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biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:atsb2103

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biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:atsb2103 [26.07.2021 08:37] – [3.1. Nachgiebigkeit] Alexandra Schneiderbiomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:atsb2103 [28.11.2022 00:58] (aktuell) – Externe Bearbeitung 127.0.0.1
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 ====== 1. Einleitung ====== ====== 1. Einleitung ======
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-==== 2.1 Windlass-Mechanismus ==== +==== 2.1 Truss- und Windlass-Mechanismus ==== 
-[{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:truss_und_windlass_mechanism.jpg?nolink&400| Abb. 1: Der Truss- und Windlass-Mechanismus nach Welte et al. (2018).}}]Der Windlass-Mechanismus wird durch die bogenförmige Knochenstruktur der Fußsohle und die Spannung in der Sehne ermöglicht. Beim Auftreten auf den Boden ist die Struktur des Fußes weich und die vertikale Kraft sorgt für ein Herabsenken des Fußbogens. Die Sehne, die von der Wade über die Ferse läuft und sich weiter über die Unterseite der Fußsohle erstreckt, bis sie sich in fünf Teile aufteilt, die in den Zehenansätzen enden, wird dabei gestreckt. Durch diese Streckung wird der Schock, der durch den Fußaufsatz entsteht, absorbiert und die Sehne speichert einen Teil dieser Energie.+[{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:truss_und_windlass_mechanism.jpg?nolink&400| Abb. 1: Der Truss- und Windlass-Mechanismus nach Welte et al. (2018).}}]Der Truss- und der Windlass-Mechanismus werden durch die bogenförmige Knochenstruktur der Fußsohle und die Spannung in der Sehne ermöglicht. Beim Auftreten auf den Boden ist die Struktur des Fußes weich und die vertikale Kraft sorgt für ein Herabsenken des Fußbogens. Die Sehne, die von der Wade über die Ferse läuft und sich weiter über die Unterseite der Fußsohle erstreckt, bis sie sich in fünf Teile aufteilt, die in den Zehenansätzen enden, wird dabei gestreckt. Durch diese Streckung wird der Schock, der durch den Fußaufsatz entsteht, absorbiert und die Sehne speichert einen Teil dieser Energie (Truss-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, ohne dass die auf den Fuß wirkende Kraft dabei zu Brüchen oder anderen Verletzungen führt.+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 (Windlass-Mechanismus). Dies ermöglicht dem Menschen Sprung- und Sprintbewegungen auszuführen, ohne dass die auf den Fuß wirkende Kraft dabei zu Brüchen oder anderen Verletzungen führt.
  
 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).
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 ==== 2.2 "Roll-over shape" (ROS) und "zero moment point" (ZMP) ==== ==== 2.2 "Roll-over shape" (ROS) und "zero moment point" (ZMP) ====
-[{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:ros.jpg?nolink&400|Abb. 2: Die rollende Bewegung des Fußes beim Roll-over shape (ROS) nach Torricelli et al. (2016)}}]Bei verschiedenen Untersuchungen des menschlichen Ganges wurde festgestellt, dass eine fließende Bewegung sehr energiesparend ist. Dabei wurde unter anderem beobachtet, dass Fuß und Fußgelenkkomplex dabei während der gesamten Bodenkontaktphase eine „rollende“ Bewegung ausführt, die mit einem Rad vergleichbar ist (Torricelli et al., 2016). Diese Beobachtung wird als „Roll-over-shape“ (ROS) bezeichnet und führt zu einem gleichmäßigen vorbringen des „zero moment point“ (ZMP).+[{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:ros.jpg?nolink&400|Abb. 2: Die rollende Bewegung des Fußes beim Roll-over shape (ROS) nach Torricelli et al. (2016)}}]Bei verschiedenen Untersuchungen des menschlichen Ganges wurde festgestellt, dass eine fließende Bewegung sehr energiesparend ist. Dabei wurde unter anderem beobachtet, dass Fuß und Fußgelenkkomplex dabei während der gesamten Bodenkontaktphase eine „rollende“ Bewegung ausführt (Abb.2), die mit einem Rad vergleichbar ist (Torricelli et al., 2016). Diese Beobachtung wird als „Roll-over-shape“ (ROS) bezeichnet und führt zu einem gleichmäßigen vorbringen des „zero moment point“ (ZMP).
  
