Studenten - Wettbewerb Antragsformular - DECKBLATT

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NR: Vorname Florian

Name Güldenpfennig Geburtsdatum 18.07.81

Adresse Fuhrmannsgasse 13/11, Wien Postleitzahl 1080

Telefon 0660 5081116 Emailadresse flo@igw.tuwien.ac.at

Name, Adresse von Institut/ Hochschule

TU Wien, Institut für Gestaltungs- und Wirkungsforschung, Argentinierstraße 8, 1040 Wien

Studienrichtung Informatik Kurzbiografie/ Lebenslauf Bitte nur den nebenstehenden Raum verwenden! Das gesamte Deckblatt darf den Umfang dieser A4-Seite nicht überschreiten.

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!!!!!!!!!!!!"#$%&'(#)*!Seit 10/2010 Seit Winter-Semester 2006/2007 03/2008 – 02/2011

03/2008 – 11/2009 10/2004 – 03/2008 10/2003 – 03/2004 09/2000 – 06/2002 09/1992 – 07/1999 08/1999 – 06/2000

Technische Universität Wien Doktoratsstudium der technischen Wissenschaften Universität Wien Diplomstudium Psychologie Technische Universität Wien Masterstudium Medizinische Informatik Abschluss mit Auszeichnung (01.02.2011) Technische Universität Wien Masterstudium Informatikmanagement Abschluss mit Auszeichnung (03.11.2009) Technische Universität Wien und Medizinische Universität Wien Bachelorstudium Medizinische Informatik (Abschluss 05.03.2008) Medizinische Hochschule Hannover (Deutschland) Studium der Zahnmedizin Spessart Gymnasium Alzenau (Deutschland) Allgemeine Hochschulreife (Abschluss 28.06.2002) Northfield Mount Hermon School (USA) Auslands-Schuljahr

!!!!!!!!!!!+,-#.$,-./0-#)* Seit 05/2010

04/2008 – 04/2010

Fakultät für Informatik, Technische Universität Wien HCI Group (Human Computer Interaction) Universitätsassistent Fakultät für Psychologie, Universität Wien Brain Research Lab (Biologische Psychologie) Software Entwicklung (Teilzeit: 50%)

!!!!!!!!!!!1,&2,-,!"32&4&252,)!05/2004 – 08/2004

12/2002 – 09/2003

Kreiskrankenhaus Wasserlos (Deutschland) Krankenpflege-Praktikum Sozialstation Appel & Hofmann, Hösbach (Deutschland) Zivildienst

Bestätigung Ich bestätige mit der Übermittlung dieses Antrags, dass ich die im Projektantrag beschriebene Idee selbst entwickelt habe.

Unterschrift

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NR:

Beschreibung der behinderten Person mit besonderem Schwerpunkt auf die Problemstellung, zu der eine technische Lösung gefunden werden soll (z.B. Situations-erzählung: Anwendungsfall, Szenario, Beschreibung des Problemkontext, etc) Umfang: Mindestens 1 A4 Seite bis maximal 2 A4 Seiten !

!"#$%&'(&')*+,'-&"($.Ziel des Projektes ist es, eine umhängbare Foto-Kamera herzustellen, welche zwei besondere Auslösemechanismen aufweist:

1. Die Kamera soll in bestimmten Situationen automatisch ausgelöst werden. Sie stellt somit einen Datenlogger dar, welcher visuelles Material zur Analyse der Situation zum Zeitpunkt der Fotoaufnahme liefert. Konkret soll die Kamera in diesem Projekt durch Spasmen der Hand ausgelöst werden.

2. Die Kamera soll durch einen speziellen Knopf manuell von Menschen ausgelöst werden können, für die der Gebrauch marktgängiger Fotogeräte nicht möglich ist.

