DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT BÍPEDO EXPERIMENTAL

En la actualidad nuevas tecnologías y ramas de la investigación hanvolcado su atención hacia la comunidad científica; entre ellas tenemos a la genética, la exploración del espacio, la robótica, etc., todas éstas con grandes e importantes aplicaciones, pero con una complejidad que requiere de la participación de una mayor cantidad y calidad de científicos en todo el mundo

Modelamiento, estabilidad e implicaciones biomecánicas de la caminata bípeda pasiva con tres grados de libertad

Los caminadores bípedos pasivos pueden lograr una caminata estable descendiendo por un plano inclinado solamente bajo la influencia de la atracción gravitacional. Este artículo presenta el modelamiento de un cami-nador bípedo pasivo de tres grados de libertad, buscando la relación entre las características de la caminata, las propiedades físicas del robot y la inclinación del plano. Se incluyen las ecuaciones del modelo dinámico adimensional propuesto para estudiar el caminador, se describen el proceso de implementación y modelamiento y los principales resultados obtenidos. Se analizan también los límites en los parámetros del robot que permiten obtener ciclos límites estables, ya que aparecen bifurcaciones dobles periódicas que aparentemente son naturales en la caminata pasiva. Finalmente, se hallan resultados interesantes cuando se compara la caminata natural pasiva con la locomoción bípeda humana.Passive dynamic walkers can achieve a steady gait down an inclined plane simply by the influence of gravity. This article presents the modelling of a 3 DOF passive bipedal walker, searching for a relationship between gait characteristics, the robot’s physical properties and the slope of the plane. The proposed adimensional dynamical model’s equations are also given, implementing and modelling the dynamics is described and the main results are presented. Limits on robotic parameters leading to establishing stable limit cycles are also analysed as perio-dic doubling bifurcations appear to be natural in passive gait. Interesting results arose when comparing natural passive walking with human bipedal locomotion

Generación de modelos de caminata bípeda a través de diversas técnicas de modelamiento

Many researchers have studied the modelling and simulation of the human march under two approaches: models of passive dynamics long walk, in which the gravity occurs to great importance in order that on the behaviour of a walker mechanism and the approach of this article in which active dynamics long walk will be showed,n in that exist actuators or elements that will provide energy to the system to obtain the long walk. The analysis will show from the simple thing to the complex, initiated with a model of inverted pendulum, happening through a model of a leg to arriving a five links model.For each one of the models, the dynamics analysis appears under techniques of Langrageana dynamics and the method of the graphs of union. The results of the five links models are validated comparing with results the others investigationsMuchos investigadores han estudiado el modelamiento y simulación de la marcha humana bajo dos enfoques; modelos de caminata dinámica pasiva, en los que se da gran im- portancia al efecto de la gravedad sobre el comportamiento de un mecanismo caminador y el enfoque de este articulo en el que se presentarán modelos de caminata dinámica activa, en los que existen actuadores o elementos que proporcionan energía al sistema para lograr la caminata. Se mostrará el análisis el análisis partiendo de modelos simples incrementando su complejidad y exactitud., iniciado con un modelo de péndulo invertido, pasando por un modelo de una pierna hasta llegar a un modelo de cinco eslabones. Para cada uno de los modelos se presentan el análisis dinámico, bajo la técnica de dinámica Lagrangiana y el método de los gráficos de unión. Los resultados del modelo de cinco eslabo nes, son validados comparando con los resutados de otras investigaciones

Goal-Based Control and Planning in Biped Locomotion Using Computational Intelligence Methods

