Orientadora: Lilian Teresa Bucken Gobbi / Coorientador: Marcelo Pinto Pereira / Banca: Luis Augusto Teixeira / Banca: José Eduardo Pompeu / Resumo: Introdução: a doença de Parkinson (DP) tem o início assimétrico dos sintomas motores e afeta o processamento e a integração das informações proprioceptivas, comprometendo o controle motor dos membros superiores tanto em tarefa singular (tarefa manual isolada) quanto em tarefa dupla (tarefa manual e controle postural). Por estas tarefas serem frequentemente exigidas nas atividades de vida diária, esclarecimentos quanto ao papel da assimetria da doença nessas tarefas podem elucidar sobre os efeitos da doença na funcionalidade dos pacientes e nortear a decisão sobre estratégias de intervenção mais pertinentes. Dentre as estratégias de intervenção para esses comprometimentos encontram-se a instrução de foco de ação externo e a terapia do espelho (TE). Ambas as intervenções podem ser potencialmente eficazes na DP por facilitar a aprendizagem motora. Objetivos: avaliar o papel da assimetria da doença no controle dos membros superiores e do controle postural nas condições de tarefa singular versus dupla e de tarefa com instrução de foco de atenção livre versus foco externo, assim como verificar o efeito da TE no controle motor do membro superior afetado e no controle postural de pacientes com DP. Método: 20 pacientes foram avaliados quanto ao controle dos membros superiores (análise cinemática) e ao controle postural (análise cinética), nas condições de tarefa singular e dupla, foco de atenção livre e externo. Posteriormente, os pacientes foram distribuídos nos grupos GI1 e GI2 e realizaram a intervenção que consistiu de treino unilateral do membro superior menos afetado, com duração de 30 minutos diários, 5 dias consecutivos na semana, durante 6 semanas, em domicílio. Na intervenção somente o GI1 utilizou o feedback visual - TE. Os grupos foram avaliados pré- e pós-intervenção. Resultados: o desempenho ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Background: Parkinson's disease (PD) presents asymmetric early motor symptoms, and those symptoms affect the processing and the integration of proprioceptive information. Due to that, the upper limb motor control is impaired even on single task (isolated manual task) and dual task (manual task and posture control). Because these sort of tasks are performed during activities of daily living, the role of asymmetry on those task must be clarified to elucidate the effects of disease on PD functionality and thus guide the therapists choose more effective interventions. Among strategies of intervention on PD motor impairments, two strategies that deserve special attention are the instruction of external focus of attention and mirror therapy (MT). Both interventions might be potentially effective to facilitate motor learning. Aims: to assess the role of PD asymmetry on upper limbs motor control and postural control in conditions of single versus dual task; and tasks with attentional focus with instructions versus external focus as well as to verify the effect of MT on upper limbs motor control more affected on postural control of PD patients. Methods: Twenty PD patients were submitted to assessments on: Upper Limb motor control (kinematic analysis) and postural control (kinetics analysis), in single and dual task conditions, with and without external focus of attention. Posteriorly, the subjects were distributed in two different groups: GI1 and GI2. The MT protocol consisted in a unilateral home therapy on less affected upper limb, performed 30 minutes a day, five days a week, during 6 consecutives weeks. To assist the subjects of GI1, they performed this protocol using a visual feedback (mirror therapy). Both groups were assessed before and after therapy protocol. Results: performance was not different between upper limbs and single and dual tasks, ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Sheila Canevese Rahal / Coorientador: Alexander de Oliveira El-Warrak / Banca: Alexandre Lima de Andrade / Banca: Ana Carolina Mortari / Banca: Carlos Alberto Hussni / Banca: Stelio Pacca Loureiro Luna / Resumo: O trabalho teve por objetivos descrever parâmetros cinéticos e cinemáticos de cães da raça Rottweiler não displásicos e displásicos, bem como desses últimos antes e após pectineomiectomia, tenotomia do m. iliopsoas e neurectomia da cápsula articular. Treze cães foram divididos em dois grupos: Grupo 1 (G1), com sete animais não displásicos, de 2 a 8 anos de idade, pesando entre 30,3 e 58 kg; e Grupo 2 (G2), constituído por seis cães displásicos, de 1,5 a 10 anos de idade, pesando entre 36 e 60 kg. Os parâmetros cinéticos e temporoespaciais foram aferidos por uma plataforma de pressão. Para a análise cinemática da locomoção os ângulos e a velocidade angular das articulações do ombro, cotovelo, do carpo, coxofemoral, joelho e do tarso, bem como a abdução-adução da articulação coxofemoral foram registrados por três câmeras infravermelhas e processados em um programa de computador. A