Interlimb Coordination During Step-to-Step Transition and Gait Performance

Most energy spent in walking is due to step-to-step transitions. During this phase, the interlimb coordination assumes a crucial role to meet the demands of postural and movement control. The authors review studies that have been carried out regarding the interlimb coordination during gait, as well as the basic biomechanical and neurophysiological principles of interlimb coordination. The knowledge gathered from these studies is useful for understanding step-to-step transition during gait from a motor control perspective and for interpreting walking impairments and inefficiency related to pathologies, such as stroke. This review shows that unimpaired walking is characterized by a consistent and reciprocal interlimb influence that is supported by biomechanical models, and spinal and supraspinal mechanisms. This interlimb coordination is perturbed in subjects with stroke.

Soleus activity in post-stroke subjects: movement sequence from standing to sitting

O documento em anexo encontra-se na versão post-print (versão corrigida pelo editor).

Coordination between mid-term maintenance outage decisions and short-term security-constrained scheduling in smart distribution systems

Distribution systems are the first volunteers experiencing the benefits of smart grids. The smart grid concept impacts the internal legislation and standards in grid-connected and isolated distribution systems. Demand side management, the main feature of smart grids, acquires clear meaning in low voltage distribution systems. In these networks, various coordination procedures are required between domestic, commercial and industrial consumers, producers and the system operator. Obviously, the technical basis for bidirectional communication is the prerequisite of developing such a coordination procedure. The main coordination is required when the operator tries to dispatch the producers according to their own preferences without neglecting its inherent responsibility. Maintenance decisions are first determined by generating companies, and then the operator has to check and probably modify them for final approval. In this paper the generation scheduling from the viewpoint of a distribution system operator (DSO) is formulated. The traditional task of the DSO is securing network reliability and quality. The effectiveness of the proposed method is assessed by applying it to a 6-bus and 9-bus distribution system.

Efeito de um programa de exercícios segundo Pilates em indivíduos com asma controlada – controlo motor vs. função ventilatória

Introdução: Embora existam estratégias para coordenar as funções postural e ventilatória numa situação normal, isto pode não ser verdade quando a necessidade para uma das funções está aumentada, como por exemplo em patologia respiratória (asma) ou no exercício físico, em que subsistem maiores necessidades ventilatórias. O método Pilates, que foca a relação entre o corpo e a disciplina mental, visa prosperar a saúde e o bem-estar pelo enfatizar da boa postura, do alinhamento corporal e da coordenação da ventilação com o movimento. Objectivo: Comparar características de controlo motor e parâmetros ventilatórios em asmáticos controlados e indivíduos sem patologia, e verificar o efeito de um programa de exercícios segundo Pilates nesses outcomes em indivíduos com asma controlada. Métodos: Estudo quasi-experimental, com uma amostra constituída por 21 estudantes voluntários, 7 pertencentes ao “grupo sem patologia”, 7 ao “grupo controlo asmático” e 7 ao “grupo experimental asmático”. Para avaliação do timing de ativação e do padrão de recrutamento muscular no movimento rápido do membro superior foi utilizada eletromiografia de superfície do Diafragma, Eretor da Coluna, Multífidos, Oblíquo Externo, Reto Anterior e Transverso Abdominal/Oblíquo Interno. Foram também avaliados parâmetros de função ventilatória: a percentagem de volume expiratório forçado no primeiro segundo do previsto, o débito expiratório máximo instantâneo, a ventilação máxima voluntária, a pressão inspiratória máxima e a pressão expiratória máxima. As avaliações decorreram antes e após 8 semanas da aplicação de um programa de exercícios segundo Pilates no grupo experimental asmático, com exceção do grupo sem patologia que realizou apenas o primeiro momento de avaliação. Resultados: O grupo controlo asmático apresentou um timing de ativação significativamente maior do Transverso Abdominal/Oblíquo Interno e do Diafragma, em relação ao grupo sem patologia. Nos parâmetros ventilatórios, o grupo controlo asmático apresentou menores valores de percentagem de volume expiratório no primeiro segundo do previsto, de débito expiratório máximo instantâneo e de pressão expiratória máxima. Após a realização do programa de exercícios segundo Pilates verificaram-se alterações significativas no timing de activação do Eretor da Coluna, do Multífidos, do Transverso/Oblíquo Interno e do Diafragma, tendo ambos diminuído no grupo experimental asmático. Ainda, o grupo experimental asmático, em relação aos parâmetros ventilatórios, apresentou diferenças significativas no débito expiratório máximo instantâneo, na ventilação máxima voluntária e na pressão expiratória máxima, tendo ambos aumentado estes valores. Conclusão: Os asmáticos controlados parecem possuir características de controlo motor, especificamente no timing de ativação, e valores de parâmetros ventilatórios diferentes em comparação aos indivíduos sem patologia. O programa de exercícios segundo Pilates, implementado no grupo experimental asmático, parece ter influenciado positivamente esses outcomes.

