Korrespondierender Autor

Dr. Sc. Alexander Spröwitz
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Materialwissenschaften

Forschungsbericht (importiert) 2017 - Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Biomechanik und Bewegungskontrolle der Lokomotion in Tieren und Robotern

Biomechanics and Locomotion Control in Legged Animals and Legged Robots

Autoren

Spröwitz, Alexander (korrespondierender Autor); Heim, Steve

Abteilungen

MPG Forschungsgruppe "Dynamische Lokomotion"

DOI

10.17617/1.50

Tiere laufen dynamisch und effizient, elegant und adaptiv. Ihre Fortbewegung kann als ein sorgfältig orchestriertes Zusammenspiel des Bewegungsapparates verstanden werden, der mit seiner Umgebung interagiert. Die Forschungsgruppe "Dynamische Lokomotion" am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart verfolgt das Ziel, mit neuen Methoden und Werkzeugen der Laufrobotik die Lokomotion von Tieren zu verstehen.

An animal's running gait is dynamic, efficient, elegant, and adaptive. We see locomotion in animals as an orchestrated interplay of the locomotion apparatus, interacting with its environment. The Dynamic Locomotion Group at the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart develops novel legged robots to decipher aspects of biomechanics and neuromuscular control of legged locomotion in animals, and to understand general principles of locomotion.

Methoden der Biomechanik des Laufens im historischen Kontext

Die Fortbewegung auf Beinen hat die Menschen seit jeher beschäftigt. Wie aber lässt sich die Bewegung von Tieren am besten darstellen, im Detail verstehen und erklären? Unser Verständnis der Bewegung von Lebewesen war schon immer an die Methoden und Werkzeuge der Biomechanik geknüpft.

Zu Beginn der industriellen Revolution fanden bedeutende Fortschritte in den Bewegungswissenschaften statt. Der französische Physiologe und Fotograf Étienne-Jules Marey charakterisiert 1895 Bodenreaktionskräfte und analysierte Gelenkpositionen zum Gehen des Menschen mithilfe von fortschrittlichen fotografischen Aufnahmeverfahren. Die Präsentation der Ergebnisse komplexer Bewegungskinematik war damals schwierig – Computer und Monitor existierten noch nicht. Der Anatom Christian Wilhelm Braune und der Mathematiker Otto Fischer gaben miniaturisierte Holzgerüste im Maßstab 1:10 in Auftrag und markierten mit Nadelköpfen und Fäden die zeitlich versetzten Positionen der Gelenkmittelpunkte im Bewegungsablauf. Diese manuellen Hilfsmittel ermöglichten die ersten räumlichen Darstellungen der Biomechanik des menschlichen Gehens.

Heute lassen sich mittels Computertomographen, Magnetresonanztomographen und Fluoroskopen detaillierte und mehrdimensionale Aufnahmen von tiefliegenden Strukturen des tierischen Bewegungsapparates erstellen. Synchronisierte Multi-Kamerasysteme und Hochgeschwindigkeitskameras lösen Bewegungen in kleinste zeitliche Schritte auf, und Kraftmessplatten nehmen Kräfte digitalisiert und mehrdimensional auf. Die aktuelle Forschung in der Optogenetik wird die Biomechanik stark beeinflussen: im lebenden Organismus lässt sich heute die Aktivität von behandelten Neuronen aktiv verändern. Damit lassen sich wichtige Signale der Reizweiterleitung zur Bewegungserzeugung gezielt, reversibel und kurzzeitig manipulieren.

Diesen Werkzeugen zur Beobachtung und Manipulation steht der komplexe, evolutionär geformte tierische Bewegungsapparat gegenüber. Das Zusammenspiel der Komponenten kann unter physiologischen Bedingungen untersucht werden, zum Beispiel bei den natürlichen Belastungen des Springens oder Rennens. Allerdings ist die Möglichkeit zur Beobachtung nicht immer oder manchmal nur eingeschränkt vorhanden. Für schwer zu beobachtende Komponenten in tiefliegenden, komplexen oder integrierten Teilen des Bewegungsapparates nutzen die Forscher Simulationen. Mit der steigenden Menge an Details und Informationen werden Computermodelle von Tieren und Modelle für Bewegungsmuster immer wichtiger [1].

