Jenaer Beiträge Nr. 15 - Sport Geschichte Jena

Vergleich zum Kontaktbeginn, die aus den kinematischen
Daten gewonnen wird.
Die Beinsteifigkeit für den gestörten Kontakt nimmt mit
zunehmender Stufenhöhe signifikant ab (Grimmer, 2008;
Grimmer et al., 2008). In dem ungestörten Kontakt vor
der Stufe sind diese Anpassungen nicht zu finden. Ähnlich
Anpassungen zeigen sich beim Anstellwinkel. Im gestörten
Kontakt nehmen die Anstellwinkel mit zunehmender Stufenhöhe
ebenfalls ab, von 68deg auf 62deg für die höchste
Stufe, wohingegen sich keine signifikanten Änderungen in
dem ungestörten Kontakt vor der Stufe zeigen. Geringfügige
Änderungen sind auch für die initiale Beinlänge zu finden.
Sie nimmt mit zunehmender Stufenhöhe ebenso ab.
Abb. 2: Ersatzmodell für das Laufen – das Feder-Masse Modell. Das
Modell besteht aus einer Punktmasse und einer daran angefügten
masselosen Feder der Länge l0 und der Federsteifigkeit K. Die Bewegung
kann in zwei Phasen unterteilt werden. In eine Flugphase,
bei der sich der Schwerpunkt mit der horizontalen Geschwindigkeit
vx vorwärts bewegt und den höchsten Punkt der Trajektorie yApex
durchläuft und die elastische Kontaktphase, die beginnt, wenn die
Feder den Boden unter dem Winkel a berührt.
Modellvorstellung und Kontrollstrategien
Durch die Definition einer Steifigkeit für das Bein während
des Kontaktes wird implizit schon die Modellvorstellung
zugrunde gelegt, dass sich das Bein federartig verhält. Tatsächlich
konnte gezeigt werden, dass sich die Kinematik
und Dynamik mit einem einfachen Feder-Masse Modell
in der Sagittalebene für Menschen (Blickhan, 1989) und
Tiere (McMahon & Cheng, 1990) gut beschreiben lässt.
Seit dem fand dieses Modell in zahlreichen verschiedenen
Studien zum Hüpfen und Laufen (Blickhan & Full, 1993;
Farley, Blickhan, Saito, & Taylor, 1991; Full & Koditschek,
1999; Seyfarth, Geyer, Gunther, & Blickhan, 2002) sowie
zum Gehen (Geyer, Seyfarth, & Blickhan, 2006) Anwendung.
Dass sich die Bewegung und Parameteranpassungen
eines menschlichen Läufers über einen unebenen Parcours
ebenfalls mit Hilfe des Feder-Masse Modells beschreiben
lässt, konnten wir zeigen (Grimmer et al., 2008). Die Anpassungen
sind notwendig um die Bewegung zu stabilisieren;
siehe unten.
Das Feder-Masse Modell (Abb. 2) ist dabei eine starke Abstraktion
des menschlichen Läufers und besteht aus einer
Punktmasse, die an einer masselosen Feder der Federsteifigkeit
K und der Federlänge L0 befestigt ist. Das Laufen
lässt sich hierbei in zwei Phasen einteilen: eine ballistische
Flugphase, bei der sich das Modell mit konstanter Geschwindigkeit
(vx) vorwärts bewegt und dabei die höchste
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vertikale Auslenkung yApex während eines Schrittes durchläuft;
und eine elastische Kontaktphase, die beginnt, wenn
die Feder den Boden unter dem Kontaktwinkel a berührt.
Die Bewegung des Modells ist dann stabil, wenn sich zwei
aufeinanderfolgende Apizes gleichen und kleine Störungen
kompensiert werden und nicht zum Stolpern führen.
Für größere Störungen kommt es in der Regel zu Abweichungen
der aufeinander folgenden Apizes. Ist die Kontrolle
robust genug, können aber auch solche Störungen
kompensiert werden.
Abb. 3: Anwendung der konstanten Geschwindigkeitskontrolle beim
Laufen über unebenen Untergrund. Mit dieser Kontrolle ist es möglich
über unebenen Boden zu laufen und dabei eine konstante Apexhöhe
zu wahren. Dies geht einher mit einer gleichbleibenden Vorwärtsgeschwindigkeit
für die Flugphasen.
Dass die Stabilität der Bewegung für das Feder-Masse
Modell unter bestimmten Voraussetzungen gegeben ist,
konnte von Seyfarth und Kollegen (Seyfarth et al., 2002)
gezeigt werden, wobei eine wesentliche Verbesserung der
Stabilität mit einer Schwungbeinkontrolle erreicht werden
kann (Seyfarth & Geyer, 2002; Seyfarth, Geyer, & Herr,
2003).
Diese theoretischen Studien beschäftigen sich vornehmlich
mit der Stabilität der federartigen Bewegung. Neben
dem kritischen Faktor der Stabilität einer dynamischen
Bewegung können andere Kriterien für das Laufen von
ähnlicher Bedeutung sein. Speziell sei hier an die Kontrolle
von federartig arbeitenden Laufmaschinen (Robotern)
gedacht. Für diese Art von Laufmaschinen mag eine konstante
Vorwärtsgeschwindigkeit, eine maximierte Laufgeschwindigkeit,
oder ein konstante maximale Flughöhe
(Apizes) beim Laufen über unebenem Untergrund Vorrang
vor maximierter Stabilität haben.
Wir konnten eine Schwungbeinkontrolle für das konservative
Feder-Masse Modell entwickeln, dass die Vorwärtsgeschwindigkeit
beim Laufen über unebenem Untergrund
konstant hält (Abb. 3), indem es die Parameter des Feder-Masse
Modells im Flug an die neue Untergrundhöhe
anpasst (Ernst, Geyer, & Blickhan, 2009). Ähnlich wie wir
es beim menschlichen Laufen auf unebenem Untergrund
sehen. Gleichzeitig wird durch diese Art der Kontrolle erreicht,
dass die globalen maximalen Flughöhen (Apizes)
ebenfalls gleich sind. Diese konstante Geschwindigkeitskontrolle
kann als Feedforward-Strategie gestaltet werden
(Ernst et al., 2009). Eine Feedforward Strategie hat hier
den Vorteil, dass sie unabhängig von der Erfassung der
aktuellen Bodenhöhe (Feedback-Strategie) funktioniert.
Für die konstante Geschwindigkeitskontrolle existiert nicht
nur eine Lösung, sondern ein ganzer Lösungsraum. Durch
Beschränkungen in den Modellparametern wird dieser Bereich
allerdings eingeschränkt.