abschlussarbeiten:msc:dorschsarah
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abschlussarbeiten:msc:dorschsarah [03.09.2018 14:11] – [Hüpfverhalten des zweibeinigen Modells im ungestörten Fall] Sarah Dorsch | abschlussarbeiten:msc:dorschsarah [30.06.2019 23:56] – [Zusammenfassung und Ausblick] Sarah Dorsch | ||
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| Title ^ Sensorimotor processing of a neuromechanical hopping model ^ | | Title ^ Sensorimotor processing of a neuromechanical hopping model ^ | ||
- | | Titel ^ Sensomotorische Verarbeitung in einem Neuromechansichen | + | | Titel ^ Sensomotorische Verarbeitung in einem Neuromechanischen |
| Supervisor | | Supervisor | ||
| Autor ^ Sarah Dorsch | | Autor ^ Sarah Dorsch | ||
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- | Achtung: Benutzt diese Vorlage für eure Wiki-Einträge!! !! | ||
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- | Hier findet ihr **Hilfestellungen beim Formatieren** des Wikis: [[: | ||
- | Hier gibt es **Hilfe zum Erstellen eines Tutorials/ | ||
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===== Einleitung ===== | ===== Einleitung ===== | ||
- | Viele Bewegungen im täglichen Umfeld sind für den Menschen selbstverständlich und geschehen häufig automatisiert. Gehen wir auf unebenem Gelände oder über Kopfsteinpflaster, | + | Viele Bewegungen im täglichen Umfeld sind für den Menschen selbstverständlich und geschehen häufig automatisiert. Gehen wir auf unebenem Gelände oder über Kopfsteinpflaster, |
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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. Um sich diesem Thema anzunähern, | 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. Um sich diesem Thema anzunähern, | ||
- | 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 | + | 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 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 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 als auch mechanische Störungen betrachtet. Das Störverhalten wird anschließend anhand von Kriterien | + | 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 als auch mechanische Störungen betrachtet. Das Störverhalten wird anschließend anhand von Kriterien |
Zuletzt wird geprüft, ob eine adaptive Einstellung der Reflexparameter das Störverhalten verbessern kann. Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um die Qualität von Assistenzsystemen, | Zuletzt wird geprüft, ob eine adaptive Einstellung der Reflexparameter das Störverhalten verbessern kann. Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um die Qualität von Assistenzsystemen, | ||
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S(t)=\lambda_{\rm{F}} \cdot G_{\rm{F}} \cdot \frac{F_{\rm{CE}}}{F_{\rm{max}}}+\lambda_{\rm{L}} \cdot G_{\rm{L}} \cdot (l_{\rm{CE}}-l_{\rm{off}})+\lambda_{\rm{V}} \cdot G_{\rm{V}} \cdot (v_{\rm{CE}}-v_{\rm{off}}) | S(t)=\lambda_{\rm{F}} \cdot G_{\rm{F}} \cdot \frac{F_{\rm{CE}}}{F_{\rm{max}}}+\lambda_{\rm{L}} \cdot G_{\rm{L}} \cdot (l_{\rm{CE}}-l_{\rm{off}})+\lambda_{\rm{V}} \cdot G_{\rm{V}} \cdot (v_{\rm{CE}}-v_{\rm{off}}) | ||
\end{equation} | \end{equation} | ||
- | Um auch Asymmetrien zwischen den Beinen untersuchen zu können, wird das Modell um ein zweites Bein erweitert. Die Bewegungsgleichung unterteilt nach Stand- und Flugphase ergibt sich damit wie folgt: | + | Um auch Asymmetrien zwischen den Beinen untersuchen zu können, wird dieses |
\begin{equation} | \begin{equation} | ||
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\end{equation} | \end{equation} | ||
- | [{{ : | + | [{{ : |
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====Untersuchungskriterien==== | ====Untersuchungskriterien==== | ||
Zur Analyse der Stabilität wird die **Anzahl der Sprünge** ausgewertet. Es wird definiert, dass stabiles periodisches Hüpfen | Zur Analyse der Stabilität wird die **Anzahl der Sprünge** ausgewertet. Es wird definiert, dass stabiles periodisches Hüpfen | ||
- | durch das Modell vorhergesagt wird, wenn es 50 Absprünge | + | durch das Modell vorhergesagt wird, wenn mindestens |
Der **Status** wird genutzt, um das jeweilige Modellverhalten zu beschreiben. Werden 50 Absprünge nicht erreicht, wird unterschieden zwischen: Hinfallen, Stehenbleiben und Schwingen. Letzteres ist definiert als ein Schwingen des Massenschwerpunkts, | Der **Status** wird genutzt, um das jeweilige Modellverhalten zu beschreiben. Werden 50 Absprünge nicht erreicht, wird unterschieden zwischen: Hinfallen, Stehenbleiben und Schwingen. Letzteres ist definiert als ein Schwingen des Massenschwerpunkts, | ||