comparação entre G1 e G2 demonstrou que o deslocamento angular do cotovelo e amplitude de abdução-adução foram maiores no G2, exceto o ângulo mínimo da articulação coxofemoral. Diferenças na porcentagem de apoio, impulso vertical e pico de força vertical foram observadas apenas nos membros torácicos (MT's), sendo maiores no G2. Os cães displásicos avaliados entre o pré-operatório e 100 dias de pós-cirúrgico apresentaram valores para velocidade angular mínima do ombro e tempo de apoio dos MT's maiores na última avaliação. Pela avaliação clínica, os escores de dor e claudicação demonstraram melhora. Concluiu-se que cães displásicos apresentam valores cinemáticos, cinéticos e temporoespaciais que indicam maior flexão do quadril e uma maior amplitude do movimento de abdução dos membros pélvicos para se adaptarem à dor articular. Além... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The aim of this study was to describe kinematic and kinetic parameters in healthy and dysplastic dogs, as well as in dysplastic dogs before and after pectineomyectomy, iliopsoas tenotomy and neurectomy of the hip joint capsule. Thirteen Rottweiler dogs were used. These animals were divided into two groups: Group 1 (G1), seven clinically healthy dogs aged from 2 to 8 years and ranging in mass from 30.3 to 58 kg, Group 2 (G2), six dysplastic dogs aged from 1.5 to 10 years and ranging from 36 to 60 kg. The kinetic and temporospatial parameters were collected using a pressure-sensitive walkway. Kinematic analysis was performed using three infrared cameras to record 3D angles, angular velocity angular acceleration were determined for the shoulder, elbow, carpal, hip, stifle, and tarsal joints. The data was processed by a motion-analysis software. In addition, the degree of coxofemoral joint abduction-adduction was determined. The comparison between G1 and G2 showed angular displacement of the elbow and abduction-adduction was higher in G2 except the minimum hip joint angle. The percentage of stance, vertical impulse and peak of vertical force were higher in G2 only for the forelimbs. The forelimbs of dysplastic dogs among the preoperative and the post-operative assessments showed higher values for minimal angular velocity of the shoulder and stance time at the last assessment. Clinical evaluation showed improvement of pain and lameness scores. Based on the data, dysplastic dogs have kinematic, kinetic and temporospatial parameters suggest that the greater hip flexion and greater range of hind limbs abduction is an adaptation for the articular pain. Moreover, dysplastic dogs treated with palliative surgical technique above demonstrate clinical pain improvement, supported by kinetic and temporospatial analysis... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Lilian Teresa Bucken Gobbi / Banca: Sérgio Tosi Rodrigues / Banca: Luis Augusto Teixeira / Resumo: Considerando que indivíduo e ambiente encontram-se dinamicamente relacionados e que o indivíduo encontra no ambiente situações também em movimento, o presente estudo propôs-se a analisar as estratégias locomotoras da ultrapassagem de obstáculo que se movimenta em diferentes velocidades. Participaram 10 adultos jovens, universitários. Com marcadores passivos fixados em referências anatômicas de interesse, cada participante percorreu andando uma passarela de 6 m de comprimento delimitada por um corredor de 0,50 m de largura e ultrapassou o obstáculo que cruzou perpendicularmente sua trajetória em três condições de velocidade. Os resultados revelaram que a velocidade do obstáculo desencadeou ajustes espaciais e temporais nos passos anteriores ao obstáculo. Na ultrapassagem, os resultados evidenciaram que, na velocidade baixa, os participantes aproximaram-se mais do obstáculo antes da ultrapassagem, aumentaram a margem de segurança sobre o obstáculo e a distância após a ultrapassagem, erraram menos e demoraram mais para ultrapassar o obstáculo. Entretanto, na velocidade alta, os participantes aumentaram ainda mais a margem de segurança sobre o obstáculo e afastaram-se mais após a ultrapassagem. Estes resultados indicam que ocorreram modificações no padrão de aproximação e ultrapassagem do obstáculo de acordo com a velocidade / Abstract: Considering that both individual and environment are dynamically related and that the individual find in the environment situations also in movement, the purpose of the present study was to analyze the locomotor strategies during crossing the obstacle, which moved in different speeds. Ten young adults, undergraduate students participated. Passive markers were attached in anatomical landmarks. Each participant walked on a pathway of 6m long and 0.5m wide and passed over an obstacle that perpendicularly (90º) crossed his/her trajectory under three velocity conditions. The results revealed that the obstacle velocity unchained spatial and temporal adjustments in all steps prior to the obstacle. During the crossing phase, the results revealed that in low speed the participants got closer to the obstacle before crossing, increased the safety margin over the obstacle, increased the foot placement after the obstacle, decreased the errors, and increased the time to pass over the obstacle. However, on the high velocity, the participants increased even more the safety margin over the obstacle and increased foot placement after the obstacle. These results showed that the obstacle velocity modulated the approach and crossing patterns / Mestre

