin (NT) und der Poly-(ADP)-Ribose (PAR) im Vergleich zur laminaren HLM-Gruppe ohne Minozyklin. Die zur Verfügung stehenden, energiereichen Phosphate waren für Minozyklin signifikant höher als bei der laminaren HLM. Für die Pulsation zeigen sich signifikante Effekte auf die Expression der Cleaved Caspase-3 (CC3), NT und PAR im Vergleich zur laminaren HLM. Durch den pulsatilen Perfusionsmodus wurde ebenfalls signifikant das Angebot energiereicher Phosphate im Myokard verbessert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung des laminaren kardiopulmonalen Bypasses zu einer Myokardschädigung – detektierbar anhand von Markern für Hypoxie, Apoptose, nitrosativer zellulärer Belastung und Inflammation - führt. Minozyklin und Pulsation haben kardioprotektive Eigenschaften hinsichtlich der Ischämie- und Reperfusionsschädigung. Histologisch wurden für beide protektive Ansätze antiapoptotische und antinitrosative Wirkungen nachgewiesen. Minozyklin und der pulsatile Perfusionsmodus verbesserten den Energiehaushalt des Myokards im Vergleich zur konventionellen, laminaren HLM. Alle getroffenen Aussagen sind jedoch aufgrund des angewandten Tiermodells und der geringen Stichprobenzahlen mit Einschränkung zu treffen. Für Minozyklin bleiben Fragen bezüglich der Sicherheit für die Anwendung bei kinderkardiochirurgischen Patienten sowie der Dosierung offen. Mit Blick auf die Pulsation muss betont werden, dass es hier nach wie vor an Leitlinien für die klinische Anwendung in der Kinderkardiochirurgie fehlt. Ebenfalls bleiben die zellulären Effekte des pulsatilen Flussmodus der HLM weitgehend ungeklärt. Weitere präklinische und klinische Studien müssen zeigen, ob Minozyklin und Pulsation zukünftig Eingang in die klinische Anwendung finden.:Abkürzungsverzeichnis 1 EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG 1.1 Prinzipien der Herz-Lungen-Maschine 1.1.1 Geschichtlicher Abriss der Entwicklung der Herz-Lungen-Maschine 1.1.2 Indikationen für die Anwendung der Herz-Lungen-Maschine 1.1.3 Aufbau der Herz-Lungen-Maschine 1.1.4 Besonderheiten im Betrieb der Herz-Lungen-Maschine in der Kinderherzchirurgie 1.2 Pathophysiologische Reaktionen des Körpers auf die Anwendung der Herz-Lungen-Maschine 1.2.1 Mortalität und postoperative Morbidität im Zusammenhang mit kinderherzchirurgischen Eingriffen 1.2.2 Pathomechanismen der Gewebeschädigung im Zuge der Anwendung der Herz-Lungen-Maschine 1.3 Protektive Ansätze zur Reduktion schädigender Einflüsse der Anwendung der Herz-Lungen-Maschine 1.3.1 Systemische Hypothermie 1.3.2 Kardioprotektion 1.3.3 Weitere pharmakologische Ansätze der Organprotektion im Rahmen des kardiopulmonalen Bypasses 1.3.4 Der Blutflussmodus während des kardiopulmonalen Bypasses 1.4 Problemstellung 2 VERSUCHSTIERE, MATERIALIEN UND METHODEN 24 2.1 Versuchstiere 2.2 Versuchsaufbau 2.3 Versuchsablauf 2.3.1 Anästhesie 2.3.2 Operative Versuchsdurchführung 2.3.3 Intraoperatives Monitoring 2.4 Probenaufbereitung und Paraffineinbettung 2.5 Herstellung der Schnittpräparate 2.6 Immunhistochemie 2.6.1 Negativkontrollen 2.6.2 Entparaffinisierung 2.6.3 Rehydrierung 2.6.4 Immunhistochemische Färbungsprotokolle 2.6.5 Nachbehandlung 2.7 Mikroskopie 2.8 Auswertung 2.9 High Performance Liquid Chromatography (HPLC) 2.10 Statistik 3 ERGEBNISSE 3.1 Immunhistochemische Analysen der Auswirkungen der Minozyklin-Gabe und des laminaren versus pulsagilen Blutflusses der Herz-Lungen-Maschine auf myokardiale Zellschädigung und Zelluntergang 3.1.1 Histologische Analyse der Expression des Apoptose- induzierenden Faktors in myokardialen Zellen 3.1.2 Histologische Analyse der Expression der Cleaved Caspase-3 in myokardialen Zellen 3.1.3 Histologische Analyse der Expression des Hypoxie-induzierten Faktors-1-alpha in myokardialen Zellen 3.1.4 Histologische Analyse der zytosolischen Anreicherung des Substrats Nitrotyrosin in myokardialen Zellen 3.1.5 Histologische Analyse der Anreicherung von Poly-ADP-Ribose in myokardialen Zellen 3.1.6 Histologische Analyse der Expression des Tumornekrosefaktors-alpha in myokardialen Zellen 3.2 Auswirkung von Minozyklin und pulsatilem Flussmodus der Herz-Lungen-Maschine auf den myokardialen Energiehaushalt 4 DISKUSSION 4.1 Modellbetrachtung 4.2 Auswertung der Wirkung von Minozyklin auf die Schädigung des myokardialen Gewebes im Rahmen der Behandlung mittels Herz-Lungen-Maschine 4.3 Vergleich der Effekte des laminaren und pulsatilen Blutflussmodus der Herz-Lungen-Maschine auf die Schädigung des myokardialen Gewebes 5 ZUSAMMENFASSUNG 6 LITERATURVERZEICHNIS 7 ANHANG 7.1 Tabellenverzeichnis 7.2 Abbildungsverzeichnis 7.3 Herstellungsprotokolle 7.3.1 Protokolle für Formalinfixierung und Paraffineinbettung 7.3.2 Protokolle zur Herstellung der Gebrauchslösungen für das histologische Arbeiten 7.3.3 Immunhistochemische Färbungsprotokolle 7.3.4 Protokoll für die High Performance Liquid Chromatography (HPLC) Eigenständigkeitserklärung Publikationen