Um die Performance zu quantifizieren wird die Hüpfhöhe $\boldsymbol{\Delta h_{\rm{max}}}$ bestimmt. Hierzu werden, falls 50 Absprünge erreicht wurden, die Maxima der Schwerpunktbewegung bestimmt. Die Hüpfhöhe ergibt sich dann aus der Höhe des Massenschwerpunkts im Maximum abzüglich der Beinlänge.\\ | Um die Performance zu quantifizieren wird die Hüpfhöhe $\boldsymbol{\Delta h_{\rm{max}}}$ bestimmt. Hierzu werden, falls 50 Absprünge erreicht wurden, die Maxima der Schwerpunktbewegung bestimmt. Die Hüpfhöhe ergibt sich dann aus der Höhe des Massenschwerpunkts im Maximum abzüglich der Beinlänge.\\ | ||
- | Als weiteres Kriterium zur Charakterisierung der Performance wird die **Hüpffrequenz** $\boldsymbol{f_{\rm{hop}}}$ herangezogen | + | Als weiteres Kriterium zur Charakterisierung der Performance wird die **Hüpffrequenz** $\boldsymbol{f_{\rm{hop}}}$ herangezogen. Sie |
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Das Beinverhalten kann durch eine lineare Feder abgebildet werden, wobei die **Beinsteifigkeit** $\boldsymbol{k_{\rm{leg}}}$ aus dem Verhältnis von maximaler Beinkraft und maximaler Kompression des Beins berechnet wird: $k_{\rm{leg}}=F_{\rm{leg_{max}}}/ | Das Beinverhalten kann durch eine lineare Feder abgebildet werden, wobei die **Beinsteifigkeit** $\boldsymbol{k_{\rm{leg}}}$ aus dem Verhältnis von maximaler Beinkraft und maximaler Kompression des Beins berechnet wird: $k_{\rm{leg}}=F_{\rm{leg_{max}}}/ | ||
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====Sensor-Motor-Maps==== | ====Sensor-Motor-Maps==== | ||
- | Zur Untersuchung des Einflusses der Störungen auf die Untersuchungskriterien werden sogenannte Sensor-Motor-Maps verwendet (Schumacher, | + | Zur Untersuchung des Einflusses der Störungen auf die Untersuchungskriterien werden sogenannte Sensor-Motor-Maps |
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Es handelt sich dabei um Dreiecke, wobei verschiedenen Positionen im Dreieck unterschiedliche Reflexkombinationen (Blendings) zugeordnet werden. Die Ecken der Karte entsprechen den isolierten Reflexen, d. h. oben wird reines FFB, links isoliertes VFB und rechts alleiniges LFB verwendet. Umso größer die Entfernung zum jeweiligen Eckpunkt ist, desto kleiner der Anteil des Feedbacks. Im Mittelpunkt haben damit alle Feedbacks den gleichen Anteil. | Es handelt sich dabei um Dreiecke, wobei verschiedenen Positionen im Dreieck unterschiedliche Reflexkombinationen (Blendings) zugeordnet werden. Die Ecken der Karte entsprechen den isolierten Reflexen, d. h. oben wird reines FFB, links isoliertes VFB und rechts alleiniges LFB verwendet. Umso größer die Entfernung zum jeweiligen Eckpunkt ist, desto kleiner der Anteil des Feedbacks. Im Mittelpunkt haben damit alle Feedbacks den gleichen Anteil. | ||
Um den Einfluss von Störungen zu untersuchen, | Um den Einfluss von Störungen zu untersuchen, | ||
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- | Die für die Kartierung verwendeten initialen Reflexparameter, | + | Die für die Kartierung verwendeten initialen Reflexparameter, |
- | ====Diskussion | + | ====Ergebnisse |
- | \\ | + | [{{ : |
- | \\ | + | |
Für die Variationen der Feedbackgains, | Für die Variationen der Feedbackgains, | ||
bei Beinlängen- und Bodensteifigkeitsveränderungen bleiben die Kartierungen sowohl für die Stabilität | bei Beinlängen- und Bodensteifigkeitsveränderungen bleiben die Kartierungen sowohl für die Stabilität | ||
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verändert sowohl das Stabilitätsgebiet als auch die betrachteten Hüpfcharakteristiken. Abgesehen vom | verändert sowohl das Stabilitätsgebiet als auch die betrachteten Hüpfcharakteristiken. Abgesehen vom | ||
Delay entstehen die Änderungen des Stabilitätsgebiets durch einen weiteren Instabilitätsbereich, | Delay entstehen die Änderungen des Stabilitätsgebiets durch einen weiteren Instabilitätsbereich, | ||
- | den Stehenbleiben vorhergesagt wird. Nahe diesem Bereich ist hierdurch auch die Performance und | + | den Stehenbleiben vorhergesagt wird, wie in Abbildung 2 am Beispiel des LFB-Offsets gezeigt. Nahe diesem Bereich ist hierdurch auch die Performance und |