-[{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:zpm.jpg?nolink&400|Abb. 3: Der Vergleich der Verlagerung des Zero moment point (ZMP) beim Gang eines Menschen und eines zweibeinigen Laufroboter mit flachem Fuß nach Kwon, S. und Park, J. (2012).}}]Der ZMP bezeichnet dabei den Punkt, in dem alle auf den Fuß wirkenden Kräfte durch einen Kraftvektor dargestellt werden können und dient als wichtiger Punkt für die Kontrolle der einzelnen Kräfte. Dieser Punkt verlagert sich dabei ständig während dem Laufen und sorgt nur dann für geringen Energieverlust und wenig Widerstand, wenn die Bewegung des Punktes sich lediglich in Laufrichtung verschiebt. Beim Menschen verlagert sich der ZMP dabei erst von der Ferse über den Fußboden bis zu den Fußzehen, bevor er zum anderen Fuß verlagert wird, wo das gleiche geschieht. Bei vielen zweibeinigen Robotern hingegen wird der ZMP nur von einem Fuß abrupt auf den anderen verlagert, ohne dass er lange bei den einzelnen Füßen verweilt, was den Gang instabiler macht (Kwon und Park, 2012).+[{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:zpm.jpg?nolink&400|Abb. 3: Der Vergleich der Verlagerung des Zero moment point (ZMP) beim Gang eines Menschen und eines zweibeinigen Laufroboter mit flachem Fuß nach Kwon, S. und Park, J. (2012).}}]Der ZMP bezeichnet dabei den Punkt, in dem alle auf den Fuß wirkenden Kräfte durch einen Kraftvektor dargestellt werden können und dient als wichtiger Punkt für die Kontrolle der einzelnen Kräfte. Dieser Punkt verlagert sich dabei ständig während dem Laufen und sorgt nur dann für geringen Energieverlust und wenig Widerstand, wenn die Bewegung des Punktes sich lediglich in Laufrichtung verschiebt. Beim Menschen verlagert sich der ZMP dabei erst von der Ferse über den Fußboden bis zu den Fußzehen, bevor er zum anderen Fuß verlagert wird, wo das gleiche geschieht (Abb.3). Bei vielen zweibeinigen Robotern hingegen wird der ZMP nur von einem Fuß abrupt auf den anderen verlagert (Abb.3), ohne dass er lange bei den einzelnen Füßen verweilt, was den Gang instabiler macht (Kwon und Park, 2012).
  
 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, Untergrundgefällen und verschiedenen Geschwindigkeiten. Außerdem spielt es keine Rolle, ob das festgelegte x-z-Koordinatensystem dabei nur im Fußgelenk, von Fuß- bis Kniegelenk oder von Fuß- bis Hüftgelenk gelegen ist (Hansen et al., 2003). 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, Untergrundgefällen und verschiedenen Geschwindigkeiten. Außerdem spielt es keine Rolle, ob das festgelegte x-z-Koordinatensystem dabei nur im Fußgelenk, von Fuß- bis Kniegelenk oder von Fuß- bis Hüftgelenk gelegen ist (Hansen et al., 2003).
  
