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--- abschlussarbeiten:msc:dorschsarah [09.08.2018 18:21] – [Zusammenfassung und Ausblick] Sarah Dorsch
+++ abschlussarbeiten:msc:dorschsarah [16.08.2018 16:43] – [Störverhalten bei asymmetrisch aufgeprägten Störungen] Sarah Dorsch
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 | Autor          ^ Sarah Dorsch                                                                           ^
 | Department     ^ FB 16 Mechanical Engineering                                                           ^
-| Last revision  ^ 09.08.2018                                                                             ^
+| Last revision  ^ 16.08.2018                                                                             ^
 | Status         ^ in progress                                                                            ^
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  (Dörge et al., 2002).\\
-In Deutschland wurden im Jahr 2016 fast 65000 Amputationen des Fußes und der unteren Extremitäten durchgeführt (Statistisches Bundesamt, 2016). Um technischen Ersatz zu entwickeln, der die biomechanische Funktion wieder herstellt und dem Träger das Gefühl gibt, auf den zwei eigenen Beinen zu laufen, ist ein tiefergehendes Verständnis der Lokomotion notwendig. Zudem findet dies Anwendung in der Entwicklung von Orthesen, Exoskeletten und Robotern. Insbesondere stellt sich dabei die Frage, wie der Mensch sich an seine Umgebung anpasst, um diese Regelstrategien nachbilden und auf ein technisches System übertragen zu können. \\
+Zur Entwicklung von Prothesen, Orthesen, Exoskeletten und Robotern stellt sich die Frage, wie der Mensch sich an seine Umgebung anpasst, um diese Regelstrategien nachbilden und auf ein technisches System übertragen zu können. \\
-Das Gehen oder Rennen als grundlegende Arten der Lokomotion erfordern die Schwerpunktbewegung in drei Dimensionen. Aufgrund der Komplexität der Interaktion zwischen Bestandteilen des mechanischen und des neuronalen Systems ist diese noch nicht vollständig verstanden. Um sich diesem Thema anzunähern, wird in dieser Thesis das Hüpfen auf der Stelle untersucht, welches der vertikalen Schwingung der Lokomotion entspricht (Häufle et al., 2010). \\
+Das Gehen oder Rennen als grundlegende Arten der Lokomotion erfordern die Schwerpunktbewegung in drei Dimensionen. Aufgrund der Komplexität der Interaktion zwischen Bestandteilen des mechanischen und des neuronalen Systems ist diese noch nicht vollständig verstanden. Um sich diesem Thema anzunähern, wird hier das Hüpfen auf der Stelle untersucht, welches der vertikalen Schwingung der Lokomotion entspricht (Häufle et al., 2010). \\
 Es fragt sich, welchen Einfluss beispielsweise die im Alter verringerte Muskelkraft auf unsere Bewegung hat (Hortobágyi und Devita, 2000). Oder wie wir unsere Bewegung auf anderen unebenen Untergründen anpassen, z. B. auf Kopfsteinpflaster. Auch das Laufen auf weichem Untergrund wie Gras, also ein nachgiebiger Boden, stellt eine alltägliche Bewegung unter Störung dar.\\
-Ziel dieser Arbeit ist es, die Robustheit eines reflex-nutzenden neuromechanischen Hüpfmodells nach Geyer (Geyer et al., 2003) mittels simulativ aufgeprägter Störungen zu analysieren. Dabei werden sowohl sensorische Störungen, wie Rauschen oder Signalverzögerung, als auch mechanische Störungen, wie Beinlängenunterschiede oder Bodenhöhenveränderungen, betrachtet. Das Störverhalten wird anschließend anhand von Kriterien  quantifiziert, die die Stabilität, die Performance und die Effizienz des Hüpfmusters beschreiben, wie z. B. Anzahl der Hüpfer, Hüpfhöhe und metabolische Effizienz. In der Literatur wird angedeutet, dass der Bereich des stabilen Gehens und Rennens durch simulierte Asymmetrien zwischen den Beinen nicht zwangsläufig verringert wird und sogar für spezielle Asymmetrien des Beinwinkels beim Auftreten erweitert werden kann (Merker et al., 2015; Merker et al., 2011). Hierdurch und durch die Gegebenheiten in der Realität motiviert, wird das Hüpfverhalten unter asymmetrischen Bedingungen betrachtet. Dazu wird das Hüpfmodell um ein zweites Bein erweitert. Anschließend wird anhand von Bodenhöhenvariationen untersucht, in welchem Maße Störungen ausgeglichen werden können und ob sich dies in Abhängigkeit der Feedbackkonfiguration verändert. Des Weiteren wird an diesem Beispiel das Modell validiert, indem ein Vergleich der vorausgesagten Beinsteifigkeit mit experimentellen Ergebnissen angestellt wird.
