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

Smyrli, Aikaterini; Σμυρλή, Αικατερίνη

dc.contributor.author	Smyrli, Aikaterini
dc.contributor.author	Σμυρλή, Αικατερίνη
dc.date.accessioned	2025-09-22T09:52:40Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62522
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30218
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Δίποδη βάδιση	el
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.subject	Βιομιμητικός σχεδιασμός	el
dc.subject	Δυναμική	el
dc.subject	Προσθετικά	el
dc.subject	Bipedal locomotion	en
dc.subject	Robotics	en
dc.subject	Biomimetic design	en
dc.subject	Dynamics	en
dc.subject	Prosthetics	en
dc.title	Design and control of anthropomorphic and energy-efficient robotic systems with applications in lower limb prostheses	en
dc.title	Σχεδιασμός και έλεγχος ανθρωπομορφικών και ενεργειακά αποδοτικών ρομποτικών συστημάτων με εφαρμογές σε προσθετικές διατάξεις κάτω άκρων	el
dc.contributor.department	Control Systems Lab	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Robotics	en
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Mechanical Engineering	en
heal.classification	Μηχανολογία	el
heal.dateAvailable	2026-09-21T21:00:00Z
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-08
heal.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 simple bipedal 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 Underactuated 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 with real human biomechanics. This last step completes the loop from simplified mechanical models, through progressive bio-inspiration, to direct alignment with experimental human gait data. 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. This research has the potential to contribute to improving the quality of life for a large number of individuals worldwide. The integration of biomimetic design in the development of prosthetic lower limbs may offer users increased comfort, autonomy, and the ability to move more naturally. These same principles can be applied to exoskeletal systems, providing essential support to able-bodied individuals with mobility impairments. The biomimetic robotic designs developed can be used to ensure that joint loading remains compatible with the inherent dynamics of the human body, reducing the risk of injury and fatigue. The proposed control method complements the passive design and supports stable walking with lower energy consumption, leading to prosthetic solutions that are functional, efficient, and optimized to the user’s priorities.	en
heal.abstract	Η διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη της δυναμικής της ανθρώπινης βάδισης, με σκοπό την σχεδιαστική διερεύνηση και ανάπτυξη βιομιμητικών ρομποτικών διατάξεων, και τελικό στόχο την εφαρμογή σε προσθετικά συστήματα κάτω άκρων που θα προσφέρουν στον χρήστη μια φυσική εμπειρία βάδισης. Μέσω της αναλυτικής μοντελοποίησης και συστηματικής μελέτης βασικών εμβιομηχανικών χαρακτηριστικών, η έρευνα στοχεύει στη βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσης της ρομποτικά υποβοηθούμενης βάδισης. Η έρευνα εκκίνησε με χρήση απλού μοντέλου, με πέλματα κυκλικής γεωμετρίας και σκέλη χωρίς αρθρώσεις γονάτου. Το μοντέλο επαληθεύθηκε με ανεξάρτητες προσομοιώσεις αλλά και πειραματικά, και μελετήθηκε εκτενώς ως προς την βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του, προς επίτευξη ευσταθούς παθητικού βηματισμού. Σταδιακά, οι σχεδιασμοί εξελίχθηκαν σε πιο βιομιμητικούς, ενσωματώνοντας χαρακτηριστικά που αναπαράγουν με μεγαλύτερη ακρίβεια την ανθρώπινη κίνηση. Συγκεκριμένα, ενσωματώθηκαν και μελετήθηκαν βιομιμητικοί σχεδιασμοί για τα πέλματα και τα γόνατα των μοντέλων. Η μελέτη για τη βελτιστοποίηση των πελμάτων επικεντρώθηκε αρχικά στην ανάπτυξη μιας ημιελλειπτικής γεωμετρίας, η οποία προσομοιώνει την μεταβολή της ακτίνας καμπυλότητας του ανθρώπινου πέλματος κατά τη βάδιση. Αυτός ο σχεδιασμός προσφέρει την δυνατότητα βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης, αναπαράγοντας με πιστότητα την φυσική κύλιση του ανθρώπινου πέλματος. Στη συνέχεια, η μεθοδολογία επεκτάθηκε ώστε να περιλαμβάνει γενικευμένες γεωμετρίες πελμάτων, προσφέροντας