Análise do padrão motor em pessoas com diagnóstico de esquizofrenia: uma abordagem em tempo real

A esquizofrenia é uma perturbação mental grave caracterizada pela coexistência de sintomas positivos, negativos e de desorganização do pensamento e do comportamento. As alterações motoras são consistentemente observadas mas, ainda pouco estudadas na esquizofrenia, sendo relevantes para o seu diagnóstico. Neste quadro, o presente estudo tem como objetivo verificar se os indivíduos com esquizofrenia apresentam alterações na coordenação motora, comparativamente com o grupo sem esquizofrenia, bem como analisar se as disfunções dos sinais neurológicos subtis (SNS) motores se encontram correlacionadas com o funcionamento executivo e com os domínios psicopatológicos da perturbação. No total participaram 29 indivíduos (13 com diagnóstico de esquizofrenia e 16 sem diagnóstico) equivalentes em termos de idade, género, escolaridade e índice de massa corporal. Para avaliar o desempenho motor recorreu-se ao sistema Biostage de parametrização do movimento em tempo real, com a tarefa de lançameto ao alvo; a presença de SNS foi examinada através da Brief Motor Scale; o funcionamento executivo pela aplicação do subteste do Vocabulário e da fluência verbal e a sintomatologia clínica através da Positive and Negative Sindrome Scale. Pela análise cinemática do movimento constatou-se que os indivíduos com esquizofrenia recrutam um padrão motor menos desenvolvido e imaturo de movimento, com menor individualização das componentes (principalmente do tronco e pélvis), necessitando de mais tempo para executar a tarefa, comparativamente com os sujeitos sem a perturbação que evidenciaram um movimento mais avançado de movimento. Os indivíduos com esquizofrenia mostraram índices elevados de disfunção dos SNS (média =6,01) estabelecendo este domínio uma relação boa e negativa com o desempenho verbal (rho Spearman=-0,62) e uma relação forte e positiva com todos os domínios psicopatológicos (rho Spearman=0,74). O estudo da existência de alterações motoras como parte intrínseca da esquizofrenia revela-se pertinente uma vez que possibilita uma compreensão mais aprofundada da sua fisiopatologia e permite que se desenvolvam práticas mais efetivas na área da saúde e reabilitação.

Eficácia do Constraint-Induced Movement Therapy, em utentes com sequelas de Acidente Vascular Encefálico, até 9 meses

