abschlussarbeiten:msc:dorschsarah
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abschlussarbeiten:msc:dorschsarah [15.08.2018 11:59] – [Einleitung] Sarah Dorsch | abschlussarbeiten:msc:dorschsarah [16.08.2018 17:21] – [Robustheit des Hüpfmodells gegen dauerhafte Störungen] Sarah Dorsch | ||
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| Autor ^ Sarah Dorsch | | Autor ^ Sarah Dorsch | ||
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- | ==== Einführendes Beispiel | + | ===== Robustheit des Hüpfmodells gegen dauerhafte Störungen ===== |
- | Ein einführendes Beispiel | + | ====Robustheit des zweibeinigen Modells gegenüber sensorischen und mechanischen Störungen==== |
- | An dieser Stelle | + | Für die untersuchten Störungen |
+ | gefunden wurden. Der Stabilitätsbereich wurde nicht zerklüftet und es existiert ein großer, zusammenhängender | ||
+ | Bereich für stabiles Hüpfen.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Größere Veränderungen des Hüpfverhaltens können bei Variation des Offsets des Längenfeedbacks | ||
+ | beobachtet werden. | ||
+ | Die Offsets spiegeln | ||
+ | \\ | ||
+ | Durch | ||
+ | loff | ||
+ | wird daher eine frühzeitige Aktivierung des Muskels unterdrückt [55],[24]. Bei | ||
+ | einem verringertem | ||
+ | loff | ||
+ | wird somit die Absenkung des Massenschwerpunkts frühzeitig gestoppt, da der | ||
+ | Muskel bereits aktiviert ist und zu kontrahieren beginnt. Hierdurch ist auch die Zeit | ||
+ | zur Beschleunigung bis zum TO verkürzt, wodurch eine geringere Geschwindigkeit im TO erreicht | ||
+ | und damit ein deutlicher Einfluss auf die Performance entsteht. Durch die geringere Geschwindigkeit ist | ||
+ | die kinetische Energie verringert und damit auch die potentielle Energie im Maximum. Es kommt zu | ||
+ | einer niedrigeren Hüpfhöhe. Hierdurch entsteht auch eine erhöhte Steifigkeit, | ||
+ | und damit | ||
+ | $k_{\text{leg}}=F_{\text{leg}_{\text{max}}}/ | ||
+ | vergrößert wird. Bei Vergrößerung von | ||
+ | loff | ||
+ | wird das Bein weiter verkürzt, | ||
+ | wodurch bis zum Abheben eine höhere Geschwindigkeit erreicht wird. Hierdurch wird die Performance mit Anteilen von LFB stark erhöht, allerdings das Stabilitätsgebiet verkleinert, | ||
+ | VFB schon früher erreicht wird\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Die Variation von | ||
+ | hat hingegen nur sehr wenig Einfluss auf die Sensor-Motor-Maps, | ||
+ | voff | ||
+ | daran liegen könnte, dass der Offset besonders zu Beginn starken Einfluss auf die Aktivierung hat, wenn | ||
+ | die Kraft-Geschwindigkeits- und die Kraft-Längen-Funktion noch in Bereichen geringer Kraft sind, da die | ||
+ | Geschwindigkeit hoch ist und die Länge das Optimum noch nicht erreicht hat.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Die Muskelgeschwindigkeit | ||
+ | nimmt kurz nach dem TD etwa sechsfache Werte der | ||
+ | vCE | ||
+ | Muskellänge | ||
+ | lCE | ||
+ | an. Der Offset des VFB ist im ungestörten Fall hingegen nur etwa doppelt so groß wie | ||
+ | der des LFB. Wird für beide Feedbacks der Offset um 20% gegenüber dem optimalen Wert verringert, | ||
+ | so ist die Änderung des Stimulationssignals des LFB | ||
+ | $(S_{\text{LFB}} (t)=G_{\text{L}}*(l_{\text{CE}}-l_{\text{off}})) $ prozentual größer als die | ||
+ | des Stimulationssignals des VFB $(S_{\text{VFB}} (t)=G_{\text{V}}*(v_{\text{CE}}-v_{\text{off}})) $. Dies wird zusätzlich durch den größeren | ||
+ | Gain des LFB verstärkt. Die Aktivierung wird da | ||
+ | (vCE | ||
+ | voff)). Dies wird zusätzlich durch den größeren | ||
+ | Gain des LFB verstärkt. Die Aktivierung wird daher b | ||
+ | )). Dies wird zusätzlich durch den größeren | ||
+ | voff | ||
+ | B(t) = | ||
+ | ( | ||
+ | f) | ||
+ | Gain des LFB verstärkt. Die Aktivierung wird daher bei Variation von | ||
+ | weniger beeinflusst und damit | ||
+ | voff | ||
+ | auch das Hüpfverhalten nur geringfügig verändert.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Bei Aufschalten der Delays kommt es für verschiedene Blendings zu Peaks im Kraftverlauf (siehe Abbil | ||
+ | dung | ||
+ | 3.11. Dies ist kein physiologisches Verhalten. Es könnte darauf hindeuten, dass das verwendete | ||
+ | stark vereinfachte biomechanische Modell bei diesem Delay physiologisch sinnvolle Hüpfmuster | ||
+ | mehr abbilden kann und die Grenzen des Systems erreicht sind. Durch ein detaillierteres Modell, das | ||
+ | aus mehreren parallelen Muskelfasern mit solchen Signalen besteht, könnte ein physiologisch sinnvol | ||
+ | leres | ||
+ | Verhalten erzeugt werden. Leicht abweichende Verzögerungen der Sensorsignale der einzelnen | ||
+ | Muskelfasern würden dann zu einer Glättung des Verlaufs führen.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | In [23] kann die Hüpfperformance | ||