+Ziel ist es, die Robustheit eines reflex-nutzenden neuromechanischen Hüpfmodells nach Geyer (Geyer et al., 2003) mittels simulativ aufgeprägter Störungen zu analysieren. Dabei werden sowohl sensorische Störungen, wie Rauschen oder Signalverzögerung, als auch mechanische Störungen, wie Beinlängenunterschiede oder Bodenhöhenveränderungen, betrachtet. Das Störverhalten wird anschließend anhand von Kriterien  quantifiziert, die die Stabilität, die Performance und die Effizienz des Hüpfmusters beschreiben, wie z. B. Anzahl der Hüpfer, Hüpfhöhe und metabolische Effizienz. In der Literatur wird angedeutet, dass der Bereich des stabilen Gehens und Rennens durch simulierte Asymmetrien zwischen den Beinen nicht zwangsläufig verringert wird und sogar für spezielle Asymmetrien des Beinwinkels beim Auftreten erweitert werden kann (Merker et al., 2015; Merker et al., 2011). Hierdurch und durch die Gegebenheiten in der Realität motiviert, wird das Hüpfverhalten unter asymmetrischen Bedingungen betrachtet. Dazu wird das Hüpfmodell um ein zweites Bein erweitert. Anschließend wird anhand von Bodenhöhenvariationen untersucht, in welchem Maße Störungen ausgeglichen werden können und ob sich dies in Abhängigkeit der Feedbackkonfiguration verändert. Des Weiteren wird an diesem Beispiel das Modell validiert, indem ein Vergleich der vorausgesagten Beinsteifigkeit mit experimentellen Ergebnissen angestellt wird.
-Zuletzt soll geprüft werden, ob eine adaptive Einstellung der Reflexparameter das Störverhalten verbessern kann. Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um die Qualität von Assistenzsystemen, wie Prothesen und Orthesen, zu steigern, indem z. B. an den Menschen angepasste Regelungen verwendet werden.
+Zuletzt wird geprüft, ob eine adaptive Einstellung der Reflexparameter das Störverhalten verbessern kann. Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um die Qualität von Assistenzsystemen, wie Prothesen und Orthesen, zu steigern, indem z. B. an den Menschen angepasste Regelungen verwendet werden.
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-==== Einführendes Beispiel ====
+===== Robustheit des Hüpfmodells gegen dauerhafte Störungen =====
-Ein einführendes Beispiel kann helfen, die Problemstellung zu verdeutlichen.
+====Störverhalten bei asymmetrisch aufgeprägten Störungen====
-An dieser Stelle wird ein kurzes Video (<3min) gerne gesehen, wenn nicht bereits bei der Einleitung eines gezeigt wurde.
+Für die meisten getesteten Asymmetrien kann festgestellt werden, dass das Hüpfverhalten nicht durch
+die Asymmetrie selbst beeinflusst wird, sondern die Störung das veränderte Hüpfverhalten verursacht,
+sodass sich bei symmetrischer Störung lediglich die Änderung verstärkt.\\
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+Besonders auffällig ist, dass eine asymmetrische Aufschaltung eines Delays zu einem vergrößerten Stabilitätsgebiet führt. Die Kombination aus „schnellem“ und „langsamem Bein“ scheint eine stabilisierende Wirkung für Blendings mit ähnlichen Anteilen aller Feedbacks zu haben. Die kurz nacheinander aktivierierenden Muskeln der zwei Beine führen wie die in anderen Winkeln aufkommenden Beine bei der Untersuchung von Merker (2011) zu einer Stabilisierung von im Referenzfall instabilen Feedback
+zusammensetzungen.\\
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+Die Stabilität wird somit durch die Asymmetrie verbessert, jedoch wird dadurch das Systemverhalten schwieriger voraussagbar, da häufig quasi-stabiles Hüpfen auftritt und es kommt zu Einbußen der Performance.\\
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+Für die asymmetrische Erhöhung von $l_{\text{off}}$ wird bei Blendings nahe des isolierten LFB Stehenbleiben vorausgesagt. Dies kann bei symmetrischer Erhöhung nicht gefunden werden. Durch die Erhöhung des Offsets wird der Muskel des linken Beins erst später aktiviert als der des rechten Beins. Entgegen der sonst auf die Performance positiv wirkenden Verzögerung der Aktivierung, führt dies hier vermutlich
+dazu, dass das Hüpfen hauptsächlich aus dem rechten Bein entsteht und das linke Bein schon kurz nach Anstieg der Aktivierung wieder abhebt. Es kommt dann zum Stehenbleiben, wenn die Aktivierung des linken Beins so gering zum Hüpfen beiträgt, dass das Modell den TO nicht mehr erreicht und daraufhin
+stehenbleibt. Das Stehenbleiben bei der asymmetrischen Beinlängenveränderung ergibt sich vermutlich aus ähnlichen Prozessen.\\
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+Nur für den Delay konnte die stabilisiernde Wirkung von Asymmetrien, wie in Merker (2011, 2015) beschrieben, gefunden werden. Allerdings werden dort verschiedene Stufen der Asymmetrie getestet, wobei keine allgemein verbesserte Stabilität gefunden, sondern lediglich für einen bestimmten Wert einer Asymmetrie ein positiver Effekt festgestellt wird. In dieser Arbeit wurden jeweils nur zwei Konfigurationen der Asymmetrie betrachtet. In weitergehenden Untersuchung sollten weitere Asymmetrieeinstellungen untersucht werden. Hierbei sollte die Asymmetrie immer weiter gesteigert und gleichzeitig die Stabilität beobachtet werden.
