Passive Dynamik (eBook)

Fortschritte bei energieeffizienter Bewegung für Robotersysteme

Fouad Sabry (Autor)

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2024 | 1. Auflage
244 Seiten
Eine Milliarde Sachkundig [German] (Verlag)
978-0-00-068948-1 (ISBN)

Infos

Passive Dynamics untersucht die Schnittstelle zwischen Biomechanik und Robotik und zeigt, wie passive Dynamik unser Verständnis menschlicher Bewegung und robotischer Mobilität verändert. Dieses Buch ist unverzichtbar für Fachleute, Studenten und Enthusiasten, die die Wissenschaft verstehen möchten, die Innovationen in der Robotik vorantreibt. Die vermittelten Erkenntnisse sind von unschätzbarem Wert für alle, die das Potenzial energieeffizienter Bewegung in Robotersystemen und ihre tiefgreifenden Anwendungen zur Unterstützung menschlicher Mobilität verstehen möchten.

Kurzübersicht der Kapitel:

1. Passive Dynamik: Untersucht die Prinzipien energieeffizienter Bewegung.

2. Bipedie: Befasst sich mit der menschlichen Zweibeinbewegung und ihrer biomechanischen Einzigartigkeit.

3. Gehen: Untersucht die Mechanik und Stabilität des menschlichen und robotischen Gehens.

4. Gang (Mensch): Analysiert menschliche Gangzyklen und die Faktoren, die ihre Effizienz beeinflussen.

5. Roboterfortbewegung: Untersucht Fortbewegungstechniken von Robotern mit Schwerpunkt auf Energieeinsparungen.

6. Trajektorienoptimierung: Stellt Methoden zur Optimierung von Bewegungspfaden für mehr Effizienz vor.

7. Nullmomentpunkt: Erörtert das Gleichgewicht bei Laufrobotern unter Verwendung von Nullmomentprinzipien.

8. SIGMO: Detaillierte Erläuterung der Rolle von SIGMO bei der Stabilisierung dynamischer Bewegungen bei Robotern.

9. Roboter mit Beinen: Behandelt Design- und Steuerungsmethoden für Robotersysteme mit Beinen.

10. RunBot: Untersucht RunBot, einen Modellroboter, der effiziente zweibeinige Fortbewegung demonstriert.

11. Veränderungen des menschlichen Skeletts aufgrund von Zweibeinigkeit: Betrachtet evolutionäre Anpassungen des menschlichen Skeletts.

12. Robotik: Bietet eine Grundlage in der Robotik mit Schwerpunkt auf dynamischer Bewegung.

13. Bioinspirierte Robotik: Erforscht Roboterdesigns, die von der Effizienz der Natur inspiriert sind.

14. Armschwung bei der menschlichen Fortbewegung: Untersucht die Auswirkungen der Armbewegung auf die Gehstabilität.

15. Neuromechanik von Orthesen: Erläutert, wie Orthesen die menschliche Bewegung unterstützen.

16. Einfluss von Gangparametern auf den Energieaufwand: Analysiert, wie Gangvariationen den Energieverbrauch beeinflussen.

17. MABEL (Roboter): Hebt MABELs Rolle in der passivdynamischen Roboterforschung hervor.

18. Roboterprothesensteuerung: Bespricht Steuerungssysteme in assistierenden Roboterprothesen.

19. Gelenkige Softrobotik: Stellt Softrobotik für adaptive Bewegung vor.

20. Robert D. Gregg: Ein Profil von Greggs Beiträgen zur assistierenden Robotik.

21. Elliott J. Rouse: Profiliert Rouses Arbeit an Roboterprothesen und Exoskeletten.

Für diejenigen, die sich für Robotikwissenschaft interessieren, bietet dieses Buch sowohl Grundlagenwissen als auch praktische Einblicke. Durch die Beherrschung der passiven Dynamik erwerben die Leser Fähigkeiten, die in verschiedenen Bereichen anwendbar sind - von der Robotertechnik bis zur Biomechanik.

