No / We introduce a new "marker-based" model for use in capturing equine movement. This model is informed by a sound biomechanical study of the animal and can be deployed in the pursuit of many undertakings. Unlike many other approaches, our method provides a high level of automation and hides the intricate biomechanical knowledge required to produce realistic results. Due to this approach, it is possible to acquire solved data with minimal manual intervention even in real-time conditions. The approach introduced can be replicated for the production of many other animals. The model is first informed by the veterinary world through studies of the subject's anatomy. Second, further medical studies aimed at understanding and addressing surface processes, inform model creation. The latter studies address items such as skin sliding. If not otherwise corrected these processes may hinder marker based capture. The resultant model has been tested in feasibility studies for practicality and subject acceptance during production. Data is provided for scrutiny along with the subject digitally captured through a variety of methods. The digital subject in mesh form as well as the motion capture model aid in comparison and show the level of accurateness achieved. The video reference and digital renders provide an insight into the level of realism achieved.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Lors de la locomotion, un large patron de mouvement visuel, appelé flux optique, est perçu par l'observateur. Les éléments de l'environnement accélèrent et agrandissent plus ils s'éloignent du point vers lequel il se dirige. Chez le chat, quelques études ont suggéré l'implication de la zone postéro­médiane du cortex suprasylvien latéral (PMLS) dans l'analyse du flux optique. Afin d'étudier plus en détail la participation du cortex PMLS dans cette analyse complexe, nous avons d'abord vérifié si les neurones de cette aire pouvaient coder la direction de divers stimuli mimant le flux optique, par l'enregistrement de l'activité unitaire. Nous avons également vérifié l'importance de différents paramètres des stimuli utilisés, comme les gradients de taille et de vitesse. Enfin, la position des champs récepteurs (CR) dans le champ visuel a été étudiée. Nos résultats démontrent qu'environ le tiers des neurones (83/131 cellules : 66%) testés aux stimuli de flux optique ont répondu à au moins un type de stimulus utilisé. De ces cellules sensibles aux stimulations de flux optique, une population de neurones (66 des 86 cellules) a été sélective à une direction particulière le long de l'axe frontal. La majorité de ces cellules a préféré la direction d'expansion qui correspond à la locomotion vers l'avant. Les neurones ayant des CR centraux ont répondu de façon similaire lorsque les gradients de vitesse et de taille étaient présents ou non. Par contre, les neurones ayant des CR périphériques ont démontré une autre tendance. Ces cellules répondaient presque exclusivement lorsque l'origine du mouvement était placé à l'aire centrale. Aussi, les cellules ayant des CR périphériques ont codé les indices qui sont propres au flux optique (gradients). Nos résultats suggèrent l'implication du cortex PMLS dans l'analyse du flux optique. Également, les résultats ont relevé une différence entre l'analyse du flux optique faite par les cellules ayant des CR centraux et ceux ayant des CR périphériques, ce qui nous amène à suggérer l'existence d'une dichotomie fonctionnelle au sein du cortex PMLS.

Comme la plupart des animaux doivent se déplacer pour se nourrir, échapper à la prédation et trouver des partenaires, les capacités locomotrices sont d'une grande importance dans l'écologie d'une espèce. La performance musculaire est déterminée par les attributs biomécaniques et physiologiques de l'animal. Bien que les lois physicochimiques soient les mêmes pour tous les organismes, les meilleures solutions face aux contraintes définies par ces lois sont influencées par la taille de l'organisme. Au cours de sa croissance, le pétoncle géant, Placopecten magellanicus, est initialement sessile, ensuite très mobile et enfin, plus sédentaire. La simplicité de son système locomoteur, combinée avec sa réponse de fuite caractéristique face à une étoile de mer prédatrice, facilite l'examen de l'impact de la taille sur ses performances. Nous avons utilisé des mesures de force in vivo pour évaluer comment P. magellanicus utilise son muscle adducteur pendant la réponse de fuite, déterminant ainsi comment l'utilisation et les capacités du muscle évoluent sur un large éventail de taille (hauteur de coquille de 30 à 98 mm). L'analyse des composantes principales issues du comportement de fuite a révélé que les paramètres associés à l'endurance et à la fréquence de contraction phasique sont liés sur les deux premiers axes, alors que les mesures de production de force sont associées sur le troisième axe. L'endurance et le nombre de claps lors de la réponse de fuite ont montré une dépendance par rapport à la taille, mais la taille a un impact plus prononcé sur la production de force. Une hausse puis une baisse de la production de force phasique ont été observées avec l'augmentation de la taille. Les variables physiologiques musculaires telles que les activités enzymatiques et le contenu en phosphoarginine ont présenté une dépendance similaire sur la taille. Nos résultats indiquent donc que les caractéristiques comportementales et physiologiques de P. magellanicus suivent une dépendance semblable par rapport à la taille et nous suggérons que des considérations écologiques soient responsables de ces changements.

