INTRODUCTION

M AY R A , t h e f i r s t b i p e d p r o t o t y p e d e v e l o p e d i n I T E S M - C a m p u s E s t a d o d e M é x i c o , w a s b u i l t i n 2 0 0 4 [ 1 ] . I t s f i r s t i m p l e m e n t e d g a i t - c y c l e w a s o b -t a i n e d b y a t r i a l - a - e r r o r b a s i s b a l a n c i n g s t r u c t u r e w e i g h t i n g e a c h f o o t s e -q u e n t i a l l y. S o m e w o r k s r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e h a v e d e m o n s t r a t e d t h a t t h e g e n e r a t i o n o f h u m a n - l i ke m o t i o n s f o r h u m a n o i d s b a s e d o n H u m a n -M o t i o n - C a p t u r e d - D a t a ( H M C D ) i s f e a s i b l e . F o r M AY R A t o w a l k i n a h u m a n -l i ke w a y, m o d i f i c a t i o n s o n i t s s t r u c t u r e a r e n e e d e d . T h i s w o r k p r o p o s e s t o u s e H M C D i n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e p a t t e r n s d e s c r i b e d b y t h e h u m a n f e e t . B y t h i s , i m p r o v e m e n t s f o r M AY R A - b i p e d ’ s f e e t d e s i g n c a n b e s u g -g e s t e d .

METHODOLOGY

H M C D w a s o b t a i n e d i n t h e L a b o r a t o r y o f H u m a n P e r f o r m a n c e a t t h e C e n t e r f o r S e n s o r y M o t o r I n t e r a c t i o n a t A a l b o r g U n i v e r s i t y, D e n -m a r k . Tw o a n a l y s e s w e r e p e r f o r m e d : i ) a n a n a l y s i s o f v a r i a b i l i t y o f t h e g a i t c y c l e a t d i f f e r e n t w a l k i n g s p e e d s [ 3 ] a n d i i ) a n a n a l y s i s o f t h e c o m p e n s a t i n g m o v e m e n t s t h a t a h u m a n p r o d u c e s w h e n t h e a n k l e j o i n t i s r e s t r i c t e d a t ± 10 ° o f d o r s i - p l a n t a r f l e x i o n [ 4 ] . To a n a l y z e t h e d a t a , t h e f o l l o w -i n g a s s u m p t i o n s w e r e c o n -s i d e r e d : a ) A r e d u c t i o n f r o m t h r e e d i m e n -s i o n a l t o t w o d i m e n -s i o n a l m o v e m e n t a s s u m i n g t h a t a l l t h e p o i n t s o f t h e b o d y a r e m o v i n g p a r a l l e l t o t h e s a g i t t a l p l a n e , b ) S e g m e n t s o f t h e b o d y a r e a s s u m e d t o b e r i g i d , c ) U p p e r b o d y a n d a r m s m o v e -m e n t s d o n o t a f f e c t s i g n i f i -c a n t l y t h e g a i t c y c l e .

T r a j e c t o -r i e s o f t h e c e n t e r o f g r a v i t y ( C o G ) a n d t h e c e n t e r o f p r e s s u r e ( C o P ) g e n e r -a t e d b y t h e n a t u r e o f t h e h u m a n g a i t c y c l e w e r e c o m p a r e t o t h o s e g e n e r a t e d b y h u m a n o i d s w h e n s t a t i -c a l l y s t a b l e w a l k i n g i s a d o p t e d . S u g g e s t i o n s o n h o w t o i m p r o v e M AY R A’ s w a l k i n g s t y l e i n t h i s r e g a r d w e r e b a s e d o n h o w p r o s t h e s i s t u s e t o a l i g n t r a n s f e m o r a l p r o s t h e s e s ( T F P s ) w i t h i n t h e c l i n i c a l f i e l d .

RESULTS

-Analysis of the variabi l i ty of the gait cycle

T h e k n e e b e n d s a t t h e b e g i n n i n g o f t h e s t a n c e p h a s e a n d t h e d e g r e e o f b e n d i n g i s p r o p o r t i o n a l t o t h e w a l k i n g s p e e d . T h e r e i s n o t a v o l u n t a r y m o v e m e n t i n t h i s f l e x i o n a n d i t o c c u r s d u e t o t h e e n e r g y a b s o r p t i o n w h e n h e e l i m p a c t s w i t h t h e g r o u n d .