While teleoperation of technical highly sophisticated systems has already been a wide field of research, especially for space and robotics applications, the automation industry has not yet benefited from its results. Besides the established fields of application, also production lines with industrial robots and the surrounding plant components are in need of being remotely accessible. This is especially critical for maintenance or if an unexpected problem cannot be solved by the local specialists. Special machine manufacturers, especially robotics companies, sell their technology worldwide. Some factories, for example in emerging economies, lack qualified personnel for repair and maintenance tasks. When a severe failure occurs, an expert of the manufacturer needs to fly there, which leads to long down times of the machine or even the whole production line. With the development of data networks, a huge part of those travels can be omitted, if appropriate teleoperation equipment is provided. This thesis describes the development of a telemaintenance system, which was established in an active production line for research purposes. The customer production site of Braun in Marktheidenfeld, a factory which belongs to Procter & Gamble, consists of a six-axis cartesian industrial robot by KUKA Industries, a two-component injection molding system and an assembly unit. The plant produces plastic parts for electric toothbrushes. In the research projects "MainTelRob" and "Bayern.digital", during which this plant was utilised, the Zentrum für Telematik e.V. (ZfT) and its project partners develop novel technical approaches and procedures for modern telemaintenance. The term "telemaintenance" hereby refers to the integration of computer science and communication technologies into the maintenance strategy. It is particularly interesting for high-grade capital-intensive goods like industrial robots. Typical telemaintenance tasks are for example the analysis of a robot failure or difficult repair operations. The service department of KUKA Industries is responsible for the worldwide distributed customers who own more than one robot. Currently such tasks are offered via phone support and service staff which travels abroad. They want to expand their service activities on telemaintenance and struggle with the high demands of teleoperation especially regarding security infrastructure. In addition, the facility in Marktheidenfeld has to keep up with the high international standards of Procter & Gamble and wants to minimize machine downtimes. Like 71.6 % of all German companies, P&G sees a huge potential for early information on their production system, but complains about the insufficient quality and the lack of currentness of data. The main research focus of this work lies on the human machine interface for all human tasks in a telemaintenance setup. This thesis provides own work in the use of a mobile device in context of maintenance, describes new tools on asynchronous remote analysis and puts all parts together in an integrated telemaintenance infrastructure. With the help of Augmented Reality, the user performance and satisfaction could be raised. A special regard is put upon the situation awareness of the remote expert realized by different camera viewpoints. In detail the work consists of: - Support of maintenance tasks with a mobile device - Development and evaluation of a context-aware inspection tool - Comparison of a new touch-based mobile robot programming device to the former teach pendant - Study on Augmented Reality support for repair tasks with a mobile device - Condition monitoring for a specific plant with industrial robot - Human computer interaction for remote analysis of a single plant cycle - A big data analysis tool for a multitude of cycles and similar plants - 3D process visualization for a specific plant cycle with additional virtual information - Network architecture in hardware, software and network infrastructure - Mobile device computer supported collaborative work for telemaintenance - Motor exchange telemaintenance example in running production environment - Augmented reality supported remote plant visualization for better situation awareness / Die Fernsteuerung technisch hochentwickelter Systeme ist seit vielen Jahren ein breites Forschungsfeld, vor allem im Bereich von Weltraum- und Robotikanwendungen. Allerdings hat die Automatisierungsindustrie bislang zu wenig von den Ergebnissen dieses Forschungsgebiets profitiert. Auch Fertigungslinien mit Industrierobotern und weiterer Anlagenkomponenten müssen über die Ferne zugänglich sein, besonders bei Wartungsfällen oder wenn unvorhergesehene Probleme nicht von den lokalen Spezialisten gelöst werden können. Hersteller von Sondermaschinen wie Robotikfirmen verkaufen ihre Technologie weltweit. Kunden dieser Firmen besitzen beispielsweise Fabriken in Schwellenländern, wo es an qualifizierten Personal für Reparatur und Wartung mangelt. Wenn ein ernster Fehler auftaucht, muss daher ein Experte des Sondermaschinenherstellers zum Kunden fliegen. Das führt zu langen Stillstandzeiten der Maschine. Durch die Weiterentwicklung der Datennetze könnte ein großer Teil dieser Reisen unterbleiben, wenn eine passende Fernwartungsinfrastruktur vorliegen würde. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Fernwartungssystems, welches in einer aktiven Produktionsumgebung für Forschungszwecke eingerichtet wurde. Die Fertigungsanlage des Kunden wurde von Procter & Gamble in Marktheidenfeld zur Verfügung gestellt und besteht aus einem sechsachsigen, kartesischen Industrieroboter von KUKA Industries, einer Zweikomponentenspritzgussanlage und einer Montageeinheit. Die Anlage produziert Plastikteile für elektrische Zahnbürsten. Diese Anlage wurde im Rahmen der Forschungsprojekte "MainTelRob" und "Bayern.digital" verwendet, in denen das Zentrum für Telematik e.V. (ZfT) und seine Projektpartner neue Ansätze und Prozeduren für moderne Fernwartungs-Technologien entwickeln. Fernwartung bedeutet für uns die umfassende Integration von Informatik und Kommunikationstechnologien in der Wartungsstrategie. Das ist vor allem für hochentwickelte, kapitalintensive Güter wie Industrierobotern interessant. Typische Fernwartungsaufgaben sind beispielsweise die Analyse von Roboterfehlermeldungen oder schwierige Reparaturmaßnahmen. Die Service-Abteilung von KUKA Industries ist für die weltweit verteilten Kunden zuständig, die teilweise auch mehr als einen Roboter besitzen. Aktuell werden derartige Aufgaben per Telefonauskunft oder mobilen Servicekräften, die zum Kunden reisen, erledigt. Will man diese komplizierten Aufgaben durch Fernwartung ersetzen um die Serviceaktivitäten auszuweiten muss man mit den hohen Anforderungen von Fernsteuerung zurechtkommen, besonders in Bezug auf Security Infrastruktur. Eine derartige umfassende Herangehensweise an Fernwartung bietet aber auch einen lokalen Mehrwert beim Kunden: Die Fabrik in Marktheidenfeld muss den hohen internationalen Standards von Procter & Gamble folgen und will daher die Stillstandzeiten weiter verringern. Wie 71,6 Prozent aller deutschen Unternehmen sieht auch P&G Marktheidenfeld ein großes Potential für frühe Informationen aus ihrem Produktionssystem, haben aber aktuell noch Probleme mit der Aktualität und Qualität dieser Daten. Der Hauptfokus der hier vorgestellten Forschung liegt auf der Mensch-Maschine-Schnittstelle für alle Aufgaben eines umfassenden Fernwartungskontextes. Diese Arbeit stellt die eigene Arbeiten bei der Verwendung mobiler Endgeräte im Kontext der Wartung und neue Softwarewerkzeuge für die asynchrone Fernanalyse vor und integriert diese Aspekte in eine Fernwartungsinfrastruktur. In diesem Kontext kann gezeigt werden, dass der Einsatz von Augmented Reality die Nutzerleistung und gleichzeitig die Zufriedenheit steigern kann. Dabei wird auf das sogenannte "situative Bewusstsein" des entfernten Experten besonders Wert gelegt. Im Detail besteht die Arbeit aus: - Unterstützung von Wartungsaufgaben mit mobilen Endgeräten - Entwicklung und Evaluation kontextsensitiver Inspektionssoftware - Vergleich von touch-basierten Roboterprogrammierung mit der Vorgängerversion des Programmierhandgeräts - Studien über die Unterstützung von Reparaturaufgaben durch Augmented Reality - Zustandsüberwachung für eine spezielle Anlage mit Industrieroboter - Mensch-Maschine Interaktion für die Teleanalyse eines Produktionszyklus - Grafische Big Data Analyse einer Vielzahl von Produktionszyklen - 3D Prozess Visualisierung und Anreicherung mit virtuellen Informationen - Hardware, Software und Netzwerkarchitektur für die Fernwartung - Computerunterstützte Zusammenarbeit mit Verwendung mobiler Endgeräte für die Fernwartung - Fernwartungsbeispiel: Durchführung eines Motortauschs in der laufenden Produktion - Augmented Reality unterstütze Visualisierung des Anlagenkontextes für die Steigerung des situativen Bewusstseins