O objetivo do presente estudo foi analisar as respostas cinemáticas e neuromusculares de diferentes saltos da patinação artística sobre rodas, com e sem patins, as respostas cinéticas dos mesmos saltos sem patins, e as respostas cinéticas e cinemáticas do countermovement jump (CMJ), drop jump (DJ) e squat jump (SJ), em patinadores de elite. Foram avaliados quatro patinadores de elite do Rio Grande do Sul, sendo estes uma mulher e um homem da categoria Junior e uma mulher e um homem da categoria Sênior. Os sujeitos participaram de três sessões: a primeira foi destinada à coleta das medidas antropométricas e à realização da contração isométrica voluntária máxima para normalização da eletromiografia, a segunda foi destinada à coleta das variáveis cinéticas, cinemáticas e neuromusculares sem patins, no laboratório, e a terceira foi destinada à coleta das variáveis neuromusculares e cinemáticas durante os saltos realizados com patins, no ginásio. Foram avaliados quatro saltos da patinação artística: Axel simples, Axel duplo, Mapes duplo e Mapes triplo. Os sujeitos executaram três saltos de cada tipo e foi selecionado aquele que estava melhor localizado dentro da zona de filmagem e que apresentou a melhor qualidade de execução. De acordo com os resultados, os patinadores homens foram mais potentes do que as mulheres durante os saltos verticais CMJ, DJ e SJ. Nos saltos da patinação os quatro atletas apresentaram maior impulso, potência máxima, altura e velocidade rotacional durante os saltos com mais rotações do que durante os saltos com menos rotações, enquanto a velocidade horizontal no take-off foi menor nos saltos com mais rotações. Na comparação entre os saltos Axel e Mapes, os patinadores demonstraram maior duração da propulsão no salto Axel do que no Mapes. Quanto à análise eletromiográfica, os músculos gastrocnêmio lateral, reto femoral, vasto lateral, bíceps femoral e glúteo máximo, apresentaram maior ativação durante os saltos com mais rotações, principalmente nas fases de propulsão e voo. Sugere-se que os resultados obtidos no presente estudo sejam considerados no planejamento de um treinamento específico, já que podem ser importantes para o desenvolvimento dos patinadores de elite, provavelmente sendo úteis também para os patinadores de outros níveis que almejam alcançar o nível internacional e obter sucesso em competições. / The aim of the present study was to analyze the kinematic and neuromuscular responses of different roller figure skating jumps, with and without skates, the kinetic responses of the same jumps without skates and the kinetic and kinematic responses of the countermovement jump (CMJ), drop jump (DJ) and squat jump (SJ), in elite skaters. Four elite skaters from Rio Grande do Sul were evaluated, including one Junior female, one Junior male, one Senior female and one Senior male. Each one took part in three experimental sessions: the first one was to collect the anthropometric data and to perform the maximum voluntary isometric contraction for electromyography normalization, the second one was to collect the kinetic, kinematic and neuromuscular variables, without skates, at the laboratory, and the third one was to collect the neuromuscular and kinematic variables during the jumps executed with skates, at the rink. Four roller figure skating jumps were evaluated: single Axel, double Axel, double Mapes and triple Mapes. Subjects executed three jumps of each type and one was selected for analysis based on the best recording area and on the overall quality of the jump. According to the results, male skaters were more powerful than female skaters during the vertical jumps CMJ, DJ and SJ. During the roller figure skating jumps, the four skaters demonstrated higher impulse, maximal power, height and rotational velocity during jumps with more rotations than during jumps with less rotation, while the horizontal velocity at take-off was lower in the jumps with more rotations. Comparing the Axel and Mapes jumps, the skaters demonstrated more duration at the propulsion phase in the Axel jump than in the Mapes. In regard to the electromyographic response, the lateral gastrocnemius, rectus femoris, vastus lateralis, biceps femoris and gluteus maximus, showed more activation in the jumps with more rotations and mainly in the propulsion and flight phases. It is suggested that the results obtained in this study are considered in planning a specific training, since they may be important for the development of elite skaters, probably being also useful for skaters of other levels that aim to achieve the international level and succeed in competitions.

