Pfeiffer / Cruse Autonomes Laufen

1. Auflage 2005
ISBN: 978-3-540-26453-8
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 304 Seiten

Reihe: Computer Science and Engineering (German Language)

Laufen ist eine der genialsten Erfindungen der Natur. Aber erst in neuerer Zeit haben sich Technologien entwickelt, die den erfolgreichen Bau von autonomen Laufmaschinen realistisch erscheinen lassen. Dieses Buch beinhaltet die Ergebnisse des DFG Schwerpunktprogramms SPP1039 'Autonomes Laufen' - entstanden aus einer intensiven Zusammenarbeit einiger der führenden Ingenieure, Biologen und Informatiker auf diesem Gebiet. Es werden technische Realisierungen von Laufmaschinen ebenso präsentiert wie neueste biologische Erkenntnisse, deren Ergebnisse unmittelbar in solche technischen Umsetzungen einfließen. Dazu gehören Probleme der topologischen Strukturen des Laufens, der zum Laufen notwendigen Regelungen und Steuerungen und den damit verbundenen Fragen der Sensoren und der Aktoren, die Modellierung der Dynamik sowie die Auslegung und der Bau von Laufmaschinen. Eine dazugehörende und professionell umgesetzte DVD gibt einen vergnüglichen Überblick der Forschungsergebnisse und der dahinter stehenden Probleme.

Autoren/Hrsg.

