Design and control of anthropomorphic and energy-efficient robotic systems with applications in lower-limb prostheses

Abstract

This thesis investigates the dynamics of bipedal locomotion through the modeling, simulation, and control of passive and active bio-inspired mechanical walkers, with emphasis on applications in robotics and lower-limb prosthetics. The research follows a structured progression, beginning with a bipedal walking base model that captures key aspects of human walking using compliant legs and semicircular feet. Despite its simplicity, this initial model exhibits stable passive walking cycles that resemble human gait. A nondimensional formulation enables sensitivity analysis, fixed-point identification, and energetic evaluation across a wide range of design parameters. The model’s predictions are validated through multibody simulations using a digital twin and through the development and use of an experimental prototype. Building on this foundation, the design of the model is gradually refined to incorporate more anatomically inspired features. The study advances through a series of footshape investigations, beginning with a semielliptical design that approximates the evolving curvature of the human foot during rollover. This model allows a parametric investigation of rollover dynamics, allowing the fine-tuning of gait descriptors and the optimization of energetic efficiency. The model is subsequently expanded to support any convex foot geometry, enabling the integration of biomimetic profiles extracted from experimental human walking data. These geometries allow the replication of biomimetic ankle trajectories and prediction of ground contact behavior with increasing fidelity, offering a clear pathway for prosthetic foot design that mirrors natural biomechanics. The work continues through the study of knee joint morphology. An initial passive kneed model is developed that uses simple pin joints. Passive gaits for this walker are identified, and the effect of parameter variations is investigated. The model is later compared with a novel biomimetic four-bar kneed model, inspired by the human cruciate ligament system. The four-bar configuration exhibits superior compliance, impact absorption and energetic efficiency, which are critical for the design of functional prosthetic knees. Comparative simulations reveal the importance of joint design in achieving both gait stability and energetic performance. To extend these passive behaviors to level-ground locomotion, a novel Under-actuated Virtual Gravity (UVG) control framework is introduced. This controller analytically replicates the gravitational torques experienced during downhill passive walking, enabling highly efficient locomotion with minimal actuation. Implemented on a bipedal robot model that features a counterweight torso, the UVG control scheme achieves dynamic behaviors closely aligned with the passive model, while requiring low motor effort, offering strong potential for integration into active prosthetic systems. Moreover, the UVG control output is compared to an alternative actuation approach based on trajectory optimization and stabilization. The UVG is found to outperform the alternative scheme, due to its passive dynamics-based approach. In parallel, a markerless, stereo-camera-based gait analysis system is developed to extract full-body kinematic and kinetic data from human walking trials. Using neural network-based pose estimation and inverse dynamics analysis, this system provides joint torque and ground reaction force estimates without requiring markers or force plates. These human gait data are used to inform and calibrate the robotic models, ensuring that the simulated behaviors converge to real human biomechanics. The outcome of this research is a comprehensive framework for bipedal walking analysis and robotic or prosthetic design. The combination of detailed modeling, parametric tuning and efficient control provides valuable tools for the development of lower-limb prostheses that closely emulate human motion. The work contributes to the understanding of energy-efficient gait generation, design-driven dynamics, and controller synthesis, offering new perspectives in both robotics and assistive device engineering.

