Einfache dynamische Beinprothese

[movido]

Ich habe mal meine Brötchen mit 3D Motion Capture und remapping auf virtuelle Cartoonfiguren verdient. Später im Spezialeffektebereich haben wir Roboteranimation mit Computereffekten verbunden. Da habe ich den Roboterbauern immer genau zugesehen, denn die mussten ja die Dynamik eines Tieres mit Motoren nachbauen. Wenn dann ein Löwe z.B. springen musste, hat die Computergrafik die Animatronik ersetzt (heute ist alles Computer).

Wichtig ist, dass Du die Abrollbewegung so gut wie möglich hinbekommst. Beine funtkionieren fast wie ein Rad ohne Umfang, weswegen sie so ungeheuer effizient sind. Nur muss der Fuss eben genau dann vorne sein, wenn der Träger ihn da braucht. In den Videoportalen gibt es Laufsequenzen (hat Edward Muibridge schon im vorletzten Jahrhundert mit angefangen).

Druck Dir doch mal die einzelnen Bilder aus und ersetze ein Bein zeichnerisch durch den geplanten Teleskopstab. Dann kannst Du die Änderung in der Länge in eine Tabelle und auf einen Graphen abmalen, an dem Du dann sofort sehen kannst, wie schnell das Bein wie weit ausgefahren werden muss, um eine bestimmte Gehgeschwindigkeit zu bekommen (Du bekommst eine Kurve aus Zeit und Länge).

Mit dem Gewicht des Trägers kannst Du dann die Kräfte schätzen, die zu jeder Zeit auf das Bein wirken. Ist die Kraft gross während das Bein kürze wird, dann gewinnst Du Energie. Wird es länger, musst Du einen Antrieb schaffen. So kannst Du abschätzen, was Dein Linearmotor leisten muss und kannst ihn genau dimensionieren. Mit ein wenig mehr Mathe (damals beim Integral gut aufgepasst?) kannst Du schon die Akkukapazität im Verhältnis zur Laufstrecke berechnen. Vergiss dabei den Microcontroller ganz schnell. Im Verhältnis zu einem Linearantrieb braucht der null komma nichts.

Viel Spass. Ich muss jetzt in die Heia

[HeXPloreR]

Hallo,

ich könnte mir vorstellen das man eine Pneumatikzylinder dazu nimmt und diesen unter druck setzt. Wenn man jetzt das System relativ druckdicht macht. Dann müßte eine Druckpumpe immer nur den Verlust ausglecihen der wohl zwangsläufig entsteht.
Ölige Luft, benötigt man übrigens nicht zwingend. Ölzugabe soll je eingentlich nur Oxidbildung im System verhindern. Zur Schmierung von Pneumatikzylinder die so nahe am Menschen eingesetzt werden könnte man sicherlich "neutralere" Mittel finden.

Jetzt zum eigentlichen Kern meiner Idee dazu: Die komprimierte Luft wird nicht ausgestossen und geht somit nicht direkt verloren. Sie wird umgepumpt. Ein doppelwirkender Zylinder, Abluftdrosseln - damit liesen sich dann auch in Grenzen die Geschwindigkeit der Hubbewegung regeln. Dazu benötig man wahrscheinlich ein Vakuum auf der einen Seite, welches dann die Druckluft reinzieht, während auf der Gegenseite wieder ein Unterdruck entstehen sollte damit das System relativ geschlossen funktioniert. Das Ganze wird mit den Drosselventilen in der Geschwindigkeit gereglt.

Ebenso wäre ein Stehposition damit möglich.

Pneumatik wäre übrigens meine erste Wahl bei der Aufgabenstellung, da sie genau den Nachteil bietet der hier unter Andere, benötigt wird: Komprimierbarkeit des Arbeitsmediums. Damit ist das System selbst abfedernd und kann dennoch die Nötige Kraft aufbringen um die Aufgabe zu bewältigen. Sogar auf das Gewicht der Person anpassbar.

EDIT: Naja, Vakuum wird sehr schwierig zu halten und wird wohl auch garnicht gebraucht. Eher lässt man einfach beim umpumpen, die andere Seite des Zylinders einfach geschlossen.

[eames]

Hallo HeXPloreR,

vielen Dank für Deine Antwort und fürs Gedanken machen.
Die Pneumatik hat mir auch schon immer gefallen. Gerade wegen der dämpfenden Eigenschaften und der Geschwindigkeit.
Leider kenne ich mich damit so wenig aus, dass ich bis jetzt nicht richtig einschätzen kann, ob man so ein Pneumatiksystem entsprechend klein und leicht aber kräftig hin bekommen kann.
Das schwerste ist sicherlich die benötigte Pumpe + Akku.
Gibt es die von Dir beschriebenen doppelt wirkenden Zylinder bereits am Markt?

Viele Grüße,
Michael

[movido]

Pneumatische Bauteile, aber auch alles andere, gibt's u.a. bei Maedler: www.maedler.de . Schöner Spielzeugladen

[Thoralf]

ich würde erstmal versuchen, das ganze doch elektrisch zu realisieren. Damit bekommt man die Kinematik noch am ehesten in den Griff. Die Interfaces von der Kinematik zum Controller sind auch erstmal einfacher. Die probleme der Kompressibilität der Luft vermeidest du erstmal.
Läuft alles so halbwegs, kann man immer noch den Schritt zur Pneumatik vollziehen.

Wieweit ist das Bein denn schon mechanisch? Falls nicht weit, sucht man sich vielleicht erst ein paar stabile Linearführungen. Ich weiß nicht, was der Möbelbau an heavy duty hergibt, da könnten man im Baumarkt fündig werden.
Für solche Linearantriebe favorisiere ich immer den Kettentrieb. Der ist leicht und preiswert zu realisieren und hält was aus. Zahnriemen geht vielleicht auch aber m.E. sind die Riemen + Ritzel teurer. Eine Kette ist auch leichter schlupffrei anzutreiben.
Spindeltriebe haben viel Reibung es sei denn, es wird ein teuerer Kugelumlauf verwendet.

Ansonsten halte ich die Idee mit dem Teleskopbein für sehr gut. Ein Abwälzen des Fußes brauchst du auch nicht, wenn du einen Kreisausschnitt als Sohle verwendest, wie hier im Forum schon erwähnt. Die Fußsohle ist dann quasi ein Stück eines "rimless wheels". Das Gehen läuft dann nach dem Prinzip des dynamic walkers ab (googeln). Die send extrem energieeffizient.
Hubarbeit brauchst du eigentlich auch nicht in das Bein stecken. Es muß nur stabil seine Länge halten. Vielleicht könnte man dazu einen kleinen servogetriebenen Sperriegel in die Kette greifen lassen. Da dieser beim Heben des Beins lastfrei ist, genügt ein kleiner Servo, der auch nur zum ein- und ausfahren Strom braucht.
Die eigentliche Laufenergie kommt ja, wenn ich das richtig verstanden habe, aus der Hüfte des Menschen. Damit verbraucht das Bein wenig Batterieleistung oder Druckluft, falls du den Schritt in die Richtung gehen willst.