Produktionssysteme mit Industrierobotern werden zunehmend komplex; waren deren Arbeitsbereiche früher noch statisch und abgeschirmt, und die programmierten Abläufe gleichbleibend, so sind die Anforderungen an moderne Robotik-Produktionsanlagen gestiegen: Diese sollen sich jetzt mithilfe von intelligenter Sensorik auch in unstrukturierten Umgebungen einsetzen lassen, sich bei sinkenden Losgrößen aufgrund individualisierter Produkte und häufig ändernden Produktionsaufgaben leicht rekonfigurieren lassen, und sogar eine direkte Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter ermöglichen. Gerade auch bei dieser Mensch-Roboter-Kollaboration wird es damit notwendig, dass der Mensch die Daten und Aktionen des Roboters leicht verstehen kann. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen müssen somit auch die Bedienerschnittstellen dieser Systeme verbessert werden. Als Grundlage für diese neuen Benutzerschnittstellen bietet sich Augmented Reality (AR) als eine Technologie an, mit der sich komplexe räumliche Daten für den Bediener leicht verständlich darstellen lassen. Komplexe Informationen werden dabei in der Arbeitsumgebung der Nutzer visualisiert und als virtuelle Einblendungen sichtbar gemacht, und so auf einen Blick verständlich. Die diversen existierenden AR-Anzeigetechniken sind für verschiedene Anwendungsfelder unterschiedlich gut geeignet, und sollten daher flexibel kombinier- und einsetzbar sein. Auch sollen diese AR-Systeme schnell und einfach auf verschiedenartiger Hardware in den unterschiedlichen Arbeitsumgebungen in Betrieb genommen werden können. In dieser Arbeit wird ein Framework für Augmented Reality Systeme vorgestellt, mit dem sich die genannten Anforderungen umsetzen lassen, ohne dass dafür spezialisierte AR-Hardware notwendig wird. Das Flexible AR-Framework kombiniert und bündelt dafür verschiedene Softwarefunktionen für die grundlegenden AR-Anzeigeberechnungen, für die Kalibrierung der notwendigen Hardware, Algorithmen zur Umgebungserfassung mittels Structured Light sowie generische ARVisualisierungen und erlaubt es dadurch, verschiedene AR-Anzeigesysteme schnell und flexibel in Betrieb zu nehmen und parallel zu betreiben. Im ersten Teil der Arbeit werden Standard-Hardware für verschiedene AR-Visualisierungsformen sowie die notwendigen Algorithmen vorgestellt, um diese flexibel zu einem AR-System zu kombinieren. Dabei müssen die einzelnen verwendeten Geräte präzise kalibriert werden; hierfür werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, und die mit ihnen dann erreichbaren typischen Anzeige- Genauigkeiten in einer Evaluation charakterisiert. Nach der Vorstellung der grundlegenden ARSysteme des Flexiblen AR-Frameworks wird dann eine Reihe von Anwendungen vorgestellt, bei denen das entwickelte System in konkreten Praxis-Realisierungen als AR-Benutzerschnittstelle zum Einsatz kam, unter anderem zur Überwachung von, Zusammenarbeit mit und einfachen Programmierung von Industrierobotern, aber auch zur Visualisierung von komplexen Sensordaten oder zur Fernwartung. Im Verlauf der Arbeit werden dadurch die Vorteile, die sich durch Verwendung der AR-Technologie in komplexen Produktionssystemen ergeben, herausgearbeitet und in Nutzerstudien belegt. / During recent years, production environments involving industrial robots have moved away from static, shielded production lines towards a more open, flexible and adaptable setup, where human and robot are working in close proximity or even collaborating on the same workpiece. This change necessitates improving existing user interfaces for these robots, to allow for an easier understanding of the complex robot data as well as simplifying their handling and programming. Augmented Reality (AR) is a technology that allows for realizing that: it enables the user to simply grasp complex spatial data by seeing it - appropriately visualized - in his natural work environment. This thesis introduces the Flexible Augmented Reality framework, an AR framework that allows for quick and easy realization of multiple monitor- or projection-based AR displays in the work environment of industrial robots, greatly simplifying and improving their handling without the use of specialized AR hardware. The developed framework combines and