Un contrôle moteur conventionnel se compose de deux niveaux de commande dénommés strates " groupe motopropulseur " et " moteur ". Historiquement, la conception de ce dispositif s'est organisée autour d'une logique organique, focalisée sur la composition matérielle de la chaîne de production de couple. Ceci explique que les moyens de développement soient, aujourd'hui encore, découplés et spécifiques à chaque type de motorisation, diesel ou essence. L'heure est désormais à la recherche d'une approche davantage fonctionnelle, et de chaînes de développement aussi génériques et mutualisées (en diesel, essence, voire hybride) que possibles, dans l'objectif de réduire les temps et coûts de développement. En effet, le besoin fonctionnel de la strate GMP est indépendant de l'architecture moteur, et, vue du GMP, la strate moteur n'est autre qu'un générateur de couple aux amplitudes et dynamiques diverses. Cette structuration ouvre la possibilité de traiter les spécificités Essence et Diesel au travers d'une gestion appropriée des dynamiques, dans le sens GMP vers moteur, et de la prise en compte de fonctions de contrainte transversales dans le sens moteur vers GMP. Dans ce contexte et à cette fin, cette thèse inventorie et explore différentes possibilités offertes par la théorie de la commande : commande hiérarchisée, commande optimale, commande prédictive, commande avec anticipation. In fine, la thèse met à disposition du projet une architecture de commande (articulation commande prédite / commande anticipée à l'interface des deux strates), et des outils pour son développement. Elle donne également quelques éléments permettant de jauger son intérêt et faisabilité de mise en œuvre.

The observations made in brain-lesioned patients and the result of functional brain imaging studies converge to the hypothesis that the posterior parietal cortex (PPC) is involved in calculation and number processing. However, if numerical disorders generally result from a left parietal lesion, the results of some brain imaging studies suggest that the right PPC could also play a role in number magnitude processing. In order to clarify this question, we used transcranial magnetic stimulation to induce a virtual lesion of the left or right PPC in healthy subjects while they performed number comparison. Our results show that the integrity of the left PPC is a necessary condition for the precise discrimination required during close number comparison; whereas the comparison of far numbers can be performed by either hemisphere as suggested by the fact that this task is affected only by the simultaneous virtual lesion of both hemispheres. In order to better identify which processes underlie the numerical competence of the PPC, we then studied the possible interactions between number processing and visuo-motor functions. Indeed, a meta-analysis performed on functional imaging data revealed that number processing depends on parietal regions, but also on certain premotor areas, which are very close to those involved in the control of finger movements. In a first series of experiments, we thus observed an excitability increase in motor circuits during the enumeration of dots presented on a computer screen. Given that the counting task was performed with both hands at rest, this increase was interpreted as reflecting the mental simulation of pointing movements or sequential finger rising as counting goes on. In a second series of experiments, we showed that information related to number magnitude could interfere with the aperture of the finger grip required to grasp an object. These results suggest that the conformation of the hand to object size shares, with the representation of numbers, common processes for magnitude estimate. In conclusion, our thesis supports the hypothesis that our numerical capacities rely, at least partially, on visuo-motor functions involving the PPC; this could explain why the numerical capacities of the left hemisphere, which is dominant for motor activities, are more precise. / Les observations réalisées chez les patients cérébrolésés ainsi que le résultat des études d'imagerie cérébrale fonctionnelle convergent vers l'hypothèse selon laquelle le cortex pariétal postérieur (CPP) est impliqué dans le traitement des nombres et le calcul. Cependant, si les troubles du calcul résultent le plus souvent d'une lésion pariétale gauche, les résultats de certaines études d'imagerie fonctionnelle suggèrent que le CPP droit pourrait également jouer un rôle dans le traitement de la magnitude des nombres. Afin de clarifier cette question, nous avons utilisé la stimulation magnétique transcrânienne pour induire une lésion virtuelle du CPP gauche ou droit chez des sujets sains réalisant une tâche de comparaison de nombres. Nos résultats montrent que l'intégrité du CPP gauche est une condition nécessaire à la discrimination précise requise lors de la comparaison de nombres proches; la comparaison