Force controlled hexapod walking

This thesis is a study on controlling methods for six-legged robots. The study is based on mathematical modeling and simulation. A new joint controller is proposed and tested in simulation that uses joint angles and leg reaction force as inputs to generate a torque, and a method to optimise this controller is formulated and validated. Simulation shows that hexapod can walk on flat ground based on PID controllers with just four target configurations and a set of leg coordination rules, which provided the basis for the design of the new controller.

轮腿复合移动机器人自主越障姿态设定及轮腿运动协调算法实现

轮腿复合移动机器人具有很好的地面适应能力和越障能力。本文通过对机器人系统结构的分析和其越障高度的静态分析,计算出机器人能够越障的最大高度,并提出了针对典型地形环境(沟、坎、台)越障问题的机器人构型优化以及轮腿运动协调控制算法,而且通过实验验证了算法的有效性。

Effets de la vibration des muscles sur les mécanismes neuronaux et la fonction du membre supérieur et inférieur des personnes ayant une hémiparésie chronique

Cette thèse vise à répondre à trois questions fondamentales: 1) La diminution de l’excitabilité corticospinale et le manque d’inhibition intracorticale observés suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) du cortex moteur de la main atteinte de sujets hémiparétiques sont-ils aussi présents suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte? 2) Est-ce que les altérations dans l’excitabilité corticomotrice sont corrélées aux déficits et incapacités motrices des personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral depuis plus de 6 mois? 3) La vibration musculaire, étant la source d’une forte afférence sensorielle, peut-elle moduler l’excitabilité corticomotrice et améliorer la performance motrice de ces personnes? Premièrement, afin d’appuyer notre choix d’intervention et d’évaluer le potentiel de la vibration mécanique locale pour favoriser la réadaptation des personnes ayant une atteinte neurologique, nous avons réalisé une révision en profondeur de ses applications et intérêts cliniques à partir d’informations trouvées dans la littérature scientifique (article 1). La quantité importante d’information sur les effets physiologiques de la vibration contraste avec la pauvreté des études qui ont évalué son effet thérapeutique. Nous avons trouvé que, malgré le manque d’études, les résultats sur son utilisation sont encourageants et positifs et aucun effet adverse n’a été rapporté. Dans les trois autres articles qui composent cette thèse, l’excitabilité des circuits corticospinaux et intracorticaux a été étudiée chez 27 sujets hémiparétiques et 20 sujets sains sans atteintes neurologiques. Les fonctions sensorimotrices ont aussi été évaluées par des tests cliniques valides et fidèles. Tel qu’observé à la main chez les sujets hémiparétiques, nous avons trouvé, par rapport aux sujets sains, une diminution de l’excitabilité corticospinale ainsi qu’un manque d’inhibition intracorticale suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte (article 2). Les sujets hémiparétiques ont également montré un manque de focus de la commande motrice lors de l’activation volontaire des fléchisseurs plantaires. Ceci était caractérisé par une augmentation de l’excitabilité nerveuse des muscles agonistes, mais aussi généralisée aux synergistes et même aux antagonistes. De plus, ces altérations ont été corrélées aux déficits moteurs au membre parétique. Le but principal de cette thèse était de tester les effets potentiels de la vibration des muscles de la main (article 3) et de la cuisse (article 4) sur les mécanismes neuronaux qui contrôlent ces muscles. Nous avons trouvé que la vibration augmente l’amplitude de la réponse motrice des muscles vibrés, même chez des personnes n’ayant pas de réponse motrice au repos ou lors d’une contraction volontaire. La vibration a également diminué l’inhibition intracorticale enregistrée au quadriceps parétique (muscle vibré). La diminution n’a cependant pas été significative au niveau de la main. Finalement, lors d’un devis d’investigation croisé, la vibration de la main ou de la jambe parétique a résulté en une amélioration spécifique de la dextérité manuelle ou de la coordination de la jambe, respectivement. Au membre inférieur, la vibration du quadriceps a également diminuée la spasticité des patients. Les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la rééducation de la personne hémiparétique car avec une seule séance de vibration, nous avons obtenu des améliorations neurophysiologiques et cliniques.

Assessment of beginners' front-crawl stroke efficiency

Efficiency in front-crawl stroke has been inferred primarily by means of the analysis of arm actions, specifically, stroke frequency and stroke length. The objective of the present study was to investigate whether swimming efficiency could be better assessed in children still learning the front-crawl stroke by analyzing the movement pattern as a whole. Forty-two children enrolled in private swimming programs volunteered to participate in the study. The task consisted of swimming 30 m as fast as possible. Three experts analyzed the movement pattern of the participants using a checklist. Both stroke frequency and stroke length were calculated. The correlation coefficients between the time taken to swim and both the stroke frequency and stroke length were not significant, but the total and components of the checklist scores were. Results indicate that the swimming efficiency of children learning the front-crawl stroke can be better assessed by analyzing their whole movement pattern.