- | damit auch die anderen Hüpfcharakteristiken stark beeinflusst\\ | + | damit auch die anderen Hüpfcharakteristiken stark beeinflusst.\\ |
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Für die Verzögerung des FFB und des LFB wird zudem eine stark erhöhte Performance | Für die Verzögerung des FFB und des LFB wird zudem eine stark erhöhte Performance | ||
- | vorhergesagt, | + | vorhergesagt, |
- | Hüpfcharakteristen werden dementsprechend beeinflusst\\ | + | |
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Das Stabilitätsverhalten der meisten | Das Stabilitätsverhalten der meisten | ||
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asymmetrischen Störung verstärkt wird. Für die Asymmetrie des Delays des VFB oder aller Feedbacks gilt dies nicht. Hier wird der | asymmetrischen Störung verstärkt wird. Für die Asymmetrie des Delays des VFB oder aller Feedbacks gilt dies nicht. Hier wird der | ||
Effekt der einbeinigen Störung nicht durch zusätzliche Störung des zweiten Beins verstärkt, sondern | Effekt der einbeinigen Störung nicht durch zusätzliche Störung des zweiten Beins verstärkt, sondern | ||
- | die Verbesserung wieder abgeschwächt. | + | die Verbesserung wieder abgeschwächt |
+ | [{{: | ||
+ | ====Diskussion der Störuntersuchungen==== | ||
===Hüpfverhalten des zweibeinigen Modells im ungestörten Fall=== | ===Hüpfverhalten des zweibeinigen Modells im ungestörten Fall=== | ||
Auch in Schumacher (2017) wurden Sensor-Motor-Maps zur Untersuchung des Störverhaltens erstellt. Im Gegensatz | Auch in Schumacher (2017) wurden Sensor-Motor-Maps zur Untersuchung des Störverhaltens erstellt. Im Gegensatz | ||
zu dieser Arbeit wurden die Feedbackparameter dort aber mittels einer Optimierung der Performance | zu dieser Arbeit wurden die Feedbackparameter dort aber mittels einer Optimierung der Performance | ||
- | der isolierten Feedbacks eingestellt. Daher unterscheiden sich die Topologien der Karten von den hier | + | der isolierten Feedbacks eingestellt, was zu positiven Feedbacks führt. Daher unterscheiden sich die Topologien der Karten von den hier |
vorgestellten. Dennoch ist das Stabilitätsgebiet auch hier zusammenhängend. Auffällig ist allerdings, | vorgestellten. Dennoch ist das Stabilitätsgebiet auch hier zusammenhängend. Auffällig ist allerdings, | ||
dass in Schumacher (2017) die Stabilitätsgrenze bei wenig performanten Blendings liegt, während in dieser Arbeit eine | dass in Schumacher (2017) die Stabilitätsgrenze bei wenig performanten Blendings liegt, während in dieser Arbeit eine | ||
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lässt, da die Verzögerung der Aktivierung schließlich zu groß wird und das schnelle Absinken des | lässt, da die Verzögerung der Aktivierung schließlich zu groß wird und das schnelle Absinken des | ||
Massenschwerpunkts nicht mehr durch die Aktivierung unterbunden wird. Dies könnte der Grund | Massenschwerpunkts nicht mehr durch die Aktivierung unterbunden wird. Dies könnte der Grund | ||
- | dafür sein, dass in der Sensor-Motor-Map die harte Grenze entsteht. | + | dafür sein, dass in den Sensor-Motor-Maps dieser Arbeit eine harte Grenze entsteht. |
- | \\ | + | |
- | \\ | + | |
- | Trotz der Erweiterung des Modells um ein zweites Bein werden vergleichbare Werte zu Simulationsergebnissen des einbeinigen Modells für die Hüpffrequenz und die Beinsteifigkeit gefunden (Farley und Morgenroth, 1999; Geyer, 2005; Schumacher, 2017). | + | |
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Durch $l_{\text{off}}$ wird daher eine frühzeitige Aktivierung des Muskels unterdrückt (Geyer et al., 2003; Schumacher, 2017). Bei | Durch $l_{\text{off}}$ wird daher eine frühzeitige Aktivierung des Muskels unterdrückt (Geyer et al., 2003; Schumacher, 2017). Bei | ||
einem verringertem $l_{\text{off}}$ 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 wird | einem verringertem $l_{\text{off}}$ 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 wird | ||
- | und damit ein deutlicher Einfluss auf die Performance entsteht. | + | und damit ein deutlicher Einfluss auf die Performance entsteht. |
+ | Die Variation | ||
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- | Die Variation von hat hingegen nur sehr wenig Einfluss auf die Sensor-Motor-Maps, | + | Wie auch in Geyer (2005) |
- | \\ | + | |
- | Die Muskelgeschwindigkeit nimmt kurz nach dem TD etwa sechsfache Werte der $v_{\text{CE}}$ Muskellänge $l_{\text{CE}}$ 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 daher bei Variation von $v_{\text{off}}$ weniger beeinflusst und damit auch das Hüpfverhalten nur geringfügig verändert.\\ | + | |
