L’objet de cette thèse est d’étudier les interactions entre les niveaux sensori-moteur et cognitif du système de contrôle de l’action (Paillard, 1992) en utilisant des rotations visuo-proprioceptives durant une tâche de pointage, révélant ainsi la structure de conversion visuo-motrice employée et les systèmes du modèle de planification-contrôle (Glover, 2004). Ce paradigme permet d’analyser comment les contraintes environnementales et cognitives modifient les interactions entre les deux niveaux de contrôle, et de dissocier les deux dimensions spatiale et dynamique faisant appel au modèle de Glover (Boy et al., 2005). Notre premier objectif était d’étudier l’adaptation de ce modèle lorsque les conditions expérimentales sont modifiées. Les études 1, 2 et 3 proposaient à des adultes de réaliser des pointages dans des conditions de rotation de 0° à 180°, avec (I) ou sans vision (II), ou avec vision et consignes attentionnelles (III). Ces études montrent que (1) seule la structure de conversion bidirectionnelle est employée, (2) la dissociation des dimensions de la performance n’est observée qu’en l’absence de vision et disparaît en faveur du niveau cognitif avec l’augmentation des rotations, (3) les conditions visuelles ont une influence plus importante sur le contrôle de l’action que les consignes attentionnelles données. Notre second objectif était d’étudier l’interaction entre le développement des représentations cognitives (étude 4) et celui du contrôle de l’action à 5 ans (études 5 et 6, reproduisant respectivement les études 1 et 2). Ces études ne présentent pas de distinction entre les dimensions de la performance. En outre, l’étude 6 montre une configuration du niveau sensori-moteur par le niveau cognitif. Cette thèse met ainsi en évidence la plasticité du système de contrôle de l’action de l’adulte en fonction de la situation et suggère que la motricité permet le développement des représentations spatiales de l’enfant. / The purpose of this thesis is to study the interactions between the sensory-motor and cognitive control systems of action (Paillard, 1992). Distortions of visual information in pointing tasks are used to reveal the structure of visuo-motor conversion and the systems of planning-control model (Glover, 2004). This paradigm allows to analyze how environmental and cognitive constraints alter interactions between the two levels of control, and to separate the spatial and dynamic dimensions introduced by Glover's model (Boy et al., 2005). Our first objective was to study the adaptation of this model when experimental conditions were changed. Studies 1, 2 and 3, adults achieved pointing movements in conditions of 0 ° to 180 ° rotations, with (I) or without vision (II), or with vision and attentional instructions (III). These studies show that (1) a bidirectional structure of conversion is always used, (2) the dissociation of performance dimensions is observed in the absence of vision and disappears when rotations increased, indicating a cognitive control of movements (3) the visual conditions have a greater influence on the control of action than attentional instructions. Our second objective was to study the interaction between the development of cognitive representations (Study 4) and the control of action at 5 years of age (studies 5 and 6, respectively replicating studies 1 and 2). These studies do not distinguish dimensions of performance. In addition, the study 6 shows that sensory-motor level configure the cognitive level. This thesis thus highlights that the plasticity of control system in adults depends on situation and suggests that the motor functions allow the development of spatial representations in childhood.