Selbststabilität und Kontrolle für das schnelle Laufen. Die Auswirkungen von Störungen auf selbststabiles Rennen des Menschen

• Applicant: Professor Dr. Reinhard Blickhan
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 159031786

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Laufen über unebenes Gelände, gespickt mit Löchern, Steinen und Wurzeln, fällt erstaunlich leicht und wir konzentrieren uns kaum oder häufig nicht auf die Unebenheiten. Die Anpassung an das sich ständig ändernde Gelände erfolgt über Programme im Hintergrund, unterstützt durch ein intelligentes mechanisches Muskel-Skelettsystem. Ziel unseres Projektes war und ist es, die Anpassungen an die Störungen zu identifizieren, selbststabilisierende Mechanismen zu erkennen und zu beschreiben und ihre Bedeutung für die Kontrolle und Energetik der Lokomotion zu verstehen. Aus diesem Verständnis heraus sollen Algorithmen und Konzepte für die Kontrolle von Laufmaschinen entwickelt werden. Hierzu wurden theoretische Analysen und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Im Zentrum dieser Untersuchungen steht das Laufen auf oder über Erhebungen unterschiedlicher Höhe bzw. durch eine kurze Senke. Die theoretischen Betrachtungen belegten, dass auch für das konservative Masse-Feder-System als einfachstes Modell eines quasielastischen Läufers Feed-Forward-Kontrollen in der Schwungphase möglich sind, mit welchen selbststabiles Laufen bei gleichbleibender Apexhöhe und konstanter Geschwindigkeit erreicht werden kann. Diese Kontrollen sind biologisch und technisch leicht zu implementieren. Bei konstanter Apexhöhe sind inhärent stabile Kontrollen möglich, in welchen das Bewegungsziel innerhalb eines Schrittes erzielt wird und zusätzlich die Toleranz bzgl. positiver (Erhebungen) und negativer (Senken) Unebenheiten innerhalb der biologischen/technischen Möglichkeiten maximiert wird. Dass, wie unsere Beobachtungen zeigen, Menschen sich nicht dieser einfachen Kontrolle bedienen, führen wir auf die energetischen Anforderungen der Implementierung der elastischen Beine im Muskel-Skelett-System zurück. Entsprechende Untersuchungen im Bereich des Fußgelenkes belegen, in der Tat eine Einstellung in der Schwungphase. Diese berücksichtigt bzgl. Gelenkstellung und -steifigkeit die Hindernishöhe. Hierbei erfolgt die Anpassung über die Voraktivierung eines Muskels der durch Nutzung der Kraft-Länge-Kennlinie den Gelenkwinkel einstellen kann und nach dem Kontakt mit Hilfe lokaler Reflexe (Kraftrückkopplung) zu einer angemessenen Kraftentwicklung führt. Hierbei wird je nachdem, ob eine Erhebung oder eine Senke zu erwarten ist die Aktivität einer der beiden Antagonisten gesenkt. Diese Strategie senkte die metabolischen Kosten, erhöht den Sicherheitsbereich und vermindert den zur Kontrolle notwendigen Informationsfluss. Ein Vergleich mit der Strategie beim Laufen durch getarnte Senken legt nahe, dass die visuell geleitete Vorbereitung eine Verbesserung der erstgenannten Parameter mit sich bringt. Zukünftige Untersuchungen z.B. mit erhöhten Anforderungen durch multiple Aufgaben oder mit Personengruppen mit Handicap können dazu dienen den geeigneten Lösungsraum einzuschränken um dadurch mehr über die Prinzipien der Kontrolle einschließlich der Rolle der Selbststabilität zu erfahren. Darüber hinaus hoffen wir, durch Rückgriff auf modifizierte Versionen der ursprünglich anvisierten Störversuche weiter das System der Stabilisierung der Bewegung beim Laufen aufschlüsseln zu können.

Publications

• 2008. Running on uneven ground: leg adjustment to vertical steps and self-stability. Journal of Experimental Biology, Vol. 211.2008, pp. 2989-3000.
  Grimmer, S., Ernst, M., Günther, M., Blickhan, R.
  
• 2008. Steifigkeitsanpassung beim Laufen auf unebenem Terrain. Schriftenreihe naturwissenschaftliche Forschungsergebnisse, Bd. 76, Hamburg, Vlg. Kovac, 2008, XXVIII, 134 S., zugl.: Jena, Univ., Diss., 2007.
  Grimmer, S.
  
• 2009. Spring-Legged Locomotion on uneven Ground: A Control Approach to keep the running Speed constant. In: Tosun, O., Akin, H.L., Tokhi, M.O.,Virk, G.S. (eds.) Proceedings of the 12th international Conference on Climbing and Walking Robots. Eds.: Istanbul, World Scientific. pp. 639-644.
  Ernst, M., Geyer, H., Blickhan, R.
  
• 2010. Running on uneven ground: Leg adjustments by muscle pre-activation control. Human Movement Science, Vol. 29. 2010, Issue 2, pp. 299–310.
  Müller, R., Grimmer, S., Blickhan, R.
  
• 2010. Running on uneven ground: Leg adjustments to altered ground level. Human Movement Science, Vol. 29. 2010, Issue 4, pp. 578–589.
  Müller, R., Blickhan, R.
  
• 2011. Erfolgt eine aktive Kontrolle der Körperschwerpunktbahn beim Laufen in Vorbereitung auf eine Störung? In: Siebert, T., Blickhan, R. (eds.) Biomechanik – vom Muskelmodell bis zur angewandten Bewegungswissenschaft. Verlag Czwalina, pp. 247-252.
  Ernst, M., Götze, M., Müller, R., Blickhan, R.
  
• 2011. Exploring biomechanics to facilitate control. DynamikWalking, 2011, Abstracts: pp. 42-43.
  Blickhan, R., Ernst, M., Muller, R.
  
• 2011. Laufen über unebenen Boden. In: Siebert, T., Blickhan, R. (eds.) Biomechanik – vom Muskelmodell bis zur angewandten Bewegungswissenschaft. Verlag Czwalina, 2011, pp. 253-259.
  Müller, R., Blickhan, R.
  
• 2012. Extension and customization of self-stability control in compliant legged systems. Bioinspiration & Biomimetics, Vol. 7. 2012, Number 4: 046002.
  Ernst, M., Geyer, H., Blickhan, R.
  
• 2012. Leg adjustments across visible and camouflaged incidental changes in ground level. Journal of Experimental Biology Journal of Experimental Biology, Vol. 215. 2012, pp. 3072-3079.
  Müller, R., Ernst, M., Blickhan, R.
  
• 2012. Muscle Preactivation Control: Simulation of Ankle Joint Adjustments at Touchdown During Running on Uneven Ground. Journal of Applied Biomechanics. Vol. 28.2012, Issue 6, pp. 718 – 725.
  Müller, R., Siebert, T., Blickhan, R.
  
• 2013. Coping with disturbances. Human Movement Science, Vol. 32. 2013, Issue 5, pp. 971–983.
  Blickhan, R., Koch, M., Ernst, M., Müller, R.