Dreidimensionale biomechanische Modellierung und die Entwicklung eines Reglers zur Simulation zweibeinigen Gehens

Abstract

Dok. 1: Dissertation - Textteil Dok. 2: Dokumentation von DySIM Dok. 3: Titelblatt und Übersicht - Deutsch Dok. 4: Titelblatt und Übersicht - Englisch ********************************************* In dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales biomechanisches Starrkörper-Menschmodell mit 22 Freiheitsgraden und Gelenkdrehmomentaktuatoren entwickelt und mit einem physiologisch motivierten Regler für die zweibeinige Fortbewegung ausgestattet. Mit diesem Modell konnten Computersimulationen des dreidimensionalen menschlichen Gehens durchgeführt werden. Der Modellregler beruht unter Verwendung von 'Virtual Model Control' auf einfachen, algorithmisch formulierten Prinzipien. Er hat approximativen Charakter, d.h. die Informationsauswertung und die Formulierung der Stabilisierungsaktionen beruhen auf Näherungen und Schätzungen, so dass kein exaktes internes Modell der Dynamik des Bewegungsapparats vorausgesetzt wird. Er erfasst die Bewegung nicht vollständig dreidimensional, sondern setzt sich aus unabhängigen ein- und zweidimensionalen Untereinheiten zusammen. Diese arbeiten synergetisch und bilden so eine Kontrollinstanz, die koordinierte, dreidimensionale, durch anschauliche, skalare Sollwerte definierte Bewegungabläufe stabilisieren kann. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass zur Initiierung + Stabilisierung des dreidimensionalen zweibeinigen Gehens einfache Konzepte ausreichen. Trotz der komplexen dynamischen Eigenschaften des mechanischen Bewegungsapparats sind keine exakten + rechenaufwendigen Verfahren erforderlich: Mit dem Modell ergibt sich ein breites Spektrum effizienter, stabiler + robuster Gangzyklen, die durch die Variation weniger Parameter flexibel variierbar sind, so dass Gehen mit variabler Geschwindigkeit, mit oder ohne Armeinsatz oder auch mit Richtungsänderungen simuliert werden konnte. Das Modell weist beim Gehen von selbst sogar die beim Menschen beobachtete Beckenbewegung auf. Summa summarum stellt das entwickelte Modell, das problemlos erweiterbar ist und verfeinert werden kann, eine gute Ausgangsbasis für das weitere Studium des menschlichen Gehens im Hinblick auf medizinische oder technische Anwendungen dar.

Dok. 1: Thesis Dok. 2: DySIM-Manual Dok. 3: Frontdoor and Table of Contents - German Dok. 4: Frontdoor and Table of Contents - English ********************************************* In this thesis a 3-dimensional biomechanical model of the human body with 22 degrees of freedom and joint torque actuators was developed and provided with a physiologically motivated controller for bipedal locomotion. This model was used to perform computer simulations of three-dimensional human walking. Using 'Virtual Model Control' the controller of the model is based on simple, algorithmically formulated principles. Information processing as well as the determination of the appropriate control actions are based upon approximations and estimations. A perfect internal model of the system-dynamics is not required. The controller further does not stabilize the 3-dimensional movement as a whole, but consists of independent 1- and 2-dimensional subunits. These subunits operate synergeticly resulting in an overall control unit that is capable of coordinating and stabilizing three-dimensional motions which are defined solely by scalar set points instead of complete trajectories. Using the model and the controller it was possible to show that simple concepts are sufficient to initiate + control three-dimensional bipedal walking. Despite the complex dynamic characteristics of the mechanical system, exact + computation-costly approaches are not required: The simulations revealed a wide variety of efficient, stable + robust walking cycles. Modification of only a few parameters lead to cycles with different walking speeds, with or without arm employment + also with changing walking direction. By itself the model even reveals the pelvic tilt that is observable in walking humans. All in all the proposed model which may easily be extended or refined represents a suitable basis for further studies of human walking towards medical as well as technical applications.