- | \\ | + | |
- | Bei Aufschalten der Delays kommt es für verschiedene Blendings zu Peaks im Kraftverlauf (siehe Abbildung 3.11). Dies ist kein physiologisches Verhalten. Es könnte darauf hindeuten, dass das verwendete stark vereinfachte biomechanische Modell bei diesem Delay physiologisch sinnvolle Hüpfmuster nicht 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 sinnvolleres Verhalten erzeugt werden. Leicht abweichende Verzögerungen der Sensorsignale der einzelnen Muskelfasern würden dann zu einer Glättung des Verlaufs führen.\\ | + | |
- | \\ | + | |
- | In Geyer (2005) | + | |
- | \\ | + | |
- | Diese Ergebnisse | + | |
Außerdem werden die Stabilitätsbereiche durch Verzögern von FFB und LFB verkleinert, | Außerdem werden die Stabilitätsbereiche durch Verzögern von FFB und LFB verkleinert, | ||
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- | 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, | + | Die SMM bei Rauschen aller Feedbacks |
- | \\ | + | immer wieder überschritten, |
- | 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, | + | |
- | des VFB verschoben.\\ | + | |
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Bei verringerter Bodensteifigkeit konnte eine Erhöhung der Performance und eine verringerte Beinsteifigkeit festgestellt werden. Diese Ergebnisse entsprechen dem Störverhalten des einbeinigen Modells in Schumacher (2017). Allerdings widersprechen sie experimentellen Ergebnissen. In Ferris und Farley (1997) konnte gezeigt werden, dass 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. | Bei verringerter Bodensteifigkeit konnte eine Erhöhung der Performance und eine verringerte Beinsteifigkeit festgestellt werden. Diese Ergebnisse entsprechen dem Störverhalten des einbeinigen Modells in Schumacher (2017). Allerdings widersprechen sie experimentellen Ergebnissen. In Ferris und Farley (1997) konnte gezeigt werden, dass 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. | ||
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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 | 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.\\ | + | zusammensetzungen. Die Stabilität wird somit durch die Asymmetrie verbessert, jedoch wird dadurch das Systemverhalten schwieriger voraussagbar, |
- | \\ | + | |
- | Die Stabilität wird somit durch die Asymmetrie verbessert, jedoch wird dadurch das Systemverhalten schwieriger voraussagbar, | + | |
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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, | 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, | 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.\\ | 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, | ||
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- | ==== Zweibeiniges Hüpfen mit Bodenhöhenstörungen==== | + | ===== Zweibeiniges Hüpfen mit Bodenhöhenstörungen===== |
Im letzten Abschnitt wurden Tendenzen festgestellt, | Im letzten Abschnitt wurden Tendenzen festgestellt, | ||
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(Institut für Sportwissenschaften, | (Institut für Sportwissenschaften, | ||
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- | Der Mensch bevorzugt meist Bewegungen mit geringen metabolischen Kosten | + | Der Mensch bevorzugt meist Bewegungen mit geringen metabolischen Kosten |
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- | ===Ergebnisse=== | + | ====Simulative Ergebnisse der Störversuche bei Bodenhöhenvariationen==== |
- | ==Simulative Ergebnisse der Störversuche bei Bodenhöhenvariationen== | + | [{{ : |
Für alle simulierten Bodenhöhenänderungen wurde nach der Störung entweder stabiles Hüpfen oder | Für alle simulierten Bodenhöhenänderungen wurde nach der Störung entweder stabiles Hüpfen oder | ||
Hinfallen detektiert. Zudem erreicht das Modell nach der Störung wieder die gleiche Hüpfhöhe.\\ | Hinfallen detektiert. Zudem erreicht das Modell nach der Störung wieder die gleiche Hüpfhöhe.\\ | ||
Die größten Bodenanhebungen können durch das performance-optimierte geblendete Feedback | Die größten Bodenanhebungen können durch das performance-optimierte geblendete Feedback | ||
stabilisiert werden, während isoliertes performance-optimiertes FFB die geringsten | stabilisiert werden, während isoliertes performance-optimiertes FFB die geringsten | ||