bundles all the necessary software functions and algorithms, among others for realizing the fundamental AR visualizations, calibrating the necessary hardware, capturing the display environment utilizing Structured Light and easily creating generic AR visualizations, to allow for fast deployment and parallel operation of multiple AR interfaces in different production and application fields. Among describing the developed algorithms as well as properties of the employed hardware, a thorough evaluation of the achievable display accuracy with standard hardware is given in this thesis. Finally, the framework was tested and evaluated in a number of different practical application scenarios involving industrial robot programming, remote surveillance and control, as well as intuitive sensor data display or remote maintenance. The developed solutions are presented in detail together with performed evaluations and user studies, exemplifying the framework's improvement of traditional industrial robot interfaces.

In den letzten Jahren ist die Forschung in der Robotik soweit fortgeschritten, dass die Mensch-Maschine Schnittstelle zunehmend die kritischste Komponente für eine hohe Gesamtperformanz von Systemen zur Navigation und Koordination von Robotern wird. In dieser Dissertation wird untersucht wie Mixed-Reality Technologien für Nutzerschnittstellen genutzt werden können, um diese Gesamtperformanz zu erhöhen. Hierzu werden Konzepte und Technologien entwickelt, die durch Evaluierung mit Nutzertest ein optimiertes und anwenderbezogenes Design von Mixed-Reality Nutzerschnittstellen ermöglichen. Er werden somit sowohl die technische Anforderungen als auch die menschlichen Faktoren für ein konsistentes Systemdesign berücksichtigt. Nach einer detaillierten Problemanalyse und der Erstellung eines Systemmodels, das den Menschen als Schlüsselkomponente mit einbezieht, wird zunächst die Anwendung der neuartigen 3D-Time-of-Flight Kamera zur Navigation von Robotern, aber auch für den Einsatz in Mixed-Reality Schnittstellen analysiert und optimiert. Weiterhin wird gezeigt, wie sich der Netzwerkverkehr des Videostroms als wichtigstes Informationselement der meisten Nutzerschnittstellen für die Navigationsaufgabe auf der Netzwerk Applikationsebene in typischen Multi-Roboter Netzwerken mit dynamischen Topologien und Lastsituation optimieren lässt. Hierdurch ist es möglich in sonst in sonst typischen Ausfallszenarien den Videostrom zu erhalten und die Bildrate zu stabilisieren. Diese fortgeschrittenen Technologien werden dann auch dem entwickelten Konzept der generischen 3D Mixed Reality Schnittselle eingesetzt. Dieses Konzept ermöglicht eine integrierte 3D Darstellung der verfügbaren Information, so dass räumliche Beziehungen von Informationen aufrechterhalten werden und somit die Anzahl der mentalen Transformationen beim menschlichen Bediener reduziert wird. Gleichzeitig werden durch diesen Ansatz auch immersive Stereo Anzeigetechnologien unterstützt, welche zusätzlich das räumliche Verständnis der entfernten Situation fördern. Die in der Dissertation vorgestellten und evaluierten Ansätze nutzen auch die Tatsache, dass sich eine lokale Autonomie von Robotern heute sehr robust realisieren lässt. Dies wird zum Beispiel zur Realisierung eines Assistenzsystems mit variabler Autonomie eingesetzt. Hierbei erhält der Fernbediener über eine Kraftrückkopplung kombiniert mit einer integrierten Augmented Reality Schnittstelle, einen Eindruck über die Situation am entfernten Arbeitsbereich, aber auch über die aktuelle Navigationsintention des Roboters. Die durchgeführten Nutzertests belegen die signifikante Steigerung der Navigationsperformanz durch den entwickelten Ansatz. Die robuste lokale Autonomie ermöglicht auch den in der Dissertation eingeführten Ansatz der prädiktiven Mixed-Reality Schnittstelle. Die durch diesen Ansatz entkoppelte Regelschleife über den Menschen ermöglicht es die Sichtbarkeit von unvermeidbaren Systemverzögerungen signifikant zu reduzieren. Zusätzlich können durch diesen Ansatz beide für die Navigation hilfreichen Blickwinkel in einer 3D-Nutzerschnittstelle kombiniert werden – der exozentrische Blickwinkel und der egozentrische Blickwinkel als Augmented Reality Sicht. / With the progress in robotics research the human machine interfaces reach more and more the status of being the major limiting factor for the overall system performance of a system for remote navigation and coordination of robots. In this monograph it is elaborated how mixed reality technologies