Cette thèse étudie la compensation robuste d'un retard de commande affectant un système dynamique. Pour répondre aux besoins du domaine applicatif du contrôle moteur, nous étudions d'un point de vue théorique des lois de contrôle par prédiction, dans les cas de retards incertains et de retards variables, et présentons des résultats de convergence asymptotique. Dans une première partie, nous proposons une méthodologie générale d'adaptation du retard, à même de traiter également d'autres incertitudes par une analyse de Lyapunov-Krasovskii. Cette analyse est obtenue grâce à une technique d'ajout de dérivateur récemment proposée dans la littérature et exploitant une modélisation du retard sous forme d'une équation à paramètres distribués. Dans une seconde partie, nous établissons des conditions sur les variations admissibles du retard assurant la stabilité du système boucle fermée. Nous nous intéressons tout particulièrement à une famille de retards dépendant de la commande (retard de transport). Des résultats de stabilité inspirés de l'ingalité Halanay sont utilisés pour formuler une condition de petit gain permettant une compensation robuste. Des exemples illustratifs ainsi que des résultats expérimentaux au banc moteur soulignent la compatibilité de ces lois de contrôle avec les impératifs du temps réel ainsi que les mérites de cette approche.

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.

La théorie du contrôle moteur de la parole par buts auditifs de Perkell soutient que la rétroaction auditive jouerait un rôle important lors de l'acquisition du langage en permettant la construction d'un modèle interne de la relation entre articulation et résultat acoustique. Une fois mature, ce modèle serait maintenu à jour grâce à l'audition, qui permettrait d'ajuster la production de la parole afin d'en assurer l'intelligibilité. De plus, il fournirait des commandes motrices (feedforward commands) permettant la production de la parole sans que le locuteur ait constamment à se fier à son audition. Or, les personnes sourdes postlinguistiques profondes ne peuvent plus se fier à la rétroaction auditive pour maintenir à jour leur modèle interne. Par ailleurs, les implants cochléaires ne permettraient pas une bonne perception des paramètres suprasegmentaux (qui composent la prosodie). La perception de ces paramètres étant touchée, la représentation interne serait affectée. Qui plus est, ces paramètres seraient, dans la parole, ceux qui se dégradent le plus rapidement en l'absence de rétroaction auditive. Ce mémoire a donc pour but, d'une part, d'observer les capacités de production des paramètres prosodiques par des sourds porteurs d'implant cochléaire, tant avec leur implant en marche qu'avec leur implant éteint; d'autre part, d'évaluer leurs capacités de perception des indices prosodiques; enfin, d'établir un lien entre les capacités de production et de perception de ces locuteurs en ce qui a trait à la prosodie. Des énoncés interrogatifs et assertifs non marqués linguistiquement ont été produits par trois participants sourds et trois participants contrôles, puis évalués par des auditeurs. Les mêmes énoncés, enregistrés par un homme puis manipulés pour obtenir des courbes intonatives assertives et interrogatives, servaient de corpus à un test de perception. Ces tests ont montré que les participants sourds, tant en condition d'implant éteint qu'en condition d'implant en marche, produisaient plus de variations de fréquence fondamentale et des segments plus longs que les locuteurs contrôles. Leurs énoncés interrogatifs étaient moins bien évalués par les auditeurs que ceux des locuteurs contrôles. Au test de perception, les sourds ont, dans l'ensemble du test, obtenu de moins bons résultats que les participants contrôles. Ceux ayant reçu les moins bonnes évaluations de leurs énoncés produits sont aussi ceux qui ont le moins bien réussi au test de perception. Dans l'ensemble, ces résultats corroborent le postulat de la théorie du contrôle moteur par buts auditifs qui veut que l'audition joue un rôle important dans la parole. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : surdité postlinguistique, audition, implant cochléaire, prosodie, rétroaction auditive, théorie du contrôle moteur de la parole par buts auditifs de Perkell

Les normes sur les émissions de polluants des automobiles sont de plus en plus sévères. Les moteurs à injection directe à rampe commune permettent d'atteindre ces exigences notamment grâce à l'injection du carburant à très haute pression. Cette pression varie de 200 à 1600 bar selon le point de fonctionnement du véhicule. L'objectif des travaux de thèse est de réaliser le contrôle de la pression du carburant avec deux contraintes principales : proposer une méthodologie de calibration du contrôleur à partir des caractéristiques techniques du système d'injection et améliorer à la fois la performance et la robustesse du contrôle. Les travaux réalisés se décomposent comme suit : étude du système d'injection et développement d'un modèle de connaissance ; développement des stratégies et des lois de commande ; mise en application sur véhicule. Les essais réalisés sur véhicule ont montré une amélioration des performances et de la robustesse du contrôle de la pression du carburant obtenue par la proposition d'une nouvelle méthodologie de calibration. Celle-ci est basée par l'obtention du contrôleur à partir des caractéristiques techniques du système d'injection et par l'utilisation de lois de commande avancées (commande H8 pour les systèmes Linéaires à Paramètres Variants (LPV)). En particulier l'approche basée sur l'utilisation des Transformations Linéaires Fractionnelles (LFT) a été considérée.