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 ===== Zusammenfassung und Ausblick =====
-In dieser Arbeit konnte das Störverhalten eines zweibeinigen reflektorischen Hüpfmodells mit je einem Streckmuskel quantifiziert werden und durch eine adaptive Feedbackgainanpassung eine höhere Robustheit erreicht werden.\\
+Basierend auf dem Modell nach Geyer (Geyer et al., 2003), wurde durch Schumacher (Schumacher und Seyfarth, 2017) eine Erweiterung zur Abmischung mehrerer Feedbacks implementiert. Dieses erweiterte Modell wurde in dieser Arbeit zusätzlich um ein zweites Bein ergänzt. Die Störuntersuchungen dieses Modells anhand der Sensor-Motor Maps haben ergeben, dass die Topologien robust gegen Veränderung der Feedbackgains, des LFB-Offset und der Bodennachgiebigkeit waren. Dagegen wurde bei Änderung der Beinlänge, des LFB-Offset oder bei Störung der Sensorsignale durch Delay und Rauschen zusätzlich die Status Stehenbleiben und Schwingen vorhergesagt.
-Basierend auf dem Modell nach Geyer (Geyer et al., 2003), wurde durch Schumacher (Schumacher und Seyfarth, 2017) eine Erweiterung zur Abmischung mehrerer Feedbacks implementiert. Dieses erweiterte Modell wurde in dieser Arbeit zusätzlich um ein zweites Bein ergänzt.\\
-Die Störuntersuchungen anhand der Sensor-Motor Maps haben ergeben, dass die Topologien robust gegen Veränderung der Feedbackgains, des LFB-Offset und der Bodennachgiebigkeit waren. Dagegen wurde bei Änderung der Beinlänge, des LFB-Offset oder bei Störung der Sensorsignale durch Delay und Rauschen zusätzlich die Status Stehenbleiben und Schwingen vorhergesagt.
 Dies galt bei Verzögerung des VFB sowie aller Feedbacks und bei Verrauschen des LFB sowie aller Feedbacks.
 Überraschenderweise wurde durch das Rauschen der ursprüngliche Instabilitätsbereich verkleinert.\\
 Für das LFB-Offset und alle getesteten Verzögerungen der Sensorsignale wurde zusätzlich die Topologie der Performance und der anderen Untersuchungskriterien teilweise grundlegend verändert.\\
-In dieser Arbeit wurden nur einzeln wirkende Störungen betrachtet. In weitergehenden Studien sollten Kombinationen von Störungen getestet werden, da der Mensch in seiner Umwelt auch gleichzeitig von verschiedenen Störungen umgeben ist, wie beispielsweise das Laufen auf einer Wiese (nachgiebiger Boden) mit Löchern (Bodenhöhenvariation). Hier wäre interessant, ob der asymmetrische Delay oder das Rauschen, die beide den Stabilitätsbereich vergrößerten, genutzt werden können, um robuster auf Bodenabsenkungen zu reagieren.\\
+In dieser Arbeit wurden nur einzeln wirkende Störungen betrachtet. In weitergehenden Studien sollten Kombinationen von Störungen getestet werden, da der Mensch in seiner Umwelt auch gleichzeitig von verschiedenen Störungen umgeben ist, wie beispielsweise das Laufen auf einer Wiese (nachgiebiger Boden) mit Löchern (Bodenhöhenvariation). Hier wäre interessant, ob Störungen, die den Stabilitätsbereich vergrößern, genutzt werden können, um beispielsweise robuster auf Bodenabsenkungen zu reagieren.\\
-Die asymmetrische Störung durch einseitige Verzögerung der Sensorssignale konnte den Stabilitätsbereich vergrößern. Andere Asymmetrien zeigten grundsätzlich den halben Effekt einer symmetrischen Störung, sodass kein Einfluss durch die Asymmetrie selbst feststellbar war.\\
+Die meisten Asymmetrien zeigten grundsätzlich den halben Effekt einer symmetrischen Störung, sodass kein Einfluss durch die Asymmetrie selbst feststellbar war. Die asymmetrische Störung durch einseitige Verzögerung der Sensorssignale hingegen konnte den Stabilitätsbereich vergrößern. \\
 Die Untersuchung der Asymmetrie sollte in zukünftigen Arbeiten erweitert werden. Merker fand lediglich für eine bestimmte Einstellung der Asymmetrie eine verbesserte Stabilität (Merker et al., 2011). In dieser Arbeit wurden jeweils nur zwei Asymmetrieeinstellungen je Störung betrachtet. Ähnlich wie die Untersuchung der Bodenhöhenstörung sollte die Asymmetrie immer weiter gesteigert und die Stabilitätsgrenzen aufgetragen werden.\\