- | Erhöhungen ausgleicht | + | Erhöhungen ausgleicht |
Das performance-optimierte geblendete Feedback führt zur höchsten Sensibilität des Modells auf | Das performance-optimierte geblendete Feedback führt zur höchsten Sensibilität des Modells auf | ||
- | Bodenabsenkungen.Das performance-optimierte LFB stabilisiert Bodenabsenkungen am besten.\\ | + | Bodenabsenkungen. Das performance-optimierte LFB stabilisiert Bodenabsenkungen am besten.\\ |
Werden die Feedbackparameter im geblendeten Fall effizienz-optimiert eingestellt, | Werden die Feedbackparameter im geblendeten Fall effizienz-optimiert eingestellt, | ||
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- | Thesis Bild (Wiki) –Stabilisierte Bodenhöhenänderungen bei verschiedenen Feedbackzusammensetzungen und unterschiedlichen Optimierungszielen. Die schwarzen Linien geben die Fußpunkthöhe im Apex an. Rot kennzeichnet eine Bodenerhöhung, | + | |
- | \\ | + | ====Vergleich des Störverhaltens von Modell und Mensch==== |
- | ==Vergleich des Störverhaltens von Modell und Mensch== | + | [{{ : |
- | [{{ : | + | Wie durch die Simulation vorhergesagt, |
- | Die Probanden | + | |
Auch die Beinsteifigkeit wird nach der Störung wieder wie vor der Störung eingestellt. | Auch die Beinsteifigkeit wird nach der Störung wieder wie vor der Störung eingestellt. | ||
- | Im gestörten Sprung selbst, weichen die Steifigkeiten sowohl für das Modell als auch für Proband 2 von der ungestörten Steifigkeit ab. Das Modell hat in diesem Sprung eine verringerte Steifigkeit, | + | Im gestörten Sprung selbst, weichen die Steifigkeiten sowohl für das Modell als auch für Proband 2 von der ungestörten Steifigkeit ab. Das Modell hat in diesem Sprung eine verringerte Steifigkeit, |
===Diskussion=== | ===Diskussion=== | ||
== Fallrisiko durch Bodenhöhenänderung bei verschiedenen Reflexparametern== | == Fallrisiko durch Bodenhöhenänderung bei verschiedenen Reflexparametern== | ||
- | Auffällig ist, dass das performance-optimierte geblendete Feedback nur sehr geringe Bodenabsenkungen stabilisieren kann. Wie schon im vorherigen Kapitel diskutiert, ist zu vermuten, dass das System sich aufgrund der Optimierung der Performance mit Anteilen von negativem VFB an einer Grenze befindet. Wird der Boden abgesenkt, wird die TD-Geschwindigkeit erhöht, da eine längere Falldauer entsteht. Dies kann durch die verzögerte Aktivierung nicht rechtzeitig abgebremst werden, weshalb nur sehr kleine Bodenabsenkungen ausgleichbar sind.\\ | ||
Allgemein kann festgehalten werden, dass weniger performante Feedbacks eine größere Robustheit gegenüber Bodenabsenkungen aufweisen. Ist die Performance des Systems hoch, ist auch die potentielle Energie im Apex hoch und damit die TD-Geschwindigkeit höher als bei weniger performanten Einstellungen. Wird nun zusätzlich noch weitere Energie durch eine Bodenabsenkung hinzugefügt, | Allgemein kann festgehalten werden, dass weniger performante Feedbacks eine größere Robustheit gegenüber Bodenabsenkungen aufweisen. Ist die Performance des Systems hoch, ist auch die potentielle Energie im Apex hoch und damit die TD-Geschwindigkeit höher als bei weniger performanten Einstellungen. Wird nun zusätzlich noch weitere Energie durch eine Bodenabsenkung hinzugefügt, | ||
- | In [27] wurde bei Kombination von Feedforward und Feedback eine schnellere Ausregelung gefunden. In dieser Arbeit wurde die Ausregelzeit nicht bestimmt. In weitergehenden Untersuchungen sollten die verschiedenen Feedbackkombinationen zusätzlich auf ihre Ausregelzeit getestet werden.\\ | ||
== Diskussion des Vergleichs von Simulation und Experiment== | == Diskussion des Vergleichs von Simulation und Experiment== | ||
- | Die Anpassungsstrategien des Menschen bei unterschiedlich nachgiebigem Boden sind häufig diskutiert. Für weicher werdenden Boden nimmt die Beinsteifigkeit zu. [43], [20] | + | Die Anpassungsstrategien des Menschen bei unterschiedlich nachgiebigem Boden sind häufig diskutiert. Für weicher werdenden Boden nimmt die Beinsteifigkeit zu. (Moritz und Farley, 2004), |
\\ | \\ | ||
- | Wird die Bodenhöhenabsenkung als unendlich nachgiebiger Boden betrachtet, so sollte die Beinsteifigkeit bei Aufkommen auf dem unerwarteten Boden stark erhöht sein. Dies kann im Experiment für Proband 2 festgestellt werden (Abbildung).\\ | + | Wird die Bodenhöhenabsenkung als unendlich nachgiebiger Boden betrachtet, so sollte die Beinsteifigkeit bei Aufkommen auf dem unerwarteten Boden stark erhöht sein. Dies kann im Experiment für Proband 2 festgestellt werden (Abbildung |