 ==== 2.3 Fußzehen ==== ==== 2.3 Fußzehen ====
-[{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:toe_pressure_distribution.jpg?nolink&300| Abb. 4: Die Druckverteilung auf den Gesamten Fuß nach Kwon, S. und Park, J. (2012) in kPa.}}]Die Fußzehen spielen vor allem bei der Stabilität und beim Gleichgewicht eine Rolle, insbesondere bei Unebenheiten des Untergrundes (Asano et al., 2016). Die Zehen erhöhen einerseits die Bodenkontaktfläche, wodurch das Körpergewicht besser verteilt wird (Davis und Caldwell, 2010) und der Druck auf den Boden besser über die größere Fußfläche abgegeben werden kann. Der Druck auf die einzelnen Zehen ist dabei unterschiedlich groß, wobei der große Zeh die größte Last trägt. Das liegt daran, dass der Körperschwerpunkt zwischen den beiden Füßen liegt und der große Zeh diesem am nächsten liegt und daher beim Kontakt mit dem Boden ausgleichen muss (Kwon und Park, 2012).+[{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:toe_pressure_distribution.jpg?nolink&300| Abb. 4: Die Druckverteilung auf den Gesamten Fuß nach Kwon, S. und Park, J. (2012) in kPa.}}]Die Fußzehen spielen vor allem bei der Stabilität und beim Gleichgewicht eine Rolle, insbesondere bei Unebenheiten des Untergrundes (Asano et al., 2016). Die Zehen erhöhen einerseits die Bodenkontaktfläche, wodurch das Körpergewicht besser verteilt wird (Davis und Caldwell, 2010) und der Druck auf den Boden besser über die größere Fußfläche abgegeben werden kann. Der Druck auf die einzelnen Zehen ist dabei unterschiedlich groß, wobei der große Zeh die größte Last trägt (Abb.4). Das liegt daran, dass der Körperschwerpunkt zwischen den beiden Füßen liegt und der große Zeh diesem am nächsten liegt und daher beim Kontakt mit dem Boden ausgleichen muss (Kwon und Park, 2012).
  
 Die Zehen sind zudem individuell beweglich und ansteuerbar, was auf unebenem Terrain eine große Hilfe ist. So können sich die Zehen durch ihre Gelenke beim Aufkommen auf Unebenheiten einerseits deformieren, ohne dabei Schaden zu nehmen, aber auch je nach Gegebenheit Druck auf den Boden ausüben und somit Ungleichgewicht beim Gehen ausgleichen (Seo und Yi, 2009).  Die Zehen sind zudem individuell beweglich und ansteuerbar, was auf unebenem Terrain eine große Hilfe ist. So können sich die Zehen durch ihre Gelenke beim Aufkommen auf Unebenheiten einerseits deformieren, ohne dabei Schaden zu nehmen, aber auch je nach Gegebenheit Druck auf den Boden ausüben und somit Ungleichgewicht beim Gehen ausgleichen (Seo und Yi, 2009). 
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 [{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:einfache_roboter_fuesse.png?400| Abb. 5: Grundlegende Fuß-Designs. a) Einfacher flacher Fuß b) Abgerundeter Fuß nach Yamane & Trutoiu (2009) c) Fuß mit elastischer Sohle (rot) d) Fuß mit Zehgelenk. }}] [{{ :biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:einfache_roboter_fuesse.png?400| Abb. 5: Grundlegende Fuß-Designs. a) Einfacher flacher Fuß b) Abgerundeter Fuß nach Yamane & Trutoiu (2009) c) Fuß mit elastischer Sohle (rot) d) Fuß mit Zehgelenk. }}]
  
