Dynamics of human and artificial legged locomotion – running towards model-based predictions  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
128636
Type FK
Principal investigator Zelei, Ambrus
Title in Hungarian Az emberi és mesterséges futás dinamikája - lépések a modell alapú predikciók felé
Title in English Dynamics of human and artificial legged locomotion – running towards model-based predictions
Keywords in Hungarian a futás biomechanikája, bipedális helyváltoztatás, poszturális egyensúlyozás, nem folytonos dinamikai rendszerek, nemlineáris dinamikai rendszerek, időkésleltetett rendszerek, optimalizáció
Keywords in English biomechanics of human running, bipedal locomotion, postural balancing, non-smooth dynamical systems, non-linear dynamical systems, time-delayed system, optimization
Discipline
Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)80 %
Orthopedics, sport medicine, rheumatology, rehabilitation (Council of Medical and Biological Sciences)20 %
Ortelius classification: Physical medicine
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Research Group on Dynamics of Machines and Vehieles (Office for Research Groups Attached to Universities and Other Institutions)
Participants Bencsik, László
Bodor, Bálint
Habib, Giuseppe
Patkó, Dóra
Petró, Bálint
Zajcsuk, Liliána
Zana, Roland Reginald
Starting date 2018-09-01
Closing date 2024-01-31
Funding (in million HUF) 38.276
FTE (full time equivalent) 10.66
state running project





 

Final report

  
Results in Hungarian
Az emberi járás és futás dinamikája aktív kutatási terület számos okból. A lábakon történő helyváltoztatás dinamikájának a megértése felhasználható orvosi területen, a sporttudományban és a robotikában egyaránt. A kutatások általában matematikai modelleken és laboratóriumi kísérleteken alapulnak. A matematikai modelleknek, amelyek magukba foglalják az emberi test biomechanikai tulajdonágait és a központi idegrendszer funkciót, a laboratóriumi kísérletekkel szemben lehetnek előnyeik: 1) a paraméterek tartománya teljes mértékben lefedhető és kiterjeszthető, 2) megszabadulhatunk a mérési hibáktól, amelyek egyébként megnehezítenék az egyes paraméterekre való érzékenység feltárását. A projekt legfőbb célja hozzájárulni az emberi idegrendszer mozgástervezési és mozgás optimalizációs stratégiáinak a feltárásához. Azonosítottuk azokat a biomechanikai parramétereket, amelyek befolyásolják az energiafelhasználást és az ízületek impulzus-szerű terhelését. Ezek olyan optimalizációs célfüggvényként kezelhetőek, amelyek vélhetően az emberi idegrendszer működésében is fellelhetőek. Hozzájárultunk az emberi egyensúlyozás dinamikájának a megértéséhez. Ehhez alapvetően robotikai analógiákat és matematikai modelleket használtunk, amelyek az emberi test mechanikai tulajdonságai mellett egy szabályozót is tartalmaznak, amely az idegrendszer szerepét játssza. Mérési eredményeink ugyancsak az optimalizációs és mozgástervezési folyamatok megértését segítik elő.
Results in English
The dynamics of human walking and running is under active research for several reasons. The understanding of the dynamics of pedal locomotion is utilized in medicine, sports science and in robotics. The phenomena related to legged locomotion are researched by using both mathematical models and laboratory experiments. Mathematical models, which integrate the biomechanical features of the body and the functions of the central nervous system, have advantages over laboratory experiment in the sense that 1) the parameter region can be completely discovered and extended; 2) we get rid of measurement errors, which would make complicated to discover the sensitivity for the change of parameters. Our project goal is to contribute to the discovery of the motion optimization strategies of the human nervous system. We identified how the certain biomechanical parameters affect the energetic costs and impulsive loads during human-like legged locomotion. These are considered as optimization cost functions that are possibly used by the nervous system. We contributed to the understanding of the dynamics of human balancing. To reach this goal we mostly relied on analogies from robotics and on mathematical models which incorporate the mechanical properties of the human body and a controller which plays the role of the nervous system. Our experimental results also contribute to the understanding of the human motion planning and optimization process.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=128636
Decision
Yes





 

