Implementierung Und Evaluation Einer Hand-Exoskelett-Steuerung Für Mobile Geräte
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Masterarbeit im Studiengang Computer Science and Media Implementierung und Evaluation einer Hand-Exoskelett-Steuerung für mobile Geräte vorgelegt von Sebastian Koch an der Hochschule der Medien Stuttgart am 14.08.2020 zur Erlangung des akademischen Grades eines Master of Science Erst-Prüfer: Prof. Dr. Gottfried Zimmermann Zweit-Prüfer: Tobias Ableitner, M. Sc. Das verwendete LATEX Template basiert auf der Arbeit von Karl Voit, die unter der CC BY-SA 3.0 Lizenz verwendet wurde. Der Text dieser Masterarbeit ist unter CC BY-SA 4.0 lizenziert. Ehrenwörtliche Erklärung Hiermit versichere ich, Sebastian Koch, ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Bache- lorarbeit (bzw. Masterarbeit) mit dem Titel: „Implementierung und Evaluation einer Hand-Exoskelett-Steuerung für mobile Geräte“ selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Die Stellen der Arbeit, die dem Wortlaut oder dem Sinn nach anderen Werken entnommen wur- den, sind in jedem Fall unter Angabe der Quelle kenntlich gemacht. Die Arbeit ist noch nicht veröffentlicht oder in anderer Form als Prüfungsleistung vorgelegt worden. Ich habe die Bedeutung der ehrenwörtlichen Versicherung und die prüfungsrecht- lichen Folgen (§ 26 Abs. 2 Bachelor-SPO (6 Semester), § 24 Abs. 2 Bachelor-SPO (7 Semester), § 23 Abs. 2 Master-SPO (3 Semester) bzw. § 19 Abs. 2 Master-SPO (4 Semester und berufsbegleitend) der HdM) einer unrichtigen oder unvollständigen ehrenwörtlichen Versicherung zur Kenntnis genommen. Unterschrift iii Kurzfassung Jeder Mensch könnte einen Schlaganfall erleiden, der eine der Hauptursachen für Be- hinderungen im erwachsenen Alter ist. Die Überlebenden haben oft Lähmungen und Spastiken und benötigen daher ständige Hilfe, da selbst die Ausführung der einfachs- ten alltäglichen Aufgaben eine unüberwindbare Herausforderung darstellen kann. Um den Betroffenen zu helfen, wurde im Rahmen des Forschungsprojekts KONSENS unter der Leitung des Universitätsklinikums Tübingen ein Hand-Exoskelett entwi- ckelt, das auch Schlaganfallpatienten nutzen können. Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung einer Steuerung für dieses Hand-Exoskelett auf der Google Glass, sowie Android Smartphones und Smartwatches. Der entstande- ne Prototyp wurde mit Studenten der Hochschule der Medien Stuttgart und Bekann- ten des Autors evaluiert. Diese Arbeit bildet den Zwischenstand der Evaluation nach zwanzig Probanden ab. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Vergleich der Nutzer- akzeptanz und Eignung verschiedener Ein- und Ausgabemethoden wie Touch-Input, Sprachsteuerung oder Eyetracking. Darüber hinaus fasst diese Arbeit auch aktuelle Richtlinien zur barrierefreien Imple- mentierung von Augmented-Reality-Anwendungen zusammen und vergleicht jene mit einem daraus abgeleiteten gemeinsamen Kriterienkatalog. iv Abstract Anyone could suffer a stroke, which is one of the major causes of disability inthe adult population. Survivors often experience problems due to paralysis and spastic- ity and thus require constant help, as even the simplest everyday tasks can pose an insurmountable challenge. To help those affected, the KONSENS research project led by the University Hospital in Tübingen developed a hand exoskeleton that can also be used by stroke patients. The goal of this work is to implement a control for this exoskeleton on Google Glass, as well as Android smartphones and smartwatches. The resulting prototype was evalu- ated with students of Stuttgart Media University and acquaintance of the author. This work presents the interim status of the evaluation after twenty test persons. The fo- cus is on comparing the user acceptance and suitability of different input and output methods such as voice control, eye tracking or touch input. Furthermore, this work also summarizes current guidelines for the accessible imple- mentation of augmented reality applications and compares them to a common catalog of criteria derived from them. v Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung .............................................................. 1 1.1 Aufbau der Masterarbeit ........................................... 2 2 Grundlagen ............................................................ 4 2.1 Exoskelett-Systeme ................................................ 4 2.1.1 Kategorisierung............................................. 5 2.1.2 Anwendungen .............................................. 6 2.1.3 Steuerung von Exoskelett-Systemen .......................... 9 2.1.4 Verwendetes Hand-Exoskelett ............................... 10 2.2 Augmented Reality ................................................ 12 2.2.1 Reality-Virtuality Continuum ................................ 