de nombres éloignés peut, quant à elle, être réalisée par l'un ou l'autre hémisphère comme le suggère le fait que cette tâche n'est affectée que par lésion virtuelle simultanée des deux hémisphères. Afin de mieux appréhender les processus sur lesquels s'appuient les compétences numériques du CPP, nous avons ensuite étudié les interactions possibles entre le traitement des nombres et les fonctions visuo-motrices. En effet, une méta-analyse réalisée sur des données d'imagerie fonctionelle a révélé que le traitement des nombres dépend de régions pariétales, mais également de certaines aires prémotrices, proches de celles impliquées dans le contrôle des mouvements des doigts. Dans une première série d'expériences, nous avons ainsi observé une augmentation de l'excitabilité des circuits moteurs lors du comptage de points présentés sur l'écran d'un ordinateur. Etant donné que la tâche de comptage était réalisée avec les mains au repos, cette augmentation a été interprétée comme le reflet d'une simulation mentale de mouvements de pointage ou d'extension séquentielle des doigts pendant le comptage. Dans une deuxième série d'expériences, nous avons montré que l'information relative à la magnitude des nombres pouvait interférer avec l'ouverture de la pince bidigitale requise pour saisir un objet. Ces résultats suggèrent que la conformation de la main adaptée à la taille des objets partage, avec la représentation des nombres, des processus communs d'estimation de la magnitude. En conclusion, notre travail supporte l'hypothèse selon laquelle nos capacités numériques pourraient, en partie du moins, reposer sur des fonctions visuo-motrices impliquant le CPP ; ceci pourrait expliquer pourquoi les capacités numériques de l'hémisphère gauche, dominant pour les activités motrices, sont plus précises.

The observations made in brain-lesioned patients and the result of functional brain imaging studies converge to the hypothesis that the posterior parietal cortex (PPC) is involved in calculation and number processing. However, if numerical disorders generally result from a left parietal lesion, the results of some brain imaging studies suggest that the right PPC could also play a role in number magnitude processing. In order to clarify this question, we used transcranial magnetic stimulation to induce a virtual lesion of the left or right PPC in healthy subjects while they performed number comparison. Our results show that the integrity of the left PPC is a necessary condition for the precise discrimination required during close number comparison; whereas the comparison of far numbers can be performed by either hemisphere as suggested by the fact that this task is affected only by the simultaneous virtual lesion of both hemispheres. In order to better identify which processes underlie the numerical competence of the PPC, we then studied the possible interactions between number processing and visuo-motor functions. Indeed, a meta-analysis performed on functional imaging data revealed that number processing depends on parietal regions, but also on certain premotor areas, which are very close to those involved in the control of finger movements. In a first series of experiments, we thus observed an excitability increase in motor circuits during the enumeration of dots presented on a computer screen. Given that the counting task was performed with both hands at rest, this increase was interpreted as reflecting the mental simulation of pointing movements or sequential finger rising as counting goes on. In a second series of experiments, we showed that information related to number magnitude could interfere with the aperture of the finger grip required to grasp an object. These results suggest that the conformation of the hand to object size shares, with the representation of numbers, common processes for magnitude estimate. In conclusion, our thesis supports the hypothesis that our numerical capacities rely, at least partially, on visuo-motor functions involving the PPC; this could explain why the numerical capacities of the left hemisphere, which is dominant for motor activities, are more precise. / Les observations réalisées chez les patients cérébrolésés ainsi que le résultat des études d'imagerie cérébrale fonctionnelle convergent vers l'hypothèse selon laquelle le cortex pariétal postérieur (CPP) est impliqué dans le traitement des nombres et le calcul. Cependant, si les troubles du calcul résultent le plus souvent d'une lésion pariétale gauche, les résultats de certaines études d'imagerie fonctionnelle suggèrent que le CPP droit pourrait également jouer un rôle dans le traitement de la magnitude des nombres. Afin de clarifier cette question, nous avons utilisé la stimulation magnétique transcrânienne pour induire une lésion virtuelle du CPP gauche ou droit chez des sujets sains réalisant une tâche de comparaison de nombres. Nos résultats montrent que l'intégrité du CPP gauche