Pfeiffer, Friedrich

Cruse, Holk

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;5
2;Inhaltsverzeichnis;17
3;Autoren;21
4;Teil I Grundlagen;23
4.1;1 Vom Kriechen zum Laufen: Evolution des Laufens mit Genetischer Programmierung auf beliebigen Morphologien;25
4.1.1;1.1 Zusammenfassung;25
4.1.2;1.2 Arbeitsbericht;26
4.2;2 Schnelle Bewegungen bei Arthropoden: Strategien und Mechanismen;41
4.2.1;2.1 Zusammenfassung;41
4.2.2;2.2 Schnelle Lokomotion und hydraulischer Antrieb;44
4.2.3;2.3 Externe Unterstützung;64
4.3;3 Nutzung aktiver Antennenbewegungen zur Hindernisdetektion und Steuerung von gezielten Greifbewegungen bei Insekten;69
4.3.1;3.1 Zusammenfassung;69
4.3.2;3.2 Arbeits- und Ergebnisbericht;71
4.4;4 Periphere Kontrolle sensorischer Signalflüsse: Datenreduktion und -selektion;85
4.4.1;4.1 Zusammenfassung;85
4.4.2;4.2 Arbeits- und Ergebnisbericht;85
4.4.3;4.3 Erzielte Ergebnisse;86
4.4.4;4.4 Ausblick und zukünftige Arbeiten;88
5;Teil II Zweibeiniges Gehen;91
5.1;5 Energieabsorption, Energiespeicherung und Arbeit bei schneller Lokomotion über unebenesTerrain;93
5.1.1;5.1 Zusammenfassung;93
5.1.2;5.2 Arbeitsweise und Selbststabilität des menschlichen Beins bei schneller Lokomotion;96
5.2;6 Dynamik und Anpassungsvorgänge bei der Laufkoordination des Menschen;119
5.2.1;6.1 Zusammenfassung;119
5.2.2;6.2 Experimentelle Untersuchungen zur Laufkontrolle;121
5.3;7 Dreidimensionale biomechanische Modellierung und die Entwicklung eines Reglers zur Simulation zweibeinigen Gehens;129
5.3.1;7.1 Zusammenfassung;129
5.3.2;7.2 Struktur und Funktion: biologisches Design unter physikalischen Randbedingungen;130
5.4;8 Entwurf und Realisierung einer zweibeinigen Laufmaschine;143
5.4.1;8.1 Zusammenfassung;143
5.4.2;8.2 Arbeits- und Ergebnisbericht;147
5.4.3;8.3 Interdisziplinäre Weiterentwicklung;164
5.5;9 Schwingungstilgung und Stoßminderung bei zweibeinigen Laufmaschinen;169
5.5.1;9.1 Ausgangsfragen und Zielsetzung des Projekts;169
5.5.2;9.2 Menschliche Geh- und Armbewegung;169
5.5.3;9.3 Ergebnisse, Diskussion, Anwendungsperspektiven und denkbare Folgeuntersuchungen;177
5.5.4;9.4 Zusammenfassung;180
5.6;10 Perzeptionsbasiertes humanoides Gehen;183
5.6.1;10.1 Zusammenfassung;183
5.6.2;10.2 Ergebnisse der Forschungsarbeiten;185
5.6.3;10.3 Ausblick auf zukünftige Arbeiten;191
6;Teil III Vierbeiniges Gehen;195
6.1;11 Rechnerarchitektur, Sensorik und adaptive Steuerung einer vierbeinigen Laufmaschine mit dynamisch stabilem Gang;197
6.1.1;11.1 Zusammenfassung;197
6.1.2;11.2 Arbeits- und Ergebnisbericht;199
6.2;12 Autonomes hydraulisch angetriebenes Schreitfahrwerk ALDURO;213
6.2.1;12.1 Zusammenfassung;213
6.2.2;12.2 Arbeits- und Ergebnisbericht;215
6.3;13 Kinematisches Modell und Dynamiksimulation vierbeinigen Laufens von Säugetieren;223
6.3.1;13.1 Ausgangsfragen und Zielsetzung des Projekts;223
6.3.2;13.2 Auswahl der Vorbilder;226
6.3.3;13.3 Ergebnisse und Diskussion;232
6.3.4;13.4 Biologisch identifizierte Prinzipien;237
6.3.5;13.5 Denkbare Folgeuntersuchungen;240
6.3.6;13.6 Wirtschaftliche Verwertbarkeit;241
6.3.7;13.7 Zusammenfassung;242
6.4;14 Mechanische Modellbildung quadrupeder Lokomotion;247
6.4.1;14.1 Zusammenfassung;247
6.4.2;14.2 Arbeits- und Ergebnisbericht;248
7;Teil IV Sechsbeiniges Gehen;261
7.1;15 Neuronale Mechanismen der Gelenkkopplung bei Einzelbeinbewegungen von Insekten;263
7.1.1;15.1 Zusammenfassung;263
7.1.2;15.2 Arbeits- und Ergebnisbericht;266
7.1.3;15.3 Darstellung des Vorhabens und der erzielten Ergebnisse;267
7.2;16 Hexapodes Laufen, von der Biologie zur Simulation und zurück;281
7.2.1;16.1 Einführung;281
7.2.2;16.2 Laufen in natürlicher Umgebung erfordert ” motorische Intelligenz“;282
7.2.3;16.3 Verschiedene lokale Mechanismen sorgen dafür, dass die Beine sinnvoll miteinander koordiniert werden;283
7.2.4;16.4 Die Kontrolle der quasi-rhythmischen Bewegung des Einzelbeins;284
7.2.5;16.5 Welche Probleme treten bei der Kontrolle der Stemmbewegung auf?;286
7.2.6;16.6 Lokale positive Rückkopplung, eine mögliche Lösung?;287
7.2.7;16.7 Die Kontrolle der Schwingbewegung;289
7.2.8;16.8 Selbststabilisierung bei neuronalen Netzen;290
7.2.9;16.9 Klettern über große L ucken;290
7.2.10;16.10 Körpermodelle;291
7.2.11;16.11 Neurophysiologie;292
7.3;17 Neuronale Bewegungskoordination und -steuerung für autonome Laufmaschinen;295
7.3.1;17.1 Zusammenfassung;295
7.3.2;17.2 Arbeits- und Ergebnisbericht;296
7.4;18 Multisensorielle Verfahren zur Bewegungssteuerung sechsbeiniger Schreitroboter;303
7.4.1;18.1 Zusammenfassung;303
7.4.2;18.2 Arbeits- und Ergebnisbericht;305

Leseproben

2 Schnelle Bewegungen bei Arthropoden: Strategien und Mechanismen (S. 19-20)

Reinhard Blickhan, Sergei Petkun, Tom Weihmann, Michael Karner
Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft, Friedrich Schiller Universität, Jena