Este trabajo explora la aplicación de campos neuronales, a tareas de control dinámico en el domino de caminata bípeda. En una primera aproximación, se propone una arquitectura de control que usa campos neuronales en 1D. Esta arquitectura de control es evaluada en el problema de estabilidad para el péndulo invertido de carro y barra, usado como modelo simplificado de caminata bípeda. El controlador por campos neuronales, parametrizado tanto manualmente como usando un algoritmo evolutivo (EA), se compara con una arquitectura de control basada en redes neuronales recurrentes (RNN), también parametrizada por por un EA. El controlador por campos neuronales parametrizado por EA se desempeña mejor que el parametrizado manualmente, y es capaz de recuperarse rápidamente de las condiciones iniciales más problemáticas. Luego, se desarrolla una arquitectura extendida de control y planificación usando campos neurales en 2D, y se aplica al problema caminata bípeda simple (SBW). Para ello se usa un conjunto de valores _óptimos para el parámetro de control, encontrado previamente usando algoritmos evolutivos. El controlador óptimo por campos neuronales obtenido se compara con el controlador lineal propuesto por Wisse et al., y a un controlador _optimo tabular que usa los mismos parámetros óptimos. Si bien los controladores propuestos para el problema SBW implementan una estrategia activa de control, se aproximan de manera más cercana a la caminata dinámica pasiva (PDW) que trabajos previos, disminuyendo la acción de control acumulada. / Abstract. This work explores the application of neural fields to dynamical control tasks in the domain of biped walking. In a first approximation, a controller architecture that uses 1D neural fields is proposed. This controller architecture is evaluated using the stability problem for the cart-and-pole inverted pendulum, as a simplified biped walking model. The neural field controller is compared, parameterized both manually and using an evolutionary algorithm (EA), to a controller architecture based on a recurrent neural neuron (RNN), also parametrized by an EA. The non-evolved neural field controller performs better than the RNN controller. Also, the evolved neural field controller performs better than the non-evolved one and is able to recover fast from worst-case initial conditions. Then, an extended control and planning architecture using 2D neural fields is developed and applied to the SBW problem. A set of optimal parameter values, previously found using an EA, is used as parameters for neural field controller. The optimal neural field controller is compared to the linear controller proposed by Wisse et al., and to a table-lookup controller using the same optimal parameters. While being an active control strategy, the controllers proposed here for the SBW problem approach more closely Passive Dynamic Walking (PDW) than previous works, by diminishing the cumulative control action.Maestrí

Modelo de la marcha bipeda humana usando modelica

his paper describes research to generate an application where human bipedal gait displayed, using the Modelica 2.1.2 ® software and tools for visualization in 3 dimensions. This provides a physical- mathematical model which is configured own systems and software subsystems. For the simulation, we took into account the basic operation of the walk that makes a biped robot theory and their respective direct and inverse kinematics as well as the actions of proportional-derivative control (PD), proportional-integral (PI) and proportional-integral-derivative (PID) closed loop tuning and specifications for adjusting the angle of the leg joints and maintain a level ground on which to perform the displacement of the object, the product is expected to serve as based educational program developed based on, for the design and implementation of advanced devices : whether robots that emulate the human gait, for entertainment and even virtual reality for human use, or to create a prosthesis control that allows a disabled person have the ability to walk.Este artículo describe la investigación para generar un aplicativo donde se visualiza la marcha bípeda humana, haciendo uso del software Modelica 2.1.2 ® y sus herramientas para la visualización en tres dimensiones. Para ello se desarrolló un modelo físico-matemático con el cual se configuraron los sistemas y subsistemas propios del software. Para la simulación se tuvo en cuenta el funcionamiento básico de la caminata que efectúa un robot bípedo y su respectiva teoría de cinemática inversa y directa, al igual que las acciones de controles proporcionalderivativa (PD), proporcional-integral (PI) y proporcional-integral-derivativa (PID) en lazo cerrado, y especificaciones de sintonización para la regulación de ángulo de las articulaciones de las piernas y mantener un nivel del piso sobre el cual se realice el desplazamiento del objeto. Esta investigación permitió obtener la visualización de la caminata bípeda en un plano, observando que el control tomando como referencia la posición angular, es uno de los métodos más efectivos en el momento de generar los pasos del robot, pues básicamente se calculan y se controlan las fuerzas que se interponen en este proceso

Diseño mecánico de un modelo de robot bípedo: estructura y configuración

El presente trabajo consiste principalmente en el desarrollo de la cinemática de un robot bípedo, que servirá como base para posibles estudios futuros. En este proyecto se aplican las bases de la mecánica al conocimiento de la caminata de un robot bípedo y se desarrollan en un entorno virtual desconocido hasta el momento, Webots, - -seleccionado entre diferentes software similares que se encuentran en el mercado- un software de aplicación robótica, el cual ha sido estudiado hasta llegar a ser controlado para la correcta realización de este trabajo. El robot bípedo estudiado constará de seis grados de libertad que son el mínimo número de grados de libertad que permiten realizar la acción de caminar. Para poder desarrollar su estructura, previa al desarrollo del movimiento en el software Webots, han sido necesarios softwares de diseño como AutoDesk Inventor y AutoCAD. En este trabajo se incluyen todos los datos necesarios, que permiten alcanzar el modelo cinemático en nuestro robot, a su vez se asientan las bases del modelo dinámico, que serán las bases que permitirán que interactúe nuestro robot en un entorno real