12 2.2.2 Gestaltung von Anwendungen auf Google Glass. 14 2.3 Technische Grundlagen ............................................ 15 2.3.1 In-Memory Data Grids (IMDG) .............................. 16 2.3.2 Hybride Apps .............................................. 17 3 Methodik .............................................................. 19 3.1 Technische Methodik............................................... 20 3.2 Theoretische Methodik ............................................. 21 4 AR- und VR-Richtlinien ................................................ 22 4.1 XR Accessibility User Requirements (W3C) .......................... 23 vi Inhaltsverzeichnis 4.2 ETSI EN 301 549 ................................................... 27 4.3 Apple Human Interface Guidelines ................................. 31 4.4 Google Augmented Reality Design Guidelines ....................... 37 4.5 Abgeleiteter Kriterienkatalog ....................................... 42 4.6 Vergleich der Richtlinien ........................................... 50 5 Implementierung ....................................................... 55 5.1 Verwendete Hardware ............................................. 55 5.2 Ein- und Ausgabe .................................................. 58 5.2.1 Eingabeverfahren ........................................... 58 5.3 Benutzeroberfläche ................................................ 66 5.3.1 Konfiguration der Anwendung ............................... 68 6 Evaluation ............................................................. 69 6.1 Studiendesign ..................................................... 69 6.1.1 Input-Output-Combinations (IOCs) .......................... 70 6.1.2 Icon-Position-Combinations (IPCs) ........................... 72 6.1.3 Experimenteller Aufbau ..................................... 74 6.1.4 Fragebogen ................................................. 76 6.1.5 Schutzmaßnahmen und Sicherheit der Teilnehmer . 76 6.2 Teilnehmer ........................................................ 78 6.3 Datenverarbeitung ................................................. 78 6.4 Ergebnisse ........................................................ 80 6.4.1 Vergleich der IPCs .......................................... 81 6.4.2 Vergleich der IOCs .......................................... 82 6.4.3 Subjektive Bewertung durch die Probanden ................... 84 7 Zusammenfassung und Ausblick ........................................ 87 Anhang ...................................................................I vii Inhaltsverzeichnis Dateiverzeichnis ........................................................ II Abbildungsverzeichnis .................................................. III Tabellenverzeichnis ..................................................... VI Listingverzeichnis ......................................................VIII Abkürzungsverzeichnis ................................................. IX Literaturverzeichnis .................................................... XI viii 1 Einleitung Nach Hirn- oder Rückenmarksverletzungen können Beeinträchtigungen der Hand, wie ein Verlust der Muskelkraft, Apraxien oder Ataxien, Spastik oder Lähmungen auf- treten (Sanborn et al., 2013). Die hierdurch erlebten Einschränkungen im beruflichen und privaten Leben bedeuten eine große Einbuße an Autonomie und Lebensquali- tät für die betroffenen Menschen (Bakula et al., 2011). Durch die Anwendung eines Hand-Exoskeletts können Mediziner zumindest einen Teil der Handfunktion wieder- herstellen (Schabowsky et al., 2010). Die Steuerung eines Hand-Exoskeletts kommt jedoch mit neuen Herausforderungen für die betroffenen Menschen einher: So kann beispielsweise ein – aufgrund seines1 Alters seheingeschränkter – Nutzer nicht von dem Hand-Exoskelett profitieren, wenn er die Steuerungseinheit nicht lesen und daher das System nicht steuern kann. Im Rahmen dieser Arbeit soll daher die Frage beantwortet werden, welche Ein- und Ausgabeverfahren sich zur Steuerung eines Hand-Exoskeletts eignen. Hierzu wurde die Eingabe via Sprache und Touch, sowie Augen- und Kopfbewegungen, auf drei mobilen Geräten – der Google Glass, sowie einem Android Smartphone und einer 1Im Rahmen dieser Masterarbeit wird durchgängig das generische Maskulinum verwendet – außer an Stellen, an denen eine spezifische Person gemeint ist. Dies dient ausschließlich der Lesbarkeit und schließt neben männlichen ausdrücklich auch weibliche und diverse Personen ein. 1 1 Einleitung Smartwatch – als native Anwendung unter Verwendung des Android Software Deve- lopment Kits (SDKs) implementiert. Die Nutzerakzeptanz und Eignung der verschie- denen Ein- und Ausgabeverfahren wurde mit Studenten der Hochschule der Medien und Bekannten des Autors in einer Studie evaluiert. Diese Arbeit stellt den Zwischen- stand nach zwanzig Testpersonen dar – da eine weitergehende