Este trabalho consiste na elaboração de uma estratégia para a geração de trajetórias otimizadas para um robô cilíndrico de cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Como resultado da aplicação do método desenvolvido obtêm-se as trajetórias no espaço das juntas que resultam no movimento adequado do efetuador do robô, de acordo com algum critério de otimização. Para a obtenção das trajetórias das juntas do robô a partir de uma dada trajetória desejada para o efetuador, resolveu-se o problema de cinemática inversa por meio de uma abordagem algébrica. Para a geração de trajetórias entre os pontos no espaço de trabalho do robô propõe-se a utilização de um algoritmo de aproximação de pontos através de splines compostas por polinômios de sétimo grau. Essa escolha garante a continuidade da função de posição, bem como de suas três primeiras derivadas, sendo essa uma condição necessária para a implantação de importantes leis e estratégias de controle (como, por exemplo, a estratégia em cascata, utilizada com sucesso no controle de sistemas servopneumáticos). O método proposto para a geração de splines possibilita, através do ajuste de parâmetros em função da exigência de cada aplicação, a obtenção de curvas no espaço das juntas com valores otimizados de jerk, aceleração ou velocidade. Para aplicação na geração de trajetórias para o robô, a interpolação dos pontos é realizada no espaço dos atuadores a fim de fornecer ao controlador as curvas de referência para posição, velocidade, aceleração e jerk. Para a demonstração da aplicação do método no seguimento de trajetórias, são utilizadas como referência curvas tridimensionais cujos valores numéricos são comparados com os resultados fornecidos a partir da metodologia proposta. Assim, uma vez calculadas as trajetórias em cada uma das juntas através da cinemática inversa, utiliza-se as transformações homogêneas da cinemática direta do robô, obtidas a partir do método de Denavit-Hartenberg, para obter a trajetória do efetuador e verificar a funcionalidade do modelo resultante. / This work consists of developing a strategy to generate optimized trajectories for a cylindrical robot with five degrees of freedom which is actuated pneumatically. As a result of the application of the developed method, trajectories in joint space are obtained and result in the proper motion of the robot’s end-effector according to a given optimizing criteria. In order to obtain the trajectories of the robot’s joints from a given desired trajectory for the end-effector, the problem of inverse kinematics was solved by an algebraic approach. To generate trajectories between points in the robot’s workspace it was proposed the use of an algorithm for approximation of points through splines composed by seventh degrees polynomials. This choice ensures the continuity of the position function as well as its first three derivatives. It is a necessary condition for the implementation of important laws and control strategies (for example, the cascade strategy which is successfully used in servo-pneumatic control systems). The proposed method to generate splines allows, through the adjustment of parameters taking into account the requirements of each application, the obtainment of curves in the joint space with optimized values of jerk, acceleration and speed. In order to apply the method in the generation of trajectories for the robot, the interpolation of the points is performed in the space of the actuators with the purpose of providing the controller reference curves for position, speed, acceleration and jerk. To demonstrate the application of the method in trajectory tracking, three-dimensional curves are used and their numerical values are compared with the results provided by the proposed methodology. Therefore, once the calculated trajectory in each joint through inverse kinematics is obtained, homogeneous transformations of the direct kinematics of the robot, obtained by Denavit-Hartenberg’s method, are employed to find out the trajectory of the end-effector and verify the functionality of the resulting model.

O foco deste trabalho é estudar a influência de buracos negros supermassivos (BNSs) nucleares na dinâmica e na cinemática estelar da região central das galáxias e determinar a massa destes BNSs. Assumindo que a função de distribuição (DF) que descreve a dinâmica da galáxia depende de duas integrais de movimento (f = f(E;Lz), onde E é a energia do sistema e Lz é a componente z do momento angular), construiu-se um modelo dinâmico de Jeans anisotrópico para reproduzir as distribuições de velocidades estelares observadas nas regiões centrais das galáxias ativas NGC4258 e NGC1052. A cinemática estelar das galáxias foi obtida através de observações espectroscópicas na banda-K do infravermelho próximo realizadas com o instrumento NIFS (Near-infrared Integral Field Spectrograph) no telescópio GEMINI Norte, e mostram que a distribuição de velocidades na região nuclear, em particular dentro do raio de influência do BNS, é dominada por uma alta dispersão de velocidades. Esta observação é consistente com a hipótese da presença de BNSs. Foram usadas imagens no infravermelho próximo obtidas com os instrumentos NICMOS (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) a bordo do HST (Hubble Space Telescope) e do 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) para construir modelos de expansão multi-gaussiana (MGE) para parametrizar a distribuição superficial de brilho das galáxias. A partir destes modelos MGE foi possível obter as distribuições de matéria e os potenciais gravitacionais das galáxias. A estes potenciais adicionou-se o potencial de uma fonte pontual representando o BNS central. Estes pares potencial-densidade descritos como funções gaussianas bidimensionais foram então usados para resolver as equações de Jeans semi-isotrópicas com simetria axial e modelar as distribuições de velocidades das galáxias. Comparando a cinemática modelada com as observações concluímos que o BNS no núcleo da galáxia NGC4258 possui uma massa de 4, 8+0,9 -0,8M e que o BNS no núcleo da galáxia NGC1052 possui uma massa de 3,6 108M. / The focus of this work is the study of the in uence of nuclear supermassive black holes (SMBHs) in the dynamics and stellar kinematics of the central region of galaxies and determine the masses of these SMBHs. Assuming that the distribution function (DF) that describes the galaxy dynamics depends of two integrals of motion (f = f(E;Lz), where E is the energy of the system and Lz is the z-component of the angular momentum), we have constructed a Jeans anisotropic dynamical model to t the observed stellar velocity distributions of the central regions of the active galaxies NGC4258 and NGC1052. The stellar kinematics of the galaxies was obtained from near-infrared spectroscopic observations in the K-band performed with the instrument NIFS (Near-infrared Integral Field Spectrograph) of the GEMINI North telescope. The observations show that the velocity distributions in the nuclear regions, particularly inside the black hole sphere of in uence, of the galaxies is dominated by high velocity dispersions. These observations are consistent with the hypothesis of the presence of SMBHs at the nucleus. We have used near-infrared K-band and H-band images obtained with the NICMOS instrument (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) aboard the HST (Hubble Space Telescope) and from 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) to build multi-gaussian expansion models (MGE) to parametrise the surface brightness distributions of the galaxies. From these MGE models it was possible to obtain the mass distributions and the gravitational potentials of the galaxies. To these potentials we added the potential of a point source representing the SMBH. These densitypotential pairs described as two-dimensional gaussian functions were then used to obtain the solutions of the semi-isotropic axisymmetric Jeans equations and to model the velocity distributions of the galaxies. By comparing the modelled kinematics with the observed one we concluded that the SMBH in the nucleus of the galaxy NGC4258 has a mass of 4, 8+0,9 -0,8M and that the SMBH in the nucleus of the galaxy NGC1052 has a mass of 3,6 108M.