In der Forschungsgruppe "Dynamische Lokomotion" am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart erforschen wir zusätzlich zu Computermodellen von Tieren und Robotern biomechanische Modelle in Form neuartiger Laufroboter. Dazu werden Laufroboter implementiert und diese als computergesteuerte, experimentelle Plattformen genutzt. Eine Grundlage dieser Forschung bilden vereinfachte Modelle von funktionalen Gruppen des tierischen Bewegungsapparates, zum Beispiel Abstraktionen (Blueprints) von Knochen-Sehnen-Muskel-Komplexen (Pantographenbein [2], Abbildung 1), gefederte Konstruktionen, und mathematische Modelle von neuromuskulären Verarbeitungszentren (Central Pattern Generators [1]).

<p><strong>Abb. 1:</strong> Modelltiere in der Biomechanik, überlagert mit einem aktuierten, gefederten pantographischen Beinmodell.</p> Bild vergrößern

Abb. 1: Modelltiere in der Biomechanik, überlagert mit einem aktuierten, gefederten pantographischen Beinmodell.

Vorteilhaft bei der Forschung mit Laufrobotern ist der begleitende Rekonstruktionsprozess des tierischen Bewegungs- und Steuerapparates. Dieser Arbeitsschritt erzwingt eine Perspektive und Detailtiefe, die bei der Modellbildung im Computer nicht genutzt wird. Ein weiterer großer Vorteil erschließt sich aus dem reichen Datensatz der Experimente mit Robotern, mit parallelen und idealerweise vergleichbaren Daten zu Laufexperimenten mit Tieren. Weiterhin müssen Bodenkontaktkräfte, Kräfte in verspannten nachgiebigen Systemen, Dämpfungseigenschaften und Nichtlinearitäten nicht wie in der Computersimulation abgeschätzt und simuliert werden, sondern folgen den Gesetzen der Physik und sind ein wichtiger Bestandteil des experimentellen Datensatzes.

Untersuchungen zur dynamischen Lokomotion in Laufrobotern

Der vierbeinige Roboter Cheetah-cub (siehe Abbildung 2) von der Größe einer Hauskatze wurde mit dem Ziel entwickelt, einen kompakten, dynamisch rennenden Laufroboter zur Bewegungsanalyse zur Verfügung zu haben. Mehrere neuartige Konstruktions- und Bewegungsmustererzeuger wurden dabei implementiert. Aus anatomischen und kinematischen Bewegungsstudien in Tieren ist der Bauplan des Pantographenbeins bekannt [10]. Diese pantographische Beinkonstruktion lässt sich sowohl für Vorderbeine als auch für Hinterbeine einsetzen. In Cheetah-cub wurde das abstrahierte Modell des Pantographenbeines um gefederte Strukturen und Zugseilmechanismen erweitert. Die federgestützte Beinkonstruktion verleiht dem Laufroboter außerdem eine natürliche Eigendynamik.

Ein bio-inspiriertes Central Pattern Generator Network (CPG) – ein im Roboter implementiertes Modell eines speziellen Netzes aus Neuronen - wurde genutzt, um die Motoren mit rhythmischen Bewegungssignalen ansteuern zu können. Natürlich vorkommende CPGs zum Beispiel im Rückenmark von Tieren erzeugen rhythmische und komplexe Ausgangssignale zur Bewegungskontrolle, bei eingehenden, vergleichsweise einfachen linearen Steuersignalen [1]. Die implementierten Parameter des CPG-Netzwerkes wie etwa die Frequenz entsprechen denen der Beinbewegung und ermöglichen eine intuitive Roboterkontrolle. Damit lässt sich die Geschwindigkeit des Laufroboters kontinuierlich vom langsamen zum schnellen Trab einstellen.

<strong>Abb. 2:</strong> Links: vierbeiniger Cheetah-cub Laufroboter. Dieser, der Hauskatze nachempfundene, 1,1 Kilogramm leichte Roboter nutzt eine g Bild vergrößern
Abb. 2: Links: vierbeiniger Cheetah-cub Laufroboter. Dieser, der Hauskatze nachempfundene, 1,1 Kilogramm leichte Roboter nutzt eine gefederte Pantographen-Beinkonstruktion. Mit einem bioinspirierten Bewegungsmustererzeuger (Central Pattern Generator [7]) können mehrere Gangarten genutzt werden. Rechts: Bobcat-Laufroboter, mit aktiv beweglichem Gelenk im Rücken.