est une condition nécessaire à la discrimination précise requise lors de la comparaison de nombres proches; la comparaison de nombres éloignés peut, quant à elle, être réalisée par l'un ou l'autre hémisphère comme le suggère le fait que cette tâche n'est affectée que par lésion virtuelle simultanée des deux hémisphères. Afin de mieux appréhender les processus sur lesquels s'appuient les compétences numériques du CPP, nous avons ensuite étudié les interactions possibles entre le traitement des nombres et les fonctions visuo-motrices. En effet, une méta-analyse réalisée sur des données d'imagerie fonctionelle a révélé que le traitement des nombres dépend de régions pariétales, mais également de certaines aires prémotrices, proches de celles impliquées dans le contrôle des mouvements des doigts. Dans une première série d'expériences, nous avons ainsi observé une augmentation de l'excitabilité des circuits moteurs lors du comptage de points présentés sur l'écran d'un ordinateur. Etant donné que la tâche de comptage était réalisée avec les mains au repos, cette augmentation a été interprétée comme le reflet d'une simulation mentale de mouvements de pointage ou d'extension séquentielle des doigts pendant le comptage. Dans une deuxième série d'expériences, nous avons montré que l'information relative à la magnitude des nombres pouvait interférer avec l'ouverture de la pince bidigitale requise pour saisir un objet. Ces résultats suggèrent que la conformation de la main adaptée à la taille des objets partage, avec la représentation des nombres, des processus communs d'estimation de la magnitude. En conclusion, notre travail supporte l'hypothèse selon laquelle nos capacités numériques pourraient, en partie du moins, reposer sur des fonctions visuo-motrices impliquant le CPP ; ceci pourrait expliquer pourquoi les capacités numériques de l'hémisphère gauche, dominant pour les activités motrices, sont plus précises.

Cette thèse présente une approche neuro-robotique du contrôle du mouvement d'atteinte pour des systèmes anthropomorphes tels que les robots humanoïdes. L'objectif de cette étude est double. D'une part, elle présente un état de l'art des modèles de commande existant en neurosciences du mouvement et décrit un ensemble de principes de contrôle moteur pouvant être utilisés pour la commande des robots humanoïdes. D'autre part, elle propose une utilisation de formalismes issus de la robotique pour la modélisation des processus de transformations sensori-moteurs nécessaires à l'exécution d'un mouvement volontaire. En particulier, il est mis en évidence que le formalisme de la commande référencée capteur et les modèles cinématiques et dynamiques des chaînes articulées, qui jouent un rôle essentiel pour la modélisation du problème de commande du mouvement en robotique, peuvent apporter des éléments clés pour répondre à des questions ouvertes en neurosciences. Sur le premier aspect du travail, nous avons développé une méthode de contrôle, basée sur un modèle d'optimisation du mouvement proposé en neurosciences, que nous avons ensuite appliquée à la commande des mouvements d'atteinte du robot HRP2. Les mouvements produits par cette méthode paraissent très ressemblants aux mouvements observés chez l'homme et présentent les caractéristiques principales des mouvements humains, à savoir : trajectoire quasirectiligne de la main avec profil de vitesse en forme de cloche. Nous avons également développé une autre méthode de contrôle inspirée de la théorie des primitives motrices en neurosciences. Cette méthode permet de simplifier la complexité du problème de commande en produisant rapidement des mouvements réalistes du robot à partir d'un ensemble de mouvements de référence. Ces différents résultats montrent que les théories du contrôle moteur humain peuvent être utilisées avec succès pour élaborer des méthodes de contrôle du mouvement d'atteinte des robots humanoïdes. Sur le deuxièm e aspect du travail, nous avons développé un modèle de coordination main-oeil pour tester et comparer des mouvements produits à partir d'un référentiel oculo-centré et d'un référentiel corps-centré. Ce modèle, qui repose sur des contrôleurs biologiquement inspirés de l'oeil et du bras, en boucle fermée sur les informations sensorielles, permet de commander simultanément le mouvement de la main vers la cible mobile et la direction du regard vers la cible. En comparant les trajectoires obtenues avec ce modèle en utilisant tour à tour le référentiel du corps et de l'oeil, nous montrons que les mouvements produits à partir du référentiel oculo-centré sont plus robustes par rapport aux erreurs de perception. Alors que la question de l'identification du référentiel utilisé par le cerveau pour le codage du mouvement fait l'objet d'un le débat controversé en neurosciences, ce résultat apporte des arguments de nature computationnelle en faveur d'un codage oculo-centré du mouvement d'atteinte visuellement guidé.

