İki Bacaklı Yürüyüşün Ters Dinamiği : Basınç Merkezinin Bir Ani Dönme Merkezi Olduğu Varsayımı

Bu çalışmada, gerçek insan, iki ayaklı yürüyen robotlar ve dış iskelet sistemlerinin yürüyüş analizlerinde kullanılabilecek, 2 boyutlu alternatif bir dinamik model önerilmiştir. Modelin boyutları ve kinematik verileri, antropometrik veriler ve gerçek insan yürüyüşünün kinematik verileri esas alınarak belirlenmiştir. 7 uzuvlu model; gövde, iki adet üst bacak (uyluk), iki adet alt bacak (baldır) ve iki adet ayak uzuvlarından oluşmaktadır. Hareket, sagital düzlemde ve tek ayak destek fazında incelenmiştir. Sağ ayağın, sabit bir nokta etrafında dönmesinden farklı olarak, ayak basınç merkezi (COP) etrafında dairesel hareket yaptığı kabul edilmiştir. Basınç merkezi (COP) ile ayak başparmağı ucu arasındaki kısım, yatay olarak yerde hareketsiz bulunan pasif bir uzuv gibi değerlendirilmiştir. Bu kısmın dinamik analize etkisi ihmal edilmiştir. Lagrange denklemleri ile hareket denklemleri elde edilmiştir. Winter [1] tarafından yapılmış klinik yürüyüş deneylerinde elde edilen kinematik veriler kullanılarak, her bir uzvun hareketi için gerekli net mafsal torkları belirlenmiş ve grafikler üzerinde deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar neticesinde, analitik ve deneysel sonuçlardan elde edilen eğrilerin önemli oranda örtüştüğü görülmüştür.

Inverse Dynamics of Bipedal Gait: The Assumption of the Center of Pressure as an Instantaneous Center of Rotation

In the study, an alternative 7-dof dynamical model that can be used in gait analysis of human, bipedal robots and exoskeleton systems is proposed. The dimensions and kinematic data of the model are specified on the basis of anthropometry and kinematic data of real human gait. The 7-link model consists of the trunk, two thighs, two shanks and two feet links. The movement is examined in the sagittal plane and during the single support phase (SSP). Unlike the rotation about a fixed point, it is assumed that the right foot rotates about the center of pressure (COP). The part between the COP and the tip of the toe is considered to be a passive limb which is horizontally on the ground. The effect of this part on dynamic analysis is neglected. The equations of motions are derived by applying Lagrange equations. Using the kinematic data obtained in clinical gait analysis (CGA) conducted by Winter [1], the net joint torques are calculated and then compared with CGA torque data. As a result of the comparisons, it is seen that the curves are overlapped significantly.