List of publications

  
Zana, R. R., Zelei, A.: Az Acroboter beltéri robot modellezése és térbeli mozgáskövetése pásztázó lézersíkok elvén, XIII. Magyar Mechanikai Konferencia - MaMeK, Miskolc, Hungary, 27-29. August, 2019, 2019
Zana, R. R., Zelei, A.: Swept Laser Based 3D Pose Detection of the Swinging Robot Acroboter, 18th Mechatronics Conference, Brno, Chech Republic, 5-7. Dec., 2018, 2018
Patkó, D., Zelei, A.: Numerical Stability Analysis of the Conservative SLIP Model with a Hill-Type Muscle, ECCOMAS Multibody Dynamics Conference, Budapest, Hungary (online), December 12-15, 2021., 2021
Zajcsuk, L., Zelei, A.: Statistical Analysis of Performace Measures During Acceleration and Deceleration in Overground Running, ECCOMAS Multibody Dynamics Conference, Budapest, Hungary (online), December 12-15, 2021, 2021
Zana, R. R., Zelei, A.: Motion Control of a Crane-like Manipulator relying on the HTC Vive - Precision and Accuracy of the Pose Estimation, ECCOMAS Multibody Dynamics Conference, Budapest, Hungary (online), December 12-15, 2021, 2021
Nagy, Á. M., Patkó, D., Zelei, A.: Discovery and Online Interactive Representation of the Dimensionless Parameter-Space of the Spring-Loaded Inverted Pendulum Model of Legged Locomotion Using Surface Interpolation, 16th International Conference on Dynamical Systems Theory and Applications (DSTA 2021), December 6-9, 2021, 2021
Zajcsuk Liliána, Habib Giuseppe, Zelei Ambrus M.: Antropomorfic parameters of a nonlinear dynamic model of self-sustained hopping, In: Awrejcewicz, Jan; Kaźmierczak, Marek; Mrozowski, Jerzy; Olejnik, Paweł (szerk.) 15th Conference on DYNAMICAL SYSTEMS Theory and Applications DSTA 2019, Wydawnictwo Politechniki Lodzkiej (2019) p. 147., 2019
Zana Roland Reginald, Zelei Ambrus Miklós: AZ ACROBOTER BELTÉRI ROBOT MODELLEZÉSE ÉS TÉRBELI MOZGÁSKÖVETÉSE PÁSZTÁZÓ LÉZERSÍKOK ELVÉN, In: Baksa, Attila; Bertóti, Edgár; Kiss, László; Szirbik, Sándor (szerk.) XIII. Magyar Mechanikai Konferencia, Miskolci Egyetem Műszaki Mechanikai Intézet (2019) p. 417., 2019
Zelei Ambrus, Bencsik László, Insperger Tamás, Stépán Gábor: Stable internal dynamics of a legged hopping model with locomotion speed control, In: Proceedings of the 15th IFToMM World Congress, (2019) pp. 1-10., 2019
Zana Roland, Zelei Ambrus: Swept Laser Based 3D Pose Detection of the Swinging Robot Acroboter, In: Dusan, Maga; Alexandr, Stefek; Tomas, Brezina (szerk.) Proceedings of the 2018 18th International Conference on Mechatronics – Mechatronika (ME), Brno University of Technology (2018) pp. 1-6., 2018
Bodor, B., Bencsik, L.: Variational principles for the trajectory tracking control of underactuated mechanical systems, Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, 2023
Patkó, D., Zelei, A.: Symmetry, benefit or disadvantage? Energy consumption of simple hopping model with intrinsic muscle properties, Proc: The 6th International Conference on Dynamics, Vibration and Control, 21-24 Oct 2022, Shanghai, 2022
Zana, R. R., Zelei, A.: Inverse Dynamics Control of a Crane-Like Underactuated Multibody System with Penalty Formulation, Proc: The 6th International Conference on Dynamics, Vibration and Control, 21-24 Oct 2022, Shanghai, 2022
Bodor, B., Zelei, A., Bencsik, L.: Predictive trajectory tracking algorithm of underactuated systems based on the calculus of variations, ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics 16(8):081002, 2021
Zana, R., Zelei, A.: Komplex válaszido mérő berendezés bevezető tesztjei, 8. Magyar Biomechanikai Konferencia, On-line, 2021. April 9, A-0019, 2021