\\ | \\ | ||
- | In Experimenten mit einem falschen Boden konnte ein Anstieg der Muskelaktivität bei Durchfallen | + | In Müller |
- | dessen festgestellt werden [39]. Kommt der Proband dann auf, sind Kraft-Längen- | + | |
- | Geschwindigkeitsfunktion noch in einem Bereich geringer Kraftentwicklung. Durch die hohe | + | |
- | Aktivierung wird aber schon nach geringer Verkürzung des Beins (und damit Dehnung des Muskels) | + | |
- | die Kraft durch die intrinsischen Eigenschaften verstärkt. Es kommt zur Kontraktion des Muskels | + | |
- | und damit zum Stoppen der Beinverkürzung.\\ | + | |
- | \\ | + | |
- | In [44] werden weitere Experimente durchgeführt, | + | |
auf- als auch abwärts rennen. Bei der Erhöhung des Bodens ist die Beinsteifigkeit umso geringer, je größer der Bodenanstieg eingestellt wird. Dies entspricht der in der Literatur bekannten Anpassung der Beinsteifigkeit auf steifer werdendem Boden. Für das Abwärtslaufen wird allerdings eine annähern konstante Beinsteifigkeit gefunden. Dieses Ergebnis ist in Übereinstimmung mit der Reaktion von Proband 1 auf die Bodenhöhenstörung.\\ | auf- als auch abwärts rennen. Bei der Erhöhung des Bodens ist die Beinsteifigkeit umso geringer, je größer der Bodenanstieg eingestellt wird. Dies entspricht der in der Literatur bekannten Anpassung der Beinsteifigkeit auf steifer werdendem Boden. Für das Abwärtslaufen wird allerdings eine annähern konstante Beinsteifigkeit gefunden. Dieses Ergebnis ist in Übereinstimmung mit der Reaktion von Proband 1 auf die Bodenhöhenstörung.\\ | ||
- | Dies spricht dafür, dass die Anpassung des zweiten Probanden nicht der gewöhnlichen Reaktion auf | + | Dennoch springt Proband 1 auch in den ungestörten Sprüngen mit ungewöhnlich hohen Beinsteifigkeiten für bevorzugtes Hüpfen. Sie beträgt etwa 24 kN/m , während in Farley und Morgenroth (1999) |
- | Bodenabsenkungen entspricht. | + | Außerdem sind die oben angeführten Experimente beim Rennen durchgeführt worden. Nicht alle Ergebnisse und Regelstrategien des Menschen beim Gehen oder Rennen sind auf das Hüpfen übertragbar |
- | Außerdem sind die oben angeführten Experimente beim Rennen durchgeführt worden. Nicht alle Ergebnisse und Regelstrategien des Menschen beim Gehen oder Rennen sind auf das Hüpfen übertragbar | + | |
\\ | \\ | ||
Unabhängig davon, ob die Ergebnisse von Proband 1 oder 2 betrachtet werden, verändert sich die | Unabhängig davon, ob die Ergebnisse von Proband 1 oder 2 betrachtet werden, verändert sich die | ||
- | Beinsteifigkeit des Modells in anderer Weise. In der Standphase nach der Störung ist für beide Probanden die GRF erhöht. Dies deutet daher auf eine höhere Hierarchiebene der motorischen Kontrolle, z. B. durch höhere Gehirnareale, | + | Beinsteifigkeit des Modells in anderer Weise. In der Standphase nach der Störung ist für beide Probanden die GRF erhöht. Dies deutet daher auf eine höhere Hierarchiebene der motorischen Kontrolle, z. B. durch höhere Gehirnareale, |
- | Proband 2 ist allerdings mit 1,63m Körperhöhe deutlich kleiner als Proband 1, der 1,79m groß ist. Es ist denkbar, dass kleinere Menschen nur ein geringeres Einsinken des Massenschwerpunkt zulassen.\\ | + | |
\\ | \\ | ||
- | In weiteren Untersuchungen sollte außerdem das Alter beachtet werden. In [32] wird gezeigt, dass ältere Menschen beim Treppenabstieg ihr Bein durch Aktivierung der Muskulatur deutlich versteifen, um ihre neuromotorischen Beeinträchtigungen, | ||
- | |||
- | ==== Unterpunkt 2 ==== | ||
- | Es gibt auch die Möglichkeit Videos einzubinden... dieses Beispielvideo zeigt Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Vorwärts- bzw. Rückwärtssaltos: | ||
- | |||
- | {{ youtube> | ||
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+ | ===== Adaptive Reflexparameter ===== | ||
+ | In den letzten Abschnitten konnte festgestellt werden, dass das Störverhalten von der Einstellung der Feedbackparameter | ||
+ | sowie von der Feedbackzusammensetzung zur Aktivierung des Muskels abhängt. Des Weiteren hat der Vergleich zwischen Simulation und Experiment ergeben, dass die Regulation der Beinsteifigkeit des Menschen durch Feedbacks mit konstanten Parametern nicht abgebildet werden kann. Daher wird für das reflexbasierte Modell eine übergeordnete Regelung benötigt, die eine Anpassung der Beinsteifigkeit nachempfindet. Hierzu wird zunächst eine lineare | ||
