Technik der Bewegung Ideen aus Perspektive TU Ilmenau

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1 Technik der Bewegung Ideen aus Perspektive TU Ilmenau Christoph Ament Hartmut Witte Fachgebiet Biomechatronik - Technische Universität Ilmenau Arbeitswissenschaften Organisationsbionik Ergonomie Bionik Medizin Biokompatibilität Robotik Assistenzsysteme BioMedTechnik Anwendungen Systemanalyse BioMEMS Biomechatronik Biomechatronik Technische Biologie Biomechanik Funktionelle Morphologie Mechanik Biologie Grundlagen

2 Assistenzsysteme: Ament: Augsburg: Groß: Haueisen: Husar: (Sattel): Seitz: (Ströhla): Witte: Zentner: Zimmermann: Systemanalyse Kraftfahrzeugtechnik Neuroinformatik Biomedizinische Technik Biosignalverarbeitung Mechatronik Kommunikationsnetzwerke Mechatronische Antriebe Biomechatronik Mechanismen- und Antriebstechnik Technische Mechanik Technik der Bewegung Analyse Synthese l l Mechanik Control A SfA AfS S BMT Medizin Mensch Assistenzsysteme Jena HMI Maschine Ilmenau Biomechatronik Emergenz Komplexität Integration Encapsis 2

3 Technik der Bewegung Analyse Synthese l l Mechanik Control A SfA AfS S BMT Medizin Mensch Assistenzsysteme Jena HMI Maschine Ilmenau Biomechatronik Emergenz Komplexität Integration Encapsis Gemeinsamkeiten Erster Hauptsatz der Thermodynamik Parsimonieprinzip Erkenntnis Biologie Prinzip Physik Mathematik Modellbildung Gleichung Calculus Regeln Technik Erkenntnis Erkenntnis Produkt 3

4 Beitrag Ament Embodiment: Intelligente Mechanik Mechanische Intelligenz - Smart mechanics Normal anomal pathologisch Störung / Versagen / Sicherheit / Kompensation 4

5 Wie weit reichen mechanische Modelle zur Erklärung rung des menschlichen Gehens? Hartmut Witte, Emanuel Andrada, Martin Fischer 2 & Holger Preuschoft 3 Fachgebiet Biomechatronik, Technische Universität Ilmenau 2 Institut für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie, Friedrich-Schiller-Universität Jena 3 Abteilung Funktionelle Morphologie, Ruhr-Universität Bochum Fachgebiet Biomechatronik - Technische Universität Ilmenau Extremitätenfixierung bisheriger Biomechanik Inverted pendulum 2 Spring-mass Model 3 Skipping gaits Alberto E. Minetti (998) Weber, W. & Weber, E. (836): Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge. Götingen, Germany: Dietrichsche Buchhandlungen. Braune, W. & Fischer, O. (895): Der Gang des Menschen. I Teil. Abh. Math.-phys. Kl.kgl.- saechsischer Wiss. 2 / 4, Cavagna, G.A., Thys, H & Zamboni, A. (977): Mechanical work in terrestrial locomotion: two basic mechanism for minimizing energy expenditure. Am. J. Physiol. 233: Alexander, R.McN. & Jayes A.S. (978): Vertical movements in walking and running. J. Zool., Lond. 85: Mochon, S. & McMahon, T. (980): Ballistic walking. J. Biomech. 3: Blickhan, R. (989): The spring-mass model for running and hopping. J. Biomech. 22: McMahon, T & Cheng, G. (990): The mechanism of running: how does stiffness couple with speed? J. Biomech. 23: McGeer, T. (990): Passive dynamic walking. Int. J. Rob. Res. 9: Minetti, Alberto E. (998): The biomechanics of skipping gaits: a third locomotion paradigm? Proc. R. Soc. Lond. B 265: Pandy, M (2003): Simple and complex models for studying muscle function in walking. Phil. Trnas. R. Soc. B 358: Geyer, H et al. (2006): Compliant leg behaviour explains basic dynamics of walking and running. Proc. R. Soc. Lond. 0 5

6 Gesamtkörpermodell Pika G θ α Forelimbs stance Hindlimbs stance Hackert 2003 Bewegungsanalyse des Rumpfes Hoffmann & Witte 2 6

7 Torsion des Rumpfes beim Gehen 0 Torsion [ ] Frauen (n = 30) Männer (n = 30) T-Test p < 0,0 0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 v [km/h] Hoffmann & Witte Menschliche Taille Witte

8 Torsion des Rumpfes beim Gehen M änner Frauen v [km/ h] Hoffmann & Witte D - Model of the body stem based on Hanavan s Model DOF Head Thorax 3 DOF 2 DOF Visco-elastic elements 5 anthropometrical measurements All kinematic data in 6 DOF Abdomen Abdomen Pelvis GRF R (t) GRF L (t) 2 DOF Σ =4 DOF Ground 5 DOF Density =.075 g/cm³ Andrada

9 Gaze compensation transversal plane γ γ y Head axial rotation x Trunk lateral translation nach Takao Imai et al From phase shift to compensation (transversal plane) Damping coefficient of shoulder joints (in sagittal plane around lateral axis) determines phase shift Pelvis-Thorax Damping coefficient of Thorax-Abdomen joint (in transversal plane around longitudinal axis) determines the lateral translation of the body stem 8 9

10 From phase shift to compensation (transversal plane) 0,9 Damping coefficient [Nms/rad] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, CArms Cisty Phase shift angle T_P [ ] Phase Axial Rot Head -Lat. Trans. Thorax Phase Axial Rot Thorax- Axial Rot Pelvis No compensation 9 From phase shift to compensation (transversal plane) 0,9 Damping coefficient [Nms/rad] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, CArms Cisty Phase shift angle T_P [ ] Phase Axial Rot Head -Lat. Trans. Thorax Phase Axial Rot Thorax- Axial Rot Pelvis Compensation! 20 0

11 Postural stability during walking. Minimization of head motions 2. Coordination between segments of the body stem 3. Compensatory movements (head-trunk) Männer- Transversal Phasen Thorax-Pelvis plane: Phase shiftfrauen- Pelvis-Thorax Phasen Thorax-Pelvis (transversale Ebene) (transversale Ebene) Phasen [ ] γ y Takao Imai et al Velocity [km/h] x 2

12 zentral Mechatronik peripher Umwelt Formalismus nach Lagrange 788 L = T V Kinetische Energie d δl δl dt δ q d dt δl δ q Potentielle Energie δ i q i i δl δ q i = 0 = Q i + k λ a k ki Zwangsbedingungen Verallgemeinerte Kräfte 2

13 ! Reduktion von Komplexität t (Kompliziertheit?) via Reduktion von Überbestimmtheit (DOF) Dimensionsreduktion?! Geschickt gewählte Q i /q i vereinfachen die Beschreibung von Bewegungsproblemen! Life Sciences: : Die verallgemeinerten Kräfte sind primäre re Objekte der Steuerung und Regelung! Übertragbarkeit auf Synthese technischer Systeme! Sensomotorische Ausfälle bei Schlaganfällen llen lassen sich als Störungen der Q i /q i mathematisch beschreiben d dt δl δ q i δl δ q i = Q i + k λ a k ki Trajektorien ChristineTardieu, CNRS 26 3

14 Pauwels Fachgebiet Biomechatronik - Technische Universität Ilmenau 4