O objetivo deste estudo foi comparar variáveis cinemáticas e coordenativas do nado borboleta sob diferentes modelos inspiratórios, velocidades de nado e níveis de desempenho. Participaram 23 nadadores competitivos, divididos em grupo de nível iniciante (n = 9) e grupo de nível avançado (n = 14). Foram mensuradas as durações das fases da braçada (entrada e apoio, puxada, empurrada e recuperação) e da pernada (descendente1, ascendente 1, descendente 2, ascendente 2), bem como a duração relativa das duas fases propulsivas principais DP1 (do início ao final da fase descendente 1 da pernada) e DP2 (do início da puxada ao final da fase descendente da segunda pernada). Os ângulos de ataque do tronco foram avaliados nos pontos-chave de entrada das mãos, início da puxada, início da empurrada e saída das mãos da água. Com relação à coordenação de membros, foram avaliadas as diferenças temporais entre pontos-chave da braçada e da pernada, sendo: T1 (entrada das mãos – início da fase descendente da primeira pernada), T2 (final da fase descendente da primeira pernada – início da puxada), T3 (início da empurrada – início da fase descendente da segunda pernada), T4 (final da fase descendente da segunda pernada – saída das mãos da água) e TTG (diferença de tempo total). Foi realizado, ainda, o estudo de um dos casos por meio de videogrametria tridimensional, por meio da qual foi possível mensurar as amplitudes de oscilação vertical do vértex e do ombro. Os principais resultados mostram que: (1) O grupo de nível avançado, comparado ao de nível iniciante, apresentou maior velocidade de nado, maior freqüência de ciclos e maior índice de nado. Este maior índice de nado foi acompanhado de menores ângulos de ataque do tronco nos pontos-chave de entrada das mãos, início da puxada e saída das mãos da água. Nadadores de nível avançado apresentaram, ainda, menor duração relativa na fase de entrada e apoio, maior duração relativa na fase de recuperação. Considerando as fases propulsivas principais do nado, a duração relativa de DP2 foi maior no grupo avançado. Com relação à coordenação de membros, estes nadadores apresentaram menor diferença de tempo entre pontos-chave da braçada e da pernada para T2, T3, T4 e TTG. (2) Ao se executar ciclos não-inspiratórios, houve uma menor DC, comparado ao modelo de inspiração lateral, e um maior índice de nado, com relação aos modelos de inspiração frontal e lateral. Ainda, ciclos não-inspiratórios acarretaram em menores ângulos de ataque do que os demais modelos nos pontos-chave de entrada das mãos, início da puxada, início da empurrada e saída das mãos da água. O modelo de inspiração lateral apresentou um menor ângulo de ataque do que o modelo frontal somente no ponto-chave de entrada das mãos na água. Analisando a coordenação de nado, o modelo de inspiração lateral apresentou uma maior diferença de tempo para T1 e T3, quando comparado ao modelo de ciclos não-inspiratórios. (3) Com o aumento da velocidade imposta, os nadadores aumentaram a freqüência de ciclos, reduziram a distância percorrida por ciclo e aumentaram o índice de nado. Esse comportamento foi acompanhado por uma redução do ângulo de ataque do tronco nos pontos-chave de entrada das mãos na água, início da puxada e saída das mãos da água. Ainda, houve aumento na duração relativa das fases propulsivas e redução das fases não-propulsivas da braçada. Da mesma forma a duração relativa das fases propulsivas da pernada aumentou e a duração relativa da fase não-propulsiva A1 reduziu. Com relação à coordenação de membros, as diferenças de tempo para T1, T2, T4 e TTG reduziram com o aumento da velocidade. / The aim of this study was to compare the kinematical and coordinative parameters of the butterfly stroke under different breathing patterns, paces and expertise levels. Volunteered to this study 23 competitive swimmers, divide in beginner level group (n=9) and advanced level group (n = 14). Arm (entry and catch, pull, push and recovery) and leg (downward 1, upward 1, downward 2, upward 2) stroke phases relative duration, the main propulsive phases durations DP1 (from the beginning to the end of the downward 1 leg stroke phase) and DP2 (from the beginning of the pull phase to the end of the upward 2 leg stroke phase). The trunk angle of attack was measured at the hands entry, pull beginning, push beginning and hands exit key points. Regarding the inter-limb coordination, we analyzed the time gap between arm and leg propulsive actions, being: T1 (hands entry – beginning of the downward 1 phase), T2 (end of the downward 1 phase – beginning of the pull phase), T3 (beginning of the push phase –beginning of the downward 2 phase), T4 (end of the downward 2 phase – hands exit) and TTG (total time gap). In parallel a tridimensional analysis case study was developed for measuring the vertex and shoulder’s vertical amplitude of oscillation. The main results includes: (1) The advanced level group presented higher stroke rate and stroke index when compared to the beginner level group. This higher stroke index was due to lower angle of attack at the hands entrym pull beginning and hands exit key point. Advanced level swimmers presented also a shorter entry and catch phase and a longer recovery phase. Regarding the main propulsive phases of the butterfly stroke, advanced level swimmers had a longer DP2. Considering the inter-limb coordination