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'utilisation de personnages virtuels est devenue de plus en plus courante dans de nombreux domaines, par exemple, les jeux vidéos, la conception assistée par ordinateur ou l'étude du handicap. L'obtention de mouvements réalistes, reproduisant les mécanismes sensorimoteurs propres aux mouvements humains, est un verrou scientifique important. Cette thèse s'inscrit dans le courant des modèles de synthèse de mouvements utilisant des données capturées pour améliorer le réalisme. Notre proposition est d'intégrer la notion de synergie au sein d'une boucle de contrôle sensorimotrice pour améliorer le compromis entre réalisme, simplicité et autonomie. Une synergie est formée lorsque différentes entités collaborent pour atteindre un objectif commun. Nous avons étudié la possibilité de les modéliser au niveau des différents degrés de liberté du bras, lors de mouvements d'atteinte de cibles. Le modèle de synergies corrige le comportement de la boucle de contrôle en ajustant la dynamique du mouvement et les trajectoires des articulations. Les caractéristiques communes aux synergies mises en oeuvre sont représentées par des fonctions spatiales et temporelles qui peuvent être paramétrées pour reproduire les spécificités individuelles. Une méthode d'apprentissage permet d'ajuster les valeurs des paramètres afin d'obtenir les mouvements synthétisés les plus proches possible des exemples capturés. Les expériences réalisées comparent différents modèles de synergies et différentes heuristiques d'apprentissage. Les résultats obtenus sont utilisés pour trouver le meilleur compromis entre complexité du modèle, qualité du résultat et rapidité d'apprentissage. L'étude de caractéristiques des mouvements synthétisés montre la possibilité de reproduire la dynamique du mouvement et les trajectoires des articulations grâce à la modélisation proposée. Finalement, un mécanisme de classification des synergies est proposé. Le résultat obtenu représente les liens entre les conditions de réalisation du mouvement et les différentes synergies mises en oeuvre. Dans ce travail, ces liens sont exploités pour l'extrapolation et l'analyse des synergies mises en oeuvre par une personne. Le mécanisme d'extrapolation utilise un critère de sélection pour trouver, parmi les liens obtenus à l'issue de l'apprentissage, la synergie à mettre en oeuvre lors de la synthèse de nouveaux mouvements. L'analyse des similitudes entre différentes synergies est possible grâce à la sémantique apportée aux paramètres par le modèle de synergie. Les perspectives de ce travail concernent d'une part l'extension de ce modèle à d'autres types de gestes, et d'autres part son exploitation pour l'analyse des synergies de sujets particuliers, par exemple pour des personnes possédant des handicaps moteurs.

Les modèles physiques sont de plus en plus utilisés dans les recherches en animation par ordinateur, pour le réalisme et le début d'automatisme qu'ils apportent. Le travail propose dans cette thèse vise à combiner l'utilisation des modèles physiques avec le contrôle précis qu'offrent les systèmes d'animation traditionnels. Le principe est de laisser l'utilisateur guider l'animation à un haut niveau de contrôle en donnant une approximation des trajectoires désirées et des contraintes de synchronisation temporelles entre les objets. Un module de simulation calcule ensuite le mouvement final, gérant les détections et réponses aux collisions, tout en améliorant le réalisme. Une application particulière est traitée en dernière partie : le cas de la marche de créatures articulées.

L’objectif du présent travail de thèse est d’étudier les mécanismes de pondération des informations visuelles et somatosensorielles dans le contrôle du mouvement volontaire visuoguidé de la main lorsque les retours sensoriels de ces deux canaux véhiculent des informations spatiales congruentes ou incongruentes. Une incongruence entre les informations visuelles et somatosensorielles peut-être crée expérimentalement en décalant l’environnement visuel perçu des participants. Dans une telle situation, les participants devaient suivre les contours d’une forme géométrique irrégulière avec un stylet sur une tablette graphique. L’activité cérébrale des régions visuelles, somatosensorielles et pariétales postérieures a été enregistrée en électroencéphalographie, et quantifiée par la mesure de l’amplitude de potentiels évoqués visuels [Etude 1] et de la puissance