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique.

La capacité locomotrice est un élément essentiel du fitness de la plupart des animaux, car elle est associée directement à leur survie. L'évaluation des capacités de locomotion des animaux et de leur lien avec leurs caractéristiques physiologiques, génétiques et morphologiques, est un défi majeur. Les pétoncles ont un système locomoteur simple, dépendant d'un seul muscle, ce qui permet d'associer les aspects fonctionnels de ce muscle directement aux capacités de nage. À cette fin, j'ai exploité une technique non invasive (muscle-mètre) qui montre l'activité musculaire d'un pétoncle au cours de sa fuite d'un prédateur. Cette technique révèle un grand nombre de propriétés musculaires pouvant être reliées à des aspects génétiques et physiologiques. Ma comparaison de la production de force par le muscle adducteur de Placopecten magellanicus in vitro et in vivo souligne les avantages des mesures in vivo et suggère que l'organisation mécanique du muscle favorise la production de force lors de la fermeture des coquilles. J'ai trouvé que les conditions défavorables (exposition à l'air, manipulations) diminuent la capacité de fuite autant que les marqueurs biochimiques traditionnels qui sont beaucoup plus longs à mesurer. Toutefois, les capacités de fuite sont restées relativement stables au cours de la ponte, même si ce processus implique des contractions phasique et est censé affaiblir les pétoncles. Ainsi, la ponte n'affecte ni le nombre ni la fréquence des contractions phasiques, ce qui suggère qu'elle ne change pas la disponibilité de carburants pour les contractions phasiques. J'ai trouvé que les pétoncles utilisent les contractions toniques pour accélérer la récupération métabolique partielle du muscle phasique durant une réponse de fuite. Les contractions toniques permettent à la charge adénylique (AEC) de retrouver des valeurs normales permettant la poursuite des contractions phasiques. Enfin, l'hétérozygotie à plusieurs loci fonctionnels, une caractéristique génétique imputée à faciliter la locomotion des pétoncles, n'est guère corrélée significativement avec la capacité de fuite, chez P. magellanicus ou Argopecten purpuratus. Par contre, les propriétés morphologiques des pétoncles sont plus liées à l'hétérozygotie. Le manque de dépendance des capacités de fuite des pétoncles au stress de la ponte et à l'hétérozygotie à des loci fonctionnels reflète probablement l'importance des réponses de fuite pour leur survie. Par contre, un stress physiologique, comme l'exposition à l'air, réduit les capacités de fuite, de sorte que l'évaluation de la nage de ces animaux peut être utilisée comme un indicateur de leur vitalité.

