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Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern von Thorsten Reinhard Seminar: Robotik bei Prof. Dr. von Stryk / Betreuer: Sebastian Klug.

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Präsentation zum Thema: "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern von Thorsten Reinhard Seminar: Robotik bei Prof. Dr. von Stryk / Betreuer: Sebastian Klug."—  Präsentation transkript:

1 Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern von Thorsten Reinhard Seminar: Robotik bei Prof. Dr. von Stryk / Betreuer: Sebastian Klug

2 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard2 Agenda Motivation Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten Beispiele für Bewegungssteuerungen von hexapoden Robotern

3 Motivation

4 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard4 Motivation Ziel: Aus der Natur zu lernen Dementsprechend Antrieb, Konstruktion, Umwelterfassung und Steuerung des Roboter konzipieren

5 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard5 Positiva des Laufens Warum Laufen ? - Geländegängigkeit - Steigvermögen - Manövrierfähigkeit - Transportkosten - Multifunktionalität des Beines

6 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard6 Motivation Warum sechs Beine? - Statisch stabil Warum untersuchen wir das Laufverhalten von Insekten? - gut geeignete Morphologie Einsatzgebiete: Land- und Forstwirtschaft, Inspektion und Wartung von Anlagen, technischen Systemen und Bauwerken, Rettungswesen und zur Brandbekämpfung, Weltraum, Militär

7 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard7 Biologisches Vorbild Abb.1 Stabheuschrecke Carausius morosus

8 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard8 Biologisches Vorbild

9 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard9 Tarry I & II

10 Bewegungssteuerung bei hexapoden Insekten

11 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard11 Hierarchische und modulare Bewegungssteuerung Zentrales Nervensystem zweigeteilt: - Gehirn - Ganglienkette an der Unterseite (Brust) Gehirn: Initiierung, Richtung, Geschwindigkeit, Ende (globale Taktvorgabe) Lokal: Dezentrale Steuerung jedes Beines (keine Rückkopplung zu Gehirn) Ausnahme: Kopflose Insekten

12 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard12 Hierarchische und modulare Bewegungssteuerung

13 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard13 Lokale Einzelbeinkoordination Zentraler Mustergenerator (ZMG) erzeugt Bewegungen eines einzelnen Beines Zyklische Bewegungen bestehen aus: - Stemmphase - Schwingphase U.a. abhängig von Beinposition, Beinbelastung und momentaner Phase anderer Beine

14 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard14 Zusammenspiel ZMG, Ganglion, Muskeln

15 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard15 Lokale Einzelbeinkoordination – Teil II Beugemuskel (Levator) aktiv während Schwingphase, Streckmuskel (Depressor) während Stemmphase Laufen: Zwei antagonistische Muskelgruppen eines Gelenkes von den Motorneuronen alternierend angesteuert

16 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard16 Globale Beinkoordination - HEL (hintere Extremlage) Am weitesten hinten liegende Position eines Beines - VEL (vordere Extremlage) Am weitesten vorne liegende Position eines Beines

17 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard17 Merkmale des Schrittzyklus eines Einzelbeines

18 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard18 Beinkoordinationsregeln Regeln für die Koordination zwischen den Beinen (nach Cruse): 1. Wenn ein Bein seine Schwingphase noch nicht beendet hat, wird die Schwingphase des davorliegenden gehemmt.

19 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard19 Beinkoordinationsregeln 2. Durch den Start der Stemmphase eines Beines wird das vordere und das gegenüberliegende Bein gedrängt, in die Schwingphase überzugehen.

20 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard20 Beinkoordinationsregeln 3. Je weiter ein Bein während der Stemmphase nach hinten bewegt wird, desto früher beginnt das hintere mit der Stemmphase.

