Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le tremblement physiologique est un très petit mouvement involontaire. Lors d'une tâche posturale impliquant le membre supérieur, certaines études suggèrent que le système nerveux adopte une stratégie de synergie compensatoire afin de stabiliser le membre, i.e., minimiser l'amplitude du tremblement au bout du doigt. Plus précisément, la stratégie de synergie compensatoire serait un ajustement au niveau des articulations métacarpo-phalangienne, du poignet et de l'épaule, lorsque le coude est en extension complète. Selon cette stratégie, l'articulation métacarpo-phalangienne serait « bloquée » afin de réduire le degré de liberté à l'intérieur du membre supérieur. Les articulations du poignet et de l'épaule agiraient de façon complémentaire afin de réduire le mouvement au bout du doigt. Donc, lorsque le membre supérieur est abaissé au niveau de l'épaule (extension), le poignet compenserait (extension) afin de minimiser le mouvement. Par contre, l'effet réel d'une telle stratégie sur l'amplitude du mouvement n'a jamais été mesuré directement, puisqu'elle n'a été observée qu'avec des accéléromètres. La synergie compensatoire serait un mécanisme intrinsèque et involontaire de réduction du tremblement. Par ailleurs, certaines études ont observé qu'il était possible de moduler volontairement l'amplitude du tremblement physiologique du doigt à l'aide d'un feedback approprié. De plus, il a été démontré que la majorité de l'amplitude du tremblement du doigt est principalement situé dans les oscillations de basses fréquences qui ne sont pas reconnus comme étant sous l'influence du système nerveux. Le premier objectif de cette étude est d'identifier si l'amplitude du tremblement physiologique des segments du membre supérieur est située principalement dans les basses fréquences, comme il a été démontré pour le doigt. Le deuxième objectif est d'identifier si la synergie compensatoire est présente lorsque le tremblement est examiné en déplacement. Le dernier objectif est de déterminer s'il est possible de volontairement moduler l'amplitude du tremblement physiologique et d'identifier l'influence de cette tentative de modulation sur la synergie compensatoire. Afin d'atteindre les objectifs, le tremblement postural du membre supérieur de 25 participants âgés entre 18 et 31 ans a été mesuré. Plus précisément, le déplacement du tremblement a été mesuré au niveau du bout de l'index, de l'extrémité distale du 2e métacarpe, du processus styloïde du radius et de l'acromion à l'aide de lasers de haute précision. De plus, l'activité des muscles responsable de la mobilisation du membre supérieur a été mesurée, ainsi que le déplacement de la cage thoracique et de l'abdomen qui est associé à la respiration. Cinq conditions expérimentales ont été réalisées : A) Les participants devaient tenter de maintenir leur membre supérieur stable, vers l'avant (sans feedback). B) Les participants devaient stabiliser le bout de leur doigt afin de le mettre au même niveau qu'une cible stationnaire présentée sur un écran devant eux. C) Les participants devaient réduire volontairement l'amplitude du tremblement de leur membre supérieur en s'aidant d'un feedback représentant l'enveloppe linéaire du tremblement de leur doigt. D) Les participants devaient maintenir leur main et leur doigt stable lorsque l'avant-bras était appuyé. E) Les participants devaient maintenir leur doigt stable lorsque la main était appuyée. Afin de déterminer où se situe la majorité de l'amplitude du tremblement dans le spectre de puissance, nous avons calculé l'amplitude des oscillations situées dans différentes portions du spectre. Les résultats démontrent que la majorité des oscillations du tremblement physiologique se situe dans les basses fréquences pour tous les segments du membre supérieur. Ce qui indique que les oscillations de hautes fréquences, qui sont généralement associées à une origine dans le système nerveux central, n'ont que très peu d'importance dans l'amplitude du tremblement, quelque soit le segment. Ensuite, afin de déterminer si une synergie compensatoire existe, quatre différentes techniques d'analyse ont été utilisées : 1) une analyse de corrélation suggère que l'ensemble des segments du membre supérieur se déplacent dans la même direction la majorité du temps. 2) une analyse de corrélation-croisée démontre qu'aucun délai est introduit dans le lien entre le déplacement des segments. 3) une analyse de la cohérence indique que les oscillations de basses fréquences sont fortement liée et en phase. 4) l'amplitude du tremblement mesuré au bout du doigt n'est pas significativement différent de l'amplitude du tremblement estimé en considérant le membre supérieur comme étant un corps rigide. Ces résultats suggèrent qu'aucun mécanisme intrinsèque n'est présent pour réduire l'amplitude du tremblement physiologique du membre supérieur. De plus, lorsque ces résultats sont mis en contexte avec la littérature, ils proposent que le tremblement physiologique ne soit que du bruit omniprésent dans le système. Finalement, cette étude a permis de démontrer qu'il était possible de réduire l'amplitude du tremblement du membre supérieur et que cette diminution n'était pas due à un changement dans l'organisation du tremblement, ni dans la respiration ou l'activité musculaire. Ces résultats indiquent que malgré le fait qu'aucun mécanisme intrinsèque n'existe afin de moduler l'amplitude du tremblement, il est possible de le faire volontairement. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Tremblement, membre supérieur, modulation, laser, synergie.