Mécanismes neuronaux médullaires, coordination musculaire et fonction motrice chez les sujets hémiparétiques

Dans l’hémiparésie consécutive à un AVC, une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville est souvent observée à la jambe atteinte lorsque la personne tente de bouger ou encore lors de la marche. Les mécanismes sous-jacents à cette coactivation sont mal compris. Bien que l’AVC entraîne une lésion supraspinale, des évidences démontrent le dysfonctionnement de certains circuits spinaux dans l’hémiparésie. Ce projet de doctorat visait à évaluer : 1) l’excitabilité des circuits spinaux intersegmentaires projetant des extenseurs du genou aux extenseurs de la cheville et 2) si un éventuel dysfonctionnement de ces circuits dans l’hémiparésie est associé à une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions statiques et au cours de la marche. La première étude compare la modulation de l’activité réflexe du soléaire suite à la stimulation du nerf fémoral entre des sujets hémiparétiques et sains. Une augmentation de la facilitation hétéronyme de courte latence et une diminution de l’inhibition ultérieure du réflexe H du soléaire ont été observées chez les sujets hémiparétiques. Ces résultats démontrent un dysfonctionnement des circuits intersegmentaires propriospinaux liant le quadriceps au soléaire suite à l’AVC. La deuxième étude démontre que ces changements dans la modulation hétéronyme des sujets hémiparétiques, évaluée au moyen de la méthode complexe basée sur l’activité réflexe du soléaire, sont similaires à ceux observés lorsque la modulation est évaluée en utilisant une méthode plus simple, soit celle de l’activité volontaire du soléaire. De plus, la modulation hétéronyme évaluée par les deux méthodes est corrélée avec l’atteinte motrice à la jambe parétique. La troisième étude a permis de quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions volontaires statiques chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. De plus, le niveau accru de la coactivation involontaire des extenseurs de la cheville lors de l’activation volontaire des extenseurs du genou s’avère corrélé avec la modulation intersegmentaire du côté parétique. La quatrième étude a utilisé un indice temporel, soit l’intervalle entre les pics d’activation électromyographique (PAI), et un indice d’amplitude de coactivation (CAI) pour quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de la marche chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. Ces indices sont corrélés, pour certains groupes musculaires, avec la modulation intersegmentaire modifiée du côté parétique. Finalement, des résultats préliminaires montrent que la vibration mécanique du tendon rotulien (80 Hz) réduit la facilitation intersegmentaire accrue des sujets hémiparétiques. Ce projet doctoral a permis de mettre en lumière un dysfonctionnement de circuits spinaux liant le quadriceps et le soléaire dans l’hémiparésie consécutive à un AVC. Ce changement dans les mécanismes neurophysiologiques de la moelle épinière est corrélé avec des changements fonctionnels. Ainsi, ce dysfonctionnement pourrait contribuer à la coactivation involontaire entre les extenseurs du genou et de la cheville qui fait partie intégrante de la synergie pathologique en extension souvent rencontrée à la jambe parétique lors d’efforts en statique et pendant la marche. Finalement, une étude préliminaire suggère que la vibration mécanique serait une modalité sensorielle prometteuse pour réguler l’hyperexcitabilité des circuits spinaux qui contribuerait aux atteintes motrices chez les personnes hémiparétiques.

Effet d’une pré-sollicitation maximale isométrique des muscles stabilisateurs sur la coordination intermusculaire lors d’un exercice pluriarticulaire épuisant.

