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E-Book

Autonomes Laufen

VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2005
Seitenanzahl298 Seiten
ISBN9783540264538
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis34,99 EUR

Laufen ist eine der genialsten Erfindungen der Natur. Aber erst in neuerer Zeit haben sich Technologien entwickelt, die den erfolgreichen Bau von autonomen Laufmaschinen realistisch erscheinen lassen. Dieses Buch beinhaltet die Ergebnisse des DFG Schwerpunktprogramms SPP1039 'Autonomes Laufen' - entstanden aus einer intensiven Zusammenarbeit einiger der führenden Ingenieure, Biologen und Informatiker auf diesem Gebiet. Es werden technische Realisierungen von Laufmaschinen ebenso präsentiert wie neueste biologische Erkenntnisse, deren Ergebnisse unmittelbar in solche technischen Umsetzungen einfließen. Dazu gehören Probleme der topologischen Strukturen des Laufens, der zum Laufen notwendigen Regelungen und Steuerungen und den damit verbundenen Fragen der Sensoren und der Aktoren, die Modellierung der Dynamik sowie die Auslegung und der Bau von Laufmaschinen. Eine dazugehörende und professionell umgesetzte DVD gibt einen vergnüglichen Überblick der Forschungsergebnisse und der dahinter stehenden Probleme.

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Leseprobe

2 Schnelle Bewegungen bei Arthropoden: Strategien und Mechanismen (S. 19-20)

Reinhard Blickhan, Sergei Petkun, Tom Weihmann, Michael Karner
Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft, Friedrich Schiller Universität, Jena

2.1 Zusammenfassung

2.1.1 Kinematik und Dynamik

Verschiedene Aspekte der Lokomotion araneomorpher Spinnen wurden kinematisch, kinetisch und durch die Verwendung computergestützter mathematischer Modelle untersucht. Als Versuchstiere dienten hauptsächlich die aus Mittelamerika stammende Jagdspinne Cupiennius salei (KEYS.) aus den Zuchten von Prof. Dr. F.G. Barth und Prof. Dr. E.A. Seyfarth. Der Schwerpunkt unseres Interesses lag vor allem auf den biomechanischen Charakteristika schneller Bewegungsformen. Die bisherigen Arbeiten zur Spinnenlokomotion umfassten lediglich langsame Läufe. Zudem finden sich in der spezifischen Literatur nur sehr wenige kinematische Untersuchungen an araneomorphen Spinnen, dem bedeutendsten Cheliceratentaxon. Die meisten Quellen bezogen sich auf Skorpione, Geißelskorpione und Vogelspinnen. Deren Bewegungsmodi unterscheiden sich aber oft schon auf Grund anatomischer Gegebenheiten stark von der Lokomotion der hier untersuchten Tiere. Kinetische Untersuchungen an vergleichsweise kleinen Spinnen fehlten völlig.

Im ersten Antragszeitraum wurden vor allem Sprünge untersucht. Dabei zeigte sich, dass C. salei je nach Situation sowohl zu vorbereiteten Sprüngen als auch zu raschen unvorbereiteten Fluchtsprüngen in der Lage ist. Bei den vorbereiteten Sprüngen folgt der typischen Ausholbewegung eine defi- nierte Aktionsfolge der einzelnen Beinpaare, wobei die Kinematik auf große Anteile des zweiten und das letzten Beinpaares an der Beschleunigung des Spinnenkörpers hinweisen. Die unvorbereiteten Sprünge zeichnen sich durch eine besonders hohe Variabilität der Sprungrichtung aus, da diese Sprünge ausschließlich der Feindvermeidung dienen.

C. salei diente ebenfalls bei den Sprintexperimenten als Versuchstier. Es zeigte sich, dass sich die Funktion der Beine mit zunehmender Geschwindigkeit ändert. Während das Gewicht der Tiere bei langsamer Lokomotion hauptsächlich auf den hinteren Beinpaaren lastet, gewinnt der Beitrag des ersten Beínpaares mit wachsender Geschwindigkeit immer mehr an Bedeutung. Dynamische Messungen belegen, dass der Vortrieb bei schnellen Läufen hauptsächlich von den vorderen Beinpaaren geleistet wird, wohingegen die hinteren Beine dabei vor allem bremsen. Bei sehr langsamen Läufen sind die Rollen der einzelnen Beinpaare noch vertauscht.

Bei den Untersuchungen zu den hydraulischen Eigenschaften des Bewegungsapparates von C. salei stellte sich heraus, dass die Tiere die zur gleichzeitigen Streckung aller Beine nötigen Volumenverschiebung aufgrund des großen physiologischen Querschnittes der prosomalen Druckpumpe sehr leicht und vor allem ohne große Relativbewegungen von Sternum und Tergum erzeugen können. Weshalb die wichtige bifunktionale, extrinsische Coxamuskulatur durch die Druckerzeugung nicht bei ihren anderen Aufgaben behindert wird. Anhand der südostasiatischen Panzerspinne Perannia nasuta wurde der bei Spinnen sehr seltene Fall völlig chitinös versteifter Prothoraxpleuren untersucht.

Da in einem solchen Fall das Modell der prothorakalen Druckpumpe offensichtlich nicht greift, ist davon auszugehen, dass die Tiere die zur Beinstreckung nötigen Hämolymphdrücke im Opisthosoma erzeugen.