+ | von positiven Feedbacks durch die anfängliche Unterdrückung der Sensorsignale verbessert werden\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Diese Ergebnisse | ||
+ | können ebenso hier gefunden werden. Durch die Verzögerung von FFB und LFB kann die Performance | ||
+ | verbessert werden, während das Verzögern des negativen VFB zu einer verschlechterten Performance | ||
+ | führt. | ||
+ | Außerdem werden die Stabilitätsbereiche durch Verzögern von FFB und LFB verkleinert, | ||
+ | darauf hindeutet, dass das Hüpfverhalten | ||
+ | \\ | ||
+ | Rauschen aller Feedbacks hauptsächlich durch das Rauschen des LFB beeinflusst werden. Beim | ||
+ | Verrauschen des FFB und des VFB veränderte sich das Hüpfverhalten kaum. Wie schon für den Offset | ||
+ | beschrieben, | ||
+ | \\ | ||
+ | Rauschen aller Feedbacks hauptsächlich durch das Rauschen des LFB beeinflusst werden. Beim | ||
+ | Verrauschen des FFB und des VFB veränderte sich das Hüpfverhalten kaum. Wie schon für den Offset | ||
+ | beschrieben, | ||
+ | immer | ||
+ | wieder überschritten, | ||
+ | LFB wird der verzögerten Aktivierung durch das VFB entgegengewirkt und damit die kritische Grenze | ||
+ | des VFB verschoben.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Bei verringerter Bodensteifigkeit konnte eine Erhöhung der Performance und eine verringerte Beinsteifigkeit | ||
+ | festgestellt werden. Diese Ergebnisse entsprechen dem Störverhalten des einbeinigen Modells | ||
+ | in [55]. Allerdings widersprechen sie experimentellen Ergebnissen. In [20] konnte | ||
+ | der Mensch bei unterschiedlichen Bodensteifigkeiten die Beinsteifigkeit anpasst, sodass die Gesamtsteifigkeit | ||
+ | aus Bein und Boden konstant bleibt, also bei einer Verringerung der Bodensteifigkeit eine höhere | ||
+ | Beinsteifigkeit hat. | ||
+ | Dies deutet darauf hin, dass der Mensch Anpassungsmechanismen hat, die durch das | ||
+ | Modell nicht abgebildet wurden. | ||
+ | ====Störverhalten bei asymmetrisch aufgeprägten Störungen==== | ||
+ | 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.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | 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.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Die Stabilität wird somit durch die Asymmetrie verbessert, jedoch wird dadurch das Systemverhalten schwieriger voraussagbar, | ||
+ | \\ | ||
+ | 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, | ||
+ | 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, | ||
+ | stehenbleibt. Das Stehenbleiben bei der asymmetrischen Beinlängenveränderung ergibt sich vermutlich aus ähnlichen Prozessen.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Nur für den Delay konnte die stabilisiernde Wirkung von Asymmetrien, | ||
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===== Zusammenfassung und Ausblick ===== | ===== 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 |
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- | 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, | + | |
Dies galt bei Verzögerung des VFB sowie aller Feedbacks und bei Verrauschen des LFB sowie aller Feedbacks. | 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.\\ | 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.\\ | 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, | + | 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, |
- | Die asymmetrische Störung durch einseitige Verzögerung der Sensorssignale konnte den Stabilitätsbereich vergrößern. Andere | + | Die meisten |
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.\\ | 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, | 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, | ||
- | Zur Validierung des Modells wurden nur zwei Probanden | + | Aufgrund der geringen Anzahl an Probanden, die stark verschiedene Störreaktionen zeigen, kann keine Aussage getroffen werden, wie der Mensch seine Beinsteifigkeit anpasst. Hierzu |
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, | 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, | ||
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Da die Ergebnisse jedoch stark davon abhingen, welche Stützstellen gewählt wurden, wurde zusätzlich ein Verfahren des Reinforcement Learnings implementiert, | Da die Ergebnisse jedoch stark davon abhingen, welche Stützstellen gewählt wurden, wurde zusätzlich ein Verfahren des Reinforcement Learnings implementiert, | ||
- | Das Lernverfahren konnte bisher nicht zum Hüpfen führen. | + | Es sollten weitere Modifikationen |
Denkbar ist außerdem die Wahl eines anderen Lernverfahrens, | Denkbar ist außerdem die Wahl eines anderen Lernverfahrens, | ||
abschlussarbeiten/msc/dorschsarah.txt · Zuletzt geändert: 28.11.2022 00:11 von 127.0.0.1