Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Analytical investigation of squeeze film dampers

Squeeze film damping effects naturally occur if structures are subjected to loading situations such that a very thin film of fluid is trapped within structural joints, interfaces, etc. An accurate estimate of squeeze film effects is important to predict the performance of dynamic structures. Starting from linear Reynolds equation which governs the fluid behavior coupled with structure domain which is modeled by Kirchhoff plate equation, the effects of nondimensional parameters on the damped natural frequencies are presented using boundary characteristic orthogonal functions. For this purpose, the nondimensional coupled partial differential equations are obtained using Rayleigh-Ritz method and the weak formulation, are solved using polynomial and sinusoidal boundary characteristic orthogonal functions for structure and fluid domain respectively. In order to implement present approach to the complex geometries, a two dimensional isoparametric coupled finite element is developed based on Reissner-Mindlin plate theory and linearized Reynolds equation. The coupling between fluid and structure is handled by considering the pressure forces and structural surface velocities on the boundaries. The effects of the driving parameters on the frequency response functions are investigated. As the next logical step, an analytical method for solution of squeeze film damping based upon Green’s function to the nonlinear Reynolds equation considering elastic plate is studied. This allows calculating modal damping and stiffness force rapidly for various boundary conditions. The nonlinear Reynolds equation is divided into multiple linear non-homogeneous Helmholtz equations, which then can be solvable using the presented approach. Approximate mode shapes of a rectangular elastic plate are used, enabling calculation of damping ratio and frequency shift as well as complex resistant pressure. Moreover, the theoretical results are correlated and compared with experimental results both in the literature and in-house experimental procedures including comparison against viscoelastic dampers.

Combining series elastic actuation and magneto-rheological damping for the control of agile locomotion

All-terrain robot locomotion is an active topic of research. Search and rescue maneuvers and exploratory missions could benefit from robots with the abilities of real animals. However, technological barriers exist to ultimately achieving the actuation system, which is able to meet the exigent requirements of these robots. This paper describes the locomotioncontrol of a leg prototype, designed and developed to make a quadruped walk dynamically while exhibiting compliant interaction with the environment. The actuation system of the leg is based on the hybrid use of series elasticity and magneto-rheological dampers, which provide variable compliance for natural-looking motion and improved interaction with the ground. The locomotioncontrol architecture has been proposed to exploit natural leg dynamics in order to improve energy efficiency. Results show that the controller achieves a significant reduction in energy consumption during the leg swing phase thanks to the exploitation of inherent leg dynamics. Added to this, experiments with the real leg prototype show that the combined use of series elasticity and magneto-rheologicaldamping at the knee provide a 20 % reduction in the energy wasted in braking the knee during its extension in the leg stance phase.

Determination of elastic modulus of thin coating materials using nanoindentation and finite element analysis

A deconvolution method that combines nanoindentation and finite element analysis was developed to determine elastic modulus of thin coating layer in a coating-substrate bilayer system. In this method, the nanoindentation experiments were conducted to obtain the modulus of both the bilayer system and the substrate. The finite element analysis was then applied to deconvolve the elastic modulus of the coating. The results demonstrated that the elastic modulus obtained using the developed method was in good agreement with that reported in literature.

Elastic lateral buckling of simply supported LiteSteel beams subject to transverse loading

The buckling strength of a new cold-formed hollow flange channel section known as LiteSteel beam (LSB) is governed by lateral distortional buckling characterised by simultaneous lateral deflection, twist and web distortion for its intermediate spans. Recent research has developed a modified elastic lateral buckling moment equation to allow for lateral distortional buckling effects. However, it is limited to a uniform moment distribution condition that rarely exists in practice. Transverse loading introduces a non-uniform bending moment distribution, which is also often applied above or below the shear centre (load height). These loading conditions are known to have significant effects on the lateral buckling strength of beams. Many steel design codes have adopted equivalent uniform moment distribution and load height factors to allow for these effects. But they were derived mostly based on data for conventional hot-rolled, doubly symmetric I-beams subject to lateral torsional buckling. The moment distribution and load height effects of transverse loading for LSBs, and the suitability of the current design modification factors to accommodate these effects for LSBs is not known. This paper presents the details of a research study based on finite element analyses on the elastic lateral buckling strength of simply supported LSBs subject to transverse loading. It discusses the suitability of the current steel design code modification factors, and provides suitable recommendations for simply supported LSBs subject to transverse loading.