O Acidente Vascular Encefálico é uma das principais causas de morte, tornando-se cada vez mais iminente processos de reabilitação que minimizem as sequelas, nomeadamente as limitações do membro superior que dificultam o envolvimento em atividades da vida diária. O Constraint-Induced Movement Therapy, surge como uma abordagem que incrementa o uso do membro superior mais afetado. A presente investigação trata-se de um estudo de casos múltiplos. Pretende-se verificar se existem melhorias na funcionalidade do membro superior mais afetado, analisar em que atividades da vida diária são visíveis melhorias funcionais e compreender se o maior envolvimento nas atividades diárias está diretamente relacionado com a melhoria na capacidade funcional. Pretende-se ainda que os valores obtidos no Wolf Motor Function Test sejam um contributo para a sua validação para a população portuguesa. Utilizou-se um questionário para recolha de dados pessoais e clínicos (amplitudes de movimento, dor e espasticidade); o Wolf Motor Function Test e o Action Research Arm Test para verificar a funcionalidade do membro superior mais afetado; e a Motor Activity Log que avalia o envolvimento em atividades da vida diária. O grupo é constituído por 3 utentes que sofreram um primeiro Acidente Vascular Encefálico até 9 meses de evolução, internados na Santa Casa da Misericórdia de Monção e que cumpriam os critérios de inclusão. O programa foi implementado três horas/dia, durante 10 dias, mantendo a restrição no membro superior menos afetado durante 90% do dia acordado. Como se trata de um estudo de casos múltiplos, analisou-se cada participante individualmente e verificou-se a diferença entre os resultados finais e iniciais para cada uma das variáveis. Os resultados obtidos revelam ganhos na amplitude de movimento, velocidade de execução e capacidade funcional do membro superior mais afetado, nomeadamente nas funções de preensão e pinça da mão, bem como se testemunhou minimização do fenómeno learned nonuse. Verificaram-se ganhos funcionais em todos os participantes nas atividades da vida diária apesar de serem diferentes de participante para participante. Dois participantes afirmaram que voltariam a participar no programa.Conclui-se, assim que a técnica resulta em ganhos funcionais nestes utentes, indicando um caminho alternativo a outras abordagens de reabilitação.

Interlimb coordination during the stance phase of gait in subjects with stroke

Objective: To analyze the relation between contralesional and ipsilesional limbs in subjects with stroke during step-to-step transition of walking. Design: Observational, transversal, analytical study with a convenience sample. Setting: Physical medicine and rehabilitation clinic. Participants: Subjects (nZ16) with poststroke hemiparesis with the ability to walk independently and healthy controls (nZ22). Interventions: Not applicable. Main Outcome Measures: Bilateral lower limbs electromyographic activity of the soleus (SOL), gastrocnemius medialis, tibialis anterior, biceps femoris, rectus femoris, and vastus medialis (VM) muscles and the ground reaction force were analyzed during double-support and terminal stance phases of gait. Results: The propulsive impulse of the contralesional trailing limb was negatively correlated with the braking impulse of the leading limb during double support (rZ .639, PZ.01). A moderate functional relation was observed between thigh muscles (rZ .529, PZ.035), and a strong and moderate dysfunctional relation was found between the plantar flexors of the ipsilesional limb and the vastus medialis of the contralesional limb, respectively (SOL-VM, rZ .80, P<.001; gastrocnemius medialis-VM, rZ .655, PZ.002). Also, a functional moderate negative correlation was found between the SOL and rectus femoris muscles of the ipsilesional limb during terminal stance and between the SOL (rZ .506, PZ.046) and VM (rZ .518, PZ.04) muscles of the contralesional limb during loading response, respectively. The trailing limb relative impulse contribution of the contralesional limb was lower than the ipsilesional limb of subjects with stroke (PZ.02) and lower than the relative impulse contribution of the healthy limb (PZ.008) during double support. Conclusions: The findings obtained suggest that the lower performance of the contralesional limb in forward propulsion during gait is related not only to contralateral supraspinal damage but also to a dysfunctional influence of the ipsilesional limb.

Anticipatory postural adjustments during sitting reach movement in post-stroke subjects

The study assessed the effect of velocity of arm movement on the generation of APAs in the contralateral and ipsilateral muscles of individuals with stroke in the sitting position. In the sitting position, 10 healthy and 8 post-stroke subjects reached for an object placed at the scapular plane and mid-sternum height at self-selected and fast velocities. Electromyography was recorded from the anterior deltoid (AD), upper (UT) and lower trapezius (LT), and latissimus dorsi (LD). Kinematic analysis was used to assess peak velocity and trunk displacement. Post-stroke subjects presented a delay of APAs on both sides of the body compared to healthy subjects. Differences were found between the timing of APAs on the ipsilateral and contralateral LD and LT in both movement speeds and in the ipsilateral UT during movement of the non-affected arm at a self-selected velocity. A delay in the contralateral LD in the reaching movement with the non-affected arm at fast velocity was also observed. Trunk displacement was greater in post-stroke subjects. In the sitting position, APAs were delayed in both fast and self-selected movements on both sides in post-stroke subjects, which also presented a higher trunk displacement.