-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, hat das elastische Verhalten des Fußes jedoch eine wichtige Rolle im menschlichen Fuß. Eine Verbesserung besteht daher im Einbringen von elastischen Komponenten. Durch das Anbringen einer Schicht mit elastischem, weichem Material unter der Fußsohle (Abb. 5c) können Stöße, die beim Auftreten auf das Bein wirken, abgefedert und die Unebenheiten des Bodens ausgeglichen werden (De Magistris et al., 2017a). Solch eine elastische Sohle findet sich bei den meisten humanoiden Robotern (De Magistris et al., 2017a) wieder. Der Nachteil einer solchen Lösung ist jedoch, dass sich durch die weiche Sohle das Halten des Gleichgewicht im Bodenkontakt komplizieren kann und die Regelung erschwert wird (De Magistris et al., 2017a). Dies liegt daran, dass die weiche Sohle sich zwar an die Unebenheit des Bodens beim Auftreten anpassen kann, die angenommene Form in der Standphase aber nicht halten kann (Hashimoto et al., 2007). Der Kontakt zum Boden wird sozusagen wackelig. Die Optimierung der Form der weichen Sohle und die Abkehr vom flachen Design kann dem teilweise Abhilfe schaffen und gleichzeitig auch den wirkenden Stoß beim Auftreten verringern (De Magistris et al., 2017b). Eine zweite Möglichkeit zur Umsetzung des elastischen Verhaltens ist die Verwendung von mechanischen Federn im Fuß (Zhang et al., 2009). Beim Auftreten werden die Federn zusammengedrückt und nehmen so die Energie des Stoßes auf. Beim folgenden Abheben drücken sich die Federn wieder auseinander und können so zusätzlich die Bewegung unterstützen sowie Energie sparen.+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, hat das elastische Verhalten des Fußes jedoch eine wichtige Rolle im menschlichen Fuß. Eine Verbesserung besteht daher im Einbringen von elastischen Komponenten. Durch das Anbringen einer Schicht mit elastischem, weichem Material unter der Fußsohle (Abb. 5c) können Stöße, die beim Auftreten auf das Bein wirken, abgefedert und die Unebenheiten des Bodens ausgeglichen werden (De Magistris et al., 2017a). Solch eine elastische Sohle findet sich bei den meisten humanoiden Robotern (De Magistris et al., 2017a) wieder. Der Nachteil einer solchen Lösung ist jedoch, dass sich durch die weiche Sohle das Halten des Gleichgewicht im Bodenkontakt komplizieren kann und die Regelung erschwert wird (De Magistris et al., 2017a). Dies liegt daran, dass die weiche Sohle sich zwar an die Unebenheit des Bodens beim Auftreten anpassen, die angenommene Form in der Standphase aber nicht halten kann (Hashimoto et al., 2007). Der Kontakt zum Boden wird sozusagen wackelig. Die Optimierung der Form der weichen Sohle und die Abkehr vom flachen Design kann dem teilweise Abhilfe schaffen und gleichzeitig auch den wirkenden Stoß beim Auftreten verringern (De Magistris et al., 2017b). Eine zweite Möglichkeit zur Umsetzung des elastischen Verhaltens ist die Verwendung von mechanischen Federn im Fuß (Zhang et al., 2009). Beim Auftreten werden die Federn zusammengedrückt und nehmen so die Energie des Stoßes auf. Beim folgenden Abheben drücken sich die Federn wieder auseinander und können so zusätzlich die Bewegung unterstützen sowie Energie sparen.
  
  
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 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, der aus einem nach oben gebeugten Bogen besteht. Dieser Bogen ist unten durch ein Modul verbunden, dessen Steifigkeit verändert werden kann. In diesem Modul befinden sich eine breitere, äußere spiralförmige Feder, die eine weitere, dünnere Feder umschließt ([[https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0094114X1630653X-gr4.jpg|Bild]]). Beide Federn sind an der einen Seite fest verbunden. An der anderen Seite steht nur die innere Feder in Kontakt. Die Federn sind in der Mitte durch ein festes Element verbunden, dass auf den beiden Federn aufliegt. Durch verändern der Position dieses Elements kann bestimmt werden, wie viel von der äußeren Feder genutzt wird und somit die Steifigkeit variiert werden.\\ 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, der aus einem nach oben gebeugten Bogen besteht. Dieser Bogen ist unten durch ein Modul verbunden, dessen Steifigkeit verändert werden kann. In diesem Modul befinden sich eine breitere, äußere spiralförmige Feder, die eine weitere, dünnere Feder umschließt ([[https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0094114X1630653X-gr4.jpg|Bild]]). Beide Federn sind an der einen Seite fest verbunden. An der anderen Seite steht nur die innere Feder in Kontakt. Die Federn sind in der Mitte durch ein festes Element verbunden, dass auf den beiden Federn aufliegt. Durch verändern der Position dieses Elements kann bestimmt werden, wie viel von der äußeren Feder genutzt wird und somit die Steifigkeit variiert werden.\\
-Zang et al. (2017) haben hingegen einen pneumatische Lösung gewählt, bei der unter der Fußsohle mehrere Airbags angebracht sind. Durch das Auf- oder Abpumpen der Luft in die Airbags kann die Elastizität des Fußes verändert werden.+Zang et al. (2017) haben hingegen eine pneumatische Lösung gewählt, bei der unter der Fußsohle mehrere Airbags angebracht sind. Durch das Auf- oder Abpumpen der Luft in die Airbags kann die Elastizität des Fußes verändert werden.
    
 ===== 3.2. Zehen ====== ===== 3.2. Zehen ======
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-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 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).
  