μεγαλύτερη προσαρμοστικότητα σχεδιασμού και επιτρέποντας την βελτιστοποίηση της γεωμετρίας των προσθετικών πελμάτων προς επίτευξη κάποιου επιθυμητού στόχου. Τέλος, η κίνηση του ανθρώπινου πέλματος κατά τη βάδιση καταγράφηκε και χρησιμοποιήθηκε προς ενσωμάτωση ισοδύναμης γεωμετρίας πέλματος στα ρομποτικά μοντέλα. Η εργασία επεκτάθηκε στη μελέτη της μορφολογίας της άρθρωσης του γόνατος. Αρχικά, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο με γόνατο απλής περιστροφικής άρθρωσης, για το οποίο εντοπίστηκαν ευσταθείς παθητικές τροχιές και μελετήθηκαν οι επιδράσεις των σχεδιαστικών παραμέτρων του. Το μοντέλο αυτό συγκρίθηκε με ένα βιομιμητικό μοντέλο γονάτου, το οποίο ενσωματώνει μηχανισμό τεσσάρων ράβδων, εμπνευσμένο από τη γεωμετρία των χιαστών συνδέσμων του ανθρώπινου γονάτου. Η διαμόρφωση αυτή παρουσιάζει αυξημένη ενδοτικότητα, βελτιωμένη απορρόφηση κραδασμών και μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση, ιδιότητες κρίσιμες για τον σχεδιασμό προσθετικών μελών. Για την επέκταση της εγγενούς παθητικής δυναμικής, αναπτύχθηκε ένα νέο σχήμα ελέγχου βασισμένου σε μοντέλο (Underactuated Virtual Gravity, UVG). Ο έλεγχος UVG αναπαράγει αναλυτικά τις βαρυτικές ροπές που ασκούνται στο σύστημα κατά την παθητική κάθοδο σε κεκλιμένο επίπεδο, επιτρέποντας ενεργειακά αποδοτική, ευσταθή και φυσική βάδιση σε επίπεδο έδαφος, ιδιότητες που καθιστούν τη μέθοδο κατάλληλη για χρήση σε ενεργά προσθετικά συστήματα. Η απόδοσή του συγκρίθηκε με εναλλακτικά σχήματα ελέγχου, βασισμένα σε βελτιστοποίηση και παρακολούθηση τροχιάς, αποδεικνύοντας την υπεροχή του UVG λόγω της εγγενούς αξιοποίησης της παθητικής δυναμικής. Παράλληλα αναπτύχθηκε ένα σύστημα ανάλυσης κίνησης χωρίς ανακλαστικούς δείκτες (markerless motion analysis) το οποίο βασίζεται σε απλές κάμερες RGB και νευρωνικά δίκτυα. Το σύστημα επιτρέπει την ανάλυση της δυναμικής της ανθρώπινης βάδισης χωρίς την ανάγκη για ακριβό εξοπλισμό και ειδικό λογισμικό. Με την επίλυση της αντίστροφης κινηματικής και δυναμικής, το σύστημα παρέχει πληροφορίες για τις ροπές και τις δυνάμεις που ασκούνται στις αρθρώσεις κατά την ανθρώπινη κίνηση, συμβάλλοντας στον σχεδιασμό εξατομικευμένων προσθετικών μελών και ρομποτικών συστημάτων. Συνολικά η διατριβή συνεισφέρει στην κατανόηση της δυναμικής της ανθρώπινης βάδισης και έχει εφαρμογές στο σχεδιασμό προσθετικών κάτω άκρων, τα οποία θα ενσωματώνουν προηγμένο ρομποτικό σχεδιασμό με αποδοτικές μεθόδους ελέγχου. Τα ευρήματα από την ανάλυση της ρομποτικής και ανθρώπινης βάδισης μπορούν να συμβάλλουν στη δημιουργία αποτελεσματικών προσθετικών λύσεων που μιμούνται τη φυσική κίνηση κατά το περπάτημα, προάγοντας την έρευνα στους τομείς της ρομποτικής και της εμβιομηχανικής. Τα αποτελέσματα της μελέτης μπορούν να συνεισφέρουν στη βελτίωση της ποιότητας ζωής μεγάλου αριθμού ατόμων παγκοσμίως. Η ενσωμάτωση αρχών βιομιμητικού σχεδιασμού και παθητικής δυναμικής στην ανάπτυξη προσθετικών μελών μπορεί να προσφέρει στους χρήστες μεγαλύτερη άνεση, αυτονομία και δυνατότητα για φυσική κίνηση. Οι ίδιες αρχές μπορούν να εφαρμοστούν σε εξωσκελετικά συστήματα, παρέχοντας την απαραίτητη υποστήριξη σε αρτιμελή άτομα με κινητικές δυσκολίες. Οι βιομιμητικοί ρομποτικοί σχεδιασμοί που αναπτύχθηκαν μπορούν να διασφαλίσουν ότι η κατανομή των φορτίων στις αρθρώσεις παραμένει συμβατή με τη φυσική δυναμική του ανθρώπου, μειώνοντας τον κίνδυνο τραυματισμών και κόπωσης. Η προτεινόμενη μέθοδος ελέγχου συμπληρώνει τον παθητικό σχεδιασμό και μαζί συμβάλλουν στην επίτευξη ευσταθούς και ενεργειακά αποδοτικής βάδισης, καθιστώντας τα μελλοντικά προσθετικά πιο λειτουργικά, αποδοτικά και βέλτιστα σχεδιασμένα με βάση με τις προτεραιότητες του εκάστοτε χρήστη.	el
heal.advisorName	Papadopoulos, Evangelos
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος
heal.committeeMemberName	Papadopoulos, Evangelos
heal.committeeMemberName	Kyriakopoulos, Kostas
heal.committeeMemberName	Vosniakos, George-Christopher
heal.committeeMemberName	Maragos, Petros
heal.committeeMemberName	Poulakakis, Ioannis
heal.committeeMemberName	Tzafestas, Costas
heal.committeeMemberName	Vartholomaios, Panagiotis
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	222
heal.fullTextAvailability	false