7th IMRMPT

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English title:	Hybrid kinematic simulation of human gait pattern for different velocities
Spanish title:	Simulaci�n cinem�tica h�brida del patr�n de marcha humana considerando diferentes velocidades
English abstract:	The purpose is to propose a hybrid kinematic model of a serial biped robotic mechanism that can simulate human gait in the sagittal plane while considering four different velocity patterns. To achieve this, we conduct a thorough biomechanical analysis of human gait movements. Specifically, we consider the lower limbs as kinematic chains that are composed of joints and rigid links. To obtain the necessary data for our analysis, we employ a sophisticated tracking system that records the angular trajectories and XY positions of the hip, knee, and ankle joints. This procedure was carried out at the Laboratory of Instrumentation for Biomechanics at the Faculty of Physical Education at the UNICAMP. We collected data for four different walking speeds, which enables us to simulate the effects of age or pathological disturbance on gait. By using this dataset, we can accurately generate the velocity patterns required for our hybrid kinematic model. We use an iterative numerical method to simulate the hybrid kinematic model and solve the inverse kinematic problem, which generates the desired trajectories in joint space. Additionally, we incorporate a Finite State Machine (FSM) to describe the variable event-based gait model. One of the initial steps in gait modeling is identifying the main events that occur during the gait cycle, such as heel strike and toe-off, which serve as key reference points for subsequent analysis. To detect these events, we use various data sources, including kinetic and/or kinematic data, which provide information on the forces and movements acting on the body during gait. The simulation is performed in Matlab/Simulink using the Stateflow library, where the Gait desired velocity is the event that determines the switching between FSMs for each velocity pattern. Continuous dynamics play a crucial role in gait modeling, as they describe the temporal evolution of physical variables, such as joint angles and ground reaction forces, throughout the gait cycle. On the other hand, event dynamics typically govern abrupt changes in the behavior of the system, such as the initiation of the swing phase or a change in walking speed. Based on the hybrid dynamic modeling, it is possible to design a control architecture for a lower limb exoskeleton during a gait cycle, structured as a hierarchical system. The decision layer, located at the uppermost level, includes a discrete event controller, which in this case corresponds to a finite state machine. The lower layer comprises a continuous joint-level controller, which can be implemented as a PID controller to accurately track the reference angular trajectory in the respective degree of freedom of the lower limb. This proposed architecture allows for effective control of the exoskeleton's motion, providing precise and reliable assistance during gait rehabilitation. Our results demonstrate that hybrid modeling provides significant advantages in modeling robotic systems, such as exoskeletons or biped robots. It allows for the consideration of discontinuities and the ability to adapt the gait pattern in real-time with variable velocity. In future work, this approach will help us incorporate advanced machine learning algorithms to further enhance the exoskeleton's performance and adaptability to varying patient needs.
Spanish abstract:	Este art�culo propone un modelo cinem�tico h�brido de un mecanismo rob�tico serial b�pedo para simular la marcha humana en el plano sagital al considerar cuatro patrones de velocidad diferentes. Para lograr esto, el an�lisis biomec�nico de los movimientos de la marcha humana considera las extremidades inferiores como cadenas cinem�ticas compuestas por articulaciones y eslabones r�gidos. Para obtener los datos necesarios para nuestro an�lisis, utilizamos un sofisticado sistema de seguimiento que registra las trayectorias angulares y las posiciones XY de las articulaciones de la cadera, la rodilla y el tobillo. Este procedimiento se llev� a cabo en el Laboratorio de Instrumentaci�n para la Biomec�nica de la Facultad de Educaci�n F�sica de la UNICAMP. Recolectamos datos para cuatro velocidades diferentes de marcha, lo que nos permite simular los efectos de la edad o algunos trastornos patol�gicos en la marcha. Utilizando este conjunto de datos, podemos generar con precisi�n los patrones de velocidad necesarios para nuestro modelo cinem�tico h�brido. Utilizamos un m�todo num�rico iterativo para simular el modelo cinem�tico h�brido y resolver el problema cinem�tico inverso, que genera las trayectorias deseadas en el espacio articular. Adem�s, incorporamos una M�quina de Estados Finitos (FSM) para describir el modelo de marcha basado en eventos variables. Uno de los primeros pasos en el modelado de la marcha es identificar los principales eventos que ocurren durante el ciclo de la marcha, como el impacto del tal�n y la separaci�n del pie, que sirven como puntos de referencia clave para el an�lisis posterior. Para detectar estos eventos, utilizamos diversas fuentes de datos, incluyendo datos cin�ticos y/o cinem�ticos, que proporcionan informaci�n sobre las fuerzas y los movimientos que act�an sobre el cuerpo durante la marcha. La simulaci�n se realiza en Matlab/Simulink� utilizando la librer�a Stateflow�, donde la velocidad deseada de la marcha es el evento que determina el cambio entre los estados de la FSM para cada patr�n de velocidad. La din�mica continua juega un papel crucial en el modelamiento de la marcha, ya que describe la evoluci�n temporal de las variables f�sicas, como los �ngulos de las articulaciones y las fuerzas de reacci�n del suelo, a lo largo del ciclo de la marcha. Por otro lado, la din�mica de eventos gobierna t�picamente los cambios abruptos en el comportamiento del sistema, como el inicio de la fase de apoyo u oscilaci�n, o un cambio en la velocidad de la marcha. Bas�ndonos en el modelo din�mico h�brido, es posible dise�ar una arquitectura de control para un exoesqueleto de miembro inferior durante un ciclo de marcha, estructurada como un sistema jer�rquico. La capa de decisi�n, ubicada en el nivel superior, incluye un controlador por eventos discretos, que en este caso corresponde a una m�quina de estados finitos. La capa inferior comprende un controlador continuo a nivel de articulaci�n, que puede implementarse como un controlador PID para seguir con precisi�n la trayectoria angular de referencia en el grado de libertad respectivo del miembro inferior. Nuestros resultados demuestran que el modelamiento h�brido proporciona ventajas importantes para modelar sistemas rob�ticos como los exoesqueletos, ya que permite considerar discontinuidades y posibilidades de adaptar el patr�n de marcha en tiempo real con velocidad variable. En un pr�ximo trabajo, este enfoque nos ayudar� a crear una l�gica sencilla para integrar algoritmos de inteligencia artificial para la adaptaci�n del patr�n de marcha en funci�n de la superficie sobre la cual se realiza, sin necesidad de instrumentaci�n compleja.
Topic:
Presentation Type:
Speaker:

Authors

Name	Institution	Email
Luis Izquierdo C�rdoba	Fundaci�n Universidad de Am�rica	luis.izquierdo@profesores.uamerica.edu.co
Dar�o Amaya Hurtado	Universidad Militar Nueva Granada	dario.amaya@unimilitar.edu.co
Jo�o Maur�cio Ros�rio	Universidade Estadual de Campinas	rosario@fem.unicamp.br

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Room:	Principal Room
Date:	June 9, 2023
Hour:	08:00 - 08:20

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7^th IMRMPT
Seventh International Meeting for Researchers in Materials and Plasma Technology

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