EcoWalk - Biorobotische Analyse des Schwungbeinkatapults

DFG Projekt 449427815 in Kooperation mit der Dynamic Locomotion Group des MPI-IS

Ziel des Projekts EcoWalk ist die Entwicklung einer funktionalen Beschreibung und technischen Umsetzung des Schwungbeinkatapults beim menschlichen Gehen. Das Schwungbeinkatapult beschreibt einen Effekt, der im menschlichen Gehen zu beobachten ist kurz bevor das hintere Bein den Boden verlässt, um nach vorne zu schwingen. In dieser Phase des Gangs zeigen gesunde Menschen eine impulsive Freisetzung von Leistung im Sprunggelenk. Dieser schnelle, kraftvolle Fußabdruck treibt das Bein nach vorne in den Schwung - wie ein Katapult, das sein Projektil feuert (Lipfert, 2014). Wir wollen ein funktionelles Verständnis dieses Katapults entwickeln, indem wir zwei Ansätze kombinieren: die Entwicklung eines neuromuskulären Simulationsmodells an der TUM und den Bau eines Roboterbeins am Max-Plank-Institut Stuttgart. Das funktionelle Verständnis des Katapultmechanismus birgt großes Potenzial zur Verbesserung von Prothesen, zweibeinigen Robotern und Geräten, die zur Gangrehabilitation eingesetzt werden. Es wird angenommen, dass der Katapultmechanismus erheblich zur hohen Effizienz und grundlegenden Beindynamik des menschlichen Gehens beiträgt.

Das Projekt gliedert sich in zwei Teilprojekte: Die funktionalen Aspekte werden zunächst in einem Computermodell untersucht (Teilprojekt 1, TUM) und anschließend in einem biorobotischen System realisiert (Teilprojekt 2, MPI).

An der TUM untersuchen wir die grundlegende Funktionsweise des beobachteten Katapultmechanismus basierend auf kinematischen, kinetischen und energetischen Eigenschaften mit neuromuskulären Modellen des menschlichen Gehens (siehe Geyer 2010 & Geyer 2019).

Das MPI-Teilprojekt zielt darauf ab, die identifizierten Mechanismen und Regelungsstrategien in einer biorobotischen Nachbildung des menschlichen Beins zu realisieren. Damit können Erkenntnisse aus dem Computermodell verifiziert und die Realisierbarkeit des Katapults in technischen Systemen aufgezeigt werden.


Laufversuch mit dem Neuromuskulären Modell (Geyer, 2010)


Referenzen

Geyer, Hartmut; Herr, Hugh (2010): A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics produces human walking dynamics and muscle activities. In: IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering : a Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society 18 (3), S. 263–273. DOI: 10.1109/TNSRE.2010.2047592.

Geyer, Hartmut; Seyfarth, André (2019): Neuromuscular Control Models of Human Locomotion. In: Ambarish Goswami und Prahlad Vadakkepat (Hg.): Humanoid robotics. A reference. Dordrecht: Springer-Verlag (SpringerLink), S. 979–1007.

Lipfert, Susanne W.; Günther, Michael; Renjewski, Daniel; Seyfarth, André (2014): Impulsive ankle push-off powers leg swing in human walking. In: Journal of Experimental Biology 217 (8), S. 1218–1228. DOI: 10.1242/jeb.097345.



EcoWalk Projekt Poster



Acknowledgments

The project is funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449427815 "EcoWalk - Biorobotische Analyse des Schwungbeinkatapults". https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/449427815


Publications

2022

  • Buchmann, Alexandra; Kiss, Bernadett; Badri-Spröwitz, Alexander; Renjewski, Daniel: Power to the Springs: Passive Elements are Sufficient to Drive Push-Off in Human Walking. In: Robotics in Natural Settings. Springer International Publishing, 2022 mehr… BibTeX Volltext ( DOI ) Volltext (mediaTUM)
  • Buchmann, Alexandra; Kiss, Bernadett; Renjewski, Daniel; Badri-Spröwitz, Alexander: Functional Analysis of the Swing Leg Catapult in Human Walking. IFToMM D-A-CH Konferenz 8. IFToMM D-A-CH Konferenz 2022: 24./25. Februar 2022, 2022, Online-Konferenz mehr… BibTeX Volltext ( DOI ) Volltext (mediaTUM)
  • Kiss, Bernadett; Buchmann, Alexandra; Renjewski, Danile; Badri-Sprowitz, Alexander: Questions around the catapult mechanism in human legged locomotion. Annual Meeting of the SOCIETY FOR INTEGRATIVE AND COMPARATIVE BIOLOGY (SICB) , 2022 mehr… BibTeX
  • Laudenbach, Nikolas: Modeling Ground Contact Dynamics in Human Walking. Semesterarbeit, 2022 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Reinbold, Nora: Use of a Neuromuscular Model to Study Single Muscle Contributions during the Ankle Push-Off in Human Walking. Masterarbeit, 2022 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)