Control issues for velocity sourced Series Elastic Actuators

The Series Elasic Actuator has been proposed as a method for providing safe force or torque based acutation for robots that interact with humans. In this paper we look at some outstanding issues in the implementation and control of Series Elastic Actuators. The study addresses issues in making the Series Elastic Actuator respond effectively in the presence of physical difficulties such as restriction, using a computation efficient controller. The improvement over previous implementations is achieved by treating the motor as a velocity source to the elastic element, rather than as a torque source.

Assessing the safety of a velocity sourced series elastic actuator using the head injury criterion

The Velocity Sourced Series Elastic Actuator has been proposed as a method for providing safe force or torque based actuation for robots without compromising the actuator performance. In this paper we assess the safety of Velocity Sourced Series Elastic Actuators by measuring the Head Injury Criterion scores for collisions with a model head. The study makes a comparative analysis against stiff, high impedance actuation using the same motor without the series elastic component, showing that the series elastic component brings about a massive reduction in the chance of head injury. The benefits of a collision detection and safe reaction system are shown to be limited to collisions at low speeds, providing greater interaction comfort but not necessarily contributing to safety from injury.

Demonstrating the safety and performance of a velocity sourced series elastic actuator

Actuators with deliberately added compliant elements in the transmission system are often described as improving the safety of the actuator at the detriment of the performance. We show that our variant of the Series Elastic Actuator topology, the Velocity Sourced Series Elastic Actuator, has well defined performance characteristics that make for improvements in safety and performance over conventional high impedance actuators. The improvement in performance was principally achieved by having tight velocity control of the DC motor that acts as the mechanical power source for the actuator. Results for performance are given for point to point transition times, while results for safety are based on empirical assessment of the Head Injury Criterion during collisions.

Elastic shear buckling characteristics of LiteSteel Beams

LiteSteel beam (LSB) is a new cold-formed steel hollow flange channel beam. The unique LSB section is produced by a patented manufacturing process involving simultaneous cold-forming and dual electric resistance welding. To date, limited research has been undertaken on the shear buckling behaviour of LSBs with torsionally rigid, rectangular hollow flanges. For the shear design of LSB web panels, their elastic shear buckling strength must be determined accurately including the potential post-buckling strength. Currently the elastic shear buckling coefficients of web panels are determined by assuming conservatively that the web panels are simply supported at the junction between the flange and web elements. Therefore finite element analyses were carried out to investigate the elastic shear buckling behaviour of LSB sections including the effect of true support conditions at the junction between their flange and web elements. An improved equation for the higher elastic shear buckling coefficient of LSBs was developed and included in the shear capacity equations of Australian cold-formed steel codes. Predicted ultimate shear capacity results were compared with available experimental results, both of which showed considerable improvement to the shear capacities of LSBs. A study on the shear flow distribution of LSBs was also undertaken prior to the elastic buckling analysis study. This paper presents the details of this investigation and the results including the shear flow distribution of LSBs. Keywords: LiteSteel beam, Elastic shear buckling, Shear flow, Cold-formed steel structures, Slender web, Hollow flanges.

QoC Elastic Scheduling for Real-Time Control Systems

The elastic task model, a significant development in scheduling of real-time control tasks, provides a mechanism for flexible workload management in uncertain environments. It tells how to adjust the control periods to fulfill the workload constraints. However, it is not directly linked to the quality-of-control (QoC) management, the ultimate goal of a control system. As a result, it does not tell how to make the best use of the system resources to maximize the QoC improvement. To fill in this gap, a new feedback scheduling framework, which we refer to as QoC elastic scheduling, is developed in this paper for real-time process control systems. It addresses the QoC directly through embedding both the QoC management and workload adaptation into a constrained optimization problem. The resulting solution for period adjustment is in a closed-form expressed in QoC measurements, enabling closed-loop feedback of the QoC to the task scheduler. Whenever the QoC elastic scheduler is activated, it improves the QoC the most while still meeting the system constraints. Examples are given to demonstrate the effectiveness of the QoC elastic scheduling.