L’apprentissage du langage parlé nécessite un contrôle musculaire très précis des différents organes intervenant dans la production de la parole. La production de sons voisés, qui résulte de l’auto-oscillation des cordes vocales, est notamment influencée par l’ensemble du système phonatoire, du diaphragme jusqu’aux lèvres. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s’inscrivent dans un contexte de modélisation physique de la parole. Les objectifs s’articulent autour de la compréhension des phénomènes physiques gouvernant la production de sons voisés. Les études sont appliquées à des cas pour lesquels le contrôle de la production est fortement altéré, lorsque le locuteur souffre de pertes auditives importantes. Dans ce cas de figure, les interactions physiques peuvent jouer un rôle important dans l’apparition de troubles de la production. La démarche adoptée consiste alors dans un premier temps à observer les phénomènes étudiés au moyen de mesures in vivo puis à proposer des modèles théoriques mécanique, aérodynamique et acoustique permettant de les décrire. Ensuite, les modèles sont validés en comparant avec des mesures réalisées sur une maquette de l’appareil phonatoire. Finalement,des simulations numériques temporelles basées sur un modèle à deux masses pour décrire le comportement mécanique des cordes vocales, permettent de tester les modèles physiques pour des cas concrets de production. La première étude se concentre sur les sauts de fréquence fondamentale qui accompagnent les transitions involontaires entre deux mécanismes laryngés lors de la production d’une voyelle. Les travaux expérimentaux et numériques montrent qu’une transition de mécanisme laryngé est la manifestation d’une bifurcation du système laryngé et que ces bifurcations se produisent lors d’une variation de la raideur des cordes vocales, de la pression sous-glottique, de l’aire glottique initiale ou bien de la longueur des résonateurs acoustiques. Les modèles théoriques permettent de reproduire les sauts de fréquence fondamentale observés expérimentalement. Ils sont utilisés pour étudier les différentes stratégies motrices responsables de ces sauts de fréquence. La deuxième étude porte sur la production de consonnes plosives, en particulier sur les effets de la réalisation d’une occlusion du conduit vocal sur l’arrêt puis l’apparition de l’oscillation des cordes vocales. Les simulations de séquences voyelle - plosive bilabiale non voisée (/p/)-voyelle effectuées montrent que l’expansion passive de la cavité supraglottique est à l’origine du maintien de l’auto-oscillation des cordes vocales après la fermeture du conduit vocal et que l’augmentation de la longueur du conduit vocal a pour effet de réduire le délai entre le relâchement de l’occlusion et l’apparition de l’oscillation des cordes vocales. Ces résultats impliquent que l’articulation joue un rôle considérable sur le mode de voisement (voisée ou non voisée) de la consonne et sur la valeur du Voice Onset Time pour une consonne plosive non voisée. / Language learning requires specific muscle control of all organs that contribute to speech production. Voiced sounds production, which results from vocal folds self oscillation, is especially influenced by the whole phonatory apparatus, from diaphragm to lips. The general background of this thesis is the physical modeling of speech production and the objectives are motivated by a better comprehension of physical phenomena occurring in voiced sounds production. In the frame of this work, studies are focused on cases where speech production control is impaired, for example when the speaker suffers from an important hearing loss. In this situation, physical interactions can play an important role in speech production disorders emergence. The approach adopted here is first to observe the studied phenomena thanks to invivo measurements then to describe them thanks to theoretical models. Thereafter, the models are validated by comparing theoretical results with measurements performed on a replica of the phonatory apparatus. Finally, numerical simulations in the time domain, based on a two-mass model, allow to apply physical models to specific speech production occurrences.The first study deals with fundamental frequency jumps that are observed during an unvoluntary transition between two different laryngeal mechanisms in case of vowel production.Experimental and numerical results highlight that a transition between two different laryngeal mechanisms is a symptom of the laryngeal system bifurcation, and that such bifurcation occurs during a variation of the vocal folds stiffness, the subglottal pressure,the prephonatory glottal area or the acoustic resonators length. The theoretical models allow to simulate the fundamental frequency jumps that are observed experimentally. They are used to study the different motor strategies responsible for these frequency jumps.The second study deals with plosive consonants production, and in particular with the effectsof a vocal tract occlusion on voicing offset and onset. Simulations of vowel – voiceless plosive - vowel production highlight that passive expansion of the supraglottal cavity is responsible for the voicing extension after vocal tract closure, and that increase of the vocal tract length leads to a shorter delay between the vocal tract occlusion release and the voicing onset. These results highlight that the articulation plays an important role in voicing (voiced or voiceless) and in voice-onset-time value for a voiceless plosive.

