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Konzepte der Gleichgewichtspunkttheorie zur Regelung und Steuerung elastischer Roboterarme

Klug, Rudolf Sebastian :
Konzepte der Gleichgewichtspunkttheorie zur Regelung und Steuerung elastischer Roboterarme.
TU Darmstadt / Fachbereich Informatik
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Konzepte der Gleichgewichtspunkttheorie zur Regelung und Steuerung elastischer Roboterarme
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Biological systems show outstanding performance regarding the planning and control of complex movements. Due to the nonlinear dynamic characteristics of the movement apparatus, the special flexible characteristics of the muscles and the high redundancy even simple movements require a high control effort. Nevertheless it is very easy for us as humans to achieve even complex movements such as handwriting, walking or throwing a ball, without thinking about the individual motion control. In contrast to that, the movements of technical systems like robots are precisely planned and are executed under constant feedback control. Although there are different theories on how movements are learned and carried out, many aspects of movement control are still unknown. Due to the complexity of the movement apparatus it is common to inspect only subsystems or single movements. Of course this gives information about particular functions of the movement apparatus, but allows only limited conclusions for the whole system. Though, maybe even the interaction of the different control concepts and mechanical and dynamic properties of the movement apparatus are the key for a general understanding of movement control in biology. According to this idea the design principle of many biologically inspired robots of the recent years refers to taking advantage of the mechanical and dynamical characteristics of the movement apparatus. For the abstraction of the biological principles needed for a technical implementation requires however a deeper understanding of the biological movement apparatus. In addition to the different muscle characteristics and the control concepts in biological systems, the point of interest lies in the interaction of those different components. One of the goals of the transfer to technical systems is the generation of stable movements and the reduction of control efforts, due to the understanding of these interactions. Although concepts, it seems to be a fundamental principle in biology that in many areas of movement control no complex control signals are needed to produce movements, like it is generally necessary for the control of robots. According to the biological equilibrium point theory, which describes every position and movement by a balance or imbalance of the forces produced in the muscle, the movement control in biology takes advantage of the special mechanical and flexible characteristics of the biological movement apparatus, in order to produce simple signals for complex movements. Considering aspects of control theory this controversially discussed theory can help to understand the interaction of mechanical properties and control signals. In this thesis the role of the mechanical muscle characteristics for movement control and the interaction between muscle characteristics and the used control principles are investigated. Furthermore it is tested whether the findings can be transfered to technical systems, and in what extent a reduction of control effort is possible.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Fachbereich Informatik > Simulation, Systemoptimierung und Robotik
Date Deposited: 11 Feb 2010 09:19
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20506
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: von Stryk, Prof. Dr. Oskar and Möhl, Prof. Dr. Bernhard
Refereed: 28 May 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2050
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