With the maturity of conventional industrial robots, there has been increasing interest in designing robots that emulate realistic animal motions. This discipline requires careful and systematic investigation of a wide range of animal motions from biped, to quadruped, and even to serpentine motion of centipedes, millipedes, and snakes. Collecting optical motion capture data of such complex animal motions can be complicated for several reasons. Often there is the need to use many high-quality cameras for detailed subject tracking, and self-occlusion, loss of focus, and contrast variations challenge any imaging experiment. The problem of self-occlusion is especially pronounced for animals. In this thesis, we walk through the process of collecting motion capture data of a running lizard. In our collected raw video footage, it is difficult to make temporal correspondences using interpolation methods because of prolonged blurriness, occlusion, or the limited field of vision of our cameras. To work around this, we first make a model data set by making our best guess of the points' locations through these corruptions. Then, we randomly eclipse the data, use Gappy POD to repair the data and then see how closely it resembles the initial set, culminating in a test case where we simulate the actual corruptions we see in the raw video footage. / Master of Science / There has been increasing interest over the past few years in designing robots that emulate realistic animal motions. To make these designs as accurate as possible requires thorough analysis of animal motion. This is done by recording video and then converting it into numerical data, which can be analyzed in a rigorous way. But this conversion cannot be made when the raw video footage is ambiguous, for instance, when the footage is blurry, the shot is too dark or too light, the subject (or parts of the subject) are out of view of the camera, etc. In this thesis, we walk through the process of collecting video footage of a lizard running and then converting it into data. Ambiguities in the video footage result in an incomplete translation into numerical data and we use a mathematical technique called the Gappy Proper Orthogonal Decomposition to fill in this incompleteness in an intelligible way. And in the process, we lay your hands on the fundamental drivers of the animal’s motion.

This dissertation explores the development of sophisticated distributed layered control algorithms focused on the navigation, planning, and control of multi-agent quadrupedal robots collaborating in uncertain environments. Quadrupedal robots are high-dimensional, complex systems that are inherently unstable, posing significant challenges in designing predictive control laws. Template models offer a solution by providing a bridging layer of reduced-order models with fewer state variables and linearized dynamics. However, this approach compromises the agility and full potential of these sophisticated machines, as template models may fail to capture the intricate nonlinear dynamics of quadrupedal robots. Furthermore, in multi-robot systems (MRS) where numerous robots operate concurrently, it becomes crucial to develop strategies embedding collision safety mechanisms. One approach involves embedding Euclidean distance constraints in the predictive control formulation. While effective, this method significantly complicates the optimal control (OC) problem and increases computational overhead. To mitigate these challenges, this dissertation explores hierarchical and distributed control frameworks, focusing on developing real-time feasible controllers that guarantee collision avoidance while preserving the agility of these hardware platforms by utilizing fully nonlinear template models. In particular, this research investigates a multi-layered framework consisting of potential fields at the high-level layer, a distributed nonlinear model predictive control (DNMPC) based middle-level layer responsible for uncertainty mitigation, and full-order nonlinear controllers at the low-level layer. Additionally, the latter part of this dissertation examines the integration of safety-ensuring control barrier functions (CBFs) into the nonlinear model predictive control (NMPC) layer, thereby providing rigorous mathematical guarantees for collision avoidance. The crux of this research lies in addressing the following questions: How do we design layered control frameworks to guarantee optimal gait planning and collision avoidance while maintaining computational tractability? How do we mitigate uncertainty in the environment in real-time using safety-critical control algorithms? / Doctor of Philosophy / This dissertation investigates advanced control strategies for coordinating teams of quadrupedal robots in dynamic and uncertain environments. Quadrupedal robots present significant challenges in control and stability due to their complex, high-dimensional nature and inherent instability. Current approaches often employ simplified models for control, which, while computationally efficient, fail to fully capture the intricate dynamics of these sophisticated machines, thus limiting their agility and potential. Furthermore, in multi-robot systems, ensuring collision avoidance is a practically integral part of control. Conventional methods, including Euclidean distance constraints for collision avoidance, prove effective but substantially increase computational demands and complicate the optimal control problem. To address these challenges, this research explores a hierarchical, distributed control framework designed to guarantee collision-free navigation while maximizing the agility of quadrupedal platforms through the use of comprehensive nonlinear models. The proposed framework consists of three primary layers: a high-level layer utilizing potential fields for global path planning, a middle layer employing distributed nonlinear model predictive control for local navigation and uncertainty mitigation, and a low-level layer implementing full-order nonlinear controllers for precise motion execution. Additionally, this work examines the integration of control barrier functions into the predictive control layer, providing mathematical guarantees for collision avoidance. The core objectives of this research are twofold: first, to develop layered control frameworks that ensure optimal gait planning and collision avoidance while maintaining computational feasibility; and second, to create real-time algorithms capable of mitigating environmental uncertainties using safety-critical control methods. By addressing these fundamental questions, this dissertation aims to advance the field of multi-agent quadrupedal robotics, enhancing the capability of robotic teams to operate effectively in complex, unpredictable environments. The potential applications of this research extend to critical areas such as search and rescue operations, environmental monitoring, and exploration of hazardous terrains.

