Local Positive Velocity Feedback for the movement control of elastic joints in closed kinematic chains : a modelling and simulation study of a 2DoF arm and a 3DoF insect leg

In der Beinbewegungssteuerung von laufenden Tieren (z.B. in unserem Modellsystem, der indischen Stabheuschrecke Carausius morosus) unterscheidet man Stemm- und Schwingbewegungen. Wahrend einer Schwingbewegung hat das schwingende Bein keinerlei Objektkontakt, da es vom Boden abgehoben duch die Luft nach vorne gefuhrt wird. Das Bein kann als offene kinematische Kette betrachtet und jedes Gelenk der Kette frei bewegt werden. Wahrend der Stemmbewegung haben alle beteiligten Beine Bodenkontakt und bilden somit geschlossene kinematische Ketten. Die Gelenkwinkel derjenigen Beine, die an diesen geschlossenen kinematischen Ketten beteiligt sind, sind nicht mehr frei wahlbar. Eine beliebige Einzelbewegung eines Gelenks fuhrt zu Verspannungen in den kinematischen Ketten, die nur durch die aktive (entspannende) Bewegung anderer Gelenke aufgelost werden konnen. Ahnliche Probleme treten auch bei Bewegungen mit Armen und Handen auf, wenn diese Manipulationsaufgaben mit Objektkontakt ausfuhren (z.B. beim Offnen einer Tur durch einen Menschen). Aufgabenstellungen dieser Art werden in der Robotik unter dem Begriff "compliant motion tasks" zusammengefasst. Beispiele hierfur sind Kontaktschweisen, kooperative Manipulation von Objekten durch mehrere Roboter, Pick-and-Place Aufgaben bei Montagerobotern und, wie erwahnt, auch Stemmbewegungen bei Laufmaschinen. Klassische Losungsansatze fur diese Art von Problemen basieren auf dem "hybrid control" Ansatz von Raibert und Craig (Raibert and Craig, 1981, Trans. of the ASME, 102: 126-133) oder auf dem "impedance control" Ansatz von Hogan (Hogan, 1985, ASME J. Dynam. Syst., Meas., Contr., 107: 1-23). Fur die Ansteuerung einer sechsbeinigen Laufmaschine mit insgesamt 18 Gelenken mussen dafur die entsprechenden kinematischen und dynamischen Gleichungen bekannt sein und in jedem Regleraufruf neu berechnet werden. Es scheint unwahrscheinlich, dass Tiere diese Berechnungen explizit durchfuhren. Cruse und Mitarbeiter (Cruse et al., 1995, Advances in Artificial Life, 668-678) schlugen vor, dass Insekten diese Aufgabe unter Ausnutzung der in der Literatur vielfach beschriebenen Reflexumkehr (auch Unterstutzungsreflex) bewaltigen (siehe z.B. Bassler, 1976, Biol. Cybernetics, 24: 47-49). Bei der Reflexumkehr unterstutzt ein Regelmechanismus, der im ruhenden Tier fur die Beibehaltung einer Gelenksposition bei auseren Storungen sorgt, im aktiven Tier eine passive Bewegung und verstarkt diese aktiv. Nimmt man nun im stemmenden Tier eine aktive Bewegung eines Gelenks an, so wirkt sich diese mechanisch vermittelt uber die geschlossenen Ketten auf alle anderen Gelenke aus. Der Unterstutzungsreflex in den anderen Gelenken fuhrt dazu, dass diese die angeregte Bewegung mitmachen und verstarken. Das Ergebnis ist eine koordinierte Stemmbewegung, die von den lokal geregelten Gelenken gemeinsam ausgefuhrt wird, obwohl diese nicht neuronal miteinander kommunizieren und keine zentrale Instanz einen vorausberechneten Bewegungsplan ausgibt. In der vorliegenden Arbeit wird diese Hypothese aufgegriffen und quantitativ uberpruft. Es werden verschiedene elastische Gelenkmodelle entwickelt, die als Grundlage fur die Implementierung eines Unterstutzungsreflex dienen. Der Unterstutzungsreflex als solcher wird in Form von Lokaler Positiver Geschwindigkeitsruckkopplung (Local Positive Velocity Feedback, LPVF) hergeleitet und seine Funktionsfahigkeit mit einem Standardtest, dem einarmigen Kurbeln, getestet. Die wichtigste Eigenschaft, namlich die Fahigkeit, verschiedene Gelenke ohne direkte Kommunikation zu koordinieren, wird damit nachgewiesen. In einem weiteren Schritt wird gezeigt, dass eine Erweiterung des Ansatzes durch Einfuhrung einer Leistungssteuerung dazu fuhrt, dass die Koordinationsfahigkeit selbst dann erhalten bleibt, wenn eine stemmende Gliedmase grose Krafte, z.B. gegen eine ausere Tragheitskraft, aufbringen muss. Das Regelungskonzept wird auf einer dynamischen Einbeinsimulation getestet, die Funktionsfahigkeit demonstriert und mit den biologischen Daten von aktivierten Tieren verglichen. In einem letzten Schritt wird der LPVF-Regler mit einem Stehregler kombiniert. Der entstandene Gesamtregler erklart biologische Befunde aus der Lauf- und aus der Stehdomane.