Textauszug

Kapitel 2 : Bipedalismus

Tiere, die sich nur mit einem ihrer hinteren (oder unteren) Gliedmaßen oder Beine fortbewegen, werden als zweibeinig bezeichnet. Bipedalismus ist eine Klassifizierung der terrestrischen Bewegung. Der Begriff "Zweibeiner" bezieht sich auf ein Tier oder eine Maschine, die sich oft zweibeinig fortbewegt. Die Definition des Begriffs "Zweibeiner" ist "ein Fuß", der sich aus den lateinischen Wörtern "one" und "pes" zusammensetzt, was "Fuß" bedeutet. Zweibeinige Gangarten wie Gehen oder Laufen sowie Hüpfen sind Beispiele für verschiedene Arten der zweibeinigen Mobilität.

Es gibt mehrere Gruppen von heutigen Arten, die gewohnheitsmäßige Zweibeiner sind, was bedeutet, dass ihre regelmäßige Fortbewegung auf zwei Beinen stattfindet. Während der Trias entwickelten bestimmte Gruppen von Archosauriern, zu denen Dinosaurier und Krokodile gehören, die Fähigkeit, auf zwei Beinen zu gehen. Bei den Dinosauriern waren alle frühen Formen und viele spätere Gruppen gewohnheitsmäßige oder ausschließliche Zweibeiner. Die Vögel sind Vertreter einer Gruppe von Dinosauriern, die ausschließlich zweibeinig waren und als Theropoden bekannt sind. Es gab mehrere Fälle, in denen gewohnheitsmäßiger Zweibeiner bei Säugetieren auftrat. Dazu gehören die Makropoden, Kängururatten und -mäuse, Springhasen, Springmäuse, Schuppentiere und Homininenaffen (einschließlich Menschen) sowie eine Reihe anderer ausgestorbener Taxa, die das Merkmal unabhängig voneinander entwickelt haben.

Es gibt eine größere Anzahl aktueller Arten, die für kurze Zeit oder mit Unterbrechungen auf zwei Beinen laufen. Während ihrer Sprints bewegen sich eine Reihe verschiedener Eidechsenarten auf zwei Beinen, typischerweise um Gefahren zu vermeiden. Obwohl es einige wenige Fälle gibt, in denen sie nur auf den Hinterbeinen laufen, nehmen die meisten Affen- und Bärenarten einen zweibeinigen Gang ein, um an Nahrung zu gelangen oder ihren Lebensraum zu erkunden. Es gibt einige Arten von Baumprimaten, wie z. B. Gibbons und Indriiden, die während der wenigen Zeit, die sie auf dem Boden verbringen, nur auf zwei Beinen laufen. Wenn ein Tier kämpft oder kopuliert, ist es üblich, dass es sich auf den Hinterbeinen aufbäumt. Um an Nahrung zu gelangen, Wache zu halten, einen Konkurrenten oder Räuber zu bedrohen oder beim Balzen zu posieren, stehen bestimmte Tiere häufig auf ihren Hinterbeinen. Diese Arten bewegen sich jedoch auf keinen Fall zweibeinig.

Im Gegensatz zu dem Wort vierbeinig, das "vier Füße" bedeutet, stammt das Wort von den lateinischen Wörtern bi(s), was "zwei" bedeutet, und ped-, was "Fuß" bedeutet.

Es ist möglich, dass eine Spezies auf verschiedene Weise von einer begrenzten und exklusiven Zweibeinigkeit profitiert. Die Zweibeinigkeit gibt den Tieren die Fähigkeit, ihren Kopf zu heben, was ihnen ein breiteres Sichtfeld ermöglicht, was ihre Fähigkeit verbessert, Bedrohungen oder Ressourcen zu erkennen, die weiter entfernt sind, was den Tieren, die waten, den Zugang zu tieferem Wasser ermöglicht und es den Tieren ermöglicht, mit ihrem Maul höhere Nahrungsquellen zu erreichen. Während das Tier steht, können seine nicht-motorischen Gliedmaßen andere Funktionen ausführen, wie z. B. Manipulation (bei Primaten und Nagetieren), Fliegen (bei Vögeln), Graben (bei dem riesigen Schuppentier), Kampf (bei Bären, Menschenaffen und dem großen Waran) oder Tarnung.