+ | Anpassung der Feedbackverstärkung an die Fallhöhe getestet (in Anlehnung an Blum, Rummel und Seyfarth (2007)).\\ | ||
\\ | \\ | ||
+ | Die in der Simulation beobachtete verringerte Gesamtbeinsteifigkeit ist eine Folge einer stärkeren Beinverkürzung. Dies führt letztendlich dazu, dass das Modell bei einer zu hohen Bodenabsenkung hinfällt, da das Bein zu stark verkürzt wird. Aufgrund dieser Verkürzung wird der Muskel überdehnt, wodurch die Kraft-Längen-Funktion sich in einem Bereich befindet, in dem nur geringe Kräfte erreicht werden können. Auch eine große Aktivierung führt dann aufgrund des multiplikativen Zusammenhangs nur zu geringen Muskelkräften. Um bei verringerter Bodenhöhe und damit höherer TD-Geschwindigkeit das zu starke Einsinken zu verhindern, muss die Aktivierung früher ansteigen, was mit einer höheren Beinsteifigkeit einhergeht.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Die Erhöhung der Muskelaktivität bei unerwartet tiefem Fallen konnte auch in experimentellen | ||
+ | Versuchen gezeigt werden (Donelan und Kram, 2001). Des Weiteren wird in der Literatur angedeutet, dass der Mensch | ||
+ | die Feedbackparameter aufgabenabhängig anpasst (Prochazka, Gillard und Bennett, | ||
+ | verschiedenen Störungen, wie einer tieferen Fallhöhe, passiert. Ziel ist daher, die Erhöhung der | ||
+ | Beinsteifigkeit durch einen früheren Anstieg der Muskelaktivität, | ||
+ | abbremsen zu können und damit größere Bodenabsenkungen auszugleichen. Dies soll durch Anpassung | ||
+ | der Feedbackparameter erreicht werden.\\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Eine höhere Beinsteifigkeit kann beispielsweise durch Erhöhung von $G_{\text{F}}$ erreicht werden. Da das Modell sich in der | ||
+ | Flugphase im freien Fall befindet, sind Falldauer und Falltiefe proportional. Je höher die Falltiefe, desto | ||
+ | früher muss der Muskel nach dem TD aktivieren, um das Fallen abbremsen zu können. Daher soll $G_{\text{F}}$ | ||
+ | mit der Falldauer zunehmen, sodass nach dem TD die Aktivierung früher ansteigt. \\ | ||
+ | \\ | ||
+ | Zunächst werden zwei lineare Zusammenhänge zwischen Gain und Fallzeit getestet. Erster Zusammenhang weist eine geringe Steigung auf, der zweite eine deutlich höhere, wodurch höhere Bodenabsenkungen ausgeglichen werden können. Allerdings können nur noch kleine Bodenanhebungen | ||
+ | stabilisiert werden. Sogar für die ursprüngliche Loslasshöhe von 1,05 m, was im Apex einer Bodenanhebung von 0,11 m entspricht, ist diese Interpolation nicht stabil. Daher wird zusätzlich eine Anpassung des Gains | ||
+ | gesucht, die im Bereich kleiner Bodenhöhenvariationen kleine Steigungen aufweist, im Bereich großer | ||
+ | Variationen aber zu großen Änderungen von $G_{\text{F}}$ | ||
+ | \\ | ||
+ | ====Ergebnisse der adaptiven Einstellung==== | ||
+ | [{{ : | ||
+ | Abhängigkeit von der Flugphasenzeit. Rot kennzeichnet eine Bodenerhöhung, | ||
+ | Bodenabsenkung.}}] | ||
+ | Während die zweite lineare Interpolation sehr hohe Bodenabsenkungen toleriert, ändert die erste lineare | ||
+ | Anpassung des Gains den Stabilitätsbereich kaum (Abbildung 6). Beide Anpassungsstrategien führen | ||
+ | zu einer verringerten Robustheit gegenüber Bodenanhebungen, | ||
+ | stärker ist. Die exponentielle Anpassung stabilisiert Bodenanhebungen in ähnlichem Maße wie | ||
+ | die erste lineare Interpolation, | ||
+ | kleiner als die der zweiten linearen Interpolation.\\ | ||
+ | |||
+ | Mit den getesteten Anpassungen von $G_{\text{F}}$ können im gestörten Sprung höhere Steifigkeiten erreicht | ||
+ | werden (Abbildung 7). Die größte Änderung ist für die zweite lineare Anpassung in Abhängigkeit | ||
+ | von der Fallhöhe zu beobachten, während die erste lineare Interpolation die Steifigkeit nur geringfügig | ||
+ | erhöht.\\ | ||
- | Bei der Youtube Einbindung müsst ihr beachten, dass ihr nur einen Teil des originalen Links benötigt. \\ | + | [{{: |
- | Im folgenden Abschnitt haben wir das mal verdeutlicht. | + | ====Diskussion der adaptiven Einstellung der Reflexparameter==== |
+ | Es konnte gezeigt werden, dass eine adaptive Gainanpassung | ||
+ | stabiler Hüpfmuster gegenüber konstanten Feedbacks für Bodenabsenkungen erhöht. Sowohl mit den zwei linearen als auch mit dem exponentiellen Zusammenhang | ||