the advanced level group also presented shorter time gaps for T2, T3, T4 and TTG; (2) Performing the non-breathing condition swimmers had shorter stroke length, compared to de lateral breathing pattern, and a higher stroke index, compared to both frontal and lateral breathing conditions. Regarding the trunk angle of attack it was smaller at the hands entry, beginning of the pull phase, beginning of the push phase and hands release key points when performing non-breathing cycles. Compared to frontal breathing pattern, the trunk angle of attack was smaller at the hands entry performing lateral breathing. Compared to non-breathing pattern, T1 and T3 time gaps were longer performing lateral breathing; (3) Increasing the imposed pace, stroke rate and stroke index increased while stroke length decreased. Trunk angle of attack also reduced at the hands entry, beginning of pull phase and hands release key points. Relative duration for arm and leg stroke propulsive phases relative duration increased and non-propulsive phases relative duration decreased, except for the upward 2 phase. Regarding the inter-limb coordination T1, T2, T4 and TTG reduced when increasing the imposed pace.

Esta tese está dividida em três estudos. No estudo I desta tese, os objetivos foram descrever a cinemática tridimensional do ombro e determinar a contribuição da articulação escápulotorácica no movimento total de elevação. No estudo II, os objetivos foram descrever a atividade eletromiográfica (EMG) e o percentual de cocontração entre os músculos deltóide médio e redondo maior. No estudo III, o objetivo foi determinar o valor máximo da força de contato gleno-umeral e da força muscular. Quarenta sujeitos participaram dos estudos divididos em três grupos: pacientes com prótese total do ombro (PTO), com prótese reversa (PRO) e um grupo controle. Todos realizaram dois exercícios de reabilitação (flexão e elevação no plano escapular) usando diferentes cargas (sem carga externa, halter de 1kg e resistência elástica). A cinemática do ombro foi registrada por meio de um dispositivo eletromagnético de rastreamento, a atividade EMG foi registrada por meio de um eletromiógrafo de 16 canais e o modelo matemático utilizado foi o Delft Shoulder and Elbow Model. As análises estatísticas foram feitas por meio de ANOVAs de dois e três fatores para medidas repetidas. Foi utilizado o teste post hoc de Bonferroni e o nível de significância adotado foi de α < 0,05. Os resultados do estudo I mostram que a escápula contribui mais para o movimento total do ombro em pacientes com prótese em relação aos indivíduos saudáveis e em exercícios realizados com 1 kg e resistência elástica comparados com os exercícios sem carga externa. O ângulo de elevação glenoumeral durante a flexão foi significativamente maior no grupo PTO em comparação ao grupo PRO. O estudo II identificou maior atividade EMG do deltóide médio e posterior no grupo PTO em comparação ao grupo controle e um aumento da atividade EMG do peitoral (parte esternal) no grupo PRO em comparação ao grupo PTO e ao grupo controle. Para os outros músculos (deltóide anterior, redondo maior, peitoral maior - parte clavicular e serrátil anterior) não foram encontradas diferenças significativas entre os grupos. Para todos os músculos, exceto o serrátil anterior, a atividade EMG foi menor nos exercícios sem carga externa quando comparados aos exercícios com 1 kg e resistência elástica. Nenhum efeito principal dos fatores grupo e carga foi encontrado no percentual de cocontração. No estudo III, o grupo controle apresentou maior força de contato gleno-umeral máxima quando comparado ao grupo PTO durante a flexão, mas não foram encontradas diferenças entre os grupos de pacientes nos dois movimentos. A resistência elástica apresentou maiores valores de força de contato gleno-umeral em todos os grupos. O valor máximo da força de todos os músculos analisados variou de 0,32 N a 772 N e o manguito rotador e o deltóide foram os músculos que apresentaram os maiores valores de força em todos os grupos. A presente tese sugere que para uma mesma amplitude de movimento, os pacientes com prótese de ombro apresentarão um movimento escapular maior compensando a perda do movimento gleno-umeral. A cinemática escapular e a atividade EMG destes pacientes foram influenciadas pela implementação de cargas externas, mas não pelo tipo de carga, diferentemente das forças de contato e das forças musculares, nas quais a resistência elástica apresentou maior influência. Além disso, o percentual de cocontração não foi influenciado pelo tipo de prótese e os grupos de pacientes apresentaram menores forças de contato gleno-umeral do que o grupo controle. / This thesis is divided into three studies. In study I, the objectives were to describe shoulder three-dimensional kinematics and to determine the contribution of scapulothoracic motion in total shoulder elevation. In study II, the objectives were to describe the electromyographic activity (EMG) and the percentage of cocontraction between middle deltoid and teres major. In study III, the objective was to determine the maximum glenohumeral contact force and shoulder muscle forces. Forty subjects participated in the studies divided into three groups: patients with total shoulder prosthesis (TSP), patients with reverse shoulder prosthesis (RSP) and a control group. All patients realized two