Sowohl der Strauß als auch das Rote Känguru sind in der Lage, Geschwindigkeiten von 70 Kilometern pro Stunde (43 Meilen pro Stunde) zu erreichen, aber der Gepard ist in der Lage, 100 Kilometer pro Stunde (62 Meilen pro Stunde) zu erreichen. Die größte Geschwindigkeit der zweibeinigen Bewegung scheint langsamer zu sein als die maximale Geschwindigkeit der vierbeinigen Bewegung mit einem flexiblen Rückgrat. Laut der Hypothese des Ausdauerlaufs hat der Zweibeiner trotz der Tatsache, dass er zu Beginn langsamer ist, den Menschen ermöglicht, die Mehrheit der anderen Tiere über längere Strecken zu überholen. Es wurde postuliert, dass die Fähigkeit von Kängururatten, auf zwei Beinen zu gehen, ihre fortlaufende Leistung verbessert, was ihnen helfen könnte, sich vor potenziellen Raubtieren davonzuschleichen.

In der Zoologie werden Verhaltensweisen wie Bipedalismus häufig entweder als "fakultativ" (was bedeutet, dass sie eine Wahl sind) oder "obligatorisch" (was bedeutet, dass das Tier keine rationale Alternative hat) klassifiziert. Auch diese Unterscheidung ist nicht ganz eindeutig; Zum Beispiel gehen und rennen andere Menschen als Säuglinge in der Regel zweibeinig, aber fast alle von ihnen sind in der Lage, auf Händen und Knien zu krabbeln, wenn es notwendig ist. Es gibt auch Berichte von Menschen, die mit den Füßen, aber nicht mit den Knien auf dem Boden auf allen Vieren gehen. Es wird jedoch angenommen, dass diese Vorkommnisse die Folge von Krankheiten wie dem Uner-Tan-Syndrom sind, bei denen es sich eher um äußerst seltene genetische neurologische Störungen als um typisches Verhalten handelt. Es gibt zahlreiche Beispiele, die nicht eindeutig sind, darunter die Tatsache, dass "normale" Menschen in der Lage sind, auf Händen und Knien zu krabbeln. Dies gilt auch dann, wenn man Ausnahmen außer Acht lässt, die durch Krankheiten oder Verletzungen jeglicher Art hervorgerufen werden. Folglich werden die Bezeichnungen "fakultativ" und "verpflichtend" in diesem Artikel nicht verwendet; Vielmehr wird das Augenmerk auf die große Vielfalt an Fortbewegungsmethoden gelegt, die typischerweise von verschiedenen Tiergruppen angewendet werden. Es besteht die Möglichkeit, dass normale Menschen als "obligate" Zweibeiner angesehen werden, da die Alternativen extrem schmerzhaft sind und typischerweise nur dann eingesetzt werden, wenn das Gehen nicht möglich ist.

Wenn es um Mobilität geht, gibt es ein paar verschiedene Zustände, die typischerweise mit Bipedalismus verbunden sind.

Nur eine kleine Anzahl lebender Taxa weist Bipedalismus auf, da die überwiegende Mehrheit der lebenden Landwirbeltiere Vierbeiner sind. Indem man einen Fuß nach dem anderen anhebt, bewegen sich Säugetiere wie Menschen, Gibbons und riesige Vögel vorbei. Die meisten Makropoden, kleineren Vögel, Lemuren und zweibeinigen Nagetiere bewegen sich hingegen, indem sie gleichzeitig mit den Füßen auf beiden Beinen hüpfen. Es ist möglich, dass Baumkängurus laufen oder hüpfen, wobei das häufigste Verhalten darin besteht, gleichzeitig auf beiden Füßen zu hüpfen, wenn sie auf dem Boden sind, und gleichzeitig auf beiden Füßen zu hüpfen, wenn sie zwischen Bäumen unterwegs sind.