-Ankle restr ict ion analysis

T h e a b s e n c e o f a f u l l p l a n t a r f l e x i o n m a ke s t h e s u b j e c t t o r i s e h i s / h e r f o o t m o r e t h a n u s u a l a t t h e b e g i n n i n g o f t h e s w i n g p h a s e . T h e f o o t l a n d i n g i s m o d i f i e d d u e t o t h e a b s e n c e o f a f u l l d o r s a l f l e x i o n . T h e p u s h - o f f p h a s e a t t h e b e g i n n i n g o f t h e s w i n g p h a s e i s m o d i f i e d a n d t h a t i s w h y i t i s n e c e s -s a r y t o r a i s e m o r e t h e f o o t . T h i s u n c o n s c i o u s m o d i f i c a t i o n o n t h e f o o t t r a -j e c t o r y i s n o t t o t a l l y r e f l e c t e d o n t h e k n e e t r a j e c t o r y b u t i t i s r e f l e c t e d o n t h e h i p m o v e m e n t s . T h e r e i s a k n e e b o u n c e r e d u c t i o n a t t h e b e g i n n i n g o f t h e s t a n c e p h a s e a n d t h e a n k l e ’ s r e s t r i c t i o n i s c o m p e n s a t e d w i t h h i p e x -a g g e r a t e d m o v e m e n t s .

- CoG and CoP analysis

I n h u m a n w a l k i n g , t h e C o G r a r e l y b e l o n g s t o t h e z o n e w h e r e t h e s o l e c o n -t a c t s t h e g r o u n d . I n c o n t r a s t , h u m a n o i d s t a b l e w a l k i n g n e e d s t h e b i p e d t o b a l a n c e i n s u c h a w a y t h e p r o j e c t i o n o n C o G g o e s t o t h e c e n t e r o f t h e s u p -p o r t i n g a r e a . T h e a n a l y s i s o f t h e p o s i t i o n o f t h e C o P, w h i c h r e f l e c t s t h e p o -s i t i o n o f t h e C o G , s h o w s t h a t i n t e r n a l - e x t e r n a l r o t a t i o n i n t h e k n e e -a n k l e - f o o t c o m p l e x i s v e r y i m p o r t a n t f o r s y m m e t r i c a l g a i t a n d g o o d b a l -a n c e [ 5 - 6 ] .

CONCLUSIONS

B a s e d o n t h e r e s u l t s o f t h e v a r i a b i l i t y a n a l y s i s , i t i s c o n c l u d e d t h a t s l o w w a l k i n g H M D C h a s t o b e a d o p t e d f o r t h e M AY R A b i p e d . Fr o m t h e s e c o n d a n a l y s i s , t h e s m a l l v a r i a t i o n s t h a t a r e s t r i c t e d a n k l e p r o d u c e s a d d e d t o

t h e p r e s e n c e o f a s i n g l e p i n - t y p e j o i n t a t t h e k n e e m o d i f y t h e m o t i o n o f t h e C o G a n d i n t r o d u c e s o m e l a t e r a l i n -

s t a b i l i t y. T h e r e f o r e , a n k l e m o v e m e n t s m u s t n o t b e n e g l e c t e d i n t h e M AY R A’ s c o n t r o l l e r

d e s i g n b a s e d o n H M C D .

I f t h e c o n c e p t o f h o w T F P s a r e u s u a l l y a l i g n e d i s e x t e n d e d t o

M AY R A , a m o r e h u m a n - l i ke w a l k i n g s t y l e c o u l d b e o b -

t a i n e d . T h e r e - a l i g n m e n t o f M AY R A’ s f e e t w i l l

c o m p e n s a t e t h e s m a l l i n e r t i a f o r c e s p r o -

d u c e d w h i l e w a l k -i n g . T h e s e m o d i f i -

c a t i o n s w i l l p r o -d u c e a c h a n g e

i n M AY R A’ s C o P a n d a b e t t e r s t a b i l -i t y w i l l b e o b t a i n e d . T h e i n t r o -d u c t i o n o f a n - a u t o -r e c o v e r y j o i n t w i l l i m p r o v e M A Y R A ’ s p u s h - o f f p h a s e . T h i s , a d d e d w i t h t h e m o d i f i c a -

t i o n s o n t h e f e e t

d e s i g n m a y l e a d t o a

m o r e e l e g a n t w a l k i n g s t y l e .

I n o r d e r t o v a l i -d a t e t h e s e r e -

s u l t s , t h e c o n -s t r u c t i o n o f a n e w

M AY R A p r o t o t y p e i s n o w b e i n g p e r f o r m e d .