2.1 Zusammenfassung

2.1.1 Kinematik und Dynamik

Verschiedene Aspekte der Lokomotion araneomorpher Spinnen wurden kinematisch, kinetisch und durch die Verwendung computergestützter mathematischer Modelle untersucht. Als Versuchstiere dienten hauptsächlich die aus Mittelamerika stammende Jagdspinne Cupiennius salei (KEYS.) aus den Zuchten von Prof. Dr. F.G. Barth und Prof. Dr. E.A. Seyfarth. Der Schwerpunkt unseres Interesses lag vor allem auf den biomechanischen Charakteristika schneller Bewegungsformen. Die bisherigen Arbeiten zur Spinnenlokomotion umfassten lediglich langsame Läufe. Zudem ?nden sich in der spezi?schen Literatur nur sehr wenige kinematische Untersuchungen an araneomorphen Spinnen, dem bedeutendsten Cheliceratentaxon. Die meisten Quellen bezogen sich auf Skorpione, Geißelskorpione und Vogelspinnen. Deren Bewegungsmodi unterscheiden sich aber oft schon auf Grund anatomischer Gegebenheiten stark von der Lokomotion der hier untersuchten Tiere. Kinetische Untersuchungen an vergleichsweise kleinen Spinnen fehlten völlig.

Im ersten Antragszeitraum wurden vor allem Sprünge untersucht. Dabei zeigte sich, dass C. salei je nach Situation sowohl zu vorbereiteten Sprüngen als auch zu raschen unvorbereiteten Fluchtsprüngen in der Lage ist. Bei den vorbereiteten Sprüngen folgt der typischen Ausholbewegung eine de?- nierte Aktionsfolge der einzelnen Beinpaare, wobei die Kinematik auf große Anteile des zweiten und das letzten Beinpaares an der Beschleunigung des Spinnenkörpers hinweisen. Die unvorbereiteten Sprünge zeichnen sich durch eine besonders hohe Variabilität der Sprungrichtung aus, da diese Sprünge ausschließlich der Feindvermeidung dienen.

C. salei diente ebenfalls bei den Sprintexperimenten als Versuchstier. Es zeigte sich, dass sich die Funktion der Beine mit zunehmender Geschwindigkeit ändert. Während das Gewicht der Tiere bei langsamer Lokomotion hauptsächlich auf den hinteren Beinpaaren lastet, gewinnt der Beitrag des ersten Beínpaares mit wachsender Geschwindigkeit immer mehr an Bedeutung. Dynamische Messungen belegen, dass der Vortrieb bei schnellen Läufen hauptsächlich von den vorderen Beinpaaren geleistet wird, wohingegen die hinteren Beine dabei vor allem bremsen. Bei sehr langsamen Läufen sind die Rollen der einzelnen Beinpaare noch vertauscht.

Bei den Untersuchungen zu den hydraulischen Eigenschaften des Bewegungsapparates von C. salei stellte sich heraus, dass die Tiere die zur gleichzeitigen Streckung aller Beine nötigen Volumenverschiebung aufgrund des großen physiologischen Querschnittes der prosomalen Druckpumpe sehr leicht und vor allem ohne große Relativbewegungen von Sternum und Tergum erzeugen können. Weshalb die wichtige bifunktionale, extrinsische Coxamuskulatur durch die Druckerzeugung nicht bei ihren anderen Aufgaben behindert wird. Anhand der südostasiatischen Panzerspinne Perannia nasuta wurde der bei Spinnen sehr seltene Fall völlig chitinös versteifter Prothoraxpleuren untersucht.

Da in einem solchen Fall das Modell der prothorakalen Druckpumpe offensichtlich nicht greift, ist davon auszugehen, dass die Tiere die zur Beinstreckung nötigen Hämolymphdrücke im Opisthosoma erzeugen.

Zwei Arten computergestützter Modelle kamen zum Einsatz. Zum einen wurden die hydraulischen Mechanismen beim Sprung modelliert wobei wir uns an Vogelspinnen und C. salei orientierten, zum anderen wurden die Besonderheiten des bogenförmigen Dreisegmentbeines, wie es gerade bei den Spinnen verwirklicht ist, untersucht. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf den Unterschieden zum, im übrigen Tierreich dominierenden, Z-förmigen Dreisegmentbein.