Generation principles for arm movements in humans

Abstract

Diese Dissertation umfasst Studien zu den beiden Hauptbereichen des Fachgebietes der Motor Control – Posture (Körperhaltung) und Bewegung – mit speziellem Fokus auf dem menschlichen Arm. Die Steifigkeit (endeffector stiffness) beschreibt den Widerstand des Armes gegenüber externen Störungen und ist eine Schlüsselgröße im Studium von Armhaltungen. Diese Arbeit präsentiert eine Methode zur Messung der Steifigkeit im dreidimensionalen Handraum. Der Ansatz ermöglicht das Studium des menschlichen Armes in seinem natürlichen Arbeitsbereich. Die gemessene Steifigkeit wird mit Blick auf klassische Resultate aus Studien, in denen die Freiheit des Armes auf eine horizontale Ebene beschränkt wurde, verglichen. Es findet sich analog zu diesen eine Variation der Ausrichtung und des Ausmaßes der Steifigkeit in Abhängigkeit von der Handposition und der Armhaltung. Abweichend von der bisher in der Ebene gefundenen Ausrichtung der höchsten Steifigkeit entlang der Hand-Schulter-Achse weist die hier gemessene Steifigkeit eine Ausrichtung parallel zur Vorderarm-Achse der Probanden auf. Dies legt nahe, dass der Hauptbeitrag zur Kompensation externer Störungen auf Schulterniveau geschieht. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit menschlichen Armbewegungen unter Zeitdruck. Untersucht wurden Probanden unterschiedlicher Händigkeit, die sowohl ihre bevorzugte als auch ihre nicht bevorzugte Hand nutzten. Eine zu diesem Zwecke entwickelte Umgebung zur Erstellung virtueller Parcours ermöglicht Szenarios, in denen Bewegungen zwischen verschiedenen visuellen Zielen mit Hindernisvermeidung kombiniert werden können. Aus einem derartigen Parcours resultierende Arm- bzw. Handbewegungen wurden hinsichtlich ihrer dynamischen Eigenschaften analysiert. Zusätzlich verfügte die Bewegungsaufgabe über eine Unsicherheitskomponente: den Probanden zeigte sich das finale Bewegungsziel erst in dem Augenblick, als sie ihre Entscheidung, ob sie sich links oder rechts am Hindernis vorbeibewegen, treffen mussten. Dieser Flaschenhals aus Verarbeitung neuer Informationen über die Aufgabe und der entsprechenden Umsetzung in Motorkommandos kann genutzt werden, um das Entscheidungsverhalten der Probanden zu studieren. Es stellt sich heraus, dass Zeitdruck – oder besser: Bewegungsnotwendigkeit – die Aufmerksamkeit mehr und mehr von den sensorischen Gegebenheiten weg hin zu Mustern im eigenen Verhalten zieht. Probanden, welche die Bewegungsaufgabe schnell ausführen, zeigen ein hohes Maß an Stereotypisierung in der Wahl ihrer Bewegungsrichtungen. Eine initiale Überpräsentation von Bewegungszielen auf der rechten Seite hinter dem Hindernis führte jeweils auch stets zu einer Bevorzugung dieser Richtung. Bei eingangs häufigerer Präsentation von Zielen links hinter dem Hindernis bevorzugten jedoch nicht alle Probanden diese Bewegungsrichtung. Dieses Phänomen ist unabhängig von Händigkeit und Handnutzung. Eine mögliche Erklärung ist in der kulturellen Prägung durch nach rechts gerichtete Lesebewegung, Zeitstrahlen und andere Elemente der visuellen Kommunikation zu suchen. Eine direkte Bezugnahme auf eben präsentiere Zielpositionen kann besonders für schnelle Probanden auf verschiedenen Zeitskalen ausgeschlossen werden. Das Verhalten zeigte sich im Wesentlichen abhängig vom bisherigen Verlauf der Entscheidungen. Außerdem verstärkte sich die Stereotypisierung mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit. Diese Heuristik, die in kritischen Momenten die Entscheidungszeit verkürzt, und die damit verbundene Fehlerkorrektur kann als Inspirationsquelle für die Entwicklung flexibler, aber schneller Robotersteuerungen dienen.