___

  • [1] Winter, D. A., "Biomechanics and Motor Control of Human Movement", 4. Ed., John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA, (2009).
  • [2] Ito, D., Murakami, T., and Ohnishi, K., "An Approach to Generation of Smooth Walking Pattern for Biped Robot", International Workshop on Advanced Motion Control, AMC, Maribor, Slovenia, 98–103 (2002).
  • [3] Chen, B., Ma, H., Qin, L. Y., Gao, F., Chan, K. M., Law, S. W., Qin, L., and Liao, W. H., "Recent developments and challenges of lower extremity exoskeletons", Journal Of Orthopaedic Translation, 5: 26–37 (2016).
  • [4] Viteckova, S., Kutilek, P., and Jirina, M., "Wearable lower limb robotics: A review", Biocybernetics And Biomedical Engineering, 33 (2): 96–105 (2013).
  • [5] Bakırcıoğlu, V. and Kalyoncu, M., "A literature review on walking strategies of legged robots", Journal Of Polytechnic, 23 (4): 961–986 (2019).
  • [6] Oh, S. N., Kim, K. Il, and Lim, S., "Motion Control of Biped Robots Using a Single-Chip Drive", IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, 2461–2465 (2003).
  • [7] Chevallereau, C., Bessonnet, G., Abba, G., and Aoustin, Y., "Bipedal Robots : Modeling, Design and Walking Synthesis", ISTE, London, UK, (2009).
  • [8] Dollar, A. M. and Herr, H., "Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses: Challenges and State-of-the-Art", IEEE Transactions On Robotics, 24 (1): 144–158 (2008).
  • [9] Ji, Z. and Manna, Y., "Synthesis of a pattern generation mechanism for gait rehabilitation", Journal Of Medical Devices, Transactions Of The ASME, 2 (3): (2008).
  • [10] Dillmann, R., Albiez, J., Gaßmann, B., Kerscher, T., and Zöllner, M., "Biologically inspired walking machines: Design, control and perception", Philosophical Transactions Of The Royal Society A: Mathematical, Physical And Engineering Sciences, 365 (1850): 133–151 (2007).
  • [11] Pfeiffer, F. and Inoue, H., "Walking: Technology and biology", Philosophical Transactions Of The Royal Society A: Mathematical, Physical And Engineering Sciences, 365 (1850): 3–9 (2007).
  • [12] Kirtley, C., "Clinical Gait Analysis: Theory and Practice.", 1. Ed., Elsevier Churchill Livingstone, London, 316 (2006).
  • [13] Popovic, M. B., Goswami, A., and Herr, H., "Ground Reference Points in Legged Locomotion: Definitions, Biological Trajectories and Control Implications", The International Journal Of Robotics Research, 24 (12): 1013–1032 (2005).
  • [14] Jung, W. C. and Lee, J. K., "Treadmill-to-overground mapping of marker trajectory for treadmill-based continuous gait analysis", Sensors, 21 (3): 1–13 (2021).
  • [15] Nagymáté, G. and Kiss, R. M., "Affordable gait analysis using augmented reality markers", PLoS ONE, 14 (2): (2019).
  • [16] Haque, M. R., Imtiaz, M. H., Kwak, S. T., Sazonov, E., Chang, Y. H., and Shen, X., "A lightweight exoskeleton-based portable gait data collection system†", Sensors, 21 (3): 1–17 (2021).
  • [17] Cruse, H., Kindermann, T., Schumm, M., Dean, J., and Schmitz, J., "Walknet - A biologically inspired network to control six-legged walking", Neural Networks, 11 (7–8): 1435–1447 (1998).
  • [18] Huang, Q., Yokoi, K., Kajita, S., Kaneko, K., Aral, H., Koyachi, N., and Tanie, K., "Planning walking patterns for a biped robot", IEEE Transactions On Robotics And Automation, 17 (3): 280–289 (2001).
  • [19] Zoss, A. and Kazerooni, H., "Design of an electrically actuated lower extremity exoskeleton", Advanced Robotics, 20 (9): 967–988 (2006).
  • [20] Tzafestas, S., Raibert, M., and Tzafestas, C., "Robust sliding-mode control applied to a 5-link biped robot", Journal Of Intelligent And Robotic Systems: Theory And Applications, 15 (1): 67–133 (1996).
  • [21] Pournazhdi, A. B., Mirzaei, M., and Ghiasi, A. R., "Dynamic Modeling and Sliding Mode Control for Fast Walking of Seven-Link Biped Robot", 2nd International Conference on Control, Instrumentation and Automation (ICCIA), Shiraz, Iran, 1012–1017 (2011).
  • [22] Onn, N., Hussein, M., Howe, C., Tang, H., Zain, M. Z., Mohamad, M., and Ying, L. W., "Motion Control of Seven-Link Human Bipedal Model", 14th International Conference on Robotics, Control and Manufacturing Technology(ROCOM’14), 15–22 (2014).
  • [23] Paparisabet, M. A., Dehghani, R., and Ahmadi, A. R., "Knee and torso kinematics in generation of optimum gait pattern based on human-like motion for a seven-link biped robot", Multibody System Dynamics, 47 (2): 117–136 (2019).
  • [24] Pai, Y. C. and Iqbal, K., "Simulated movement termination for balance recovery: Can movement strategies be sought to maintain stability in the presence of slipping or forced sliding?", Journal Of Biomechanics, 32 (8): 779–786 (1999).
  • [25] Pai, Y. C., Maki, B. E., Iqbal, K., McIlroy, W. E., and Perry, S. D., "Thresholds for step initiation induced by support-surface translation: A dynamic center-of-mass model provides much better prediction than a static model", Journal Of Biomechanics, 33 (3): 387–392 (2000).
  • [26] Pai, Y. C. and Patton, J., "Center of mass velocity-position predictions for balance control", Journal Of Biomechanics, 30 (4): 347–354 (1997).
  • [27] Mu, X. and Wu, Q., "Development of a complete dynamic model of a planar five-link biped and sliding mode control of its locomotion during the double support phase", International Journal Of Control, 77 (8): 789–799 (2004).
  • [28] Ha, S., Han, Y., and Hahn, H., "Adaptive gait pattern generation of biped robot based on human’s gait pattern analysis", International Journal Of Mechanical Systems Science And Engineering, 1 (2): 80–85 (2007).
  • [29] Hemami, H. and Farnsworth, R. L., "Postural and Gait Stability of a Planar Five Link Biped by Simulation", IEEE Transactions On Automatic Control, 22 (3): 452–458 (1977).
  • [30] Miller, D. I. ; Nelson, R. C., "Biomechanics of Sport", Lea And Febiger, Philadelphia, (1973).
  • [31] Plagenhoef, S., "The Patterns of Human Motion", Prentice-Hall, Englewood Clifis, N.J, (1971).
Politeknik Dergisi-Cover
  • ISSN: 1302-0900
  • Yayın Aralığı: Yılda 4 Sayı
  • Başlangıç: 1998
  • Yayıncı: GAZİ ÜNİVERSİTESİ
Sayıdaki Diğer Makaleler

LSTM Network based Sentiment Analysis for Customer Reviews

Burhan BİLEN, Fahrettin HORASAN

Toz metalurjisi ile üretilen CoCrFeNiAl YEA'nın NaCl erimiş tuz içindeki sıcak korozyon davranışı

Yiğit GARİP

Derin Öğrenme ile Kuş Türü Sınıflandırma: Karşılaştırmalı Bir Çalışma

Mehtap MUTLU, Kevser ÖZDEM, M. Ali AKCAYOL

Dalgacık Aşırı Öğrenme Makinesi Otomatik Kodlayıcılarına Dayalı Öğretmenlerde EEG, EMG ve EKG Tabanlı Psikososyal Risk Düzeylerinin Belirlenmesi

Dönüş ŞENGÜR

Kalsiyum Kaynağı Olarak Yumurta Kabuğu Atığı ve Genleştirilmiş Polistiren Granülleri Kullanılarak Gözenekli Anortit Seramik Üretimi

Merve TORMAN KAYALAR, Gökhan ERDOĞAN, Ahmet YAVAŞ, Saadet GÜLER, Mücahit SÜTÇÜ

Çift Fazlı (α + M) Küresel Grafitli Dökme Demirlerde Martenzit Hacim Oranı-Mekanik Özellikler-Dislokasyon Yoğunluğu Arasındaki İlişkilerin İncelenmesi

Burak NALÇACI, Volkan KILIÇLI, Mehmet ERDOĞAN

Elektronik Diferansiyel Sistemli Elektrikli Aracın Farklı Yol Koşullarında Testi

İbrahim ÇELİK, Güray SONUGUR

Dondurarak Kurutulan Yaban Mersininin (Vaccinium Myrtillus) Kinetik Modeli Ve Efektif Difüzivitesi

Mutlucan AYRIKSA, Bahadir ACAR, Abdullah DAĞDEVİREN, Khandan ROSHANAEI, Tuba COŞKUN, Göknur KAYATAŞ ONGUN, Prof. Dr. Mehmet ÖZKAYMAK

Tekdüzen Kaynak Bulucu Yoluyla Kimlik Avı Tespiti için Makine Öğrenmesi Algoritmalarının Özellik Tabanlı Performans Karşılaştırması

Taki SAVAŞ, Serkan SAVAŞ

Gharyan Şehri (Libya) Rüzgar Verilerine Dayalı Dikey Eksenli Rüzgar Türbini Kurulumu

Nagi NASSİR, Bahadir ACAR, Abdel Karim Amar FAHED