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans le cadre du développement de la commande robuste de l’équipe CRONE (Commande Robuste d’Ordre Non Entier). Ils portent plus précisement sur le développement d’une méthodologie de synthèse de la commande CRONE pour les systèmes multivariables avec une application au contrôle des moteurs à combustion interne. Après un chapitre d’introduction sur la commande robuste d’ordre non entier dans le but de garantir une robustesse des performances dynamiques par rapport aux variations des paramètres du modèle du système, une reformulation des conditions de stabilité de la méthodologie CRONE des systèmes multivariables (MIMO) carrées existante est proposée. Un ensemble de théorèmes est aussi proposé afin de pouvoir étendre la commande CRONE des systèmes MIMO carrés au cas plus général des systèmes multivariables ayant des retards purs et un comportement oscillatoire avec des pôles et des zéros qui ne sont pas nécessairement situés dans le domaine de stabilité. Le chapitre 3 de ce manuscrit est consacré d’une part à la commande des systèmes MIMO non-carrés (nombre d’entrées différent de celui des sorties), instables et à non-minimum de phase et d’autre part a la simplification des différentes méthodologies de commande proposées dans ce manuscrit. Cette simplification est basée sur une analyse des effets de couplage du système et sur l’hypotheses que dans certain cas des éléments de la matrice de transfert du système peuvent être considérés comme des incertitudes lors de l’optimisation de la boucle ouverte nominale non entiere. Outre un ensemble de cas académique pris dans la littérature, la validation de ces travaux est réalisée à travers la commande du système d'air de deux moteurs à combustion interne : un moteur à essence avec une loi de commande CRONE MIMO carrée ; un moteur diesel avec une loi de commande CRONE MIMO non carrée. Le but fixé par l'industriel à l'origine de ces applications est d’optimiser le compromis performances-pollution-consommation de ces moteurs tout en minimisant les efforts liés à la conception de ces nouvelles lois de commande. / The works presented in this thesis are led within the framework of robust control developments of the CRONE team (Robust Control of fractional order). They are carried more precisely on the development of a synthesis methodology of the CRONE control for multivariable systems with an application of controlling internal combustion engine. After an introductive chapter on the robust control of fractional order with a view to garanty dynamic performance robustness compared with parameter uncertainties of the system model, another stability condition formulation of the CRONE methodology for multivariable square systems is put forward. A set of theorems is also offered in order to extend the square MIMO system CRONE control to the most general case of multivariable systems having delays and oscillatory behaviours with zeros and poles that are not necessarily on the stability domain. Chapter 3 is devoted on one hand to the control of non square (number of entries differents from the output number), instable and non minimal phase MIMO systems and on the other hand on the simplification of different control methodologies detailed in this thesis. This simplification is based on the analysis of system coupling effects and under the assumptions that in some cases, elements of the system transfer matrix can be considered as uncertainties when optimizing the fractional nominal open loop. Beyond a set of academic cases out of the literature, the validation of these works is achieved through the control of the air intake of two internal combustion engines : a gasoline engine with a square CRONE MIMO control ; a diesel engine with a non square CRONE MIMO control. The aim specified by the industrial is to optimize the compromise between performances-pollution-consumption of these engines.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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, trois études ont été réalisées afin de tester les effets de contraintes d'origines musculaire, attentionnelle et temporelle sur le contrôle proprioceptif du mouvement. La tâche commune à ces trois études était une tâche d'estimation active directe controlatérale de la position 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 totale, variable et constante ainsi que des variables temporelles et cinématiques ont été analysées. Chez les participants jeunes, les résultats de la première étude ont montré 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 ont montré qu'en l'absence de contraintes cognitive et temporelle, la performance de positionnement final 