Modelamiento de la marcha humana mediante herramientas de simulación dinámica

Este trabajo comprende la exploración de posibles aplicaciones de programas tradicionalmente usados en las ingenierías, en la biomecánica y en el diagnóstico de patologías que afectan el ciclo normal de la locomoción bípeda, utilizando un modelo tridimensional del cuerpo humano, articulado y parametrizado, realizado en SolidEdgeV14, ajustable a cualquier contextura física, mediante la variación de estatura y masa corporal. Este modelo se alimentó con datos cinemáticos de marcha normal obtenidos en un laboratorio de análisis de movimiento y se utilizaron sistemas de videografia computarizada desarrollados por el IBV; estos datos relacionan los desplazamientos angulares de las tres articulaciones de los miembros inferiores que intervienen en el proceso de locomoción con el tiempo del ciclo de marcha. Los resultados dinámicos obtenidos en el simulador MSC-Dynamic-Designer-Motion-Pro fueron los momentos articulares en los tres planos anatómicos. Estos valores fueron confrontados con los obtenidos por el sistema de videografia IBV para validar el modelo

Modelo de exoesqueleto de tres segmentos articulados con motores

This document presents a mathematic model and the simulation of an individual who uses an exoskeleton in his lower member. We use a model of three segments of union (leg, thigh and trunk), operated with electrical engines. The approach in the movement equations is based on Langrange-Euler’s expression, and mathematical equations are presented in a matricial type of organization, that are used for the simulation in Matlab®. Data of torque are obtained in the articulations according to the pre-established trajectories that have been built with the information taken from a starter hall data found in the sought bibliography. The simulation built in simulink by Matlab® is based on a tool that allows the physical therapist to evaluate behaviors of an individual having motor disability on his lower member and who uses an exoskeleton to develop a walking cycle of his rehabilitation process.En este documento se presenta un modelado matemático y la simulación de un individuo que porte un exoesqueleto en su miembro inferior. Se utiliza un modelo de tres segmentos de unión (pierna, muslo y tronco), accionados con Motores eléctricos. El planteamiento de las ecuaciones de movimiento se apoya en la expresión de Langrange –Euler, y se presentan las ecuaciones matemáticas en una organización de tipo matricial, que son utilizadas para la simulación en Matlab®. Se obtienen datos de torque en las articulaciones de acuerdo con trayectorias preestablecidas, que se han construido con información tomada de un pasillo de marcha, datos encontrados en la bibliografía consultada. La simulación construida en Simulink de Matlab® se basa en una herramienta que le permite a un fisioterapeuta evaluar comportamientos de un individuo con discapacidad motriz en su miembro inferior y porte un exoesqueleto para desarrollar un ciclo de marcha de su proceso de rehabilitación

Modelo matemático y herramienta de simulación de exoesqueleto activo de cinco segmentos

En este documento se presenta un modelado matemático y la simulación de un individuo que porta un exoesqueleto en sus miembros inferiores. Se utiliza un modelo de cinco segmentos de unión (piernas, muslos y tronco) accionados con motores eléctricos. El planteamiento de las ecuaciones de movimiento está soportado en la expresión de Lagrange-Euler. Se presentan las ecuaciones matemáticas en una organización de tipo matricial que son simuladas en el software de Matlab®. De esta manera, se analizan datos de torque en las articulaciones de acuerdo con trayectorias preestablecidas, que se han construido con información tomada de la marcha de individuos, y se comparan los resultados con datos encontrados en la bibliografía consultada. La simulación construida en Matlab® pretende constituirse en una herramienta que le facilite al fisioterapeuta evaluar los comportamientos de un individuo que presente discapacidad motriz en sus miembros inferiores y porte un exoesqueleto para desarrollar un ciclo de marcha

Modelado, simulación y control de un péndulo invertido

En este proyecto se obtiene el modelo matemático del sistema no lineal formado por un péndulo invertido sobre una base móvil y se diseñan dos controladores PID para mantener el sistema estable. El primer controlador mantiene el péndulo en equilibrio verticalmente, mientras que el segundo permite que la base móvil se posicione en el centro del espacio determinado. También se ha generado una animación en 3 dimensiones con la que se observa claramente el comportamiento del sistema.En aquest projecte s'obté el model matemàtic del sistema no lineal format per un pèndul invertit sobre una base mòbil i es dissenyen dos controladors PID per mantenir el sistema estable. El primer controlador manté el pèndul en equilibri verticalment, mentre el segon permet que la base mòbil es posicioni al centre de l'espai determinat. També s'ha generat una animació en 3 dimensions amb la qual s'observa clarament el comportament del sistema.In this project the mathematical model of the non-linear system formed by an inverted pendulum on a mobile base is obtained and two PID controllers are designed to keep the system stable. The first controller keeps the pendulum in equilibrium vertically, while the second allows the moving base to be positioned in the centre of the given space. A 3-dimensional animation has also been generated that shows clearly the behaviour of the system