In den Experimenten zeigt sich Cheetah-cub als erster bekannter vierbeiniger Laufroboter dynamisch eigenstabil – der Roboter kann Bodenunebenheiten abfangen und baut die damit verbundene Energiezufuhr schrittweise ab [3]. Mit diesem Beispiel einer bioinspirierten Bein-, Aktuatoren- und Bewegungsmustererzeugung ließ sich erstmals zeigen, dass für das vierbeinige dynamische Laufen keine Sensoren und Regelungsmechanismen notwendig sind. Cheetah-cub erreichte dynamische Geschwindigkeiten mit kurzen Flugphasen im Trab. Die natürliche Eigendynamik des Laufroboters ist dabei abhängig von seiner Geschwindigkeit: Bei geringeren Geschwindigkeiten benötigte er relativ komplexe Bewegungssignale für einen ruhigen Gang. Mit steigender Geschwindigkeit konnte man auf einfachere Steuersignale zurückgreifen, da dann eine stärkere Eigendynamik des Roboters die Laufruhe unterstützte [4].

Am vierbeinigen Laufroboter Bobcat haben wir die Gangart Bound (eine Art Hoppeln, aber mit synchronisierten Vorderbeinen) untersucht. Dazu erweiterten wir das Konzept des vierbeinigen Laufroboters durch einen motorisierten Freiheitsgrad im Rücken - Cheetah-cub im Vergleich nutzt einen steifen Rücken. Die phasengenaue Bewegung des Rückengelenkes ermöglicht kurze Flugphasen, führt beim Bound zu verringerten Bremskräften der Beine, und zu höheren Geschwindigkeiten des Laufroboters [5].

Die Dynamik des beweglichen Schwanzes

<p><strong>Abb. 3:</strong> Links: Vereinfachtes Robotermodell mit Schwanz oder Schwungrad. Rechts: Cheetah-cub mit planarer Schwanzkonstruktion.</p> Bild vergrößern

Abb. 3: Links: Vereinfachtes Robotermodell mit Schwanz oder Schwungrad. Rechts: Cheetah-cub mit planarer Schwanzkonstruktion.

Tiere bewegen sich mit faszinierender Eleganz und Agilität: Hunde springen und schnappen nach Frisbees, Affen hangeln von Baum zu Baum und Menschen ahmen dies nach, nennen es "Parcours" und zeigen es auf Youtube. Tiere interagieren gekonnt mit ihrer Umgebung und nutzen die volle Dynamik ihres gesamten Körpers, um sich zu bewegen, nicht nur ihre Beine. Wenn Ingenieure und Wissenschaftler sich heutzutage mit der Konstruktion von Laufrobotern beschäftigen, konzentrieren sich oft nur auf die Beine. Wir wollen nun etwas anderes in den Fokus stellen: den Schwanz. Um sich auf die wichtigsten Eigenschaften fokussieren zu können, erzeugten die Wissenschaftler ein vereinfachtes und abstrahiertes Modell (siehe Abbildung 3) mit einem einfachen Körper, einem einzigen, gefederten Bein und natürlich einem Schwanz. Als weitere Vereinfachung wurde dieser Schwanz zu einem Schwungrad reduziert: Schwungräder haben ebenfalls einen Trägheitsmoment aber keine außermittige Massenverteilung. Diese Vereinfachungen resultieren in kompakten Differenzialgleichungen, mit denen sich der Einfluss von verschiedenen Parametern auf die Dynamik untersuchen lässt. Dies verrät den Forschern, wie der Schwanz am besten entworfen sein muss: Ist dieser lang und leicht, lässt sich die auftretende Körpermassenrotationen vom Rest der Körperdynamik effektiv trennen. Diese Entkopplung vereinfacht erheblich die Bewegungskontrolle Robotern und vermutlich ebenso in Tieren, sei es beim einfachen Laufen oder beim intensiven Parcours. Mit dem vierbeinigen Roboter Cheetah-cub [3] konnten die Wissenschaftler diese theoretischen Ergebnisse in die Realität umsetzen [6]. Wie erwartet, erreicht der Roboter eine bessere Performance mit einem langen, leichten als mit einem kurzen, schweren Schwanz.