Comme l'indiquent les divergences observées dans la littérature, la question de l'existence d'une modification du contrôle proprioceptif du mouvement au cours du vieillissement physiologique de l'adulte fait encore débat. Pour mieux comprendre ces divergences, 3 études ont été menées afin de tester les effets de contraintes d'origines musculaire, attentionnelle et temporelle sur le contrôle proprioceptif du mouvement. La tâche commune à ces 3 études était une tâche d'estimation active directe controlatérale de la cheville. Les effets de contraintes musculaire, cognitive et temporelle sur les performances de contrôle proprioceptif ont été respectivement testés dans les conditions de fatigue et non fatigue, de simple et double tâche, et de vitesses libre et rapide. Pour évaluer la performance de contrôle proprioceptif, les erreurs totales, variables et constantes ainsi que des variables temporelles et cinématiques ont été analysées. Chez les participants jeunes, les résultats de la première étude montrent que la fatigue musculaire altère la performance d'estimation de position lorsque la cheville de référence est maintenue activement en position mais pas lorsqu'elle est maintenue passivement. Afin d'éviter de confondre un effet de la fatigue musculaire éventuellement induite par la répétition de la tâche d'estimation de position, les deuxième et troisième études ont été réalisées avec la référence maintenue passivement en position. Les résultats de ces deux études montrent qu'en l'absence de contrainte cognitive et temporelle la position finale dans la tâche proprioceptive est comparable entre les adultes jeunes et âgés. Cependant, la stratégie utilisée pour atteindre cette position est différente selon l'âge. L'adjonction d'une contrainte cognitive ou temporelle produit une dégradation de la performance de contrôle proprioceptif des adultes âgés par rapport aux adultes jeunes. Dans l'ensemble, ces résultats montrent que les adultes âgés ont une capacité de résistance aux contraintes inférieure à celle des adultes jeunes. Cette thèse met donc en évidence la modification de contrôle proprioceptif du mouvement qui s'opère au cours du vieillissement physiologique.

LES CARTES SENSORIMOTRICES DE LA PAROLE : Corrélats neurocognitifs et couplage fonctionnel des systèmes de perception et de production des voyelles du Français --- La parole est construite sur un jeu de correspondances entre représentations sensorielles et articulatoires, notamment lors de l'acquisition du langage les premières années de vie. Par l'utilisation de l'imagerie par résonance magnétique fonctionelle, l'objectif premier de nos travaux était de déterminer, chez l'adulte, un possible couplage fonctionnel des systèmes de perception et de production des voyelles du Français, considérées comme unités élémentaires de la parole. En parallèle, nos travaux devaient permettre de clarifier les structures cérébrales liées au contrôle moteur orofacial de mouvements simples supralaryngés et, à l'aide de la technique de stimulation magnétique transcrânienne, de déterminer une possible implication causale des régions sensorielles et motrices lors de la perception de la parole. Nos travaux ont permis de souligner l'implication des régions sensorielles et motrices aussi bien lors de la réalisation des gestes orofaciaux que lors de la production et de la perception des voyelles. La mise en évidence d'un effet d'adaptation pour ces régions motrices, auditives et somatosensorielles lors de l'écoute ou de la réalisation répétée d'une même voyelle ou d'un même geste suggère de plus l'existence de boucles sensorimotrices communes, impliquées dans des mécanismes adaptatifs de contrôle en ligne des gestes de parole perçus et produits. Enfin, nous avons pu démontrer le rôle causal et fonctionnel des régions sensorielles et motrices de la voie dorsale lors de la catégorisation de sons de parole. Pris ensemble, nos travaux soulignent la nature distribuée sensorimotrice des représentations cérébrales des unités de parole. Mots clés: perception et production de la parole, voyelles, contrôle moteur orofacial, interactions sensorimotrices, représentations et cartes neurocognitives, IRMf, TMS.