Introduction: Les stratégies d’optimisation de la performance chez les athlètes sont de plus en plus exploitées par les entraîneurs et préparateurs physiques. La potentialisation de post- activation (PAP) est reconnue comme étant un phénomène pouvant mener à une augmentation des performances. L’objectif de la présente étude était de donc décrire les effets d’une pré-sollicitation à la hanche sur la coordination inter-musculaire et la performance au cours d’un exercice épuisant. Méthodes: Six athlètes de patins de vitesse de courte piste (3 de sexe masculin et 3 de sexe féminin; âge: 20.2 ± 2.8 ans; moyenne±écart-type) ont exécuté aléatoirement un exercice qui consistait en 2 séries de 9 blocs de squats sautés maximaux, entre-coupés d’un squat isométrique d’une durée de 5 secondes sans pré-sollicitation préalable (CON) et avec une tâche de pré-sollicitation unilatérale de squat isométrique (EXP) contre une barre fixe de 2x3 secondes. Le pic de puissance moyen, l’amplitude et la fréquence moyenne d’EMG, et la vitesse et l’accélération angulaires des premiers et derniers blocs étaient enregistrés. Résultats: La pré-sollicitation isométrique maximale des membres inférieurs n’a pas amélioré de manière significative la performance de sauts et la coordination des muscles stabilisateurs à la hanche. La fréquence spectrale moyenne a néanmoins témoigné de l’implication de stratégies compensatoires du membre inférieur gauche en réponse à la fatigue. Conclusion: La pré-sollicitation des stabilisateurs à la hanche n’augmenterait pas la performance de squats répétés. Par contre, la fréquence moyenne du grand fessier et du tibial antérieur gauche ont suggéré meilleure résistance à la fatigue des muscles du membre inférieur non-dominant avec une pré-sollicitation. Les résultats de la présente étude indiquent donc la pertinence de considérer la pré-sollicitation dans un objectif de performance et de réadaptation sachant que l’asymétrie est omniprésente chez les athlètes et qu’elle est impliquée dans le taux élevé de blessures enregistré chez cette population.

Syntheses and crystal structures of two new coordination polymers of Cd(II) using organic spacer and inorganic-bridging ligands

Two new cadmium (II) complexes [Cd(hmt)(dca)(2)] (n) (1) and [Cd-3(hmt)(2)(SeCN)(6)(H2O)(2)] (n) (2) (hmt=hexamethylenetetramine, dca=dicyanamide) have been synthesized and characterized by X-ray single-crystal analysis. The complex 1 is a 2D rectangular grid of octahedral cadmium (II) with CdN6 chromophore where cadmium centers are doubly bridged by dicyanamide and hmt along a-axis, which are interlinked by dicyanamide running along c-axis. Whereas, complex 2 is a 1D chain of octahedral cadmium (II) with a three-leg ladder topology running along a-axis. The Cd(II) centers are doubly bridged through SeCN (infinite rail) along a-axis and singly bridged by hmt (two-step rung) along c-axis, having cadmium centers with CdSe2N3O and CdSe2N4 chromophores. The adjacent chains through H-bonding between coordinated water and hmt, and (SeSe)-Se-... interaction are extended to 2D supramolecular architecture.

An examination of constraints affecting the intralimb coordination of hemiparetic gait

A dynamical systems approach to the study of locomotor intralimb coordination in those with hemiparesis led to an examination of the utility of the shank-thigh relative phase (RP) as a collective variable and the identification of potential constraints that may shape this coordination. Eighteen non-disabled individuals formed three groups matched to the age and gender of six participants with chronic right hemiparesis. The three groups differed in the constraints imposed on their walking: (1) walking at their preferred walking speed; (2) walking as slowly as those with hemiparesis; and, (3) walking slowly with a right ankle-foot orthosis (AFO). The results revealed an asymmetry in intralimb coordination between the unaffected and affected leg of those with hemiparesis localized to the latter third of the gait cycle when the limb is advanced from the end of stance to the reestablishment of a new stance. Walking slowly with or without an AFO resulted in no measureable effect in the non-disabled, but accounts for 22% of the variance in the intralimb coordination of the hemiplegic's affected limb and 16% in the unaffected limb. The AFO offered little additional contribution. These results derive from shank-thigh RP that is shown to provide more information about intralimb coordination than knee angle displacement. Implications for these results and the use of RP for rehabilitation are discussed. (C) 2000 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved. PsycINFO classification. 3297. 2330.

Coordination of spinal motion in the transverse and frontal planes during walking in people with and without recurrent low back pain

STUDY DESIGN. Observational cohort study. OBJECTIVE. To investigate spinal coordination during preferred and fast speed walking in pain-free subjects with and without a history of recurrent low back pain (LBP). SUMMARY OF BACKGROUND DATA. Dynamic motion of the spine during walking is compromised in the presence of back pain (LBP), but its analysis often presents some challenges. The coexistence of significant symptoms may change gait because of pain or adaptation of the musculoskeletal structures or both. A history of LBP without the overlay of a current symptomatic episode allows a better model in which to explore the impact on spinal coordination during walking. METHODS. Spinal and lower limb segmental motions were tracked using electromagnetic sensors. Analyses were conducted to explore the synchrony and spatial coordination of the segments and to compare the control and subjects with LBP. RESULTS. We found no apparent differences between the groups for either overall amplitude of motion or most indicators of coordination in the lumbar region; however, there were significant postural differences in the mid-stance phase and other indicators of less phase locking in controls compared with subjects with LBP. The lower thoracic spinal segment was more affected by the history of back pain than the lumbar segment. CONCLUSION. Although small, there were indicators that alterations in spinal movement and coordination in subjects with recurrent LBP were due to adaptive changes rather than the presence of pain. © 2013, Lippincott Williams & Wilkins.