Zukünftige Schwerpunkte

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Abb. 4: Links: Helmperlhühner laufen viel und fliegen nur wenn nötig. Sie sind als zweibeinige Läufer gute Modelltiere für die Laufrobotik. Rechts: Spinnen als Vorbild für hybride Roboter-Aktuation.

Die Erstellung und biomechanische Analyse von experimentellen Laufdaten von Robotern, Computersimulationen und Tieren ist ein Forschungsschwerpunkt der Forschungsgruppe "Dynamische Lokomotion". Oft werden Laufroboter mit der Vorgabe einer präzise kontrollierbaren und steifen Konstruktion entwickelt. Die Eigendynamiken dieser Roboter haben wenig Ähnlichkeit zu denen des weichen und gefederten tierischen Bewegungsapparates. In der Arbeit der Max-Planck Forscher stehen daher passiv gefederte Roboterkonstruktionen im Vordergrund. Es gilt die natürliche Laufdynamik zu unterstützen und zu steuern sowie dynamische Laufmuster zu implementieren [7, 8].

Beim Transfer von Blueprints in die Laufrobotik ist die Auswahl der Modelltiere wichtig. Die Evolution bei Tieren führte zu einer Vielzahl von Anpassungen, und einige Tierfamilien eignen sich beim Finden und Umsetzen von Blueprints besser. Säugetiere von der Größe der Hauskatze stehen hier Modell für die Erforschung von pantographischen Beinkonstruktionen. Nur wenige Tiergruppen bewegen sich ähnlich dem Menschen zweibeinig fort. Damit ist die Biomechanik von zweibeinig laufenden Vögeln ebenfalls von großem Interesse für die Forschungsgruppe (siehe Abbildung 4, [9]). Weiterhin interessieren sich die Wissenschaftler für die hybride Aktuation in Spinnenbeinen, denn sie weisen interessante Parallelen zur hydraulischen Aktuation in Robotern auf [10].

Literaturhinweise

1.
[1] A. J. Ijspeert:
Central pattern generators for locomotion control in animals and robots: A review.

2.
[2] H. Witte, R. Hackert, W. Ilg, J. Biltzinger, N. Schillinger, F. Biedermann, M. Jergas, H. Preuschoft, and M. S. Fischer:
Quadrupedal Mammals as Paragons for Walking Machines.
3.
[3] A. Spröwitz, A. Tuleu, M. Vespignani, M. Ajallooeian, E. Badri, and A. Ijspeert:
Towards Dynamic Trot Gait Locomotion: Design, Control and Experiments with Cheetah-cub, a Compliant Quadruped
Robot.
4.
[4] A. Spröwitz, M. Ajallooeian, A. Tuleu, and A. J. Ijspeert:
Kinematic primitives for walking and trotting gaits of a quadruped robot with compliant legs.
5.
[5] M. Khoramshahi, A. Spröwitz, A. Tuleu, M. N. Ahmadabadi, and A. Ijspeert:
Benefits of an Active Spine Supported Bounding Locomotion With a Small Compliant Quadruped Robot.
6.
[6] S. W. Heim, M. Ajallooeian, P. Eckert, M. Vespignani, A. J. Ijspeert, and C. Loughlin:
On designing an active tail for legged robots: Simplifying control via decoupling of control objectives.
7.
[7] C. Hubicki, J. Grimes, M. Jones, D. Renjewski, A. Spröwitz, A. Abate, and J. Hurst:
ATRIAS: Design and validation of a tether-free 3d-capable spring-mass bipedal robot.
8.
[8] D. Renjewski, A. Spröwitz, A. Peekema, M. Jones, and J. Hurst:
Exciting engineered passive dynamics in a bipedal robot.
9.
[9] C. Hubicki, A. Spröwitz, J. Hurst, and M. Daley:
Ground-bird running in non-rigid terrain: deducing task-level priorities in locomotion.
10.
[10] A. Spröwitz, C. Göttler, A. Sinha, C. Caer, M. U.  Öztekin, K. Petersen, and M. Sitti:
Scalable Pneumatic and Tendon Driven Robotic Joint Inspired by Jumping Spiders.
 
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