/",0'.12,)3'44"($.5').6'()*+'(7.#8,.5'(.'-('.9,2&4':4;)"($.$'#"(5'(.<',5'(.)244.Tobias ist ein sehr aktiver junger Mann (24 Jahre alt), der vor einigen Monaten seine Ausbildung zum Bürokaufmann als Jahrgangsbester beendet hat. Bis zu diesem Abschluss war es für Tobias ein langer und harter Weg, denn für ihn galt es nicht nur den Lernstoff zu meistern, sondern vor allem eine körperliche Behinderung zu bewältigen. – Täglich wendet Tobias mehrere Stunden harte Arbeit für die Therapie der Behinderung (infantile Cerebralparese) auf und wird dabei ergänzend durch Fachkräfte für Physiotherapie, Ergotherapie, Hippotherapie und manuelle Therapie unterstützt. Durch seine eiserne Trainings-Disziplin haben sich bei Tobias über die Jahre hinweg einige beachtliche Erfolge eingestellt. Heute ist es Tobias zum Beispiel möglich, sich einige Schritte ohne fremde Hilfestellung mit einer Gehhilfe fortzubewegen oder selbstständig mit Messer und Gabel zu essen. Fortschritte wie diese stellen große Leistungen dar und er ist fest entschlossen, seine Therapie weiter konsequent zu verfolgen. In den Fokus dieser Projektbeschreibung rücken nun die Arme von Tobias, denn er leidet unter Muskelhypertonie, die auch im Bereich der Hände Ursache für Fehlstellungen ist. Für dieses Problem soll eine technische Hilfestellung gefunden werden.

9,2&4':)3'44"($.Körperliche oder emotionale Anspannung führen bei Menschen mit Cerebralparese häufig zu Spasmen. Bei Tobias treten diese bevorzugt an den Händen in Erscheinung. Allerdings neigt Tobias auch oftmals in entspannten Situationen dazu, eine Fehlstellung seiner Hände einzunehmen. Ein konkretes Ziel von Tobias ist es daher, den Spannungszustand der Muskulatur bzw. die Fehlstellung seiner Hände zu verbessern. Es ist seine eigne Erfahrung und Feststellung, dass er das Entspannen und Einnehmen der korrekten Stellung trainieren kann. Tobias berichtet, dass er in der Lage ist, die Haltung der Hände zu korrigieren und schmerzhaften

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Verkrampfungen vorzubeugen, wenn er sich nur der Fehlstellung gewahr wird oder einen entsprechenden Hinweis durch andere bekommt. Da die Spasmen stark situationsabhängig auftreten, ist Tobias sehr daran interessiert, kritische Situationen und auch belastete Aktivitäten zu identifizieren. Hierbei ergeben sich durch moderne Technik neue Möglichkeiten und Chancen. Auf den folgenden Seiten wird eine Foto-Kamera skizziert, die um den Hals getragen Bilder aus der „Ich-Perspektive“ liefert. Ein besonderes Merkmal dieser Kamera ist, dass sie passiv ausgelöst wird. – Ein Handschuh, welcher den Muskeltonus der Hand misst, dient der Kamera als Auslöser, wenn die Handhaltung in eine Fehlstellung übergeht. Dieses Setup resultiert in einer Reihe von Fotografien, die „kritische“ Situationen zeigen. Mit Hilfe dieser Bilder hofft Tobias besser zu verstehen, wann seine Spasmen / Fehlhaltungen auftreten, um diesen in Zukunft zielgerichtet entgegentreten zu können. Darüber hinaus hätte Tobias gerne einen kleinen und vor allem unauffälligen Vibrationsalarm (im Handschuh), welcher ihn auf das Eintreten einer Fehlhaltung im Moment des Geschehens aufmerksam macht. Neben der Funktion von Handschuh und Kamera, kritische Situationen „zu loggen“ (speichern), kann dieses Gerät (von nun an als HandCam bezeichnet) Tobias einen weiteren großen Wunsch erfüllen: Durch das Anbringen eines zusätzlichen Auslöser-Knopfes am Handschuh kann Tobias endlich eigenständig Fotos aufnehmen.

9%))-='.>-45%"#(%+:'?.!(<'(5"($))0'(%,-2.Tobias hat eine Woche lang HandCam von morgens bis abends getragen. Die Kamera hat einige Fotos gemacht. Mit der Hilfe eines Freundes werden die Logdateien auf seinen Rechner übertragen. Durch die HandCam PC-Software ist sofort ersichtlich, wie häufig es in dieser Woche zu Spasmen gekommen ist. Tobias hat offensichtlich eine gute Woche hinter sich, denn der Trend ist rückläufig. Allerdings fällt ihm beim Durchsehen der Bilder auf, dass er relativ häufig beim Zähneputzen in eine schlechte Handhaltung gefallen ist. Bei dem nächsten Termin mit seiner Ergotherapeutin wird Tobias dies zur Ansprache bringen und um entsprechende Übungen bitten.

