Open-Access-Zeitschriften und Schriftenreihen der HSBI (Hochschule Bielefeld)
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Active Learning for Regression with Ensemble Methods: Exploring the trade-off between quality and computational effort
No full textUncertainty estimators are often used for Active Learning (Uncertainty sampling). Depending on the base-model the quality and the computational effort of these estimators can vary. This work explores this trade-off for three different base-models, that are used to build ensembles to get the uncertainty estimates
Predicting the Extent of Co-Activation of One Muscle Head by sEMG-Measurements from the Other Muscle Head of the Biceps Brachii Using Linear Regression and Shallow Feedforward Neural Networks
No full textVision: An intuitive control of exoskeletal devices which requires lag-free responses of its actuated joints. Surface electromyography (sEMG) allows for intuitive and lag-free control. By using a Hill-type model of the main muscles (here biceps brachii and triceps brachii) of a biological joint the internal delays of the muscle can be exploited to predict a joint angle with no time delay to the real joint angle
This poster introduces a method to train a virtual sEMG-sensor as a replacement for the real sEMG signal of a muscle head. The virtual sensor is trained based on data from the sensor of the other muscle head. For validation of the virtual sensor, the sensor is used as a replacement input in a domain-knowledge based model (Grimmelsmann et al., 2023).
By comparision of the virtual sensor signal and the measured sensor signal a sEMG assessment can be done
This work is based on a published dataset (Mechtenberg et al., 2023). sEMG signals of both biceps brachii and the two triceps brachii heads were recorded. sEMG signals contain frequency components from about 10 Hz to 400 Hz (Merletti, Farina, and Holobar, 2018). The target angle of the elbow (dumbbell curls) is at about 0.5 Hz. Therefore, the sEMG was not directly used as the target value of the virtual sensor regression. It is further converted into the activation of the muscle.
In the domain model, the activation of the muscle is calculated by a nonlinear low-pass filter that represents the activation dynamics of the muscle head (Zajac, 1989). The resulting signal thus has lower frequency components than the sEMG.
The regression on individual experiment varies between the recorded subjects. Small Extension in the Architecture Makes Interpretation Possible. The Virtual Sensor is Viable for Using it in a Biomechanical Model for Movement Prediction and the Virtual Sensor compared to Measured Signal can serve as sEMG Assessment
Validation of a Prescriptive Analytics Platform for Production Facilities
No full textDie Anforderungen an produzierende Unternehmen nach einer schellen Bereitstellung von individuellen Produkten sind in Zeiten von Globalisierung und Automatisierung hoch. Unternehmen jeglicher Größe müssen unter hohem Druck effizient und wirtschaftlich arbeiten und schnell auf veränderte Bedarfe reagieren. Verfahren der präskriptiven Analytik und der künstlichen Intelligenz ermöglichen eine ganzheitliche Modellierung flexibler Produktionsabläufe zur Fehleranalyse, Optimierung und Effizienzsteigerung moderner Fertigungsprozesse. Produktions- und Unternehmensdaten können darüber in Echtzeit ausgewertet und entsprechende Handlungsempfehlungen bzw. -strategien abgleitet werden. Die vorhandenen Verfahren finden aber bislang in kleinen und mittleren Unternehmen noch wenig Einsatz, da ihre Implementierung umfangreiches Expertenwissen erfordert. Im Projekt soll eine neue, modulare und nutzerzentrierte Plattform für Anwendungen präskriptiver Analytik validiert werden, die einen einfachen Zugang schafft. Die Plattform senkt den Entwicklungsaufwand und die Entwicklungszeit für KMU und soll mittelbar durch Einsparungen von Material- und Energieressourcen zur Nachhaltigkeit in der Produktion beitragen. Im Anschluss an das Vorhaben ist eine Dienstleistung oder Auslizensierung der Plattform bzw. einzelner Module geplant