Während der Fortbewegung mit hoher Geschwindigkeit und Sprint verwandeln sich viele Eidechsenarten, insbesondere der Stachelschwanzleguan (Gattung Ctenosaura), der schnellste Leidechse der Welt, in zweibeinige Tiere.

Die Knochen des Bolosauriden Eudibamus, die 290 Millionen Jahre alt sind, sind das erste bekannte Lebewesen, das auf zwei Beinen läuft. Es gibt Hinweise darauf, dass es sich um einen Zweibeiner handelt, was durch seine langen Hinterbeine, kurzen Vorderbeine und ungewöhnlichen Gelenke belegt wird. Zu Beginn des Perms starb die Art aus.

Es stimmt, dass jeder einzelne Vogel, wie auch jeder einzelne Theropoden-Dinosaurier, ein Zweibeiner ist. Hoatzin-Küken hingegen haben Krallen an ihren Flügeln, mit denen sie klettern.

Es ist bekannt, dass die Archosaurier, zu denen sowohl Dinosaurier als auch Krokodile gehören, mehrere Instanzen der Evolution des Zweibeiners durchlaufen haben. Es wird davon ausgegangen, dass jeder einzelne Dinosaurier von einem vollständig zweibeinigen Vorgänger abstammte, möglicherweise einem, der mit dem Eoraptor vergleichbar war.

Eine Divergenz zwischen Dinosauriern und ihren Archosaurier-Vorfahren fand vor etwa 230 Millionen Jahren statt, während der mittleren bis späten Trias. Dies geschah etwa 20 Millionen Jahre nach dem Perm-Trias-Aussterbeereignis, das für das Aussterben von etwa 95 Prozent aller Arten auf der Erde verantwortlich war. Das Vorhandensein des Eoraptor Dinosauriers im Fossilienbestand zu dieser Zeit kann durch radiometrische Datierung anhand von Exemplaren der frühen Dinosauriergattung Eoraptor nachgewiesen werden. Für den Fall, dass dies der Fall ist, deuten die Eigenschaften von Eoraptor darauf hin, dass die frühen Dinosaurier kleine, zweibeinige Raubtiere waren. Paläontologen haben den starken Verdacht, dass Eoraptor dem gemeinsamen Vorfahren aller Dinosaurier ähnelt. Diese Theorie wird durch die Entdeckung primitiver Ornithodiren, die Dinosauriern ähneln, wie Marasuchus und Lagerpeton, in den argentinischen Schichten der Mittleren Trias gestützt. Die Untersuchung der gesammelten Fossilien zeigt, dass es sich bei diesen Kreaturen definitiv um kleine, zweibeinige Raubtiere handelte.

Auch andere Dinosaurier-Abstammungslinien, wie die Iguanodonten, haben sich irgendwann in ihrer Evolutionsgeschichte zu zweibeinigen Kreaturen weiterentwickelt. Einige ausgestorbene Mitglieder der Pseudosuchia-Gruppe, die eine Schwestergruppe der Areetatarsalier (die Gruppe, zu der auch Dinosaurier und ihre Verwandten gehören) ist, entwickelten ebenfalls zweibeinige Formen. Zum Beispiel wird angenommen, dass Effigia okeeffeae, ein Poposauroid, der während der Trias-Zeit lebte, für seine Zeit zweibeinig war. In der Vergangenheit glaubte man, dass Flugsaurier auf zwei Beinen gingen, aber neue Spuren haben alle gezeigt, dass sie auf vier Beinen gingen.

Es gibt mehrere Gruppen von rezenten Tieren, die unabhängig voneinander den Bipedalismus als ihre primäre Fortbewegungsart erworben haben. Zu diesen Gruppen gehören Menschen, Schuppentiere, die ausgestorbenen Riesenfaultiere und verschiedene Arten von springenden Nagetieren und Makropoden. Der Mensch, dessen Fähigkeit, auf zwei Beinen zu gehen,...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 24.12.2024
• Übersetzer: Daniel Hueber
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• ISBN-10: 0-00-068948-3 / 0000689483
• ISBN-13: 978-0-00-068948-1 / 9780000689481