!@3-='.>-45%"#(%+:'?.!(<'(5"($))0'(%,-2.Tobias reist gerne und hat schon bei so manchem Trip bedauert, nicht einfach mal einen Schnappschuss machen zu können. Mit HandCam ist dies endlich möglich, denn ein einfacher Druck auf den großen, aus leitfähigen Stoff hergestellten Knopf am Handschuh genügt, um aktiv eine Aufnahme auszulösen. Auch im alltäglichen Leben greift Tobias gerne auf diese Funktion zurück. – Zum einem pragmatisch, um sich „Foto-Memozettel“ zu erstellen. Zum anderen genießt es Tobias, scheinbar zweckfreie Erinnerungsfotos aufnehmen zu können, wie viele andere Menschen dies auch gerne tun.

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Beschreibung der Idee/des Lösungsansatzes, mit der/dem die technische Lösung gefunden werden soll – unter Einbindung von ersten Skizzen und Visualisierungen sowie technischen Lösungsansätzen. Umfang: Mindestens 2 A4 Seiten bis maximal 5 A4 Seiten !

A%(5B%:.HandCam setzt sich aus zwei Geräten zusammen: einem Handschuh mit integriertem Sensor sowie einer umhängbaren Kamera (siehe Abbildung 1). Eine Produkt-Recherche hat keine geeigneten gebrauchsfertigen Geräte ausfindig machen können [1]. - Der Sensorhandschuh muss auf jeden Fall eigens angefertigt werden. Als Kamera könnte eventuell ein speziell programmiertes Smart Phone eingesetzt werden. Eine Reihe von Gründen spricht jedoch dafür, auch die Kamera selbst zu bauen. Daher wird deren Herstellung im Folgenden detailliert beschrieben. Vor- und Nachteile der Verwendung eines Smart Phones werden nach der Darlegung der Ideen für die selbstgebaute Kamera erläutert.

Abbildung 1: HandCam – Handschuh mit Flex-Sensor-Streifen (links) und Umhänge-Kamera (rechts). Die Kamera wird durch den Handschuh über eine Funkverbindung ausgelöst, sobald sich die Hand - wie in der Abbildung dargestellt – verkrampft bzw. in eine Fehlstellung gerät.

Neben der Hardware soll eine Desktop Applikation erstellt werden, welche die Logdateien und Fotos aufbereitet. Dabei wird es sich um keine komplexe Software handeln, einzig das übersichtliche Durchgehen der zu den unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Fotos muss gewährleistet sein. Die technische Lösung besteht insgesamt also aus Kamera, Sensorhandschuh und Fotoverwaltungssoftware. Tobias wird bei der Verwendung der verschiedenen Produkte nicht völlig ohne die Hilfe seiner Familie / Freunde auskommen können.

C',.D'()2,+%(5)*+"+.Seit einigen Jahren erfreut sich die Gemeinschaft der Hobby-ElektronikerInnen einem stetigen Zuwachs. Projekte wie das Arduino Board [2] haben die Einstiegs-Barrieren in die Microcontroller-Programmierung stark gesenkt. Wir werden für diesen Entwurf auf das Arduino Board, sowohl für den Handschuh, als auch für die Kamera zurückgreifen, um eine möglichst einfache, schnelle und zuverlässige Implementierung zu gewährleisten. Details zu den einzelnen Bauteilen des Handschuhs und deren Verschaltung sind in Abbildung 2 und in der Materialtabelle des Anhangs dargestellt. In den Sensorhandschuh werden ein Arduino Board (Modul M1), eine Spannungsquelle (M3), ein Biegungssensor (Komponente C1), eine Taste (C2), sowie ein Radio Frequency Transmitter (M2) verbaut.

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Außerdem kann ein Vibrationsmotor (C3) an den Arduino angeschlossen werden. All dies sollte aufgrund der geringen Abmessungen und des geringen Gewichtes der Bauteile ohne Probleme möglich sein. – Zudem konnten im Rahmen einer Masterarbeit bereits erste Erfahrungen mit dem Bau / der Idee des Sensorhandschuhs (jedoch mit abgewandelter Technik und Funktion) gesammelt werden. Sobald der Biegungssensor einen kritischen Wert erreicht oder die Taste gedrückt wird, veranlasst der Arduino mit Hilfe des Transmitters die Umhänge-Kamera (welche einen Receiver beinhaltet), eine Foto-Aufnahme zu tätigen.