Η παρούσα εργασία εστιάζει πρωτίστως στη διερεύνηση και βελτιστοποίηση του βασικού σχεδιασμού και της μορφολογίας του συστήματος βάδισης, και έπειτα στην βελτίωση του ελέγχου που χρησιμοποιείται. Μελέτες στην παθητική δυναμική της βάδισης έχουν αποδείξει ότι υπό συγκεκριμένες συνθήκες, δίποδοι μηχανισμοί χωρίς κινητήρες και έλεγχο μπορούν να πετύχουν ευσταθή βάδιση, εκμεταλλευόμενοι μόνο την ενεργειακή συνεισφορά της βαρύτητας και την αλληλεπίδρασή τους με το έδαφος. Αυτά τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι πολλά από τα χαρακτηριστικά της ανθρώπινης βάδισης είναι αποτέλεσμα της ίδιας της δομής του σώματος, και δεν αποτελούν προϊόν ενεργού ελέγχου. Με αυτό το σκεπτικό, η παρούσα διατριβή υιοθετεί μια διαφορετική προσέγγιση: αντί ο έλεγχος να αποτελεί το πρωταρχικό εργαλείο για την επίτευξη της βάδισης, εξετάζεται πώς η «μορφολογική ευφυΐα», δηλαδή ο προσεκτικός σχεδιασμός της μηχανικής δομής προς αυτοματοποίηση κάποιας διεργασίας, μπορεί να μειώσει ή να καταστήσει περιττό τον πολύπλοκο ενεργό έλεγχο. Η ανάπτυξη προσθετικών διατάξεων που ενσωματώνουν στο σχεδιασμό και την κατασκευή τους τη δυναμική της παθητικής βάδισης, μπορεί έτσι να υποστηρίξει την φυσική και αποδοτική βάδιση με χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Η μελέτη ξεκινά με την ανάπτυξη ενός απλουστευμένου παθητικού μοντέλου διπόδου, ικανού να βαδίσει σε μικρές αρνητικές κλίσεις χάρη στην παθητική δυναμική του. Το μοντέλο αυτό λειτουργεί ως σημείο αναφοράς για τη συστηματική διερεύνηση της συμβολής κάθε μορφολογικού χαρακτηριστικού, όπως η κατανομή της αδράνειας, η καμπυλότητα των πελμάτων και η ελαστικότητα των σκελών, στην ευστάθεια και αποδοτικότητα της βάδισης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη διερεύνηση της αλληλεπίδρασης του πέλματος με το έδαφος. Κατά τη φυσική βάδιση το ανθρώπινο πέλμα εκτελεί μια ισοδύναμη κύλιση πάνω στο έδαφος, με συνεχώς μεταβαλλόμενη καμπυλότητα, σε αντίθεση με τις πλέον διαδεδομένες προσθετικές διατάξεις. Η προσομοίωση αυτής της συμπεριφοράς απαιτεί τη χρήση εξειδικευμένων μοντέλων, με στόχο την ανάλυση των επιπτώσεων της χρήσης διαφορετικών σχημάτων πέλματος στην επίτευξη της παθητικής βάδισης, στις δυνάμεις της αλληλεπίδρασης με το έδαφος, καθώς και σε άλλες χρήσιμες μεταβλητές όπως είναι η ενεργειακή απόδοση του βηματισμού. Παρόμοια, το ανθρώπινο γόνατο δεν αποτελεί απλή περιστροφική άρθρωση, αλλά παρουσιάζει μία σύνθετη συμπεριφορά κύλισης και ολίσθησης, την οποία η παρούσα εργασία προσεγγίζει μέσω αυξανόμενα βιομιμητικών μοντέλων, από μία απλή άρθρωση σε έναν λεπτομερή σχεδιασμό μηχανισμού τεσσάρων αρθρώσεων. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι καθοριστικά όχι μόνο για την πιστή αντιγραφή της κινηματικής του γονάτου, αλλά και για τη συνολική δυναμική συμπεριφορά, με επιπτώσεις στην απορρόφηση κραδασμών από τις κρούσεις και στη ενδοτικότητα των γονάτων κατά την πλήρη έκτασή τους. Ωστόσο, η παθητική δυναμική δεν αρκεί για όλες τις πρακτικές εφαρμογές, καθώς το πραγματικό περιβάλλον είναι γενικά μεταβαλλόμενο. Για το λόγο αυτό, η εργασία προτείνει και μελετά τη μέθοδο ελέγχου UVG, που επιτρέπει την ενεργή βάδιση με ελάχιστη συνεισφορά ελέγχου, ενσωματώνοντας μόνο τις αναγκαίες ροπές για την ανάδειξη της φυσικής δυναμικής των στοιχείων βάδισης. Για την ανάπτυξη και επικύρωση των μοντέλων, αξιοποιούνται και πραγματικά δεδομένα ανθρώπινης βάδισης. Μέσω ενός συστήματος ανάλυσης βάδισης χωρίς ανακλαστικούς δείκτες, με καταγραφή στερεοσκοπικής εικόνας και τη χρήση νευρωνικών δικτύων, εξάγονται κινηματικές και δυναμικές μετρήσεις για τη βαθμονόμηση των μηχανικών μοντέλων. Η συνολική προσέγγιση της διατριβής στοχεύει στη δημιουργία ενός πλαισίου σχεδίασης προσθετικών και ρομποτικών συστημάτων βάδισης, όπου η παθητική δυναμική, τα ανθρώπινα δεδομένα και η ελαχιστοποίηση του ενεργού ελέγχου οδηγούν σε φυσική και αποδοτική τεχνητή βάδιση.