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. Les résultats ont également montré que 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 la capacité des adultes âgés à résoudre les problèmes posés par les contraintes environnementales est inférieure à celle des adultes jeunes et mettent en évidence la modification de contrôle proprioceptif du mouvement qui s'opère au cours du vieillissement physiologique. / As outlined by strong and unexplained discrepancies in the literature, whether proprioceptive control of movement is altered in physiological adult ageing is still under debate. In an attempt to unify these previous results, the three studies of the present thesis proposed to test the effects of muscle, attentional and temporal stresses on the proprioceptive control of movement, respectively. The common task of these three studies was an ankle contralateral concurrent matching task. To test the effects of muscle, cognitive and temporal stresses on the proprioceptive control performance of older and young adults, participants performed the matching task in fatigue and no-fatigue, single and dual task, and self-paced and fast speed conditions, respectively. To assess participants' proprioceptive performance, error, temporal and kinematic variables were analysed. The results of the first study showed that performance in the matching task was altered by muscle fatigue only when the reference was actively maintained. To avoid confounding fatigue effects with other effects, the second and third studies assessed the matching task with a reference passively maintained. The results of these studies first showed that end-point performance in the matching task was similar in young and older adults in the absence of cognitive and temporal stress. However, the strategies the participants used to reach the end-point position were different in young and older adults. Second, the addition of a cognitive or temporal stress degraded the proprioceptive control performance in older adults as compared to the young ones. Taken together, these results emphasize a decreased resilience to stressors in older adults as compared to young ones and highlight the age-related alteration in proprioceptive control of movement.

La latence, c'est-à-dire le délai entre l'action d'un utilisateur en entrée d'un système et la réponse correspondante fournie par le système, est un problème majeur pour l'utilisabilité des dispositifs interactifs. La latence est particulièrement perceptible pour l’interaction au toucher et détériore la performance de l'utilisateur même à des niveaux de l'ordre de la dizaine de millisecondes. Or, la latence des écrans tactiles actuels (smartphones ou tablettes) est en général supérieure à 70 ms.Notre objectif est d'améliorer nos connaissances sur la latence (ses causes, ses effets) et de trouver des méthodes pour la compenser ou en diminuer les effets négatifs. Nous proposons un état de l'art des travaux en IHM sur le sujet, puis nous effectuons un rapprochement avec la littérature du contrôle moteur qui a aussi étudié le comportement humain face à des perturbations visuomotrices et en particulier l’adaptation des mouvements à un retard du retour visuel.Nous détaillons ensuite nos quatre contributions. Nos résultats contribuent de manière à la fois pratique et théorique à la résolution du problème de la latence lors de l'interaction au toucher direct. Deux contributions complètent le diagnostic de la latence : la première est une nouvelle technique de mesure de latence; la seconde est une étude de l'effet de la latence sur l'interaction bimanuelle, importante pour l'interaction sur les grandes surfaces tactiles. Nous montrons que l'interaction bimanuelle est autant touchée par la latence que l'interaction à une main, ce qui suggère que des tâches plus complexes, qui augmenterait la charge cognitive, ne réduisent pas nécessairement l'effet de la latence. Nos deux autres contributions portent sur la réduction des effets de la latence. D'une part, nous proposons un système à faible latence (25 ms) associé à une compensation prédictive logicielle, et nous mettons en évidence que ce système permet d'améliorer la performance des utilisateurs comme s'ils utilisaient un système à 9 ms de latence. D'autre part nous étudions la capacité des utilisateurs à s'adapter à la latence pour améliorer leur performance sur une tâche de suivi de cible et nous montrons que l'impact négatif de la latence se réduit sur le long terme grâce aux capacités d'adaptation humaine. / Latency, the delay between a user input on a system and the corresponding response from the system, is a major issue for the usability of interactive systems. In direct-touch interaction, latency