C-'.":+E($&%,'./%:',%.Abbildung 3 zeigt den Schaltplan für die zu bauende Kamera. Sobald der Receiver (M6) ein Auslöser-Signal empfängt, „triggert“ der Arduino Microcontroller (M4) ein angeschlossenes Board (M5), welches die Kommunikation mit dem Kamera-Modul (M7) und mit der SD Karte regelt (integriert in M5). Auf diese Weise kann durch das einfache Anlegen von 5 Volt an den Trigger Pin (befindet sich auf M5) ein JPEG-komprimiertes Foto auf SD Karte aufgezeichnet werden. Anmerkungen zu den Sensoren: Als Alternative zu herkömmlichen Biegesensoren und Tasten können diese Bauteile auch aus Stoff und leitfähigen Materialien (z.B. Velostat) hergestellt werden [3]. Somit würde die HandCam über individuelle und „weiche“ Sensoren verfügen, die sich optimal in den Handschuh einfügen.

/2::"(-@%3-2(.0<-)*+'(.D'()2,+%(5)*+"+."(5./%:',%.Abbildungen 2 und 3 bzw. die Materialtabelle zeigen kostengünstige Radio Frequency Transmitter und Receiver (M2, M6), welche über die UART TTL Schnittstelle angeschlossen werden können. Als Alternative sind ähnliche Module für die SPI Schnittstelle erhältlich, welche Arduino ebenfalls unterstützt. Unabhängig von dem verwendeten Interface sollte die aufgenommene Leistung der Funkmodule so gering wie nötig sein. Es wäre außerdem einen Versuch wert, die Auslösung der Kamera durch ein Infrarot Signal zu erproben, um die Belastung von elektromagnetischer Strahlung komplett zu eliminieren. Entsprechende Infrarot Transmitter / Receiver können anstelle der Radio Frequency Module (M2, M6) an das UART Interface angeschlossen werden, sollte sich das Aussenden von gerichteten Infrarot Signalen als ein zuverlässiger Foto-Auslöser (z.B. auch im Freien) erweisen.

C-'.C')@32F.D2#3<%,'.Die Desktop Software soll den Anwender beim Importieren, Verwalten und Sichten der Logdateien unterstützen. Wie bereits erwähnt, muss die Software nicht komplex sein, solange sie es ermöglicht, kritische Situationen zu identifizieren, in welchen es zu Spasmen kommt. Ein einfaches Java Programm, welches Betriebssystem-unabhängig auf allen Geräten läuft, sollte vollkommen ausreichend sein. Auch auf eine Datenbank kann verzichtet werden, wenn die Bilddateien und die Dateien für eventuelle Metadaten eindeutig von der Sofware bezeichnet werden.

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Abbildung 2: Schaltplan für die Elektronik des Sensorhandschuhs – Links: Arduino Board (basierend auf Atmega328) mit Sensoren und Funkmodul. Rechts: Spannungsversorgung für den Handschuh. Eine baugleiche Energiequelle soll auch für die umhängbare Kamera verwendet werden (siehe Abbildung 3). Module / Boards sind mit M1-M3 gekennzeichnet. Komponenten, die in diesem Proposal explizit beschrieben werden (im Text und/oder in der Materialtabelle) sind mit C1-C5 gekennzeichnet. Der optionale Vibrationsmotor C3 könnte mit einem zusätzlichen An/Aus Schalter versehen werden (nicht in der Abbildung dargestellt).

Abbildung 3: Schaltplan für die umhängbare Kamera. Neben Arduino (M4) und Receiver (M6) werden eine Kamera (M7) mit dazugehöriger Steuereinheit (M5) verbaut. C6 ist ein Knopf zum manuellen Auslösen der Kamera direkt am Gerät.

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G-(.D:%,3.9+2('.%4).":+E($&%,'./%:',%.Optional oder als Alternative zu der selbst gebauten Kamera könnte ein Android Smart Phone eingesetzt werden, welches in eine Umhänge-Tasche gesteckt wird (siehe Abbildung 4). Die Kommunikation mit dem Sensorhandschuh kann dann über Bluetooth erfolgen, denn derartige Modems können leicht an den Arduino angeschlossen werden. Moderne Smart Phones verfügen ohnehin über eine derartige Schnittstelle. Außerdem existiert eine Software Schnittstelle (Amarino API [4]), welche Arduino und Android Geräte äußerst einfach über Bluetooth miteinander kommunizieren lässt. Diese Möglichkeit ist beispielsweise bei dem Anbindungsversuch zwischen iPhone und Arduino nicht gegeben. Die wahrscheinlich einzige Schwierigkeit bei der Verwendung eines Android Smart Phones als passives Fotogerät wird darin bestehen, die Kamera jeder Zeit auslösen zu können, obwohl das Handy Display ausgeschaltet ist. Alle anderen benötigten Funktionalitäten sind standardmäßig in dem Android SDK und in der Amarino API verfügbar. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass ein bereits vorhandenes Smart Phone anstelle von einer eigens gebauten Kamera verwendet werden kann. Dieser Vorteil kann sich allerdings schnell zum Nachteil umkehren, wenn die Kamera nun zum Telefonieren etc. abgenommen werden muss. Dies ließe sich natürlich durch ein zweites Telefon beheben. Ein weiterer großer Vorteil einer Android Implementierung besteht darin, dass die aufgenommenen Bilder zugleich leicht via HTTP an einen Server geschickt werden können und sich das Anschließen der SD Karte an den PC somit erübrigt. Nachteilig im Vergleich zur selbstgebauten Kamera wäre sicherlich eine verkürzte Akku-Lebensdauer, die Größe des Geräts, das Gewicht und die höhere elektromagnetische Strahlung am Körper.