Improvement of sEMG Exoskeleton Control Based on Prediction of the Myotendinous System State: -
No full textCurrently there are active exoskeletons that are controlled by force sensors. They support the wearer\u27s complex movements. Such exoskeletons react to the user\u27s movements with a noticeable and unpleasant delay. However, the muscle activity measured by surface electromyography (sEMG) can be used to create a control scheme with significantly lower delay. Furthermore, better knowledge of the current state of the biological system helps to improve the underlying musculoskeletal models. We have developed new methods in the mechanical and electrical domain of the musculoskeletal models, which will help to improve the movement prediction for exoskeleton control
Nr. 56 Digital-gestützte kompetenzorientierte praktische Abschlussprüfung in der Pflege (KoprA) Erprobung und Evaluationsergebnisse
Full text linkDie pflegeberufliche Ausbildung ist auf die Vermittlung von Kompetenzen ausgerichtet, derenErreichen in der Abschlussprüfung beurteilt werden soll. Die zu erreichenden Kompetenzen sindin den Anlagen 2-4 der Pflegeausbildungs- und Prüfungsverordnung festgeschrieben. Das Ziel desvom Bundesinstitut für Berufsbildung (BIBB) beauftragten Projektes »Entwicklung (digital-gestützter)kompetenzorientierter praktischer Prüfungen (KoprA)« war es, ein Konzept für den praktischenTeil der Abschlussprüfung zu erstellen, welches die Überprüfung der genannten Kompetenzen ermöglicht.Das Konzept und seine Prüfungsmaterialien, u. a. ein digitales Bewertungsinstrument,wurden vom Projekt in Kooperation mit fünf Pflegeschulen entwickelt und erprobt. Der vorliegendeBericht stellt die Evaluationsergebnisse der Erprobung vor. Zentrale Ergebnisse sind: DigitaleAnteile können das Prüfungsgeschehen vereinfachen, sofern die personellen und technischenVoraussetzungen hinreichend gegeben sind. Das entwickelte digitale Bewertungsinstrumentunterstützt die Beobachtung und Bewertung von Kompetenzen. Prüfungen im Skills Lab sindressourcenintensiv und aufgrund eingeschränkter Authentizität nur bedingt für praktische Prüfungengeeignet
KI-gestütztes Monitoring zur Unterstützung in der häuslichen Pflege (KIMUP): Ein Projekt aus dem Reallabor Geriatrie
No full textZiel des von der Hochschule Bielefeld (HSBI) durchgeführten fächerübergreifenden und translationalen Forschungsvorhaben TransCareTech (01.11.2021 – 31.10.2024; Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen) ist es, (A) die Teilhabe und Autonomie sowie das Wohlergehen von Klient*innen/Patient*innen zu steigern. Darüber hinaus sollen auch (B) die Fachlichkeit und Arbeitszufriedenheit bei den Beschäftigten im Gesundheitswesen gestärkt sowie (C) die Effizienz und Effektivität im Versorgungssektor erhöht werden. Erreicht werden soll dies durch die Entwicklung von Maßnahmen zur Verstetigung integrativer und technologisch innovativer Versorgungsformen in Bielefeld und der Region OWL.
Methodisch sind die Forschungsprojekte im Rahmen dieses gemeinsamen Vorhabens in Form unterschiedlicher regional angesiedelter »Reallabore« aufgebaut. Diese bieten als Erprobungs- und Experimentierräume einen Rahmen, in dem Wissenschaftler*innen sowie Praxisakteure partizipativ mit Nutzenden von Versorgungsleistungen an konkreten Lösungen für Versorgungsprobleme ansetzen. Gemeinsam werden bspw. die Entwicklung und Optimierung technischer Systeme sowie die Arbeits- und Organisationskontexte im Versorgungssystem adressiert. Forschung, Entwicklung und Transfer erfolgen in einem engen Verbund von Hochschule und Praxispartnern.