 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, sollte aber beachtet werden, dass bei diesen der verwendete Roboter meist sehr klassisch zu seinen scheint und die anderen Gelenken keine Nachgiebigkeit bzw. Elastizität aufweisen. Bei höheren Elastizitäten in anderen Gelenken wie z.B. dem Fußgelenk könnten die Vorteile geringer ausfallen (Honert at al., 2018).+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, sollte aber beachtet werden, dass bei diesen der verwendete Roboter meist sehr klassisch zu sein scheint und die anderen Gelenken keine Nachgiebigkeit bzw. Elastizität aufweisen. Bei höheren Nachgiebigkeiten in anderen Gelenken wie z.B. dem Fußgelenk könnten die Vorteile geringer ausfallen (Honert at al., 2018).
  
-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, sondern auch das Ende des hinteren Segmentes (Fußballen) im Kontakt zum Boden ist.  Durch den Einsatz von vier parallelen Gliedern, die Zehsegement und Fuß verbindend, kann die je Gelenk wirkende Kraft weiter reduziert werden. Eine weitere Verbesserung des klassischen Designs kann sein, die Nachgiebigkeit des Gelenks veränderbar zu machen . Bei dem Entwurf von Choi et al. (2016) sind dafür die Zehen und der Fuß über eine Blattfeder, also ein biegsames Metallblech, verbunden. Um die Steifigkeit der Feder anzupassen kann über ein Motor eine Walze, die auf die Feder drückt, verschoben werden. Wird die Walze nach vorne verschoben, verringert dies den Teil der Feder, der sich bei verbiegen kann. Die variable Steifigkeit des Zehgelenks soll die Fortbewegung auf schwierigem Terrain verbessern, dies wurde allerdings nicht experimentell untersucht. +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, sondern auch das Ende des hinteren Segmentes (Fußballen) im Kontakt zum Boden ist.  Durch den Einsatz von vier parallelen Gliedern, die Zehsegement und Fuß verbindend, kann die auf das Gelenk wirkende Kraft weiter reduziert werden. Eine weitere Verbesserung des klassischen Designs kann sein, die Nachgiebigkeit des Gelenks veränderbar zu machen. Bei dem Entwurf von Choi et al. (2016) sind dafür die Zehen und der Fuß über eine Blattfeder, also ein biegsames Metallblech, verbunden. Um die Steifigkeit der Feder anzupassen kann über einen Motor eine Walze, die auf die Feder drückt, verschoben werden. Wird die Walze nach vorne verschoben, verringert dies den Teil der Feder, der sich dabei verbiegen kann. Die variable Steifigkeit des Zehgelenks soll die Fortbewegung auf schwierigem Terrain verbessern, dies wurde allerdings nicht experimentell untersucht. 
  
  
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 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, dass sie die korrekte Funktion ausführen. Deswegen beschränken sich viele bei der Herstellung nur auf die großen Verbindungen im Fuß und auf die wichtigsten Mechanismen. 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, dass sie die korrekte Funktion ausführen. Deswegen beschränken sich viele bei der Herstellung nur auf die großen Verbindungen im Fuß und auf die wichtigsten Mechanismen.
  
-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 haben ganz gute Ergebnisse, was die Stabilität des Ganges anging.+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 (Abb.7). 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 erhielten ganz gute Ergebnisse, was die Stabilität des Ganges anging.
  
 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.
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 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, Matteo, Betsy D.M. Chaparro-Rico, Luigi Pavone, Gabriele Pasqua, and Daniele Cafolla. (2021) //A Bioinspired Humanoid Foot Mechanism// Applied Sciences 11, no. 4: 1686. +Russo, M.Chaparro-Rico, B., Pavone, L., Pasqua, G., Cafolla, D. (2021) //A Bioinspired Humanoid Foot Mechanism// Applied Sciences 11, no. 4: 1686. 
  
 Seo, Jong-Tae, Yi, Byung-Ju. (2009). //Modeling and Analysis of a Biomimetic Foot Mechanism//. The 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Seo, Jong-Tae, Yi, Byung-Ju. (2009). //Modeling and Analysis of a Biomimetic Foot Mechanism//. The 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.
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 +===== Bildnachweise =====
  
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 +| 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  |
 +
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 +Bildnachweise ergänzt am: 
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