biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:atsb2103
Unterschiede
Hier werden die Unterschiede zwischen zwei Versionen angezeigt.
biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:atsb2103 [26.07.2021 08:37] – [3.1. Nachgiebigkeit] Alexandra Schneider | biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:atsb2103 [28.11.2022 00:58] (aktuell) – Externe Bearbeitung 127.0.0.1 | ||
---|---|---|---|
Zeile 7: | Zeile 7: | ||
^ Bearbeitungsdauer | ^ Bearbeitungsdauer | ||
^ Status | ^ Status | ||
- | ^ Zuletzt geändert am | 25.07.2021 / 20:24h | | + | ^ Zuletzt geändert am | 26.07.2021 / 20:06h | |
====== 1. Einleitung ====== | ====== 1. Einleitung ====== | ||
Zeile 30: | Zeile 30: | ||
- | ==== 2.1 Windlass-Mechanismus ==== | + | ==== 2.1 Truss- und Windlass-Mechanismus ==== |
- | [{{ : | + | [{{ : |
- | Sobald die Fußzehen beim Abrollen über den Fußballen gestreckt werden, wird die Sehne wieder verkürzt, was zu einer Verhärtung des Fußes führt. Dadurch wird der Fußbogen wieder angehoben und die Ferse nach oben gebracht. Die zuvor gespeicherte Energie in der Sehne wird nun wieder freigegeben und für das Abdrücken vom Boden verwendet. Dadurch, dass der Fußbogen seine Form leicht ändern kann und der Fuß am Anfang der Bewegung weich und elastisch ist, können große Kräfte absorbiert werden. Dies ermöglicht dem Menschen Sprung- und Sprintbewegungen auszuführen, | + | Sobald die Fußzehen beim Abrollen über den Fußballen gestreckt werden, wird die Sehne wieder verkürzt, was zu einer Verhärtung des Fußes führt. Dadurch wird der Fußbogen wieder angehoben und die Ferse nach oben gebracht. Die zuvor gespeicherte Energie in der Sehne wird nun wieder freigegeben und für das Abdrücken vom Boden verwendet. Dadurch, dass der Fußbogen seine Form leicht ändern kann und der Fuß am Anfang der Bewegung weich und elastisch ist, können große Kräfte absorbiert werden |
Am Ende der Bewegung ist der Fuß hingegen sehr steif und fest, was das Abdrücken vom Boden unterstützt und zu einer optimalen Kraftübertragung führt. Wäre der Fuß weiterhin elastisch, würde sehr viel Kraft im Boden verloren gehen. So hingegen kann die in den Sehnen gespeicherte Kraft für eine flüssige Vorwärtsbewegung auf den Boden übertragen werden (Caravaggi et al., 2009). | Am Ende der Bewegung ist der Fuß hingegen sehr steif und fest, was das Abdrücken vom Boden unterstützt und zu einer optimalen Kraftübertragung führt. Wäre der Fuß weiterhin elastisch, würde sehr viel Kraft im Boden verloren gehen. So hingegen kann die in den Sehnen gespeicherte Kraft für eine flüssige Vorwärtsbewegung auf den Boden übertragen werden (Caravaggi et al., 2009). | ||
Zeile 43: | Zeile 43: | ||
==== 2.2 " | ==== 2.2 " | ||
- | [{{ : | + | [{{ : |
- | [{{ : | + | [{{ : |
In den Untersuchungen wurde dabei festgestellt das das ROS bei unterschiedlichen Bedingungen seine kreisförmige Form dabei immer beibehält, sei es bei zusätzlichem Gewicht, unterschiedlichen Höhen von Schuhabsätzen, | In den Untersuchungen wurde dabei festgestellt das das ROS bei unterschiedlichen Bedingungen seine kreisförmige Form dabei immer beibehält, sei es bei zusätzlichem Gewicht, unterschiedlichen Höhen von Schuhabsätzen, | ||
==== 2.3 Fußzehen ==== | ==== 2.3 Fußzehen ==== | ||
- | [{{ : | + | [{{ : |
Die Zehen sind zudem individuell beweglich und ansteuerbar, | Die Zehen sind zudem individuell beweglich und ansteuerbar, | ||