rehabilitation exercises (anteflexion and elevation in the scapular plane) using different loads (without external load, 1 kg dumbbell and elastic resistance). Shoulder kinematics was recorded by means of an electromagnetic tracking device, the EMG activity was recorded through a 16-channel EMG system and the Delft Shoulder and Elbow Model was used. Statistical analyses were performed by means of repeated measures ANOVAs. The Bonferroni post hoc test was used and the adopted significance level was α <0.05. Results of study I showed that the scapula contributes more to the total movement of the shoulder in patients with prosthesis compared to healthy subjects and in exercises performed with 1 kg and elastic resistance compared to exercises without external load. The glenohumeral elevation angle during anteflexion was significantly higher in the TSP group compared to the RSP. The study II identified higher EMG activity of the middle and posterior deltoid in the TSP group compared to the control group and an increase of EMG activity of pectoralis major (sternal part) in the RSP group compared to the TSP and the control group. For the other muscles (anterior deltoid, teres major, pectoralis major - clavicular part and serratus anterior) significant differences were not found among groups. For all muscles, except the serratus anterior, EMG activity was lower during exercises without external load compared to exercises with 1 kg and elastic resistance. No main effect of group and load was found in the percentage of cocontraction. In study III, the control group showed higher maximum glenohumeral contact force when compared to TSP group during anteflexion, but no differences were found between groups of patients during both movements. Elastic resistance exercises showed higher glenohumeral contact force in all groups. The maximum force of all analyzed muscles ranged from 0,32 N to 772 N and the rotator cuff and deltoid muscles presented the highest values in all groups. This thesis suggests that for a same range of motion, patients with shoulder prosthesis present greater scapular motion compensating the loss of glenohumeral motion. Scapular kinematics and EMG activity of these patients were affected by the implementation of external loads, but not by the type of load, unlike the contact forces and muscle forces, in which the elastic resistance had greater influence. Moreover, the percentage of cocontraction was not influenced by the type of prosthesis and patient groups had lower glenohumeral contact forces compared to the control group.

Manipuladores paralelos apresentam inércia reduzida, o que lhes permite alcançar altas acelerações e melhor eficiência energética. Porém, frequentemente seu espaço de trabalho possui desempenho pouco uniforme. De fato, a presença de singularidades paralelas é um forte limitante para essa arquitetura robótica. A redundância de atuação já é conhecida como uma alternativa para essa questão. Enquanto que a redundância cinemática ainda não possui consequências claras. Um manipulador com esse tipo de redundância apresenta um número de graus de liberdade do end-effector menor que o número de graus de liberdade do mecanismo como um todo. Considerando essa lacuna, o objetivo desse mestrado é analisar a influência da redundância cinemática no desempenho de manipuladores paralelos através de simulações e testes experimentais. Tal estudo não é trivial, uma vez que com o maior número de atuadores e graus de liberdade, é adicionada também inércia ao sistema. Foram definidas métricas para avaliar o quão favorável é uma dada posição e, com elas, estratégias de resolução de redundância foram analisadas. A estratégia principal proposta se compõe por duas etapas. No primeiro passo, é definida uma movimentação na qual a posição a cada instante é ótima segundo uma dada métrica de desempenho multiobjetivo. Isso resulta em um movimento de referência que em geral possui altas acelerações. Na segunda etapa, aplica-se uma otimização global, procurando manter um compromisso de proximidade com o movimento de referência e com os níveis de aceleração. Além deste, foram aplicados diversos métodos de otimização local (onde a cinemática inversa é resolvida para cada instante isoladamente) e uma estratégia global truncada. Essas opções foram comparadas numericamente e experimentalmente, trazendo uma resposta objetiva da influência da redundância cinemática no manipulador paralelo. A campanha experimental foi realizada em uma protótipo construído no Laboratório de Dinâmica da Escola de Engenharia de São Carlos. Esse protótipo consiste em um manipulador paralelo planar com 6 graus de liberdade, tendo assim, até 3 graus de redundância para a movimentação no plano. Têm-se 6 motores rotativos para atuá-los, sendo 3 deles acoplados a guias lineares com fusos para obtenção de atuação linear. O acionamento ou não destas guias define o grau de redundância do sistema, garantindo a versatilidade do protótipo. / As a consequence of their reduced inertia, parallel manipulators present superior energetic efficiency and they are able to reach high accelerations. Nevertheless, their workspace has a poorly uniform performance. Indeed, the presence of parallel singularities is a strong limitant for this kind of robots. On the one hand, actuation redundancy is well-known as a good choice in an effort to solve this