The majority of previous research investigating the role of vision in controlling adaptive gait has predominantly focused on over-ground walking or obstacle negotiation. Thus there is a paucity of literature investigating visuomotor control of step descent. This thesis addressed the importance of the lower visual field (lvf) in regulating step descent landing control, and determined when visual feedback is typically used in regulating landing control prior to / during step descent. When step descents were completed from a stationary starting position, with the lvf occluded or degraded, participants adapted their stepping strategy in a manner consistent with being uncertain regarding the precise location of the foot / lower leg relative to the floor. However, these changes in landing control under conditions of lvf occlusion were made without fundamentally altering stepping strategy. This suggests that participants were able to plan the general stepping strategy when only upper visual field cues were available. When lvf was occluded from either 2 or 1 step(s) prior to descending a step during on-going gait, stepping strategy was only affected when the lvf was occluded in the penultimate step. Findings suggest that lvf cues are acquired in the penultimate step / few seconds prior to descent and provide exproprioceptive information of the foot / lower leg relative to the floor which ensures landing is regulated with increased certainty. Findings also highlight the subtle role of online vision used in the latter portion of step descent to 'fine tune' landing control.

No / The importance of peripheral visual cues in the control of minimum-foot-clearance during overground locomotion on a clear path was investigated. Eleven subjects walked at their natural speed whilst wearing goggles providing four different visual conditions: upper occlusion, lower occlusion, circumferential–peripheral occlusion and full vision. Results showed that under circumferential– peripheral occlusion, subjects were more cautious and increased minimum-foot-clearance and decreased walking speed and step length. The minimum-foot-clearance increase can be interpreted as a motor control strategy aiming to safely clear the ground when online visual exproprioceptive cues from the body are not available. The lack of minimum-foot-clearance increase in lower occlusion suggests that the view of a clear pathway from beyond two steps combined with visual exproprioception and optic flow in the upper field were adequate to guide gait. A suggested accompanying safety strategy of reducing the amount of variability of minimum-foot-clearance under circumferential–peripheral occlusion conditions was not found, likely due to the lack of online visual exproprioceptive cues provided by the peripheral visual field for fine-tuning foot trajectory.

Entre 2006 et 2011, 44 430 amputations du membre inférieur (MI) ont été réalisées au Canada, dont un tiers au niveau trans-tibial à la suite d'affections vasculaires (90%) et traumatiques (6%). Pour les individus amputés trans-tibiaux (iATT) un des enjeux de la réadaptation est la mise en place de prothèse. Cependant, l'utilisation d'une prothèse augmente la prévalence de troubles secondaires tels que l'arthrose, les lombalgies, et les ré-amputations. L'apparition de ces troubles secondaires est associée à une augmentation des contraintes articulaires et à une asymétrie lors des tâches fonctionnelles (marche, montée/descente d'escaliers, lever de chaise). L'évaluation de ces tâches fonctionnelles en clinique est importante, car elles sont en lien avec l'indépendance. Cependant ces évaluations se limitent actuellement à la capacité à réaliser ces tâches et non à quantifier les stratégies compensatoires. Une évaluation biomécanique (cinématique et cinétique tridimensionnelles du corps entier) permettrait de quantifier ces stratégies compensatoires afin de mieux comprendre les liens avec les troubles secondaires. L'objectif général de cette thèse était donc d'analyser les stratégies compensatoires tridimensionnelles du corps entier lors de l'exécution de tâches fonctionnelles auprès des individus amputés trans-tibiaux. Dans un premier temps, une revue de littérature, effectuée jusqu'à mai 2020, sur 17 articles a permis d'identifier les stratégies compensatoires lors du lever de chaise et de la montée d'escalier, ainsi que les limites des études actuelles. Parmi les limites, il