Laufen: Intelligente Mechanik und Kontrolle

• Antragsteller: Professor Dr. André Seyfarth
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5443423

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das übergeordnete Ziel des Projekts war es, ein verbessertes Verständnis für die Kontrolle pedaler Lokomotion, genauer gesagt des Hüpfens als vertikaler Anteil, zu entwickeln. Die Ausgangsbasis für das Projekt war die Beobachtung, dass sowohl die Kinematik, als auch die Dynamik der menschlichen Lokomotion sehr gut durch das Feder-Masse Modell beschrieben werden können. Dieses Modell ist jedoch Energie-konservativ, kennt also weder Energieverluste (durch Reibung oder Dissipation z.B. in Muskeln) noch Energiezufuhr (durch Muskeln). Im folgenden ging es darum ein mathematisch-physikalisches Konzept zu entwickeln, das diesen Energiefluss während des Hüpfens erklärt und beschreibt. Die Ergebnisse zeigen, dass unter Berücksichtigung dieser Energieflüsse Hüpfen auch unter dem Einfluss von energetischen Störungen (z.B. Stufen in der Hüpfhöhe) erklärt und verstanden werden kann. Damit wurden grundlegende Erkenntnisse über die Generierung und Kontrolle periodischer Hüpfbewegungen in einem nicht Energie-konservativen Modell gewonnen und publiziert. Die Arbeiten erklären, welche Rolle der Muskel, mit seinen charakteristischen Dynamik-Eigenschaften spielt. Es konnte gezeigt werden, dass diese intrinsischen Muskeleigenschaften einen wesentlichen Beitrag zur oben erklärten Energieregulierung in der vertikalen Bewegung leisten. Durch die Anforderungen der Testtrilogie war es notwendig, die erdachten Konzepte zur menschlichen Lokomotion nach strengen naturwissenschaftlichen Methoden zu überprüfen. Dies wurde möglich durch die parallele Weiterentwicklung von Modellvorstellung, physikalischem Hardware-Test und biologischen Experimenten. Die Ergebnisse stellen somit ein fundiertes Wissen dar, dass sowohl das Grundlegende Verständnis der Lokomotion erweitert hat, als auch wichtige Erkenntnisse für die Weiterentwicklung biologisch inspirierter Prothesen und Roboter beinhaltet. Die stark vereinfachte Beschreibung von Bewegungsabläufen auf eine Dimension war geeignet, um die Wechselwirkung von Aktuatoreigenschaften auf Ansteuerung und sensorische Rückkopplung bei zyklischen Laufbewegungen besser zu verstehen. Dieser Ansatz sollte nun auf mehrsegmentige Beine erweitert und in ein allgemeineres Verständnis der Bewegungskontrolle beim Gehen und Rennen eingeordnet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Energy management that generates terrain following versus apex-preserving hopping in man and machine. Biological Cybernetics, 2011
  K.T. Kalveram, D. Häufle, S. Grimmer, and A. Seyfarth
  
• Integration of intrinsic muscle properties, feed-forward and feedback signals for generating and stabilizing hopping. Journal of the Royal Society Interface, 2011
  D.F.B. Haeufle, S. Grimmer, K.T. Kalveram, and A. Seyfarth
  
• (2007). Learning the inverse model of the dynamics of a robot leg by auto-imitation. In: K. Berns, T. Luksch eds) Autonome mobile systeme. 20. Fachgespräch, Technische Universität Kaiserslautern, Oktober 2007, Springer (pp.308- 314)
  Kalveram, K.T., Seyfarth, A.
  
• (2007). Simulating muscle dynamics in a simple hopping robot. In: K. Berns, Luksch,T.(eds) Autonome mobile systeme. 20. Fachgespräch, Technische Universität Kaiserslautern, Oktober 2007, Springer (pp. 294-300)
  Seyfarth, A., Kalveram, K.T., Geyer, H.
  
• “From Hopping to Walking - how the Biped Jena-Walker can Learn from the Single-Leg Marco-Hopper”. CLAWAR-Advances in Mobile Robotics, L. Marques, A. De Almeida, and M.O. Tokhi, eds., 2008, pp. 638-645
  K.T. Kalveram, D.F.B. Haeufle, and A. Seyfarth
  
• “Inverse biomimetics: how robots can help to verify concepts concerning sensorimotor control of human arm and leg movements”. Journal of Physiology, Paris, vol. 103, 2009, pp. 232-43
  K.T. Kalveram and A. Seyfarth
  
• “Energy management that generates hopping. Comparison of virtual, robotic and human bouncing”. Proceedings of International Conference on Simulation, Modeling and Programming for Autonomous Robots 2010 Workshops, Darmstadt: ISBN: 978-3-00-032863-3, 2010, pp. 147-156
  K.T. Kalveram, D.F.B. Haeufle, S. Grimmer, and A. Seyfarth
  
• “The role of intrinsic muscle properties for stable hopping - stability is achieved by the force - velocity relation”. Bioinspiration & Biomimetics, vol. 5, 2010, p. 016004 (11pp)
  D.F.B. Haeufle, S. Grimmer, and A. Seyfarth