EcoWalk - Biorobotische Analyse des Zusammenspiels von Fuß und Bein im menschlichen Gehen

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Badri-Spröwitz; Dr.-Ing. Daniel Renjewski
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Biophysik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449427815

Das Projekt EcoWalk erforscht die Funktion der Segmentkette des Beines im menschlichen Gehen mit dem Fokus auf zweigelenkigen Muskel-Sehen-Strukturen und reproduziert diese im technischen System. Wir wollen die Mechanik und Regelung des Sprunggelenkkatapults (APO) und der damit einhergehenden Energieabgabe verstehen und in einem zweibeinigen Roboter reproduzieren. Das erworbene funktionelle Verständnis ermöglicht den Entwurf von leichten und energieeffizienten Humanoiden, welche Leitlinien für die Verbesserung von Prothesen und Exoskeletten setzen. Durch die Kombination von Computersimulationen des menschlichen Gehens mit der Entwicklung eines zweibeinigen Laufroboters können wir den funktionellen Einfluss der zur Plantarflexion beitragenden Muskel-Sehen-Komplexe auf den APO studieren. In der prädiktiven neuromuskulären Simulation haben wir aktive Muskel-Sehen-Komplexe durch passive Federn ersetzt. Das Roboterdesign wird durch Vorhersagen des Modells bezüglich des Sehnenverlaufs, Muskelsteifigkeiten sowie Gelenkwinkelverläufen maßgeblich beeinflusst. Wir konnten zeigen, dass passive Elemente zum Antrieb des Sprunggelenks ausreichen, um einen Katapulteffekt zu erzeugen [1,2]. Dabei konnten wir den Soleusmuskel als Verstärker der Muskelleistung identifizieren, wohingegen der Gastrocnemiusmuskel die Bewegung von Sprunggelenk und Knie mechanisch koordiniert. Diese Simulationsergebnisse wurden durch entsprechende Entwicklungen am Roboter validiert indem wir, basierend auf den Simulationen, einen Regler implementieren, der das Kniegelenk während bestimmter Perioden der Standphase abschaltet und so den Effekt von Passivität im menschlichen Gehen zeigt. Wesentliche topologische Parameter wurden ermittelt, um die Gangmodelle unseres Projektes zu verbessern. Optimierungsergebnisse in der Simulation leiten den Entwurf des Roboters hin zu energieeffizienter, vielseitiger und robuster zweibeiniger Fortbewegung. In aktuellen Simulationen haben wir die Rolle der Fußmorphologie als Hebel für die Bewegungsdynamik zum Antrieb des Katapults untersucht, darunter den Einfluss von Zehen, Fußgewölbe und Bändern. In Zukunft wollen wir den Einfluss von spannungsfreie Sehnen, Gelenkradien und Steifigkeiten der Muskel-Sehen-Komplexe auf Bewegungsaufwand und Fußabdruck untersuchen. Die Ergebnisse werden den Entwurf der nächsten Robotergeneration unterstützen. Aus im Experiment erhobenen Gangdaten haben wir ein vereinfachtes Funktionsmodell des Fußes entwickelt, dass die Dynamik des Fußes im Gehen und die Bewegung des Kraftangriffspunktes der Bodenreaktionskraft abbildet und damit den Antrieb des Beinschwunges erklärt. Das Zusammenwirken von funktionellen dynamischen Spielern zur Bewegung des Fußes hat einen selbststabilisierenden Mechanismus enthüllt, der die Standphase im zweibeinigen Gehen wesentlich verlängert. Eine neue Generation des EcoWalker mit verbesserter Mechanik und Regelung wird derzeit entworfen, um höhere Gehgeschwindigkeiten und Zuverlässigkeit zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen