Modelado y simulación de una marcha bípeda usando optimización paramétrica

• Autores: Cristian Méndez Rodríguez, Armando Ordoñez, Cristian Camilo Ordoñez, Hugo Ordoñez Erazo
• Localización: Investigación e Innovación en Ingenierías, ISSN-e 2344-8652, Vol. 8, Nº. 2 (Julio-Diciembre), 2020, págs. 199-212
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Modeling and simulat-ing biped movement through parameter-based optimization
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• Resumen
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    Objetivo: Modelar dinámica y geométricamente una estructura bípeda de 6 grados de libertad (GDL), dado que uno de los sistemas más complicados de modelar es la biomecánica de la marcha humana. Metodología: Se aplicó la técnica de optimización paramétrica para calcular las trayectorias que definen una marcha humana cíclica. Los parámetros geométricos y dinámicos del bípedo fueron tomados del robot Hydroid, que está basado en el modelo morfológico propuesto por HANAVAN, caracterizando fielmente el cuerpo humano. Resultados: Los modelos matemáticos propuestos, permitieron calcular las posiciones, velocidades, y aceleraciones angulares que adopta cada articulación del bípedo en diferentes instantes de tiempo para realizar un movimiento cíclico. Además, fueron encontrados los torques articulares óptimos (criterio de mínimo consumo energético) requeridos para realizar un movimiento específico: marcha compuesta de fases consecutivas de simple apoyo e impacto, sin considerar la fase de rotación del pie. Con los datos calculados, fue realizada una simulación. Conclusiones: Finalmente, es posible indicar que el uso de herramientas como la optimización paramétrica, y el modelado matemático, permite grandes desarrollos en áreas como la mecatrónica, y la biomédica, donde son requeridos patrones de marcha para ser aplicados en sistemas robóticos, dispositivos de rehabilitación, e identificación de patologías.

  • English

    Objective: This work dynamically and geometrically models a biped structure with 6 degrees of freedom (DOF) because one of the most difficult systems to model is the biomechanics of human walking.  Methodology: This study used the parameter-based optimization technique to calculate the cyclical trajectories that define human walking. The geometric and dynamic biped parameters were adopted from the Hydroid robot as it is based on the morphological model proposed by HANAVAN that faithfully characterizes the human body. Results: Using the proposed mathematical models, the positions, speeds, and angular accelerations that each biped joint adopts at different moments of time when performing cyclical movements are estimated. In addition, the study identifies the optimal joint torques (criterion of minimum energy consumption) required to perform a specific movement: walking composed of consecutive simple support and impact phases, disregarding the foot rotation phase. Then, a simulation is performed based on these data. Conclusions: According to the results reported by the study, parameter-based optimization and mathematical modeling will result in extensive development in the mechatronics and biomedical fields, wherein movement patterns are required for their application in robot systems and for rehabilitation and pathology identification devices.