A feedback-based decentralised coordination model for distributed open real-time systems

Moving towards autonomous operation and management of increasingly complex open distributed real-time systems poses very significant challenges. This is particularly true when reaction to events must be done in a timely and predictable manner while guaranteeing Quality of Service (QoS) constraints imposed by users, the environment, or applications. In these scenarios, the system should be able to maintain a global feasible QoS level while allowing individual nodes to autonomously adapt under different constraints of resource availability and input quality. This paper shows how decentralised coordination of a group of autonomous interdependent nodes can emerge with little communication, based on the robust self-organising principles of feedback. Positive feedback is used to reinforce the selection of the new desired global service solution, while negative feedback discourages nodes to act in a greedy fashion as this adversely impacts on the provided service levels at neighbouring nodes. The proposed protocol is general enough to be used in a wide range of scenarios characterised by a high degree of openness and dynamism where coordination tasks need to be time dependent. As the reported results demonstrate, it requires less messages to be exchanged and it is faster to achieve a globally acceptable near-optimal solution than other available approaches.

Nano-CF: a Coordination Framework for macro-programming in wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSN) are being used for a number of applications involving infrastructure monitoring, building energy monitoring and industrial sensing. The difficulty of programming individual sensor nodes and the associated overhead have encouraged researchers to design macro-programming systems which can help program the network as a whole or as a combination of subnets. Most of the current macro-programming schemes do not support multiple users seamlessly deploying diverse applications on the same shared sensor network. As WSNs are becoming more common, it is important to provide such support, since it enables higher-level optimizations such as code reuse, energy savings, and traffic reduction. In this paper, we propose a macro-programming framework called Nano-CF, which, in addition to supporting in-network programming, allows multiple applications written by different programmers to be executed simultaneously on a sensor networking infrastructure. This framework enables the use of a common sensing infrastructure for a number of applications without the users having to worrying about the applications already deployed on the network. The framework also supports timing constraints and resource reservations using the Nano-RK operating system. Nano- CF is efficient at improving WSN performance by (a) combining multiple user programs, (b) aggregating packets for data delivery, and (c) satisfying timing and energy specifications using Rate- Harmonized Scheduling. Using representative applications, we demonstrate that Nano-CF achieves 90% reduction in Source Lines-of-Code (SLoC) and 50% energy savings from aggregated data delivery.

Using attractor dynamics to generate decentralized motion control of two mobile robots transporting a long object in coordination

Dynamical systems theory is used here as a theoretical language and tool to design a distributed control architecture for a team of two mobile robots that must transport a long object and simultaneously avoid obstacles. In this approach the level of modeling is at the level of behaviors. A “dynamics” of behavior is defined over a state space of behavioral variables (heading direction and path velocity). The environment is also modeled in these terms by representing task constraints as attractors (i.e. asymptotically stable states) or reppelers (i.e. unstable states) of behavioral dynamics. For each robot attractors and repellers are combined into a vector field that governs the behavior. The resulting dynamical systems that generate the behavior of the robots may be nonlinear. By design the systems are tuned so that the behavioral variables are always very close to one attractor. Thus the behavior of each robot is controled by a time series of asymptotically stable states. Computer simulations support the validity of our dynamic model architectures.

Competitive dynamics for behavior coordination in a joint transportation task

We address the problem of coordinating two non-holonomic mobile robots that move in formation while transporting a long payload. A competitive dynamics is introduced that gradually controls the activation and deactivation of individual behaviors. This process introduces (asymmetrical) hysteresis during behavioral switching. As a result behavioral oscillations, due to noisy information, are eliminated. Results in indoor environments show that if parameter values are chosen within reasonable ranges then, in spite of noise in the robots communi- cation and sensors, the overall robotic system works quite well even in cluttered environments. The robots overt behavior is stable and smooth.