Mit dem »Reallabor Geriatrie« sollen zukünftig neue Versorgungs- und Stabilisierungsangebote sowie technische Hilfsmittel als auch Assistenzsysteme in der Häuslichkeit der Patient*innen entwickelt, erprobt und in ihrer Wirkung untersucht werden. Die Zielgruppe sind Menschen, die Einschränkungen der Kognition, des Hörens und Sehens bzw. der Kommunikationsfähigkeit, seelische Leiden, eine reduzierte Belastbarkeit durch Herz- und Lungenerkrankungen und/oder Immobilitäten aufweisen. Bei ihnen besteht auf der Individualebene häufig eine unzureichende Versorgungsstruktur im Bereich der geriatrischen Rehabilitation. Auf der Kollektivebene hingegen liegt ein Problem darin, dass infolge der demografischen Entwicklung die doppelte Überalterung der Gesellschaft zunimmt.
Das Vorgehen orientiert sich gegenwärtig am Aufbau der Ambulanten Geriatrischen Rehabilitation Bielefeld GmbH & Co.KG (Praxispartner) als neue Versorgungsform am Standort Bielefeld als auch der Umsetzung einer interdisziplinären Forschungsprogrammatik an der HSBI
Bioinspired Feature Extraction for the Electric Field-based Determination of Object Size and Position
No full text1. Fish Sensory Systems
A few fish species can actively generate weak electric fields and use them to explore their environment. The ability to locate objects within about twice their body length is called active electrolocation (Von der Emde 1999). A well-studied fish species that uses active electrolocation is the weakly electric fish Gnathonemus petersii, Peter\u27s elephant-nose fish. During active electrolocation, this fish generates a three-dimensional dipole-like electric field surrounding its body through specialized muscle cells located in its tail (Von der Emde 1999). The fish perceives the self-generated electric field with electroreceptors, called mormyromasts, which are distributed on the skin surface (Von der Emde 2006). The presence of a conductive object in the vicinity of the fish\u27s self-generated electric field results in a two-dimensional image on the fish\u27s electroreceptive skin. This image is also referred to as an electric image (Engelmann et al. 2008). Based on the concept of electric imagery, there is a correlation between object properties and perceived signal parameters.
2. Measurement Scenarios to Determine Size and Position
The simple analytical simulation model (Hunke et al. 2022) of the bio-template consists of an electrical dipole and a sensor line that represents the fish’s electroreceptive skin. This model is utilized to identify various features from the voltage profile, which can be used to determine the size and position of an object. The model distinguishes between static (Hunke et al. 2022) and dynamic (Hunke et al. 2021) localization features. These features were categorized based on their suitability for two measurement scenarios: one with a stationary sensor line and one with a moving sensor line.
2.1 Static Localization Features
The symmetrical shape of the voltage profile allows the evaluation of localization features such as amplitude, maximum slope, and full width at half maximum (FWHM). The object distance can be determined from the slope to amplitude ratio (Von der Emde 2006) or with the FWHM (Chen et al. 2005). However, if the slope and amplitude are considered separately, both object distance and object size can be derived (Hunke et al. 2022).
2.2 Dynamic Localization Features
The movement of the sensor line along an object, creates a voltage profile with a maximum (peak) that appears and disappears again (left position to right position). This results in an imaginary maximum trace (Peak Trace) with different widths for objects at different vertical distances from the sensor line. The peak trace (Hunke et al. 2021) is therefore a localization feature for object distance and position
AI for Scarce Data (AI4ScaDa): Maschinelles Lernen und Informationsfusion zur nachhaltigen Nutzung von Labor- und Kundendaten
No full textDas Projekt AI4ScaDa zielt darauf ab, spärliche Daten für KI-Modelle zur Optimierung von Verfahren, Produkten und Prozessen am Beispiel von drei realen Use-Cases der Unternehmen GEA Westfalia Separator Group GmbH, Miele & Cie KG und SAATEN-UNION BIOTEC GmbH zu nutzen. Um die Qualität der spärlichen Daten zu verbessern, werden verschiedene Informationsfusions-, Vorverarbeitungs- und Transformationsmethoden eingesetzt sowie zusätzliche Daten durch algorithmisch erstelle Versuchspläne erhoben. Zur Approximation der Daten werden intrinsisch interpretierbare Modelle verwendet, die durch Methoden des aktiven Lernens um zusätzliche Daten angereichert werden