Les modèles biomécaniques éléments finis (EF) sont couramment utilisés dans de nombreux domaines. Ces modèles tendent depuis quelques années à être actifs, capable donc de générer des efforts musculaires et des mouvements. L’étape suivante consiste à rendre ces modèles réactifs, c’est-à-dire capable de réagir à une situation quelconque par des contractions musculaires et des mouvements. C’est dans cet optique que ce projet a été décomposé en 3 étapes. La première consistait à réaliser un modèle biomécanique détaillé capable de contractions musculaires et de mouvements. La seconde étape consistait à introduire des réflexes. Pour cela des modèles de capteurs sensoriels (fuseaux neuromusculaires et organes tendineux de golgi) et les réflexes associés (réflexes myotatiques et myotatiques inverses) ont ensuite été introduits au sein même du modèle. Le modèle ainsi obtenu a pu ensuite être validé grâce à une campagne expérimentale de quantification du réflexe d’étirement du tendon du biceps brachial. La dernière étape consistait à introduire des réactions de niveau supérieur, c’est-à-dire des mouvements volontaires. Pour cela une méthode de contrôle basée sur de l’apprentissage et l’optimisation a permis de générer ces mouvements et de les contrôler.En conclusion, l’introduction de boucles sensorielles et motrices de différents niveaux dans un modèle EF permet de rendre ce dernier réactif à son environnement. En effet, le modèle est ainsi capable de générer un mouvement selon des objectifs et des contraintes. Il est également capable d’adapter la contraction musculaire en fonction des évènements intervenant lors de la réalisation du mouvement. / Biomechanical finite elements (FE) models are commonly used in the field of road safety, sport and medicine. These models tended in recent years to be active, i.e. able to generate muscular efforts or movements. The next step is to make these models reactive, i.e. able to react to a situation with muscle contractions and movement. It is in this context that this project was broken down into 3 steps. The first step was to create a detailed biomechanical model capable of movements and muscle contractions. The second step was to introduce reflexes. For this, physiological sensors models (neuromuscular spindles and golgi tendon organs) and the associated reflexes associated (myotatic and inverse myotatic reflexes) were then integrated into the model. The model thus obtained could then be validated thanks to an experimental campaign of characterization of the deep tendon reflex of the biceps brachial. The last step was to introduce higher-level reactions, i.e. voluntary movements. For this purpose, a control method based on learning and optimization has made it possible to generate and control these movements.In conclusion, the introduction of sensory and motor loops of different into an FE model makes the latter reactive to its environment. Indeed, the model is thus able to generate a movement according to objectives and constraints. He is also able to adapt the muscular contraction according to the events intervening during the realization of the movement.

Le rôle du noyaux de la base dans le contrôle moteur reste une question ouverte. Nous avons conçu une tâche motrice contrôlée dite « start-stop » chez la souris, permettant de quantifier les paramètres cinématiques associés à l'action. Les enregistrements extracellulaires ont démontré que notre tâche recrute 8 classes différentes de neurones dans le striatum. Le groupe « quoi » était composé des neurones « Beginning » et « End », activés au début ou à la fin de la séquence motrice, respectivement. Le groupe « comment » était composé des neurones « Running », « Onset » et « Offset » qui représentaient l'ensemble de l'exécution de la séquence motrice et étaient corrélées aux performances de vitesse. Nous avons aussi signalé la présence de les cellules « Immobility » activées pendant l'immobilité. La comparaison des performances au cours d’essais réussis par rapport à des mouvements spontanés a montré que la fraction des différentes classes de neurones striataux reste stable. Cependant, la fraction de cellules modulant leur activité en fonction de la séquence était fortement diminuée dans les mouvements spontanés par rapport aux essais réussis, et l'activité des cellules « Running » étaient moins corrélées avec la vitesse et la durée de la course de l'animal. Nos données sont cohérentes avec un modèle de fonctionnement des ganglions de la base dans lequel l'activité striatale est organisée d'une manière temporellement précise pour initier, maintenir et mettre fin à l'activité des séquences motrices. Des tests d'optogénétique en cours permettront de confirmer les relations causales supposées entre l'activité striatale et la mise en œuvre de mouvements spécifiques. / The precise role of the basal ganglia in the control of motor actions is still under debate. We designed a well-controlled start-stop running paradigm for mice, that enabled to quantify the kinematic parameters associated with motor execution. Extracellular recordings demonstrated that our task massively recruited 8 different functional striatal classes that modulated their activity at distinct phases of the sequential action and immobility. The “what” group comprised Beginning and End neurons which were specifically tuned at the beginning or at the end of the motor sequence, respectively. The “how” group was the most representative and comprised Running, Onset and Offset cells which, cooperatively represented the entire execution of the motor sequence and were well correlated with speed performance. Strikingly, we also reported the presence of the Immobility cells that specifically fired during immobility periods. Comparison of performances during good trials versus spontaneous runs showed that the fraction of the different striatal classes remained stable. However, the fraction of cells with significant sequence-related modulation was prominently decreased in spontaneous compared to good trial runs, and the activity of the Running cells was less correlated with animal's running speed and duration. Our data are consistent with a basal ganglia model where striatal activity is coordinately organized in a temporally precise manner to initiate, maintain and terminate motor sequences. Ongoing experiments with optogenetics techniques (developed during this thesis) will confirm inferred causal relationships of striatal activity to specific motor implementations.