issue. On the other hand, kinematic redundancy still have unclear consequences on this matter. A kinematically redundant manipulator presents an end-effector with fewer degrees of freedom than the mechanism as a whole. Considering this gap, the objective of this research is to analyze the influence of kinematic redundancy on the performance of parallel manipulators through simulations and experimental tests. This issue turns out to be complex, once traveling actuators sum additional inertia to the system. Metrics are defined in order to evaluate how favourable is a given position, and redundancy resolution strategies are analyzed using them. The main proposed strategy is composed of two steps. In the first one, a movement is defined so that the position for each instant is optimum for a given multiobjective performance metric. This procedure delivers a refererence movement which generally presents high accelerations. On the second step, a global optimization is applied, seeking for a trade-off between the proximity to the reference and the acceleration levels. In addition, several local methods (which resolve the inverse kinematics for each instant independently) and one truncated global strategy were addressed. These configurations were compared numerically and experimentally, delivering a objective analysis of the influence of kinematic redundancy on the performance of the parallel manipulator. The experimental campaign was executed with a physical prototype built at the São Carlos School of Engineering. This is a planar manipulator with 6 degrees of freedom, consequently presenting up to 3 degrees of redundancy. The mechanism is actuated by 6 rotating motors, of which 3 are coupled to leadscrews, resulting in linear actuators. These leadscrews can be locked, defining different degrees of redundancy and granting the versatility of the prototype.

O presente trabalho visa à modelagem e ao controle ótimo de um robô quadrúpede autônomo. Devido a variações na topologia e nos graus de liberdade do robô ao longo do seu movimento, duas abordagens diferentes de modelagem foram consideradas: na primeira, foi considerado o robô com pelo menos duas pernas suportando seu corpo ou plataforma e, na segunda, considerou-se o modelo de uma perna no ar. Em ambos os casos, apresentou-se a solução dos problemas cinemáticos de posição direta e inversa por meio da parametrização de Denavit-Hartenberg. Analisaram-se também os problemas cinemáticos de velocidade e suas singularidades através da Matriz Jacobiana, e ainda obtiveram-se os modelos dinâmicos do sistema utilizando-se o Principio do Trabalho Virtual e o método iterativo de Newton-Euler para a plataforma e as pernas, respectivamente. A partir destes modelos dinâmicos, desenvolveu-se um algoritmo de otimização das perdas de energia elétrica dos motores das juntas. Neste sentido, utilizou-se a estratégia do controle independente por junta. Estratégia esta que, junto com a discretização no tempo do modelo do sistema, permitiu transformar o problema inicial de otimização para cada junta em outro de Programação Quadrática bem mais simples de ser resolvido. Depois de resolver estes problemas, para levar em conta as interações entre as dinâmicas das várias juntas, procedeu-se à busca de um ponto fixo ou mínimo global que caracterizasse a energia total gasta no movimento do sistema. Finalmente, realizada a demonstração e a análise de convergência do algoritmo, este foi testado no controle da andadura (gait) do robô Kamambaré. Como resultado do teste, observou-se o bom desempenho da formulação e a viabilidade de sua implementação em sistemas reais. / The present work aims the modeling and optimal control of an autonomous quadruped robot. Due to variations in the topology and the degree of freedom of the robot during its motion, two different modeling approaches were considered: firstly, the robot was considered with at least two legs supporting its body or platform and, second one, was considered the model of a leg in the air. In both cases, was presented the solution of the direct and inverse kinematic problem of position through the Denavit-Hartenberg parameterization. Were analyzed also, the kinematic problem of speed and the singularities through the Jacobian matrix, and was also obtained the dynamic model of the system using the Principle of Virtual Work or the dAlembert method and the iterative Newton-Euler method for the platform and legs, respectively. From these two dynamic model, were developed an algorithm for optimizing the power losses of the motors that driven the joints. In this sense, was used the strategy of independent control for each joint. Such a strategy, along with the discretization in time of the system model, has helped to change the initial optimization problem for each joint in a Quadratic Programming Problem, more simpler to solve. After solving these problems, and to take into account the interactions between the dynamics of various joints, was proceeded to search for a fixed point or a global minimum that would characterize the total energy spent in moving for the system. Finally, held the demonstration and analysis of convergence of the algorithm was tested in the control of gait of the Kamambaré robot. As a result of the test, we observed the good performance of the formulation and the feasibility of its implementation in real systems.