Leg muscle recruitment in highly trained cyclists

In this study, we examined patterns of leg muscle recruitment and co-activation, and the relationship between muscle recruitment and cadence, in highly trained cyclists. Electromyographic (EMG) activity of the tibialis anterior, tibialis posterior, peroneus longus, gastrocnemius lateralis and soleus was recorded using intramuscular electrodes, at individual preferred cadence, 57.5, 77.5 and 92.5 rev.min(-1). The influence of electrode type and location on recorded EMG was also investigated using surface and dual intramuscular recordings. Muscle recruitment patterns varied from those previously reported, but there was little variation in muscle recruitment between these highly trained cyclists. The tibialis posterior, peroneus longus and soleus were recruited in a single, short burst of activity during the downstroke. The tibialis anterior and gastrocnemius lateralis were recruited in a biphasic and alternating manner. Contrary to existing hypotheses, our results indicate little co-activation between the tibialis posterior and peroneus longus. Peak EMG amplitude increased linearly with cadence and did not decrease at individual preferred cadence. There was little variation in patterns of muscle recruitment or co-activation with changes in cadence. Intramuscular electrode location had little influence on recorded EMG. There were significant differences between surface and intramuscular recordings from the tibialis anterior and gastrocnemius lateralis, which may explain differences between our findings and those of previous studies.

Sodium 2-nitrocinnamate dihydrate: a one-dimensional hydrogen-bonded coordination polymer

The title compound catena-poly[aqua-mu3-2-nitrocinnamato], [Na(C9H6NO4)(H2O)2]n, the sodium salt of trans-2-nitrocinnamic acid, is a one-dimensional coordination polymer based on six-coordinate octahedral NaO6 centres comprising three facially-related monodentate carboxylate O-atom donors from separate ligands (all bridging)[Na-O, 2.4370(13)-2.5046(13)A] and three water molecules (two bridging, one monodentate) [Na-O, 2.3782(13)-2.4404(17)A]. The structure is also stabilized by intra-chain water-O-H...O(carboxylate) and O-H...O(nitro) hydrogen bonds.

Dynamics of multi-articular coordination in neurobiological systems

Although previous work in nonlinear dynamics on neurobiological coordination and control has provided valuable insights from studies of single joint movements in humans, researchers have shown increasing interest in coordination of multi-articular actions. Multi-articular movement models have provided valuable insights on neurobiological systems conceptualised as degenerate, adaptive complex systems satisfying the constraints of dynamic environments. In this paper, we overview empirical evidence illustrating the dynamics of adaptive movement behavior in a range of multi-articular actions including kicking, throwing, hitting and balancing. We model the emergence of creativity and the diversity of neurobiological action in the meta-stable region of self organising criticality. We examine the influence on multi-articular actions of decaying and emerging constraints in the context of skill acquisition. We demonstrate how, in this context, transitions between preferred movement patterns exemplify the search for and adaptation of attractor states within the perceptual motor workspace as a function of practice. We conclude by showing how empirical analyses of neurobiological coordination and control have been used to establish a nonlinear pedagogical framework for enhancing acquisition of multi-articular actions.

Interpersonal coordination tendencies, decision-making and information governing dynamics in rugby union

In this chapter, ideas from ecological psychology and nonlinear dynamics are integrated to characterise decision-making as an emergent property of self-organisation processes in the interpersonal interactions that occur in sports teams. A conceptual model is proposed to capture constraints on dynamics of decisions and actions in dyadic systems, which has been empirically evaluated in simulations of interpersonal interactions in team sports. For this purpose, co-adaptive interpersonal dynamics in team sports such as rubgy union have been studied to reveal control parameter and collective variable relations in attacker-defender dyads. Although interpersonal dynamics of attackers and defenders in 1 vs 1 situations showed characteristics of chaotic attractors, the informational constraints of rugby union typically bounded dyadic systems into low dimensional attractors. Our work suggests that the dynamics of attacker-defender dyads can be characterised as an evolving sequence since players' positioning and movements are connected in diverse ways over time.