can be applied for the user interfaces in order to increase the overall system performance. Concepts, technologies, and frameworks are developed and evaluated in user studies which enable for novel user-centered approaches to the design of mixed-reality user interfaces for remote robot operation. Both the technological requirements and the human factors are considered to achieve a consistent system design. Novel technologies like 3D time-of-flight cameras are investigated for the application in the navigation tasks and for the application in the developed concept of a generic mixed reality user interface. In addition it is shown how the network traffic of a video stream can be shaped on application layer in order to reach a stable frame rate in dynamic networks. The elaborated generic mixed reality framework enables an integrated 3D graphical user interface. The realized spatial integration and visualization of available information reduces the demand for mental transformations for the human operator and supports the use of immersive stereo devices. The developed concepts make also use of the fact that local robust autonomy components can be realized and thus can be incorporated as assistance systems for the human operators. A sliding autonomy concept is introduced combining force and visual augmented reality feedback. The force feedback component allows rendering the robot's current navigation intention to the human operator, such that a real sliding autonomy with seamless transitions is achieved. The user-studies prove the significant increase in navigation performance by application of this concept. The generic mixed reality user interface together with robust local autonomy enables a further extension of the teleoperation system to a short-term predictive mixed reality user interface. With the presented concept of operation, it is possible to significantly reduce the visibility of system delays for the human operator. In addition, both advantageous characteristics of a 3D graphical user interface for robot teleoperation- an exocentric view and an augmented reality view – can be combined.

Manifestations of aggressive driving, such as tailgating, speeding, or swearing, are not trivial offenses but are serious problems with hazardous consequences—for the offender as well as the target of aggression. Aggression on the road erases the joy of driving, affects heart health, causes traffic jams, and increases the risk of traffic accidents. This work is aimed at developing a technology-driven solution to mitigate aggressive driving according to the principles of Persuasive Technology. Persuasive Technology is a scientific field dealing with computerized software or information systems that are designed to reinforce, change, or shape attitudes, behaviors, or both without using coercion or deception. Against this background, the Driving Feedback Avatar (DFA) was developed through this work. The system is a visual in-car interface that provides the driver with feedback on aggressive driving. The main element is an abstract avatar displayed in the vehicle. The feedback is transmitted through the emotional state of this avatar, i.e., if the driver behaves aggressively, the avatar becomes increasingly angry (negative feedback). If no aggressive action occurs, the avatar is more relaxed (positive feedback). In addition, directly after an aggressive action is recognized by the system, the display is flashing briefly to give the driver an instant feedback on his action. Five empirical studies were carried out as part of the human-centered design process of the DFA. They were aimed at understanding the user and the use context of the future system, ideating system ideas, and evaluating a system prototype. The initial research question was about the triggers of aggressive driving. In a driver study on a public road, 34 participants reported their emotions and their triggers while they were driving (study 1). The second research question asked for interventions to cope with aggression in everyday life. For this purpose, 15 experts dealing with the treatment of aggressive individuals were interviewed (study 2). In total, 75 triggers of aggressive driving and 34 anti-aggression interventions were identified. Inspired by these findings, 108 participants generated more than 100 ideas of how to mitigate aggressive driving using technology in a series of ideation workshops (study 3). Based on these ideas, the concept of the DFA was elaborated on. In an online survey, the