Klug, Rudolf Sebastian (2010)
Konzepte der Gleichgewichtspunkttheorie zur Regelung und Steuerung elastischer Roboterarme.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Biologische Systeme demonstrieren eine herausragende Leistung, wenn es um die Planung und Kontrolle von komplexen Bewegungen geht. Selbst einfache Bewegungen erfordern auf Grund der nichtlinearen, dynamischen Eigenschaften des Bewegungsapparates, der besonderen elastischen Eigenschaften der Muskeln und der hohen Redundanz ein hohes Maß an Regelungs- und Steuerungsaufwand. Dennoch ist es für uns als Menschen ein Leichtes, selbst komplexe Aufgaben wie Schreiben, Gehen oder Werfen auszuführen, ohne über die einzelnen Bewegungsabläufe nachdenken zu müssen. Im Gegensatz dazu werden die Bewegungen technischer Systeme, z.B. von Robotern, möglichst bis ins letzte Detail geplant und unterliegen in der Regel der ständigen Feedback-Regelung. Obwohl in der Biologie zahlreiche unterschiedliche Theorien darüber existieren, wie Bewegungen gelernt und ausgeführt werden, sind viele Aspekte der Bewegungssteuerung immer noch unverstanden. Auf Grund der Komplexität des Bewegungsapparates werden oft nur Teilsysteme oder einzelne Bewegungen betrachtet, was zwar Aufschluss über einzelne Funktionen des Bewegungssystems liefert, aber nur begrenzt Aussagen über das Gesamtsystem zulässt. Jedoch liegt möglicherweise gerade in der Interaktion der verschiedenen Regelungs- und Steuerungsprinzipien und in ihrer Wechselwirkung mit den mechanischen und dynamischen Eigenschaften des Bewegungsapparates der Schlüssel für ein generelles Verständnis der biologischen Bewegungssteuerung. Dementsprechend bezieht sich eine Grundidee vieler biologisch inspirierter Robotersysteme der letzten Jahre auf das Ausnutzen der mechanischen und dynamischen Eigenschaften des Bewegungsapparates. Die für eine technische Umsetzung nötige Abstraktion setzt jedoch ein genaues Verständnis des biologischen Bewegungsapparates voraus. Neben den Eigenschaften der einzelnen Muskeln und den in der Biologie vorhandenen Regelungs- und Steuerungskonzepten ist vor allem die biodynamische Wechselwirkung zwischen den einzelnen Komponenten von Interesse. Eines der Ziele der Übertragung auf technische Systeme ist es dabei, durch Berücksichtigung dieser Wechselwirkungen stabilere Bewegungen zu ermöglichen und den Regelungs- und Steuerungsaufwand zu reduzieren. Obwohl es kein allein gültiges Konzept der Bewegungssteuerung ist, scheint es ein grundlegendes Prinzip in der Biologie zu sein, dass in vielen Bereichen der Bewegungssteuerung keine komplexen Signale nötig sind um Bewegungen zu erzeugen, wie es im Allgemeinen in der Robotik heute noch der Fall ist. Die aus der Biologie bekannte Gleichgewichtspunkttheorie, bei der jede Stellung und Bewegung durch ein Gleich- bzw. Ungleichgewicht der an den Gliedmaßen angreifenden Kräfte beschrieben wird, nutzt die besonderen mechanischen und elastischen Eigenschaften des biologischen Bewegungsapparates aus, um aus einfachen Signalen komplexe Bewegungen zu erzeugen. Diese kontrovers diskutierte Theorie kann durch eine regelungstechnische Sichtweise Einblicke in die Interaktion von mechanischen Eigenschaften und Steuersignalen liefern. In dieser Arbeit wird die Rolle der mechanischen Eigenschaften der Muskeln bei der Bewegungssteuerung und die Wechselwirkung zwischen den Muskeleigenschaften und den verwendeten Regelungs- und Steuerungsprinzipien untersucht. Des Weiteren wird geprüft, ob sich die gewonnenem Erkenntnisse auf technische Systeme übertragen lassen und inwieweit eine Reduzierung des Regelungs- und Steuerungsaufwandes möglich ist.

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