+ | zwischen $G_{\text{F}}$ und der Fallhöhe, die während der Simulation durch die Flugzeit bestimmt wird, kann eine | ||
+ | Vergrößerung des Stabilitätsbereichs erzielt werden. Dies geht allerdings mit einer Verringerung des | ||
+ | stabilen Bereichs für Bodenanhebungen einher.\\ | ||
+ | Durch die exponentielle und die linearen Anpassungen des $G_{\text{F}}$ konnte bei Bodenabsenkungen, | ||
+ | die Beinsteifigkeit erhöht werden. Da auch die Literatur eine aufgabenabhängige Gainanpassung | ||
+ | unterstützt (Prochazka, Gillard und Bennett, | ||
+ | Maß zur Dissipation der Energie denkbar, um hierdurch eine größere Stabilität zu erreichen. | ||
- | < | ||
- | Original-Link: | ||
- | Syntax für Youtube Video {{ youtube> | ||
- | |||
- | Einbindung ins Wiki {{ youtube> | ||
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- | </ | ||
- | |||
- | Oder kleine Anmerkungen einzufügen: | ||
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- | < | ||
- | Notiz 1 | ||
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- | <note tip> | ||
- | Tipp 1 | ||
- | </ | ||
- | |||
- | <note important> | ||
- | Achtung 1 | ||
- | </ | ||
- | ===== Inhalt2 ===== | ||
- | Hier werden weitere theoretische Hintergründe aufgearbeitet, | ||
- | |||
- | Verwendete Blockzitate (mehr als 40 Worte) werden dabei wie folgt formatiert: \\ | ||
- | Beispielsweise beschreibt Hermann (2001) die Konsequenzen von Verletzungen für Leistungssportler wie folgt: \\ | ||
- | >Für Leistungssportler . . . bedeuten Verletzungen oftmals einen tiefen Ein-schnitt in den Lebensrhythmus mit unklaren Konsequenzen für die weitere körperliche Leistungsfähigkeit und – damit verbunden – für die weitere sportli-che Entwicklung. Je nach individueller Bedeutung des Sports und der Schwere der Läsion können diese Verletzungen mit deutlichen bis massiven psychischen Problemen behaftet sein und für Professionals noch zusätzlich monetär existenzielle Folgen haben. (S. 5)< | ||
- | Andere Zitationsweisen finden sich hier: [[http:// | ||
- | |||
- | \\ \\ | ||
- | |||
- | ==== Tabellen ==== | ||
- | |||
- | Um wiederkehrende Fragen nach der Beschriftung von Tabellen vorzubeugen wird in diesem Abschnitt ein Beispiel gegeben, wie eine Tabelle nach den Zitationsrichtlinien des IFS (vgl. [[http:// | ||
- | |||
- | | Tabelle 1: Beispiel für Tabellenüberschrift (Autor, Jahr, Seite) | ||
- | ^ Name ^ Alter ^ Gewicht | ||
- | | Mustermann | ||
- | |||
- | \\ \\ | ||
===== Zusammenfassung und Ausblick ===== | ===== Zusammenfassung und Ausblick ===== | ||
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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, | ||
- | Beide getesteten Interpolationen konnten Bodenanhebungen nur noch im geringerem Maße stabilisieren als dies bei einer konstante Feedbackverstärkung der Fall war. Mit einer exponentiellen Regression konnten die Vorteile der beiden linearen Interpolation teilweise kombiniert werden, sodass Bodenanhebungen wie für die erste lineare Interpolation und Bodenabsenkungen im ähnlich großen Maß wie bei der zweiten Variante der linearen Interpolation stabilisiert werden konnten. Durch diese einfachen Anpassungen des Gains an die Fallhöhe bzw. Flugzeit ließ sich das menschliche Verhalten bei Bodenabsenkungen bereits besser abbilden. Abweichungen zu den experimentellen Ergebnissen bestehen aber nach wie vor. | + | Beide getesteten Interpolationen konnten Bodenanhebungen nur noch im geringerem Maße stabilisieren als dies bei einer konstante Feedbackverstärkung der Fall war. Mit einer exponentiellen Regression konnten die Vorteile der beiden linearen Interpolation teilweise kombiniert werden, sodass Bodenanhebungen wie für die erste lineare Interpolation und Bodenabsenkungen im ähnlich großen Maß wie bei der zweiten Variante der linearen Interpolation stabilisiert werden konnten. Durch diese einfachen Anpassungen des Gains an die Fallhöhe bzw. Flugzeit ließ sich das menschliche Verhalten bei Bodenabsenkungen bereits besser abbilden. Abweichungen zu den experimentellen Ergebnissen bestehen aber nach wie vor. |
- | Da die Ergebnisse jedoch stark davon abhingen, welche Stützstellen gewählt wurden, wurde zusätzlich ein Verfahren des Reinforcement Learnings implementiert, | + | |
- | 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, | ||
===== Literatur ===== | ===== Literatur ===== |
abschlussarbeiten/msc/dorschsarah.txt · Zuletzt geändert: 28.11.2022 00:11 von 127.0.0.1