21 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard21 Beinkoordinationsregeln 4. Platzierung des hinteren Fußes an Fuß des nächstvorderen Beines (HEL) bzw. an Antennen Korrigierende Reflexbewegung bei Misserfolg (Regel 6)

22 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard22 Gangarten

23 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard23 Tripod

24 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard24 Tetrapod

25 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard25 Globale Beinkoordination – Teil IV Beim Kurvenlaufen wird die Schrittlänge über VEL und HEL angepasst Erhöhung / Erniedrigung der Schrittlänge Beinkoordination wird beibehalten

26 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard26 Einfluss von Sensoren

27 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard27 Sensorische Rückkopplungen Bestimmen das Muster und das zeitliche Auftreten der Bewegungsphase mit Signal über Belastungsänderung zeigt an, wann ein Bein den Körper nicht mehr stützen braucht Signalisieren VEL und HEL Körperhöhe (durch mechanische Kopplung) Reflexe auf unterster Ebene

28 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard28 Einfluss von Sensoren – Teil II Sensoren helfen bei Fußpunktsuche sowie bei Hinderniserkennung bzw. -umgehung Phasenabhängigkeit von Sensoreinflüssen (Modulation von Sensorneuronen) Neuronales Netz dynamisch Auch Modulation bei Motorneuronen Schabe: ZMG bestimmt Laufbewegung, Sensoren werden unwichtig

29 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard29 Zusammenfassung (1) Bein-Reflexe (2) ZMG / Kreislauf von Schwingen, Aufsetzten, Stemmen eines Beines (3) Koordination von 1. und 2. Ebene (4) Zentrale Handlungsplanung aufgrund externer Sensorinformationen

30 Bewegungssteuerung von hexapoden Robotern

31 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard31 Steuerungsbewegung bei Robotern Konventionelle Methode: Analytisch algorithmisch Problem: Mögliche Bewegungen der Gelenke redundant Daher hoher Rechenaufwand Umwelt dynamisch Weitere Möglichkeiten - Aktivierungsbasierte Verhaltenssteuerung - Künstlich Neuronale Netze nach Vorbild der Natur

32 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard32 Erster Ansatz der TU München

33 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard33 TUM (TU München)

34 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard34 WALKNET Drei Agenten: Stemmphase, Schwingphase, Selektor Globaler Befehl bestimmt Initiierung, Geschwindigkeit, … Künstlich Neuronale Netze (KNN) Modifiziert eingesetzt in TARRY II

35 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard35 WALKNET (Universität Bielefeld)

36 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard36 Vorteile WALKNET Robust gegenüber Störungen Kurvenlaufen Positive Rückkopplung Reduzierte Berechnungs- aufwand durch Mechanismen

37 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard37 Tarry II (Universität Duisburg)

38 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard38 Tarry II – Orientierung an Stabheuschrecke

39 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard39 RHex Einfache Beinkonstruktion Orientierung an Schabe

40 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard40 Einsatz - Harvester (Finnland) Konzipiert für Wald- und Forstarbeiten

41 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard41 Probleme Neurophysiologie bei Insekten nicht vollständig verstanden Unklar, welche Elemente für Gewandtheit und Anpassbarkeit an unbekanntes Terrain verantwortlich sind Antriebstechnologien oft zu träge und schwach; Nachbildung von Muskeln (fluidische Muskeln) Konstruktion haben oft zu hohes Körpergewicht Reduktion des Körpergewichts durch Leichtbaustoffe

42 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard42 Referenzen Internetseite Tarry II Interseite WALKNET bielefeld.de/biologie/Kybernetik/research/walk.htmlhttp://www.uni- bielefeld.de/biologie/Kybernetik/research/walk.html Cruse, Dürr et al (2003) Control of hexapod walking in biological systems Fred Delcomyn (1999) – Walking Robots and the Central and Peripheral Control of Locomotion in Insects Werner Nachtigall – Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Springer-Verlag, Seite 168 bis 174

43 20. Dezember 2004 "Bewegungssteuerung von hexapoden Insekten / Robotern" von Thorsten Reinhard43 Und zum Schluss… Fragen ?


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