Bencsik, L., Szalai, J., Zelei, A., Nagy, D., Schultheisz, J., Insperger, T.: Huple mozgásfejleszo eszköz dinamikai vizsgálata, 8. Magyar Biomechanikai Konferencia, On-line, 2021. April 9, A-0011, 2021
Molnár, C. A., Zelei, A., Insperger, T.: Gördülő egyensúlyozó deszkán való egyensúlyozás modellezése, 8. Magyar Biomechanikai Konferencia, On-line, 2021. April 9, A-0012, 2021
Zajcsuk, L., Zelei, A.: Biomechanikai mutatószámok a gyorsuló és lassuló futás megkülönböztetésére, 8. Magyar Biomechanikai Konferencia, On-line, 2021. April 9, A-0022, 2021
Patkó, D., Zelei, A.: Egyszerűsített Hill-izommodell használata tömeg-rugó modellel - lehetséges az aszimptotikus stabilitás?, 8. Magyar Biomechanikai Konferencia, On-line, 2021. April 9, A-0016., 2021
Nagy, Á M, Patkó, D, Zelei, A: Discovery and Online Interactive Representation of the Dimensionless Parameter-Space of the Spring-Loaded Inverted Pendulum Model of Legged Locomotion Using Surface Inter, 16th International Conference on Dynamical Systems Theory and Applications December 6-9, 2021 On-line, 2021
Zana, R R, Zelei, A: Experimental Evaluation of an Underactuated Inverse Dynamics Control Approach based on the Method of Lagrange-Multipliers, 16th International Conference on Dynamical Systems Theory and Applications December 6-9, 2021 On-line, 2021
Zajcsuk, L, Zelei, A: Correlation of Biomechanic Performace Measures with Acceleration and Deceleration in Human Overground Running, 16th International Conference on Dynamical Systems Theory and Applications December 6-9, 2021 On-line, 2021
patkó dóra, zelei ambrus: Velocity and acceleration level inverse kinematic calculation alternatives for redundant manipulators, MECCANICA, 2020
Zajcsuk Liliána, Zelei Ambrus: Emberi futás kinematikai és kinetikai paramétereinek kísérleti elemzése gyorsítás és lassítás esetén, , 2020
Bencsik László, Szalai Judit, Zelei Ambrus, Nagy Dalma J., Schultheisz Judit, Insperger Tamás: Huple készségfejlesztõ eszköz egyensúlyjavító hatásának vizsgálata, In: Bertóti, Edgár (szerk.) XIII. Magyar Mechanikai Konferencia (MAMEK 2019), (2019) p. 1., 2019
Bencsik László, Szalai Judit, Zelei Ambrus, Nagy Dalma J., Schultheisz Judit, Insperger Tamás: Huple készségfejlesztő eszköz egyensúlyjavító hatásának vizsgálata, In: Baksa, Attila; Bertóti, Edgár; Kiss, László; Szirbik, Sándor (szerk.) XIII. Magyar Mechanikai Konferencia, Miskolci Egyetem Műszaki Mechanikai Intézet (2019) 415, 2019
Dóra Patkó, Ambrus Zelei: Alternative inverse kinematic calculation methods in velocity and acceleration level, In: JAN, AWREJCEWICZ; MAREK, KAŹMIERCZAK; JERZY, MROZOWSKI (szerk.) Theoretical Approaches in Non-Linear Dynamical Systems, (2019) pp. 405-417., 2019
László Bencsik, Dalma J. Nagy, Ambrus Zelei, Tamás Insperger: The mechanical background of devices for balancing skill development, In: JAN, AWREJCEWICZ; MAREK, KAŹMIERCZAK; JERZY, MROZOWSKI (szerk.) Theoretical Approaches in Non-Linear Dynamical Systems, (2019) pp. 65-72., 2019
Zana Roland Reginald, Zelei Ambrus: Introduction of a Complex Reaction Time Tester Instrument, PERIODICA POLYTECHNICA-MECHANICAL ENGINEERING 64: (1) pp. 20-30., 2019
Patkó, D., Nagy, Á. M., Zelei, A.: A futás és szökdelés tömeg-rugó modell dinamikai viselkedésének globális feltérképezése és paraméterhangolása (Global analysis and parameter tuning of the dynamic behaviour of the slip model of running and hopping), Biomechanica Hungarica 15(1), 2022