Zeile 69: | Zeile 69: | ||
[{{ : | [{{ : | ||
- | Der einfachste Fuß für zweibeinige Roboter ist ein flacher Starrkörper aus einem einzelnen Stück, also z.B. eine simple Metallplatte (Abb. 5a). Wie in Abschnitt 2 beschrieben, | + | Der einfachste Fuß für zweibeinige Roboter ist ein flacher Starrkörper aus einem einzelnen Stück, also z.B. eine simple Metallplatte (Abb. 5a). Wie in Abschnitt 2 beschrieben, |
Zeile 81: | Zeile 81: | ||
Anstatt den Windlass-Mechanismus nachzuahmen können auch andere, weniger bio-inspirierte Ansätze für eine veränderliche Steifigkeit gewählt werden. Qaiser et al. (2017). haben einen Fuß beschrieben, | Anstatt den Windlass-Mechanismus nachzuahmen können auch andere, weniger bio-inspirierte Ansätze für eine veränderliche Steifigkeit gewählt werden. Qaiser et al. (2017). haben einen Fuß beschrieben, | ||
- | Zang et al. (2017) haben hingegen | + | Zang et al. (2017) haben hingegen |
===== 3.2. Zehen ====== | ===== 3.2. Zehen ====== | ||
Zeile 90: | Zeile 90: | ||
{{ youtube> | {{ youtube> | ||
- | Beim menschlichen Gang würden jedoch die Hacke vom hinteren Fuß angehoben werden. Würde ein Roboter mit flachem Fuß dies nachahmen, hätte nur die Fußspitze Kontakt zum Boden. Durch das zusätzliche Gelenk kann das Zehsegment abknicken und flach auf dem Boden verbleiben, wodurch sich die Kontaktfläche zum Boden vergrößert und somit die Stabilität des Gleichgewichts verbessert wird (Sellaouti et al., 2006). Die Vorteile von Zehgelenken für einen menschenähnlicheren Gang konnte auch für den Atlas-Roboter gezeigt werden (Agarwal & Popovic, 2018). Das zusätzliche Gelenk ermöglicht es zudem längere Schrittweiten zu wählen (Sellaouti et al., 2006), schneller zu gehen (Nishiwaki et al., 2002) und energieeffizienter zu laufen (Kouchaki & Sadigh, 2010). | + | Beim menschlichen Gang würden jedoch die Hacke vom hinteren Fuß zuerst |
Neben den Vorteilen, die sich beim Laufen ergeben, sind Zehgelenke auch für andere Zwecke hilfreich. Hashimoto et al. (2011) konnten eine schnelle Drehbewegung auf der Stelle durch das Anheben der Hacke vom einen und der Spitze des anderen Fuß realisieren. Auch konnte durch den Einsatz von Zehen u.a. die Reichweite des Schusses eines Fußball spielenden Roboters verbessert werden (Dorer, 2017). Neben der Stabilität beim Laufen kann z.B. auch die Balance im Stehen verbessert werden (Kouchaki & Sadigh, 2014). | Neben den Vorteilen, die sich beim Laufen ergeben, sind Zehgelenke auch für andere Zwecke hilfreich. Hashimoto et al. (2011) konnten eine schnelle Drehbewegung auf der Stelle durch das Anheben der Hacke vom einen und der Spitze des anderen Fuß realisieren. Auch konnte durch den Einsatz von Zehen u.a. die Reichweite des Schusses eines Fußball spielenden Roboters verbessert werden (Dorer, 2017). Neben der Stabilität beim Laufen kann z.B. auch die Balance im Stehen verbessert werden (Kouchaki & Sadigh, 2014). | ||
- | Für das Design des Zehgelenks gibt es verschiedene Wahlmöglichkeiten. Die Hauptunterscheidung liegt zwischen aktiven und passiven Gelenken. Im Gegensatz zum aktiven Fall wird ein passives Gelenk nicht durch einen Motor gesteuert und hat somit auch den Vorteil, dass kein zusätzlicher Antrieb am Fuß benötigt wird. Der Nachteil verglichen mit dem aktiven Gelenk liegt in der geringeren Beeinflussbarkeit des Systems (Agarwal & Popovic, 2018). Außerdem kann durch ein aktives Zehgelenk ein zusätzliches Abstoßen realisiert