Abbildung 4: Prototyp einer Smart Phone Umhänge-Tasche für den Hals.

!(:',@"($'(."(5.H'#','(0'(..[1] Vicon vertreibt eine Kamera namens Revue (basierend auf Microsofts SenseCam). Dieser umhängbare Fotoapparat kommt den Anforderungen sehr nahe, kann aber nicht wie erforderlich über die Ferne ausgelöst werden. http://viconrevue.com, letzter Zugriff: 7.11.2011. [2] Arduino Platform. http://arduino.cc, letzter Zugriff: 7.11.2011. [3] Kobakant Wearable Technology. http://kobakant.at/DIY, letzter Zugriff: 7.11.2011. [4] Amarino. http://amarino-toolkit.net, letzter Zugriff: 7.11.2011

Öffnung für die Kamera-Optik

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!(+%($?.6%3',-%43%&'44'.:-3.5'(.<-*+3-$)3'(.>%"3'-4'(..Kürzel

Bezeichnung Beschreibung Abbildung Größe ca. (cm)

Preis ca.(€)

M1, M4

Arduino Board Pro Mini 5V

Microcontroller Board zum Auslesen der Sensoren und zum Ansteuern der Radio Frequency Funkmodule.

2.0 x 3.0

15.00

M2 RF Link Transmitter 434MHz

Radio Frequency Transmitter. Der entsprechende Receiver ist unter M6 aufgelistet.

1.5 x 2.5

5.00

M3 LiPo Ladegerät und Boost-Converter

LiPo Boost-Converter (3.7V!5V) und LiPo Ladegeärt auf einer kleinen Platine. Die Ladung erfolgt über Anschluss eines USB Kabels.

2.2 x 2.5

15.00

M5 JPEG Trigger Board inkl. SD Karte

Board zur Steuerung der Kamera (M7). Ein auf der Platine integrierter ATmega328 steuert Kamera und SD Card.

6.0 x 4.2

22.00

M6 RF Link Receiver

Radio Frequency Receiver für die Kommunikation mit M2. Auf diesem Weg wird die Kamera ausgelöst.

2.0 x 4.5

5.00

M7 LinkSprite JPEG Color Camera

VGA Kamera, die von M5 gesteuert wird. Niedrige, jedoch aus-reichende Auflösung.

3.2 x 3.2 x 2.5

51.00

C1 Flex Sensor Biegungsempfindlicher, resitiver Sensor. Alter-nativ kann ein Flex Sensor auch selbst hergestellt werden (siehe z.B. [3]).

0.5 x 12.0

13.00

C2 Taste Optionaler Knopf zum manuellem Auslösen von Bildern

Idealerweise selbst gebaut und daher „barrierefrei“.

2.0 x 2.0

2.00

C3 LilyPad Vibe Board

Vibrationsmotor 5V. Dieser Motor könnte an einen zusätzlichen An/Aus Schalter geschlossen werden.

2.0 x 2.0

13.00

C4 LiPo-Akku Polymer Lithium Ionen Batterie 3.7V, 850mAh. Aufladbar mit M3.

3.0 x 5.9 x 0.5

7.00

C5 Schalter Zum Ein- und Ausschalten von Kamera- und Handschuhmodul.

Idealerweise selbst gebaut und daher „barrierefrei“.

1.0 x 2.0

2.00

C6 Taste Optionaler Knopf zum manuellen Auslösen von Bildern.

Idealerweise selbst gebaut und daher „barrierefrei“.

2.0 2.0

2.00

Die Abbildungen in der Tabelle sind von den Herstellerseiten entnommen.