des bandes de fréquences alpha (8-12 Hz), beta (15-25 Hz) et gamma (50-80 Hz) [Etudes 2 et 3]. Nous avons ainsi montré que le mouvement visuoguidé entraînait une augmentation de l’activité au niveau des aires corticales visuelles, et que le contrôle du mouvement en situation d’incongruence induisait une augmentation supplémentaire de l’excitabilité des cortex visuels, somatosensoriels et pariétaux postérieurs. Ces modulations reflèteraient des mécanismes de pondération du traitement de ces entrées sensorielles dans le but de s’adapter à cette situation. Plus généralement, nos résultats soutiennent l’idée que notre système nerveux est en mesure de moduler localement son activité en fonction de la pertinence du traitement des informations pour répondre aux exigences imposées par le contexte. / The goal of our doctoral research was to investigate the weighting of these sensory inputs in conditions under which they provided either congruent or incongruent information about hand motion. A visuo-somatosensory incongruence can be induced experimentally by shifting the visual feedback of the environment. We asked participants to follow precisely the outline of an irregular shape with a stylus on a digitizing tablet. Brain activity was recorded with an electroencephalographic device, and quantified by measuring visual evoked potentials amplitudes [Study 1], and the power in the alpha (8-12 Hz), beta (15- 25 Hz) and gamma (50-80 Hz) frequency-bands [Studies 2 and 3]. We first evidenced that visually-guided hand movements increased the sensitivity to visual inputs of a large cortical network. Moreover, we showed that controlling movement in a situation with an incongruence between visual and somatosensory input led to a further increase of visual, somatosensory and posterior-parietal cortical excitability. We suggest that these modulations reflect sensory weighting mechanisms in order to attempt to adapt to the sensory incongruence. Interestingly, in the somatosensory areas, we found that the sensory incongruent condition led to a reduction of gamma power, suggesting a reduced integration of somatosensory inputs for controlling movements. Taken together, our findings are in line with the existence of a general sensory gain control mechanism driven by the state of adaptation of the sensorimotor system in a given sensory context. More generally, our results argue for the idea that sensory processing is function of the context-dependent relevance of the sensory inputs.

En animation tridimensionnelle, on distingue principalement deux grandes approches basées soit sur des modèles descriptifs, soit sur des modèles générateurs. Dans la première, les possibilités de contrôle sur les trajectoires d'interpolation sont essentielles. Je décris une méthode offrant à l'utilisateur les mêmes possibilités d'interaction sur les trajectoires d'orientations que sur les positions. Le contrôle en temps réel des orientations est rendu possible par une paramétrisation à base de logarithme et d'exponentielle de quaternions et par la notion de tangente sphérique. Une interface 3d de haut niveau gère les interactions avec l'utilisateur. La vitesse de déplacement le long des trajectoires est déterminée par une paramétrisation automatique reprenant des principes de mécanique élémentaire. Enfin, ces techniques sont appliquées a la modélisation interactive de cylindres généralises. Les systèmes par paramètres-clés montrent vite leurs limitations dès qu'il s'agit d'animer de façon réaliste des objets complexes. Pour cela, les systèmes d'animation dits générateurs intégrant les lois de la mécanique ont été introduits. Dans la deuxième partie, je propose une approche alliant les possibilités de contrôle des systèmes descriptifs au réalisme des modèles générateurs. Le principe est de minimiser l'énergie au cours du mouvement. Les équations du mouvement pour des solides rigides articules sont construites sous forme symbolique. L'étape de minimisation est réalisée par un algorithme de contrôle optimal, traitant les équations du mouvement sous leur forme continue.

Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles representations pourles poses du mouvement humain, apprises sur des données réelles, envue d'une synthèse de nouveaux mouvements en temps-réel. Dans unepremière partie, nous exploitons une méthode statistique adaptée auxgroupes de Lie (Analyse en Géodésiques Principales, AGP) pour approximerla variété des poses d'un sujet en mouvement, à partir de donnéesde capture de mouvement. Nous proposons un algorithme de cinématiqueinverse exploitant cette paramétrisation réduite, permettantpar construction de synthétiser des poses proches des données initiales.Nous validons ce modèle cinématique par une application à la compressionde données de mouvements, dans laquelle seules quelques trajectoiresdes extrémités des membres du squelettes permettent de reconstruireune bonne approximation de l'ensemble des données initiales.Dans une deuxième partie, nous étendons cette approche à l'animationphysique de personnages virtuels. La paramétrisation réduitepar AGP fournit les coordonnées généralisées de la formulation Lagrangiennede la mécanique. Nous dérivons un intégrateur temporelexplicite basé sur les intégrateurs variationnels. Afin d'en améliorer lastabilité, nous proposons un modèle d'amortissement inspiré de l'algorithmede Levenberg-Marquardt. Nous présentons également une méthodegéométrique d'apprentissage des limites angulaires sur des donnéesde capture de mouvement, ainsi que leur application comme contraintescinématiques.Dans une troisième partie, nous abordons le problème du contrôledu mouvement. En formulant les étapes de la simulation physique d'unepart, et de la cinématique inverse d'autre part comme deux programmesquadratiques, nous proposons un algorithme de pseudo-contrôle parinterpolation des métriques, permettant un compromis intuitif entre simulationphysique non-contrôlée, et cinématique inverse. Cette approchefaisant intervenir des forces externes, nous proposons une formulationalternative, utilisant uniquement les forces associées à la paramétrisationréduite des poses. Cette formulation est obtenue par relaxationdu problème théorique de contrôle sous contraintes unilatérales, nonconvexe,en un programme quadratique convexe. Ces algorithmes sontévalués sur des contrôleurs d'équilibre et de suivi.

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Les troubles musculo-squelettiques de l’épaule constituent un problème majeur de santé au travail. Le principal mécanisme à l’origine de ces pathologies est le conflit sous-acromial, dont le développement est intimement lié à la qualité du contrôle neuromusculaire de l’épaule. Nos données montrent que les tâches expérimentales classiquement utilisées pour l’exploration des facteurs de développement du conflit sous-acromial sont insuffisantes pour rendre compte de la complexité du contrôle neuromusculaire mis en jeu lors des tâches industrielles. Il semble primordial que les actions de lutte contre les TMS considèrent la réalité de l’organisation motrice à l’origine de leur développement. L’application dans ce travail de la technique d’enregistrement électromyographique au secteur industriel met en évidence la pertinence de cet outil afin d’orienter et d’évaluer les actions ergonomiques qui visent à réduire la charge musculo-squelettique. Un moyen complémentaire de lutte contre les TMS a été proposé afin de pallier aux limites propres à la démarche ergonomique. Il s’agit d’un exercice de recentrage dynamique de la tête humérale exécuté en chaîne cinétique fermée, déployé lors d’un programme d’intervention destiné aux opérateurs ayant des symptômes de conflit sous-acromial. Nos données mettent en évidence une diminution de la douleur et une amélioration de la fonction de l’épaule suite à cette intervention. Les bénéfices associés à cette démarche répondent au double enjeu de santé et de performance, essentiel pour les individus comme pour l’entreprise. Finalement, l’ensemble des contributions expérimentales et des applications industrielles présentées dans ce travail de thèse souligne le rôle central que peuvent jouer les spécialistes de la motricité humaine dans la démarche de lutte contre les TMS. Leur intégration dans les équipes pluridisciplinaires de prévention constitue un réel enjeu pour la réduction de ce risque professionnel majeur / Shoulder disorders represent a major health problem at the workplace. The most common shoulder disorder is the subacromial impingement syndrome. Shoulder neuromuscular control has a critical role in the development of shoulder disorders. Our data show that the experimental tasks generally use to investigate subacromial impingement causative factors are insufficient to represent the complexity of shoulder neuromuscular control involved during industrial tasks. It is essential that workplace interventions take into consideration the actual motor control associated with the development of work-related musculoskeletal disorders. The use of the electromyography in the industrial context, during this thesis work, highlights