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 Zum Vergleich des menschlichen Hüpfverhaltens mit dem Modell wurden zwei Probanden betrachtet. Diese reagierten unterschiedlich auf die unerwartete Bodenhöhenstörung. Proband 1 hielt seine Beinsteifigkeit konstant, Proband 2 erhöhte seine Beinsteifigkeit im gestörten Sprung stark. Dabei war diese Verstärkung umso größer, je höher die Störung war. Entgegen diesen Beobachtungen, sagte das Modell eine verringerte Beinsteifigkeit als im ungestörten Fall voraus. Die Beinsteifigkeit wurde umso geringer, je tiefer der Boden absank. Das experimentelle Ergebnis konnte daher durch das Modell mit konstanten Feedbackparametern nicht abgebildet werden. Für eine realitätsnahe Betrachtung wird daher eine adaptive Gainanpassung notwendig.\\
-Zur Validierung des Modells wurden nur zwei Probanden herangezogen. Um zu untersuchen, wie der Mensch seine Beinsteifigkeit anpasst, werden weitere Ergebnisse benötigt, da die Probanden stark verschiedene Störreaktionen zeigten. Zudem ist unklar, ob Ergebnisse beim Laufen, die andeuten, dass die Beinsteifigkeit bei Bodenabsenkungen konstant gehalten wird, auf das Hüpfen übertragbar sind.\\
+Aufgrund der geringen Anzahl an Probanden, die stark verschiedene Störreaktionen zeigen, kann keine Aussage getroffen werden, wie der Mensch seine Beinsteifigkeit anpasst. Hierzu werden weitere experimentelle Ergebnisse benötigt.\\
 Im letzten Teil konnte gezeigt werden, dass durch lineare Gainanpassung des FFB, die Verringerung der Steifigkeit im gestörten Sprung vermindert und damit auch die Robustheit bei Bodenabsenkungen erhöht werden konnte. Dafür wurden zwei lineare Interpolationen zwischen Gain und Fallhöhe getestet, eine mit kleinen Bodenabsenkungen als Stützstelle, die zweite mit einer kleinen und einer großen Bodenabsenkung.
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 Da die Ergebnisse jedoch stark davon abhingen, welche Stützstellen gewählt wurden, wurde zusätzlich ein Verfahren des Reinforcement Learnings implementiert, welches selbstständig die Gains an den aktuellen Status des Modells anpasst. Dieses Modell konnte zum Schwingen stabilisiert werden, Hüpfen konnte allerdings nur in einzelnen Samples beobachtet werden, sodass eine Auswertung der Robustheit nicht möglich ist.\\
-Das Lernverfahren konnte bisher nicht zum Hüpfen führen. Es sollten weitere Modifikationen getestet werden, wie eine andere Definition des Status, eine höhere Anzahl der Samples zum Annähern an den Gradienten oder eine andere Verteilungsfunktion der upper-level policy. \\
+Es sollten weitere Modifikationen des Lernverfahrens getestet werden, wie eine andere Definition des Status, eine höhere Anzahl der Samples zum Annähern an den Gradienten oder eine andere Verteilungsfunktion der upper-level policy. \\
 Denkbar ist außerdem die Wahl eines anderen Lernverfahrens, z. B. Natural gradients, die die Änderung der Parameter der upper-level policy einschränkt. Dabei wird statt einer festen Lernrate für alle Dimensionen der upper-level policy eine unterschiedliche Gewichtung derer vorgenommen, sodass diese in unterschiedlich großen Schrittweiten angepasst werden.
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 in hopping. In: Frontiers in computational neuroscience 11 (2017)\\
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-[56] SCHUMACHER, Christian ; SEYFARTH, André: Sensor-motor maps for hopping – influence of changes
+SCHUMACHER, Christian ; SEYFARTH, André: Sensor-motor maps for hopping – influence of changes
 in muscle properties. In: Bernstein Conference 2017 (2017)\\
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