werden, wodurch die Laufgeschwindigkeit weiter erhöht werden kann (Agarwal & Popovic, 2018). Durch das Anbringen einer Torsionsfeder am Zehgelenk (Kajita et al., 2007) kann bei der passiven Lösung Energie gespart werden, indem diese beim Aufsetzen des Fußes gespeichert und beim Abheben wieder freigegeben wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in hybriden Gelenken. Bei diesen wird ein aktiv betriebenes Gelenk mit einem passiven Feder-Masse-Dämpfer-System kombiniert, wodurch die im Gelenk nötigen Drehmomente reduziert werden können (Kumar et al., 2007). Ouezdou et al. (2005) verglichen den Energieverbrauch von passiven, aktiven und einem hybriden Füßen und konnten zeigen, dass alle drei Modelle den Energieverbrauch im Vergleich zu einem herkömmlichen flachen Fuß reduzieren können. Der Fuß mit aktiven Zehgelenk zeigte zudem einen besseren Energieverbrauch als der passive, was mit der Möglichkeit eine effizientere Gangart zu wählen begründet wurde. Den geringsten Energieverbrauch wies die hybride Lösung auf. Bei den Studien, die Zehgelenken einen besseren Energieverbrauch bescheinigen, | + | Für das Design des Zehgelenks gibt es verschiedene Wahlmöglichkeiten. Die Hauptunterscheidung liegt zwischen aktiven und passiven Gelenken. Im Gegensatz zum aktiven Fall wird ein passives Gelenk nicht durch einen Motor gesteuert und hat somit auch den Vorteil, dass kein zusätzlicher Antrieb am Fuß benötigt wird. Der Nachteil verglichen mit dem aktiven Gelenk liegt in der geringeren Beeinflussbarkeit des Systems (Agarwal & Popovic, 2018). Außerdem kann durch ein aktives Zehgelenk ein zusätzliches Abstoßen realisiert werden, wodurch die Laufgeschwindigkeit weiter erhöht werden kann (Agarwal & Popovic, 2018). Durch das Anbringen einer Torsionsfeder am Zehgelenk (Kajita et al., 2007) kann bei der passiven Lösung Energie gespart werden, indem diese beim Aufsetzen des Fußes gespeichert und beim Abheben wieder freigegeben wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in hybriden Gelenken. Bei diesen wird ein aktiv betriebenes Gelenk mit einem passiven Feder-Masse-Dämpfer-System kombiniert, wodurch die im Gelenk nötigen Drehmomente reduziert werden können (Kumar et al., 2007). Ouezdou et al. (2005) verglichen den Energieverbrauch von passiven, aktiven und hybriden Füßen und konnten zeigen, dass alle drei Modelle den Energieverbrauch im Vergleich zu einem herkömmlichen flachen Fuß reduzieren können. Der Fuß mit aktiven Zehgelenk zeigte zudem einen besseren Energieverbrauch als der passive, was mit der Möglichkeit eine effizientere Gangart zu wählen begründet wurde. Den geringsten Energieverbrauch wies die hybride Lösung auf. Bei den Studien, die Zehgelenken einen besseren Energieverbrauch bescheinigen, |
- | Ein Problem beim klassischen Design des Zehgelenkes ist, dass beim Anwinkeln der Zehen das gesamte Körpergewicht auf dem Zehgelenk lastet (Yamamoto et al., 2007). Yamamoto et al. (2007) haben deshalb ein Design entworfen, bei dem nicht nur das Zehsegement, | + | Ein Problem beim klassischen Design des Zehgelenkes ist, dass beim Anwinkeln der Zehen das gesamte Körpergewicht auf dem Zehgelenk lastet (Yamamoto et al., 2007). Yamamoto et al. (2007) haben deshalb ein Design entworfen, bei dem nicht nur das Zehsegement, |
Zeile 103: | Zeile 103: | ||