Zwei Arten computergestützter Modelle kamen zum Einsatz. Zum einen wurden die hydraulischen Mechanismen beim Sprung modelliert wobei wir uns an Vogelspinnen und C. salei orientierten, zum anderen wurden die Besonderheiten des bogenförmigen Dreisegmentbeines, wie es gerade bei den Spinnen verwirklicht ist, untersucht. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf den Unterschieden zum, im übrigen Tierreich dominierenden, Z-förmigen Dreisegmentbein.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Inhaltsverzeichnis17
Autoren21
Teil I Grundlagen23
1 Vom Kriechen zum Laufen: Evolution des Laufens mit Genetischer Programmierung auf beliebigen Morphologien25
1.1 Zusammenfassung25
1.2 Arbeitsbericht26
2 Schnelle Bewegungen bei Arthropoden: Strategien und Mechanismen41
2.1 Zusammenfassung41
2.2 Schnelle Lokomotion und hydraulischer Antrieb44
2.3 Externe Unterstützung64
3 Nutzung aktiver Antennenbewegungen zur Hindernisdetektion und Steuerung von gezielten Greifbewegungen bei Insekten69
3.1 Zusammenfassung69
3.2 Arbeits- und Ergebnisbericht71
4 Periphere Kontrolle sensorischer Signalflüsse: Datenreduktion und -selektion85
4.1 Zusammenfassung85
4.2 Arbeits- und Ergebnisbericht85
4.3 Erzielte Ergebnisse86
4.4 Ausblick und zukünftige Arbeiten88
Teil II Zweibeiniges Gehen91
5 Energieabsorption, Energiespeicherung und Arbeit bei schneller Lokomotion über unebenesTerrain93
5.1 Zusammenfassung93
5.2 Arbeitsweise und Selbststabilität des menschlichen Beins bei schneller Lokomotion96
6 Dynamik und Anpassungsvorgänge bei der Laufkoordination des Menschen119
6.1 Zusammenfassung119
6.2 Experimentelle Untersuchungen zur Laufkontrolle121
7 Dreidimensionale biomechanische Modellierung und die Entwicklung eines Reglers zur Simulation zweibeinigen Gehens129
7.1 Zusammenfassung129
7.2 Struktur und Funktion: biologisches Design unter physikalischen Randbedingungen130
8 Entwurf und Realisierung einer zweibeinigen Laufmaschine143
8.1 Zusammenfassung143
8.2 Arbeits- und Ergebnisbericht147
8.3 Interdisziplinäre Weiterentwicklung164
9 Schwingungstilgung und Stoßminderung bei zweibeinigen Laufmaschinen169
9.1 Ausgangsfragen und Zielsetzung des Projekts169
9.2 Menschliche Geh- und Armbewegung169
9.3 Ergebnisse, Diskussion, Anwendungsperspektiven und denkbare Folgeuntersuchungen177
9.4 Zusammenfassung180
10 Perzeptionsbasiertes humanoides Gehen183
10.1 Zusammenfassung183
10.2 Ergebnisse der Forschungsarbeiten185
10.3 Ausblick auf zukünftige Arbeiten191
Teil III Vierbeiniges Gehen195
11 Rechnerarchitektur, Sensorik und adaptive Steuerung einer vierbeinigen Laufmaschine mit dynamisch stabilem Gang197
11.1 Zusammenfassung197
11.2 Arbeits- und Ergebnisbericht199
12 Autonomes hydraulisch angetriebenes Schreitfahrwerk ALDURO213
12.1 Zusammenfassung213
12.2 Arbeits- und Ergebnisbericht215
13 Kinematisches Modell und Dynamiksimulation vierbeinigen Laufens von Säugetieren223
13.1 Ausgangsfragen und Zielsetzung des Projekts223
13.2 Auswahl der Vorbilder226
13.3 Ergebnisse und Diskussion232
13.4 Biologisch identifizierte Prinzipien237
13.5 Denkbare Folgeuntersuchungen240
13.6 Wirtschaftliche Verwertbarkeit241
13.7 Zusammenfassung242
14 Mechanische Modellbildung quadrupeder Lokomotion247
14.1 Zusammenfassung247
14.2 Arbeits- und Ergebnisbericht248
Teil IV Sechsbeiniges Gehen261
15 Neuronale Mechanismen der Gelenkkopplung bei Einzelbeinbewegungen von Insekten263
15.1 Zusammenfassung263
15.2 Arbeits- und Ergebnisbericht266
15.3 Darstellung des Vorhabens und der erzielten Ergebnisse267
16 Hexapodes Laufen, von der Biologie zur Simulation und zurück281
16.1 Einführung281
16.2 Laufen in natürlicher Umgebung erfordert ” motorische Intelligenz“282
16.3 Verschiedene lokale Mechanismen sorgen dafür, dass die Beine sinnvoll miteinander koordiniert werden283
16.4 Die Kontrolle der quasi-rhythmischen Bewegung des Einzelbeins284
16.5 Welche Probleme treten bei der Kontrolle der Stemmbewegung auf?286
16.6 Lokale positive Rückkopplung, eine mögliche Lösung?287
16.7 Die Kontrolle der Schwingbewegung289
16.8 Selbststabilisierung bei neuronalen Netzen290
16.9 Klettern über große L ucken290
16.10 Körpermodelle291
16.11 Neurophysiologie292
17 Neuronale Bewegungskoordination und -steuerung für autonome Laufmaschinen295
17.1 Zusammenfassung295
17.2 Arbeits- und Ergebnisbericht296
18 Multisensorielle Verfahren zur Bewegungssteuerung sechsbeiniger Schreitroboter303
18.1 Zusammenfassung303
18.2 Arbeits- und Ergebnisbericht305

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