the interest of this tool in order to conduct and evaluate ergonomic interventions that aimed to reduce exposure to physical risk factors. Another work-related musculoskeletal disorder management way was proposed as a supplement to ergonomic interventions. It is about a dynamic closed chain humeral head centering exercise performed by assembly line workers with clinical signs of subacromial impingement syndrome. Our data demonstrated that the intervention program was effective in decreasing shoulder pain as well as improving shoulder function. This study underlined the relevance of therapeutic exercises for shoulder disorders management at the workplace. Finally, the whole of this thesis work highlights the decisive role of specialists in human motor analysis for work-related musculoskeletal disorders management

Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles representations pourles poses du mouvement humain, apprises sur des données réelles, envue d’une synthèse de nouveaux mouvements en temps-réel. Dans unepremière partie, nous exploitons une méthode statistique adaptée auxgroupes de Lie (Analyse en Géodésiques Principales, AGP) pour approximerla variété des poses d’un sujet en mouvement, à partir de donnéesde capture de mouvement. Nous proposons un algorithme de cinématiqueinverse exploitant cette paramétrisation réduite, permettantpar construction de synthétiser des poses proches des données initiales.Nous validons ce modèle cinématique par une application à la compressionde données de mouvements, dans laquelle seules quelques trajectoiresdes extrémités des membres du squelettes permettent de reconstruireune bonne approximation de l’ensemble des données initiales.Dans une deuxième partie, nous étendons cette approche à l’animationphysique de personnages virtuels. La paramétrisation réduitepar AGP fournit les coordonnées généralisées de la formulation Lagrangiennede la mécanique. Nous dérivons un intégrateur temporelexplicite basé sur les intégrateurs variationnels. Afin d’en améliorer lastabilité, nous proposons un modèle d’amortissement inspiré de l’algorithmede Levenberg-Marquardt. Nous présentons également une méthodegéométrique d’apprentissage des limites angulaires sur des donnéesde capture de mouvement, ainsi que leur application comme contraintescinématiques.Dans une troisième partie, nous abordons le problème du contrôledu mouvement. En formulant les étapes de la simulation physique d’unepart, et de la cinématique inverse d’autre part comme deux programmesquadratiques, nous proposons un algorithme de pseudo-contrôle parinterpolation des métriques, permettant un compromis intuitif entre simulationphysique non-contrôlée, et cinématique inverse. Cette approchefaisant intervenir des forces externes, nous proposons une formulationalternative, utilisant uniquement les forces associées à la paramétrisationréduite des poses. Cette formulation est obtenue par relaxationdu problème théorique de contrôle sous contraintes unilatérales, nonconvexe,en un programme quadratique convexe. Ces algorithmes sontévalués sur des contrôleurs d’équilibre et de suivi. / In this thesis, we propose novel, data-driven representations for humanposes, suitable for real-time synthesis of novel character motion. Inthe first part, we exploit Lie group statistical analysis techniques (PrincipalGeodesic Analysis, PGA) to approximate the pose manifold of amotion capture sequence by a reduced set of pose geodesics. We proposean inverse kinematics algorithm using this reduced parametrizationto automatically produce poses that are close to the learning set. Wedemonstrate the efficiency of the resulting pose model by an applicationto motion capture data compression, where only a few end-effector trajectoriesare used to recover a good approximation of the initial data.In the second part, we extend this approach to the physically-basedanimation of virtual characters. The PGA-reduced parametrization providesgeneralized coordinates in a Lagrangian formulation of mechanics.We derive an explicit time integrator by approximating existingvariational integrators, and propose a damping model based on theLevenberg-Marquardt algorithm. We also describe a geometric, datadriven,angular limit learning algorithm, and the associated kinematicconstraints.In the third part, we reach the problem of task-space motion control.By formulating both physical simulation and inverse kinematicstime stepping schemes as two quadratic programs, we propose a simplepseudo-control algorithm that interpolates between the two metrics.This allows for an intuitive trade-off between uncontrolled simulationand kinematic manipulation. Since this approach makes use of externalforces, we propose an alternate formulation using only the generalizedforces associated to the pose parametrization. A control algorithmis obtained by the relaxation of the exact, non-convex control problemunder unilateral constraints, into a convex quadratic program. Thesealgorithms are evaluated on simple balance and tracking controllers.