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--- biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:atsb2103 [26.07.2021 13:23] – [3.2. Zehen] Daniel Musekamp
+++ biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss21:atsb2103 [28.11.2022 00:58] (aktuell) – Externe Bearbeitung 127.0.0.1
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 ====== 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).
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 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 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 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 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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 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.
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+===== Bildnachweise =====
+^ Abbildung  ^ Rechte  ^ Verwendet von        ^
+| 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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