concept was evaluated by 1,047 German respondents to get a first assessment of its perception (study 4). Later on, the DFA was implemented into a prototype and evaluated in an experimental driving study with 32 participants, focusing on the system’s effectiveness (study 5). The DFA had only weak and, in part, unexpected effects on aggressive driving that require a deeper discussion. With the DFA, this work has shown that there is room to change aggressive driving through Persuasive Technology. However, this is a very sensitive issue with special requirements regarding the design of avatar-based feedback systems in the context of aggressive driving. Moreover, this work makes a significant contribution through the number of empirical insights gained on the problem of aggressive driving and wants to encourage future research and design activities in this regard. / Aggressives Fahren, egal ob Drängeln, Rasen oder Fluchen, ist kein Kavaliersdelikt, sondern ein ernstzunehmendes Problem mit schwerwiegenden Folgen—sowohl für den Täter als auch für das Opfer. Es nimmt die Freude am Fahren, beeinträchtigt die Herzgesundheit, verursacht Stau und erhöht das Unfallrisiko. Ziel dieser Arbeit war es daher nach den Prinzipien persuasiver Technologie (engl. Persuasive Technology) eine technische Lösung zu entwickeln, die aggressives Fahren verringert. Als persuasiv werden Systeme bezeichnet, die ein bestimmtes Verhalten oder eine bestimmte Einstellung ihres Nutzers verstärken, verändern oder formen, ohne dabei Zwang auf ihn auszuüben oder ihn zu täuschen. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen dieser Arbeit der sogenannte Driving Feedback Avatar (DFA) entwickelt. Das System ist eine visuelle Benutzerschnittstelle im Fahrzeug, die dem Fahrer Rückmeldung zu bestimmten aggressiven Verhaltensweisen gibt. Hauptelement ist ein abstrakter Avatar, der in einem Display angezeigt wird. Das Feedback selbst wird durch den emotionalen Zustand dieses Avatars vermittelt. Verhält sich der Fahrer aggressiv, wird er zunehmend wütender (negatives Feedback). Legt der Fahrer hingegen keine aggressiven Verhaltensweisen an den Tag, zeigt sich der Avatar nach und nach entspannter (positives Feedback). Darüber hinaus erhält der Fahrer ein sofortiges Feedback, indem das Display kurz aufblinkt, direkt nachdem eine aggressive Handlung vom System erkannt wurde. Zur Entwicklung des Systems wurden, unter Einsatz menschenzentrierter Forschungsmethoden, insgesamt fünf empirische Studien durchgeführt. Diese dienten dazu, den Nutzer und den Nutzungskontext des zukünftigen Systems zu verstehen, Ideen für mögliche Systeme zu entwickeln und die finale Lösung anhand eines Prototypens zu evaluieren. Zunächst stand dabei die Forschungsfrage im Raum, welche Auslöser für aggressives Fahren es heute gibt. In einer Fahrerstudie auf öffentlicher Straße berichteten dazu 34 Teilnehmer während der Fahrt von ihren Emotionen und deren Auslösern (Studie 1). Die zweite Forschungsfrage ergründete Maßnahmen zur Bewältigung von Aggression im Alltag. Hierzu wurden 15 Experten, die sich beruflich mit der Behandlung von aggressiven Personen befassen, interviewt (Studie 2). Insgesamt konnten so 75 Auslöser aggressiven Fahrens und 34 Maßnahmen zur Regulierung von Aggression im Allgemeinen abgeleitet werden. Inspiriert von diesen Erkenntnissen, entwickelten 108 Teilnehmer in einer Reihe von Workshops mehr als 100 Ideen, wie Aggression beim Fahren, unter Einsatz von Technologie, verringert werden könnte (Studie 3). Basierend auf diesen Ideen, entstand das Konzept des DFA. In einer Onlineumfrage mit 1.047 deutschen Teilnehmern wurde das Konzept evaluiert, um eine erste Bewertung der Wahrnehmung des Systems zu erhalten (Studie 4). Später wurde der DFA prototypisch umgesetzt und dessen Effektivität in einer Fahrerstudie unter experimentellen Bedingungen untersucht (Studie 5). Es zeigte sich, dass das System nur schwache und in Teilen auch unerwartete Effekte hat, die eine eingehende Diskussion verlangen. Diese Arbeit hat gezeigt, dass es möglich ist, aggressives Fahren mit Hilfe persuasiver Technologie zu beeinflussen. Jedoch ist dies ein sehr sensibles Vorhaben, das besondere Anforderungen an das Design Avatar-basierter Feedbacksysteme im Kontext aggressiven Fahrens stellt. Darüber hinaus leistet diese Arbeit vor allem aufgrund der gewonnenen empirischen Erkenntnisse rund um das Problem aggressiven Fahrens einen wichtigen Beitrag für Wissenschaft und Praxis und will zu weiteren Forschungs- und Designaktivitäten anregen.