Ambrus Zelei, László Bencsik, Tamás Insperger, Gábor Stépán: Stable internal dynamics of a legged hopping model with locomotion speed control, In: Proceedings of the 15th IFToMM World Congress, (2019) pp. 1-10., 2019
Bencsik László, Zelei Ambrus: Running Form Analysis Based on Impact Dynamics: A Minimally Complex Mechanical Model, PERIODICA POLYTECHNICA-MECHANICAL ENGINEERING 63: (1) pp. 7-15., 2019
Giuseppe Habib, László Bencsik, Tamás Insperger, Ambrus Zelei: Impacts versus non-impulsive muscle and joint loads in a twosegmented model of hopping, In: Proceedings of ECCOMAS Multibody Dynamics 2019, (2019) ID.: 183, 2019
Patkó Dóra, Zelei Ambrus: A poszturális egyensúlyozás és a futás stabilizációjához felhasznált energiamennyiség viszonyának becslése, In: Barabás, István (szerk.) XXVII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia OGÉT 2019, Erdélyi Magyar Tudományos Társaság (2019) pp. 1-4., 2019
Zelei Ambrus: Mechanikai modellek fejlesztése a futás és szökdelés dinamikájának elemzésére, In: Bertóti, Edgár (szerk.) XIII. Magyar Mechanikai Konferencia (MAMEK 2019), (2019) pp. 1-1., 2019
Zelei Ambrus, Bencsik László, Insperger Tamás, Stépán Gábor: Stable internal dynamics of a legged hopping model with locomotion speed control, In: Uhl, Tadeusz (szerk.) Advances in Mechanism and Machine Science, Springer International Publishing (2019) pp. 3263-3272., 2019
Zelei Ambrus, Krauskopf Bernd, Piiroinen Petri T, Insperger Tamás: Stable periodic motion of a controlled segmented leg model of pedal locomotion with inelastic ground-foot collision, NONLINEAR DYNAMICS 97: (3) pp. 1945-1958., 2019
Ambrus Zelei, Tamás Insperger: Reduction of ground-foot impact intensity of a hopping leg model on slopes, In: Jorge, Ambrosio (szerk.) The Fifth Joint International Conference on Multibody System Dynamics - IMSD 2018- Online Proceedings, Universidade Tecnica de Lisboa (2018) 147, 2018
Zana Roland, Bodor Bálint, Bencsik László, Zelei Ambrus: A Tutorial for the Analysis of the Piecewise-Smooth Dynamics of a Constrained Multibody Model of Vertical Hopping, MATHEMATICAL AND COMPUTATIONAL APPLICATIONS 23: (4) 74, 2018
Zelei A, Insperger T: Simplest mechanical model of stable hopping with inelastic ground-foot impact, IFAC PAPERSONLINE 51: (22) pp. 372-377., 2018
Zana, R R, Zelei, A: Introduction of a Complex Reaction Time Tester Instrument, PERIODICA POLYTECHNICA MECHANICAL ENGINEERING, 2020
Liliána Zajcsuk, Zelei Ambrus: Emberi futás kinematikai és kinetikai paramétereinek kísérleti elemzése gyorsítás és lassítás esetén, Nemzetközi Gépészeti Konferencia - OGÉT, Nagyvárad, Romania, 2020. 25-26. April, 2020
Patkó, D, Zelei, A: Velocity and acceleration level inverse kinematic calculation alternatives for redundant manipulators, Meccanica, 2020
Zana, R. R. and Zelei, A.: Feedback motion control of a spatial double pendulum manipulator relying on swept laser based pose estimation, International Journal of Optomechatronics 15(1):32-60, 2021
Zelei, A., Milton, J., Stépán, G., Insperger, T.: Response to perturbation during quiet standing resembles delayed state feedback optimized for performance and robustness, Scientific Reports 11:11392, 2021
Molnár, C. A., Zelei, A., Insperger, T.:: Rolling balance board of adjustable geometry as a tool to assess balancing skill and to estimate reaction time delay, Journal of the Royal Society Interface 18(176):20200956, 2021




 

Events of the project

  
2021-10-01 12:50:54
Résztvevők változása
2020-11-04 17:23:36
Résztvevők változása



Back »