E x t e n s i o n s o f t h e s e e x -p e r i m e n t s w i t h d y n a m i c a l l y

s t a b l e h u m a n o i d w a l k i n g w i l l b e c a r r i e d o n , a n d s t u d i e s t o d e -

v e l o p a n a p p r o p r i a t e c o n t r o l s t r a t -e g y f o r t h e d y n a m i c s y s t e m w i l l b e

p r e s e n t e d i n f u t u r e w o r k s .

REFERENCES

[ 1 ] R . S e r n a , A . A c e v e s . Fr o m m e c h a t r o n i c s t o c o n s t r u c t i o n o f a h u m a n o i d r o b o t ; S B A I - L A R S C o n f e r e n c e , ( 2 0 0 5 ) .[ 2 ] R . R i n g r o s e P. S e l f - St a b i l i z i n g R u n n i n g , P h D t h e s i s , M I T, ( 19 9 3 ) .[ 3 ] A . M e l é n d e z & H . C a l t e n c o , E l e c t r o n i c c o n t r o l f o r a n E l e c t r i c a l l y P o w e r e d Tr a n s f e m o r a l P r o s t h e s i s . Te c h n i c a l Re p o r t . A a l b o r g U n i v e r s i t y. ( 2 0 0 5 ) [ 4 ] A . M e l é n d e z & H . C a l t e n c o , C o n d i t i o n i n g f o r t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l f o r a n E l e c t r i c a l l y P o w e r e d Tr a n s f e m o r a l P r o s t h e s i s . A a l b o r g U n i v e r s i t y. Te c h n i c a l r e p o r t . ( 2 0 0 5 )[ 5 ] D . W i n t e r. T h e B i o m e c h a n i c s a n d M o t o r C o n t r o l o f H u m a n G a i t : N o r m a l , E l -d e r l y a n d P a t h o l o g i c a l . U n i v e r s i t y o f Wa t e r l o o P r e s s , ( 19 91 ) .[ 6 ] M . H e f z y, W. J a c k s o n , S . R a d e m m i , Y. F. , a n d H s i e h . E f f e c t s o f t i b i a l r o t a -t i o n s o n p a t e l l a r t r a c k i n g a n d p a t e l l o - f e m o r a l c o n t a c t a r e a s . J . B i o m e d . E n g n g . , ( 19 9 2 ) , 3 2 9 – 3 4 3 .

Human Gait Cycle Analysis for theImprovement of MAYRA’s Biped Foot

Alejandro Meléndez-Calderón, Alejandro Aceves-López

Center

Foot trajectory

d2

d3

d2

d3

Slow

Fast

Walking Speed

Center of Gravity

NORMAL PROPOSED

0 20 40 60 80 100

-10

-5

0

5

10

15

20

Deg

rees

Hip

Ang

le

0

10

20

30

40

5060

Deg

rees

Kne

e A

ngle Ankle

Unrestricted

AnkleRestricted

% of Gait Cycle

0

3

6

9

12

15

18

Z Fo

ot T

raje

ctor

yPo

siti

on (

cm)

0

5101520

Z po

siti

on (c

m)

Foot

Traj

ecto

ry

X position (cm)0 20 40 60 80 100

Time (s)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

AnkleUnrestricted

AnkleRestricted

ANKLE RESTRICTION ANALYSIS

MAYRA PROTOTYPE

0 20 40 60 80 100% of Gait Cycle

0

10

20

30

40

5060

Deg

rees

Kne

e A

ngle

-15

-10

-5

0

5

10

15

Deg

rees

Hip

Ang

le

VARIABILITY OF THE GAIT CYCLE

.......

FIRST IMPLEMENTEDGAIT CYCLE

HUMAN-MOTION-CAPTURED-DATA

MAYRAIMPROVEMENTS

ALTERNATIVESOLUTIONS

TRAJECTORYOF THE CoG

RTO

LHC

RHC

RHC

LTO

RHC - Right Heel ContactLHC - Left Heel ContactRTO - Right Toe OffLTO - Left Toe Off

ANALYSIS OF CENTER OF GRAVITYAND CENTER OF PRESSURE

Lateral View Front View

Upper ViewLateral View

Inner Edge

Out

er E

dge

Auto-recoverJoint

Legre-alignment

MAYRA’s Foot

Left Foot

Right Foot

TRAJECTORYOF THE CoG

TRAJECTORYOF THE CoP

TRAJECTORYOF THE CoP

Research Article