Verbesserte Vorhersage der Faserausrichtung in der Spritzgießsimulation: Beschreibung der lokalen Faserausrichtung
No full textDie Spritzgießsimulation ist ein wichtiger Bestandteil in der Produktentwicklung kurzglasfaserverstärkter (kgfv) Kunststoffbauteile, um das mechanische Werkstoffverhalten hinreichend genau beschreiben zu können. Durch den Spritzgießprozess richten sich die Kurzglasfasern primär in Fließrichtung aus, woraus sich ein richtungsabhängiges mechanisches Werkstoffverhalten ergibt. Die Beschreibung der Faserorientierung in der Simulation basiert auf rheologischen Parametern, insbesondere dem Faserinteraktionskoeffizienten Ci-Wert. Dieser Beitrag stellt eine anwendungsbezogene Methode zur Bestimmung des Ci-Wertes vor. Anhand zweier Beispielwerkstoffe, einem PA66-GF30 und einem PBT-GF30, wird das Vorgehen aufgezeigt. Hierzu werden Spritzgießsimulationen durchgeführt und die Faserorientierungen Messergebnissen gegenübergestellt. Zudem findet eine Gegenüberstellung des simulierten und des realen mechanischen Werkstoffverhaltens anhand uniaxialer Zugversuche statt
Comparative Study of a Parameter Tuned Bioinspired Binaural Sound Source Localization Algorithm and a Standard Beamformer
No full textMotivation
Typical devices for sound source localization are acoustic cameras. These consist of an optical camera and a large number of microphones which are used to make a temporal and spatial scan of a sound field. The optical image is then overlaid with colour at the locations of the identified sound sources, according to their loudness. To achieve optimal spatial resolution, many microphones are needed at different distances. For localization of low-frequency sound sources, large microphones distances are also required due to their large wavelength. As an algorithm, especially for real-time applications, the delay and sum beamforming is used.
We want to present an optimized method that is inspired by biology and uses fewer microphones. The parasitoid fly Ormia ochracea is known to be very good at localizing sound events despite its small body size and small distance between its tympanal membranes. This precise directional hearing is due to a mechanical coupling of its auditory canals that consists of masses, springs, and dampers (Miles 1995). This hearing system is well known but tuned to a specific sound source frequency and direction.
As a sound source localization system needs to localize sound sources of a broader frequency spectrum and range of directions. We presented a method to tune the model of the Ormia ochracea’s hearing system to multiple directions of incidence (Jünemann 2023a) and to a broader frequency spectrum (Jünemann 2023b).
Research question
How does the bioinspired binaural method based on Ormia ochracea\u27s hearing system compare to a standard beamformer?
Method
In order to compare the novel binaural bioinspired beamformer to a standard beamformer a simulation environment is set up where the sound source location and frequency can be controlled. Two bioinspired binaural beamformers configurations were compared to standard beamformers with 10 or 20 microphones for the following acoustic scenarios. The binaural (2 microphones) configurations where 1) input frequency range of 200 Hz to 2kHz at a microphone distance of d=0.06 m and 2) a input frequency range of 2kHz to 4kHz at a microphone distance of d=0.03 m. For the evaluation of the simulation experiment the angles of incidence where grouped into intervals [1°..10°; 11°..20°; 21°..30°; 31°..40°; 41°..50° ]. The angle of incidence is relative to the centre point of the microphone array. The simulated sound sources were a mixture of 10 or 20 randomly selected frequencies in the specified ranges. Two metrics where selected to analyse the performance of the method. These are the absolute error (AE) of the sound source localization in degree and the 3dB beam width in degree.
Results
Up to the angle of incidence ranges of from [1°..10°] to [21°..30°] the novel bioinspired beamformer performed significantly better than the both of the standard beamformer (10 and 20 microphones). The angle of incidence group of [31°..40°] performed equally well as the standard beamformer with 20 microphones and significantly better than the standard beamformer with 10 microphones. This is a significant result and demonstrates the outstanding performance of the bioinspired beamformer (2 microphones), if the number of microphones must be minimized. For a detailed discussion of the results please refer to the conference paper (Jünemann 2023b)