ressort de cela que les iATT inclus dans les études sont majoritairement traumatiques et plus jeunes que les données épidémiologiques de la population générale. Cela pourrait être dû à des critères d'inclusion qui entraine un recrutement d'individus avec un niveau fonctionnel élevé. Ensuite, en ce qui concerne les variables cinématiques et cinétiques utilisées, il ressort que le tronc a peu été évalué lors de la montée d'escalier et que lors du lever de chaise l'analyse des membres inférieurs se limite à l'asymétrie dans le plan sagittal. À la suite de ces constatations, il a été décidé de valider une rampe instrumentée afin de pouvoir inclure des iATT avec un niveau fonctionnel moins élevé qui nécessitent l'aide d'une rampe pour la montée d'escalier. De plus, l'avantage d'une rampe instrumentée était de donner un retour direct sur son utilisation. Enfin, les tâches fonctionnelles de lever chaise et de montée d'escalier ont été analysées par la cinétique du tronc et des membres inférieurs dans les plans sagittal et frontal. Ces analyses du corps entier dans ces deux plans ont permis de mieux comprendre les stratégies compensatoires du tronc et des membres inférieurs et le lien avec les troubles secondaires reconnus dans la littérature, notamment grâce aux analyses dans le plan frontal. En effet, si certaines stratégies compensatoires peuvent varier entre les deux tâches, l'augmentation du moment d'adduction du genou, variable considérée comme prédictive de l'apparition de l'arthrose de genou, est quant à elle présente dans les deux. / Between 2006 and 2011, 44,430 lower limb amputations were performed in Canada, a third of which at the trans-tibial level following vascular (90%) and traumatic (6%) conditions. For individuals with a trans-tibial amputation (iTTA), one of the challenges of rehabilitation is the fitting of a prosthesis. However, the use of a prosthesis increases the prevalence of secondary conditions such as osteoarthritis, low back pain, and re-amputation. The appearance of these secondary conditions is associated with an increase in joint stress and asymmetry during functional tasks (i.e., walking, stair ascent/descent, sit-to-stand). The evaluation of these functional tasks in clinical settings is important because they are related to independence. However, these evaluations are limited by the ability to perform these tasks and not to quantify the compensatory strategies. A biomechanical evaluation (three-dimensional kinetics and kinetics of the whole body) would allow us to quantify these compensatory strategies in order to better understand their links with secondary conditions. Therefore, the main objective of this thesis was to analyze the three-dimensional full-body compensatory strategies during functional tasks in iTTA. First, a literature review, up to May 2020, on 17 articles identified compensatory strategies during sit-to-stand and stair ascent, as well as the limitations of current studies. Among these limitations, it appears that the iATT included in the studies are predominantly traumatic and younger than the epidemiological data about the general population. This could be due to inclusion criteria which resulted in the recruitment of individuals with a highly functional level. Then, with regards to the kinematic and kinetic variables used, it appears that the trunk was rarely evaluated during stair ascent and that during sit-to-stand the analysis of the lower limbs is limited to the asymmetry in the sagittal plane. As a result of these observations, it was decided to validate an instrumented handrail to allow the inclusion of iATT with a lower functional level who require the aid of a handrail for stair ascent. In addition, the instrumented handrail gave direct measures of its use. Finally, the functional tasks of sit-to-stand and stair ascent were analyzed with respect to the kinetics of the trunk and lower limbs in the sagittal and frontal planes. These analyses of the whole body in these two planes made it possible to better understand the compensatory strategies of the trunk and the lower limbs and their link with the secondary conditions recognized in the literature, in particular due to the analyses in the frontal plane. Indeed, even if some compensatory strategies differ between the two tasks, increased knee adduction moments, which is considered be a predictor of knee osteoarthritis progression, was present in both.