Un modèle tridimensionnel du visage a été élaboré, dans la perspective de contribuer à l'étude de questions importantes sur le contrôle moteur de la production de la parole. Ce modèle est construit sur un maillage constitué d'éléments hexahédraux et de clavettes, qui comporte 3 couches distinctes et est symétrique par rapport au plan medio-sagittal. Les muscles faciaux sont représentés dans le maillage par un sous-ensemble d'éléments contigus. Les propriétés élastiques des éléments du maillage sont décrites par une loi de comportement de type isotrope quasi incompressible et hyperélastique. Dans une première phase de ce travail, pour étudier les conséquences globales de l'activation des muscles oro-faciaux sur les mimiques faciales et les gestes labiaux, et plus particulièrement sur les gestes labiaux en parole, un modèle linéaire de muscle a été élaboré. L'influence des variations de la raideur des tissus mous sur les gestes faciaux a été étudiée. En effet, l'activation des muscles entraîne un raidissement des tissus mous musculaires concernés. Cet effet est pris en compte dans le modèle de muscle par un changement de la loi de comportement hyperélastique avec l'activation musculaire. Une attention particulière a été portée dans cette étude à la production du geste de protrusion/arrondissement des lèvres qui est un geste fondamental dans la production des voyelles arrondies, en particulier en Français. Nous montrons que le raidissement des tissus mous musculaires facilite la production précise de ce geste grâce à l'existence d'un effet de saturation dans la relation entre les activations musculaires et les paramètres géométriques des lèvres qui sont pertinents acoustiquement. Ce résultat souligne l'importance des propriétés dynamiques des articulateurs dans la production des gestes de la parole, et il nous a incités à améliorer encore la modélisation de la source principale de force en production de la parole, c'est-à-dire les muscles. C'est pourquoi, un modèle de muscles plus réaliste a été élaboré qui se fonde sur une loi de comportement transversalement isotrope quasi incompressible et hyperélastique et sur un modèle de muscle de type Hill. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel éléments finis ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERMAT. La prise en compte supplémentaire d'une loi caractéristique force-vitesse a permis la modélisation complète d'un modèle de muscle de type Hill. Ceci a été fait sous ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERELEM. Cette loi caractéristique force-vitesse introduit un effet d'amortissement dans le mouvement du muscle du fait d'une atténuation croissante de la force musculaire lorsque la vitesse de compression du muscle augmente. Ce nouvel élément de type muscle a été conçu de manière telle qu'il est possible d'implémenter d'autres modèles de muscles que le modèle de type Hill. C'est pourquoi nous avons aussi implémenté le modèle de Feldman, qui a été utilisé de manière importante à Gipsa-lab dans les dernières années. L'intégration du modèle de Feldman dans une structure à éléments finis a nécessité une reformulation de façon à le rendre compatible avec une modélisation distribuée. Les modèles de Hill et de Feldman ont ensuite été incorporés dans le modèle de visage pour remplacer le modèle linéaire initial. Dans ces conditions les premières simulations du geste de protrusion/arrondissement labial ont donné des résultats réalistes. Finalement une comparaison des résultats obtenus avec le modèle de Hill avec ceux qui génère le modèle de Feldman montrent que les formes labiales finales sont très similaires pour les deux modèles.

L'automobile est pour l'automaticien une source presque inépuisable de problèmes complexes à résoudre. En effet, la chaîne de traction est un système complexe, multivariable, non linéaire, rapide, avec saturations d'actionneurs. En outre, de nombreuses grandeurs physiques importantes ne sont pas mesurées et des observateurs/estimateurs doivent être mis en place. Enfin, le temps de calcul est limité, et, les objectifs du contrôle (consommation, pollution, performance) sont souvent concurrents, nécessitant un compromis. Ce mémoire synthétise mes dix années de recherche sur l'optimisation du contrôle de la chaîne de traction des véhicules automobiles selon trois thèmes : stratégie globale optimale, commande dynamique robuste ou prédictive et observateurs. Le dénominateur commun à l'ensemble des travaux est la prise en compte des non linéarités et spécificités du procédé par la recherche de modèles de connaissance simplifiés permettant des commandes et observateurs implantables en temps réel. Les contributions portent sur : la réduction de la complexité des stratégies optimales par des approches génériques à sous optimalité minimale et par l'utilisation de prédictions ; une méthodologie quasi-systématique de conception et de réalisation d'une loi de commande robuste ou prédictive à partir du cahier des charges pour des systèmes non-linéaires multivariables carrés ou non ; une estimation d'états non mesurés par des observateurs permettant un réglage de haut niveau entre confiance dans la mesure et fiabilité du modèle ; une validation expérimentale dans le secteur automobile des méthodes proposées, et ce dans le but de minimiser la consommation de carburant, les émissions polluantes et les gaz à effet de serre. Mon projet de recherche, qui suit la logique entreprise jusqu'à présent en alliant automatique et énergétique, se concentre sur la commande prédictive et robuste, sur les stratégies globales multi-critères et multi-variables, et sur des observateurs génériques avec des applications dans le domaine de l'automobile et de l'énergie.