Eine naturgetreue Nachbildung des menschlichen Fußes zu bauen ist nicht einfach und bringt gewisse Probleme mit sich. Die größte Schwierigkeit ist es auf einem sehr kleinen Raum, sehr viele Einzelteile einzubauen und so miteinander zu verknüpfen, | Eine naturgetreue Nachbildung des menschlichen Fußes zu bauen ist nicht einfach und bringt gewisse Probleme mit sich. Die größte Schwierigkeit ist es auf einem sehr kleinen Raum, sehr viele Einzelteile einzubauen und so miteinander zu verknüpfen, | ||
- | So hat die Forschungsgruppe Narioka et al. (2012) einen Roboterfuß gebaut, der aus drei festen Bauteilen (Ferse, Mittelfuß und Fußballen mit Zehen) besteht, die durch zwei Gelenke verbunden sind und einen Fußbogen, ähnlich dem des Meschen nachstellen. Der Fuß wird durch Pneumatik betrieben und soll sowohl die Funktion der Zehen als auch den Truss- und Windlass-Mechanismus des Fußbogens imitieren. Die Forschungsgruppe | + | So hat die Forschungsgruppe Narioka et al. (2012) einen Roboterfuß gebaut, der aus drei festen Bauteilen (Ferse, Mittelfuß und Fußballen mit Zehen) besteht, die durch zwei Gelenke verbunden sind und einen Fußbogen, ähnlich dem des Meschen nachstellen |
Die Gruppe Seo und Yi (2009) hat ebenfalls versucht die Fußzehen und den Windlass-Mechanismus mit ihrem Roboterfuß nachzuahmen. Hier wurden die Fußzehen allerdings nicht als eine Einheit eingebaut, sondern als fünf individuelle Zehen. Zudem besteht der Fußbogen aus zwei Platten die eine Art Dach bilden und unten durch mehrere parallele Federn zusammengehalten werden, die die Fußsehne simulieren. Durch diese Konstruktion konnte das Nachgeben der Zehen auf unebenem Grund, sowie die Energiespeicherung beim Herabsenken des Fußbogens nachgestellt werden. | Die Gruppe Seo und Yi (2009) hat ebenfalls versucht die Fußzehen und den Windlass-Mechanismus mit ihrem Roboterfuß nachzuahmen. Hier wurden die Fußzehen allerdings nicht als eine Einheit eingebaut, sondern als fünf individuelle Zehen. Zudem besteht der Fußbogen aus zwei Platten die eine Art Dach bilden und unten durch mehrere parallele Federn zusammengehalten werden, die die Fußsehne simulieren. Durch diese Konstruktion konnte das Nachgeben der Zehen auf unebenem Grund, sowie die Energiespeicherung beim Herabsenken des Fußbogens nachgestellt werden. | ||
Zeile 187: | Zeile 187: | ||
Qaiser, Z., Kang, L. & Johnson, S. (2017). //Design of a bioinspired tunable stiffness robotic foot. Mechanism and Machine Theory//, 110, 1-15. | Qaiser, Z., Kang, L. & Johnson, S. (2017). //Design of a bioinspired tunable stiffness robotic foot. Mechanism and Machine Theory//, 110, 1-15. | ||
- | Russo, | + | Russo, M., Chaparro-Rico, |
Seo, Jong-Tae, Yi, Byung-Ju. (2009). //Modeling and Analysis of a Biomimetic Foot Mechanism// | Seo, Jong-Tae, Yi, Byung-Ju. (2009). //Modeling and Analysis of a Biomimetic Foot Mechanism// | ||
Zeile 210: | Zeile 210: | ||
+ | ===== Bildnachweise ===== | ||
+ | ^ Abbildung | ||
+ | | 1 | A | Alexandra Schneider | ||
+ | | 2 | A | Alexandra Schneider | ||
+ | | 3 | A | Alexandra Schneider | ||
+ | | 4 | A | Alexandra Schneider | ||
+ | | 5 | A | Daniel Musekamp | ||
+ | | 6 | A | Daniel Musekamp | ||
+ | | 7 | A | Alexandra Schneider | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Bildnachweise ergänzt am: | ||
+ | |||
+ | A = Eigenes Bild B = Freie Nutzung C = Recht das Bild im Wiki öffentlich benutzen zu dürfen |
biomechanik/aktuelle_themen/projekte_ss21/atsb2103.1627281449.txt.gz · Zuletzt geändert: 28.11.2022 00:55 (Externe Bearbeitung)