Biomechanik des Gehens und Rennens
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieser Forschungsförderung im Emmy-Noether-Programm konnte die Arbeitsgruppe „Lauflabor“ verstetigt werden und in den neu aufgebauten Fachbereich Sportbiomechanik an der TU Darmstadt integriert werden. Die experimentellen Gangdaten vom menschlichen Gehen und Rennen konnten mit dem biomechanischen Gangmodell verglichen und systematische Erweiterungen für das Modell abgeleitet werden. Ein Teil dieser Modellerweiterungen wurden im Rahmen dieses Projektes bereits realisiert (Oberkörpermodell, Fußmodell). Weitere strukturelle Erweiterungen (z.B. Mehrgelenkstrukturen und -aktuation) und deren technische Übertragung sind Gegenstand von Forschungsprojekten im Lauflabor. Darüber hinaus wurde die Analyse der Gangmodelle methodisch verfeinert (z.B. Erfassung der Robustheit von Laufbewegungen) und es konnte eine Gangform zwischen Gehen und Rennen, das „grounded running“, d.h. Rennen ohne Flugphasen, identifiziert werden. Derartige Laufmuster sind z.B. bei Vögeln zu finden. Mit Hilfe einer geeigneten Schwungbeinkontrolle können alle Geschwindigkeiten beim Rennen im biomechanischen Gangmodell stabilisiert werden, einschließlich der „Geschwindigkeitslücke“ zwischen stabilem Gehen und Rennen. Dagegen bleibt das für den menschlichen Gang charakteristische Bewegungsmuster mit 2 Gipfeln in der Bodenreaktionskraft auf den Bereich der typischen Gehgeschwindigkeiten beschränkt. In Kooperation mit einem DFG Projekt und dem EU Projekt Locomorph konnte ein neues Konzept zur Oberkörperkontrolle beim menschlichen Gang (VPP Konzept) in Nature Communications hochrangig publiziert werden. Dieses Konzept kann nicht nur beim Menschen sondern auch bei Tieren nachgewiesen werden und bietet einen neuen Ansatz für die Gleichgewichtskontrolle bei Menschen und Tier. Der zweibeinige Laufroboter PogoWalker kann mit elastischen Beinen Gangmuster erzeugen, welche trotz einfachster Regelansätze Ähnlichkeiten zum Gangmodell aufzeigen. Zur Verbesserung der Gangsymmetrie ist eine Überarbeitung des Roboterdesigns anvisiert, welche nicht mehr im Rahmen des Projektes realisiert werden konnte. Mit den in diesem Projekt geschaffenen Erkenntnissen können technische Laufsysteme (z.B. Prothesen, Laufroboter) gezielter entwickelt werden, welche sich in unterschiedlichen Umgebungen stabil und effizient fortbewegen können. Hierfür muss geprüft werden, wie die mechanischen Laufmodelle durch Aktuator- und Sensoreigenschaften beeinflusst werden. Aus dieser Analyse könnten modellbasiert Regelarchitekturen abgeleitet werden, welche die unterstützenden (bio-) mechanischen Systemeigenschaften geschickt ausnutzen. Hierfür kann eine neue Forschungsmethode, die Test-Trilogie von Humanexperiment, Computer-Simulationstest und Hardwaretest genutzt werden, um geeignete Bewegungsansätze zu identifizieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009). Towards Bipedal Running as a Natural Result of Optimizing Walking Speed for Passively Compliant Three-Segmented Legs. International Journal of Robotics Research, 28 (2): 257-265
Seyfarth A, Tausch R, Stelzer M, Iida F, Karguth A, von Stryk O
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(Friedrich-Schiller-Universität Jena). Biomechanical Models and Stability Analysis of Bipedal Running. Dissertation, 2009
Yvonne Blum
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A. Dillmann, R.; Beyerer, J.; Stiller, C.; Zöllner, J. & Gindele, T. (Eds.). From Walking to Running Autonome Mobile Systeme 2009, Springer, 2009, 89-96
Rummel, J.; Blum, Y. & Seyfarth, A.
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Diverging times in movement analysis. Journal of Biomechanics, 42(6): 786-788, 2009
Lipfert SW, Günther M, Seyfarth A
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Effective Leg Stiffness in Running. Journal of Biomechanics, 2009, 42, 2400-2405
Blum Y, Lipfert SW, Seyfarth A
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Foot function in spring mass running. Autonome Mobile Systeme 2009, Springer, 2009, 81-88
Maykranz, D.; Grimmer, S.; Lipfert, S. & Seyfarth, A.
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Kinematic and dynamic similarities between walking and running. Dissertation, Verlag Dr. Kovac, Hamburg, 2010
Susanne W. Lipfert
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Passive stabilization of the trunk in walking. Proceedings of the International Conference on Simulation, Modeling and Programming for Autonomous Robots 2010 Workshops, 2010, 127-136
Rummel, J. & Seyfarth, A.
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Robust and efficient walking with spring-like legs. Bioinspiration & Biomimetics, 2010, 5, 046004
Rummel, J.; Blum, Y. & Seyfarth, A.
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Stable and Robust Walking with Compliant Legs Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2010, 5250-5255
Rummel, J.; Blum, Y.; Maus, H.-M.; Rode, C. & Seyfarth, A.
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Swing Leg Control in Human Running. Bioinspiration & Biomimetics, 2010, 5, 026006
Blum, Y.; Lipfert, S. W.; Rummel, J. & Seyfarth, A.
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Upright human gait did not provide a major mechanical challenge for our ancestors. Nature Communications, Nature Publishing Group, 2010, 1, 1-6
Maus, H.; Lipfert, S.; Gross, M.; Rummel, J. & Seyfarth, A.
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Walking with compliant legs: robustness or efficiency. Proceedings of 16th US National Congress of Theoretical and Applied Mechanics, 2010
Rummel, J. & Seyfarth, A.
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Does A Crouched Leg Posture Enhance Running Stability and Robustness? Journal of Theoretical Biology, 281(1): 97-106, 2011
Blum Y, Birn-Jeffery A, Daley MA, Seyfarth A
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A model-experiment comparison of system dynamics for human walking and running. Journal of Theoretical Biology, 292(0):11–17, 2012
Susanne W. Lipfert, Michael Günther, Daniel Renjewski, Sten Grimmer, and Andre Seyfarth