Development of a system to monitor surfer’s balance and plantar pressure and surfboard’s movement

O uso da tecnologia tem crescido nas últimas décadas nas mais diversas áreas, seja na indústria ou no dia-a-dia, e é cada vez mais evidente os benefícios que traz. No desporto não é diferente. Cada dia surgem novos desenvolvimentos objetivando a melhoria do desempenho dos praticantes de atividades físicas, possibilitando atingir resultados nunca antes pensados. Além disto, a utilização da tecnologia no desporto permite a obtenção de dados biomecânicos que podem ser utilizados tanto no treinamento quando na melhoria da qualidade de vida dos atletas auxiliando na prevenção de lesões, por exemplo. Deste modo, o presente projeto se aplica na área do desporto, nomeadamente, na modalidade do surfe, onde a ausência de trabalhos científicos ainda é elevada, aliando a tecnologia eletrônica ao desporto para quantificar informações até então desconhecidas. Três fatores básicos de desempenho foram levantados, sendo eles: equilíbrio, posicionamento dos pés e movimentação da prancha de surfe. Estes fatores levaram ao desenvolvimento de um sistema capaz de medi-los dinamicamente através da medição das forças plantares e da rotação da prancha de surfe. Além da medição dos fatores, o sistema é capaz de armazenar os dados adquiridos localmente através de um cartão de memória, para posterior análise; e também enviá-los através de uma comunicação sem fio, permitindo a visualização do centro de pressões plantares; dos ângulos de rotação da prancha de surfe; e da ativação dos sensores; em tempo real. O dispositivo consiste em um sistema eletrônico embarcado composto por um microcontrolador ATMEGA1280; um circuito de aquisição e condicionamento de sinal analógico; uma central inercial; um módulo de comunicação sem fio RN131; e um conjunto de sensores de força Flexiforce. O firmware embarcado foi desenvolvido em linguagem C. O software Matlab foi utilizado para receção de dados e visualização em tempo real. Os testes realizados demostraram que o funcionamento do sistema atende aos requisitos propostos, fornecendo informação acerca do equilíbrio, através do centro de pressões; do posicionamento dos pés, através da distribuição das pressões plantares; e do movimento da prancha nos eixos pitch e roll, através da central inercial. O erro médio de medição de força verificado foi de -0.0012 ± 0.0064 N, enquanto a mínima distância alcançada na transmissão sem fios foi de 100 m. A potência medida do sistema foi de 330 mW.

Design of the ISePorto robocup Middle-Size League Robotic Soccer Team: Control, Localisation and Coordination

Proceedings of the 10th Mediterranean Conference on Control and Automation - MED2002 Lisbon, Portugal, July 9-12, 2002

Relatório de Estágio: Análise da eficiência do Sistema de controlo de tráfego da cidade do Porto

No âmbito da unidade curricular Dissertação/Estágio/Projeto, foi desenvolvido, durante um estágio na Câmara Municipal do Porto, o estudo da eficiência do sistema inteligente de controlo de tráfego implementado na cidade. Este sistema é designado como Sistema Inteligente de Gestão Autónoma - SIGA e tem como base de funcionamento o software de gestão de tráfego GERTRUDE da empresa GERTRUDE SAEM. O sistema de controlo de tráfego encontra-se repartido em 10 zonas interligadas, focadas essencialmente no centro da cidade do Porto. O estudo foi aplicado apenas a uma parte da zona da Constituição, nomeadamente a rua da Constituição, desde a Praça Marquês até à rua Antero de Quental. A eficiência mediu-se pela comparação de duas situações, a circulação e comportamento das correntes de tráfego com o sistema em funcionamento normal e com o sistema desativado. Por sua vez, o indicador utilizado que permitiu avaliar o sistema, foi o nível de serviço obtido pelo atraso médio por veículo em cada ramo de cada interseção. Para determinação do atraso, foram testados diferentes métodos, para se tentar perceber qual aquele que melhor se adequava à situação e que exigia menor número de recursos humanos. À frente serão exaradas algumas conclusões acerca da metodologia de cada um deles e condicionantes que levaram à não utilização de todos os métodos. Depois de aplicadas as metodologias que permitiram determinar o nível de serviço em cada grupo semafórico das diferentes interseções, percebeu-se que existe uma grande diferença na circulação entre as duas situações, sendo que a mais-valia que este sistema apresenta é a coordenação das diferentes interseções que se encontram abrangidas pelas 10 zonas pertencentes ao SIGA.