The purpose of this study is to optimize parameters of a contact model to obtain similar ground contact force of human walking. Dynamic walking simulation considering ground contact is performed to determine load specifications when developing walking assist robots. Large contact forces that are not observed in actual experimental data occur during the simulation at the initial contact (e.g., heel contact). The large contact force generates unrealistic large joint torques. A lower exoskeleton robot with no ankles is developed with the Matlab simscape and the nonlinear hyper volumetric contact model is applied. Parameters of the nonlinear hyper volumetric model were optimized using actual walking contact force data. As a result of optimization, it was possible to obtain a contact force pattern similar to actual walking by removing the large contact force generated during initial contact.
Journal of the Korea Society of Computer and Information
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v.28
no.4
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pp.41-51
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2023
In this paper, we propose a technique of multi-time window feature extraction for anger detection in gait data. In the previous gait-based emotion recognition methods, the pedestrian's stride, time taken for one stride, walking speed, and forward tilt angles of the neck and thorax are calculated. Then, minimum, mean, and maximum values are calculated for the entire interval to use them as features. However, each feature does not always change uniformly over the entire interval but sometimes changes locally. Therefore, we propose a multi-time window feature extraction technique that can extract both global and local features, from long-term to short-term. In addition, we also propose an ensemble model that consists of multiple classifiers. Each classifier is trained with features extracted from different multi-time windows. To verify the effectiveness of the proposed feature extraction technique and ensemble model, a public three-dimensional gait dataset was used. The simulation results demonstrate that the proposed ensemble model achieves the best performance compared to machine learning models trained with existing feature extraction techniques for four performance evaluation metrics.
This study validated the musculoskeletal model of the human lower extremity by comparative study between calculated muscle parameters through simulation using modified hill-type model and measured them through isokinetic exercise. And the relationship between muscle forces and moments participated in motion was quantified from the results of simulation. For simulation of isokinetic motion, a three-dimensional anatomical knee model was constructed using trials of gait analysis and the EMG-force model was used to determine muscle activation level exciting muscles. The modified Hill-type model was used to calculate individual muscle forces and moments in dynmaic analysis and the results were validated by comparing them of experiments on BIODEX. The results showed that there was a high correlation between calculated torques from simulation and measured them from experiments for isokinetic motion(R=0.97). Therefore we concluded that the simulation by using musculoskeletal model was so useful means to predict and convalesce musculoskeletal-related diseases, and analyze unrealizable experiment such as clash condition.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.24
no.8
s.197
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pp.130-137
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2007
The optimized prosthetic mass distribution was a controversial problem in the previous studies because they are not supported by empirical evidence. The purpose of the present study was to evaluate the effect of prosthetic mass properties by modeling musculoskeletal system, based on the gait analysis data from two above-knee amputees. The joint torque at hip joint was calculated using inverse dynamic analysis as the mass was changed in knee and foot prosthetic components with the same joint kinematics. The results showed that the peak flexion and abduction torque at the hip joint were 5 Nm and 15 Nm when the mass of the knee component was increased, greater than the peak flexion and abduction torque of the control group at the hip joint, respectively. On the other hand, when the mass of the foot component was increased, the peak flexion and abduction torque at the hip joint were 20 Nm and 15 Nm, greater than the peak flexion and abduction torque of the control, respectively. The hip flexion torque was 4.71-fold greater and 7.92-fold greater than the hip abduction torque for the knee mass increase and the foot mass increase on the average, respectively. Therefore, we could conclude that the effect of foot mass increase was more sensitive than that of knee mass increase for the hip flexion torque. On the contrary, the mass properties of the knee and foot components were not sensitive for the hip abduction torque. In addition, optimized prosthetic mass and appropriate mass distributions were needed to promote efficiency of rehabilitation therapy with consideration of musculoskeletal systems of amputees.
Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems
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v.22
no.5
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pp.631-638
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2012
This work proposes a new method to generate velocity profile of a traction motor equipped in a rehabilitation system for knee joint patients through humanoid robot simulation. To this end, a three-dimensional full-body humanoid robot model is newly constructed, and natural human gait is simulated by applying to it reference joint angle trajectories already published. Linear velocity is derived from distance data calculated between the positions of a thigh band and its traction motor at every sampling instance, which is a novel idea of this paper. The projection rule is employed to kinematically describe the humanoid robot because of its high efficiency and accuracy, and measured joint trajectories are used in simulating human natural gait referring to Winter's book. The attained motor velocity profile for a certain position in human body will be applied to our walking-assistance system which is implemented with a treadmill system.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.35
no.11
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pp.1243-1248
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2011
The purposes of this study were to develop a dynamic model of a human and to investigate the effect of a walker on an elderly subject's motions, such as sit-to-stand (STS) motion and normal gait, by using this model. A human model consisting of 15 segments and 14 joints was developed, embedded in $RecurDyn^{TM}$, and connected through a Simulink$^{(R)}$ interface with collected motion data. The model was validated by comparisons between joint kinematic results from inverse dynamics (Matlab$^{(R)}$-based in-house program) and from $RecurDyn^{TM}$ simulation during walking. The results indicate that the elderly walker induced a longer movement time in walking, such that the speed of joint flexion/extension was slower than that during a normal gait. The results showed that the muscle activities of parts of the ankle and hamstring were altered by use of the elderly walker. The technique used in this study could be very helpful in applications to biomechanical fields.
This paper presents a control algorithm for a wearable walking aid robot for subjects with paraplegia after stroke. After a stroke, a slow, asymmetrical and unstable gait pattern is observed in a number of patients. In many cases, one leg can move in a relatively normal pattern, while the other leg is dysfunctional due to paralysis. We have adopted the so-called assist-as-needed control that encourages the patient to walk as much as possible while the robot assists as necessary to create the gait motion of the paralyzed leg. A virtual wall was implemented for the assist-as-needed control. A position based admittance controller was applied in the swing phase to follow human intentions for both the normal and paralyzed legs. A position controller was applied in the stance phase for both legs. A power controller was applied to obtain stable performance in that the output power of the system was delimited during the sample interval. In order to verify the proposed control algorithm, we performed a simulation with 1-DOF leg models. The preliminary results have shown that the control algorithm can follow human intentions during the swing phase by providing as much assistance as needed. In addition, the virtual wall effectively guided the paralyzed leg with stable force display.
Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
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v.24
no.6
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pp.75-82
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2010
In this paper, we developed a new MSRDS(Microsoft Robotics Developer Studio) simulator for a quadruped pet robot with synchronization of virtual and real robots. By using this simulator, it is possible to reduce time and cost for gait and motion design and it will help for commercialization of service pet robots. In the research point of view, the simulator can be used to examine the model differences between the virtual and the real robots. Since this simulator implements the coordinated control of the virtual and real robots, it can be used as an internet game using two remote pet robots.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.9
no.8
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pp.1722-1729
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2005
In this paper, we used the quadruped walking robot Titan-VIII in order to carry out this simulation of sway compensation trajectory. The attitude angle ${\phi}_r$ and ${\phi}_p$ is obtained from 3-D motion sensor that is attached at the center of robot body and the attitude control carried out at every 10[ms] for stable gait of robot. Duty factor, that is fixed at 0.5. When we change period T into 1.5, 2.0, 3.0[sec] each and moving distance per period is changed into 0.2, 0.3(m), we sim띠ate several walking experiment of robot. and then we analyze the experiment results if there are any difference between the imaginary ZMP and actual ZMP of robot and the stable gait of robot is realized.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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