Depuis la création des moteurs à combustion interne, les recherches sur les moteurs essence et diesel se sont développées indépendamment. Afin de réduire les temps et les coûts de développement d'un moteur, une approche unifiée de conception serait intéressante. Dans ce cadre, le contrôle et la mise au point des moteurs à combustion interne pourrait être elle aussi unifiée. Bien évidemment, ce contrôle doit être stable, robuste vis-à-vis des disparités de fabrication, comme de fonctionnement. Cette thèse porte alors sur une démarche unifiée, pour les moteurs essence comme pour les moteurs diesel, afin d'obtenir un contrôle robuste de la chaîne d'air du moteur. La chaîne d'air du moteur contient les éléments permettant de contrôler la quantité et les proportions d'air et de gaz neutres dans le cylindre (Recirculation des gaz d'échappement, papillon d'admission, turbocompresseur). Cette démarche unifiée de commande, permettant de contrôler les systèmes monovariables, tout comme multivariables non carrés (nombre d'entrées différent du nombre de sorties), contient plusieurs étapes : identification d'un modèle du système, analyse du système permettant d'en déduire une structure de contrôle, synthèse d'un contrôleur autour d'un nominal, vérification de la robustesse en stabilité, tests du contrôle. Le couplage des entrées vers les sorties, les non linéarités sont pris en compte lors de la synthèse du contrôleur. Cette méthode de conception a été validée sur plusieurs applications dont un moteur essence et un moteur diesel. Des résultats expérimentaux sur un banc moteur diesel haute dynamique ont montrés que la commande multivariable permettait de réduire les émissions d'oxydes d'azote.

L’identification des muscles responsables des dystonies focales est un prérequis à l’instauration des traitements par toxine botulique et exercices correcteurs. A partir de deux dystonies apparemment dissemblables: la crampe de l’écrivain et la dystonie cervicale, nous avons montré que la réponse aux traitements est tributaire de la distribution des muscles impliqués. L’enregistrement des mouvements du segment tête-cou dans la dystonie cervicale , au moyen de capteurs inertiels 3-D, a montré qu’au mouvement volontaire de la tête, dans un plan, s’associent des mouvements non physiologiques dans les deux autres plans. Pour déterminer les actions musculaires en cause, nous avons réalisé une modélisation numérique du segment tête-cou permettant d’associer le muscle responsable aux déformations. Par ailleurs, sachant l’importance des phénomènes sensitifs dans le contrôle du mouvement, nous avons, au cours de tâches d’ajustement de la force musculaire, montré que ce contrôle de la force est perturbé dans chacune des deux dystonies focales étudiées.Nos résultats devraient avoir une implication dans les traitements symptomatiques de ces dystonies. / The identification of the muscles responsible for focal dystonia is a prerequisite to the introduction of botulinum toxin treatment and tailored exercises. From two apparently dissimilar dystonia: writer's cramp and cervical dystonia, we showed that the response to the treatments depends on the distribution of the muscles involved. Recording the movement of the head-neck segment in cervical dystonia, using 3-D inertial sensors, showed that voluntary head movement in a plane is associated with non-physiological movement in the two other planes. To determine the muscular actions involved, we performed a digital modeling of the head-neck segment which allows us to link the responsible muscle with abnormal postures.Therefore, knowing the importance of sensory phenomena in the control of movement, we have, during tasks of muscular force adjustment, demonstrated that force control is altered in both studied dystonia.Our results should have implications in the symptomatic treatment of these dystonias.