is particularly perceivable and alters user performance even at levels in the order of ten milliseconds. Yet, current touch devices such as smartphones or tablet-pc exhibit in general latencies over 70 ms.Our goal is to improve the knowledge on latency (its causes, its effects) and to find strategies to compensate it or to decrease its negative effects. We present a review of the HCI literature on the topic, then we link this literature with the motor control research field that has studied human behaviour when facing visuomotor perturbations, and in particular the adaptation to feedback delay.We then present our four contributions. We contribute both in a practical and a theoretical manner to the problem of latency in direct-touch interaction. Two of our contributions supplement the diagnosis of latency: the first one is a new latency measurement technique; the second one is a study of the impact of latency on bimanual interaction, which is important when interacting on large tactile surfaces. We show that bimanual interaction is as much affected by latency as a single hand interaction, suggesting that more complex tasks, suppose to increase the cognitive load, do not necessarily reduce the effect of latency. Our two other contributions address the reduction of the effects of latency. On one hand, we introduce a low latency system (25 ms) associated with a predictive software compensation, and we show that the system enables users to improve their performances as if they were using a system with 9 ms of latency. On the other hand we study users' ability to adapt to latency in order to improve their performance on a tracking task, and we show that the negative impact of latency is reduced with long-term training thanks to human adaptability.

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Nous étudions la production de couple et de polluants de moteurs à combustion interne à distribution variable d'un type fréquemment répandu dans l'industrie automobile (moteurs Diesel ou essence). Les systèmes de distribution variable (VVA pour Variable Valve Actuation) ont été introduits dans les moteurs pour optimiser l'efficacité du fonctionnement global sur des plages très larges de points de fonctionnement, considérés à l'équilibre. A tout instant, les résultats de la combustion dépendent du remplissage en air/gaz brûlés du cylindre, qui lui même dépend de la position des actionneurs VVA et des conditions dans le collecteur d'admission. Ces deux sous-systèmes ont des temps de réponse différents, ce qui conduit, pendant les transitoires, à des pertes d'efficacit ́e du moteur. Dans cette thèse, nous proposons une solution a ce problème, qui prend la forme de boucle de coordination entre les sous-systèmes de contrôle de bas-niveau. Cette coordination s'effectue par l'intermédiaire d'un modèle de remplissage développé dans ce manuscrit. Des résultats expérimentaux établissent qu'il est possible d'améliorer la production de couple et de réduire les polluants.

L'anticipation semble bien être le secret universel pour la réussite des comportements moteurs. Dans la parole, sous l'aspect de la coarticulation, elle permet de souder les composantes de la syllabe, les syllabes entre elles et les mots. Pendant plus de 40 ans, deux principaux modèles rivaux se sont affrontés sur des langues différentes, essentiellement sur l'anticipation visible qu'est l'arrondissement vocalique des lèvres, sans qu'un vainqueur se dégage. Ce qui aboutit au compromis : un modèle time-locked pour l'anglais vs. un look-ahead pour le français, le suédois, etc. Le Modèle d'Expansion du Mouvement, élaboré sur le français au début des années 1990, prédit une extension de l'anticipation régulière (lawful) en amont de la cible vocalique dans une transition VCnV, avec un coefficient d'expansion propre au locuteur. La démonstration principale de cette thèse est que les modèles n'ont pas été testés sur le bon paramètre mais sur le paramètre le plus labile pour l'arrondissement : la protrusion. Lorsqu'ils sont testés sur le contrôle de l'aire aux lèvres, les anglophones rejoignent les francophones démontrant un comportement de type MEM, régulier et réglé par locuteur. C'est ce que font aussi les enfants, et plutôt tôt : nous n'avons pas trouvé d'enfant qui n'ait pas ce comportement régulier au-delà de 5 ans et demi. En fait, nous avons trouvé que ce comportement des lèvres pouvait être finement « tuné » dans le style MEM dès 3 ans et demi. Le Modèle d'Expansion du Mouvement semble bien être ainsi le seul à pouvoir réconcilier le principe d'un comportement moteur universel pour la parole avec une paramétrisation spécifique au locuteur.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.