From simply ringing a bell to preparing a five-course menu, human behavior commonly causes changes in the environment. Such episodes where an agent acts, thereby causing changes in their environment constitute the sense of agency. In this thesis four series of experi-ments elucidate how the sense of agency is represented in complex action-event sequences, thereby bridging a gap between basic cognitive research and real-life practice. It builds upon extensive research on the sense of agency in unequivocal sequences consisting of single ac-tions and distinct, predominantly auditory, outcomes. Employing implicit as well as explicit measures, the scope is opened up to multi-step sequences. The experiments show that it is worthwhile devoting more research to complex action-event sequences. With a newly introduced auditory measure (Chapter II), common phenomena such as temporal binding and a decrease in agency ratings following distorted feedback were replicated in multi-step sequences. However, diverging results between traditional implicit and explicit measures call for further inspection. Multisensory integration appears to gain more weight when multiple actions have to be performed to attain a goal leading to more accurate representations of the own actions (Chapter III). Additionally, freedom of choice (Chapter III) as well as early spatial ambiguity altered the perceived timing of outcomes, while late spatial ambi-guity (Chapter IV) and the outcome’s self-relevance did not (Chapter V). The data suggests that the cognitive system is capable of representing multi-step action-event sequences implicitly and explicitly. Actions and sensory events show a temporal attraction stemming from a bias in the perception of outcomes. Explicit knowledge about causing an event-sequence facilitates neither feelings of control nor taking authorship. The results corroborate current theorizing on the un-derpinnings of temporal binding and the divergence between traditional implicit and explicit measures of the sense of agency. Promising avenues for further research include structured analyses of how much inferred causality contributes to implicit and explicit measures of agency as well as finding alternative measures to capture conceptual as well as non-conceptual facets of the agency experience with one method. / Vom Läuten einer Klingel bis hin zum Kochen eines Fünf-Gänge Menüs – menschliches Handeln verändert die Umwelt. Situationen, in denen eine Person handelt und so Veränderungen in ihrer Umgebung bewirkt, konstituieren den Sense of Agency. Diese Arbeit präsentiert vier Experimentalreihen, die die Repräsentation des Sense of Agency in komplexen Handlungs-Ereignis-Sequenzen erforschen und so eine Brücke zwischen kognitiver Grundla-genforschung und Alltagspraxis schlagen. Aufbauend auf umfangreicher Forschung zum Sense of Agency in Sequenzen aus einzelnen Handlungen und eindeutigen, vorwiegend auditiven Handlungseffekten wird der Forschungsbereich durch Einsatz impliziter sowie expliziter Maße auf mehrschrittige Sequenzen erweitert. Mittels eines neuen auditiven Maßes (Kapitel II) wurden gängige Phänomene wie Temporal Binding und die Abnahme von Agency Ratings nach verfremdetem Feedback in mehrschrittigen Sequenzen repliziert. Müssen mehrere Handlungen ausgeführt werden, um ein Ziel zu erreichen, scheint multisensorische Integration stärker ins Gewicht zu fallen, was zu genaueren Repräsentationen der eigenen Handlungen führt (Kapitel III). Darüber hinaus veränderten Wahl-freiheit (Kapitel III) und frühe räumliche Ambiguität das wahrgenommene Timing von Hand-lungseffekten, späte räumliche Ambiguität (Kapitel IV) sowie Selbstrelevanz des Handlungsef-fekts taten dies nicht (Kapitel V). Die Daten deuten darauf hin, dass das kognitive System mehrschrittige Handlungs-Ereignis-Sequenzen sowohl implizit als auch explizit repräsentieren kann. Die zeitliche Kompression von Handlungs-Ereignis-Sequenzen ist auf eine Verzerrung der Wahrnehmung von Handlungseffekten zurückzuführen. Explizites Wissen über die Verursa-chung von Ereignis-Folgen fördert weder Kontrollerleben noch das Gefühl eigener Autoren-schaft. Die Ergebnisse bestätigen den derzeitigen Diskurs über die Grundlagen von Temporal Binding und die Divergenz zwischen den traditionellen impliziten und expliziten Maßen des Sense of Agency. Strukturierte Analysen zum Beitrag von Kausalität zu Sense of Agency sowie die Ent-wicklung alternativer Methoden zur Erfassung konzeptueller wie nicht-konzeptueller Facetten des Sense of Agency mit einem Maß würden zur Weiterentwicklung des Forschungsbereichs beitragen.