Le striatum est composé principalement de neurones épineux de taille moyenne, subdivisés en neurones striatopallidaux et striatonigraux en fonction de leurs projections et de leur expression en récepteurs et neuropeptides. Ces deux populations neuronales sont respectivement à l’origine des voies indirecte (ou inhibitrice) et directe (ou activatrice) des noyaux de la base, présentant des effets opposés à la fois au niveau moteur et motivationnel. Ces deux voies sont également différemment affectées dans différentes pathologies des noyaux de la base, telles que les maladies de Huntington et de Parkinson et les addictions. Les mécanismes moléculaires et cellulaires de régulation des neurones STP et STN ne sont cependant pas encore pleinement compris. Dès lors, l’identification et l’étude de la fonction de gènes spécifiques de l’une ou l’autre de ces sous-populations pourraient constituer une étape importante vers une meilleure compréhension de leur fonctionnement. Dans cette optique, notre laboratoire a précédemment réalisé une étude comparative des profils d’expression de chacune des sous-populations striatales par microarray. Parmi les gènes potentiellement inégalement exprimés dans les neurones STP et STN, nous avons identifié GPRIN3, un membre de la famille G Protein-Regulated Inducer of Neurite outgrowth (GPRIN), comme étant une cible intéressante. Cette famille, bien qu’encore très peu caractérisée, interagit en effet avec les sous-unités Gαi/o des protéines G et joue par conséquent un rôle régulateur sur la fonction et la voie de signalisation de certains GPCRs, tels que le récepteur μ opioïde. De plus, contrairement aux autres membres de la famille GPRIN, nos résultats de microarray suggèrent également un niveau d’expression élevé de GPRIN3 dans les neurones striataux chez l’adulte. Etant donné le rôle crucial des GPCRs au niveau du striatum et plus particulièrement dans le comportement différentiel des neurones STP et STN, GPRIN3 pourrait dès lors constituer un élément important dans le fonctionnement des neurones striataux. Ce travail s'est par conséquent axé sur l’élucidation du rôle de GPRIN3 dans les fonctions striatales. Dans ce but, nous avons dans un premier temps établi le profil d'expression de GPRIN3 chez la souris, au niveau du cerveau adulte et lors de l'embryogénèse. Ceci nous a permis de confirmer, chez l'adulte, l'expression majoritairement striatale de GPRIN3, et l'expression préférentielle dans les neurones STP. Nous avons également généré différents vecteurs d'expression de la protéine GPRIN3 et établi sa localisation subcellulaire en lignée HEK293T. La génération et la caractérisation d'un modèle d'invalidation constitutive ainsi que d'un modèle de répression par interférence ARN ont par la suite mis en évidence une implication, directe ou indirecte, de GPRIN3 dans la régulation fine de la signalisation du D2R. En effet, nous avons montré une modification des comportements liés à la motivation et à la réponse à la cocaïne ainsi qu’une altération de l’état de phosphorylation de DARPP32 et de la réponse à l’halopéridol dans le modèle d’invalidation constitutive. De plus, la réponse au quinpirole est également modifiée dans les deux modèles testés. Pris dans leur ensemble, ces résultats suggèrent dès lors une altération de la voie de signalisation du D2R en l’absence de GPRIN3 fonctionnel. En outre, les neurones STP dépourvus de GPRIN3 fonctionnel présentent des modifications de leur morphologie et de leurs propriétés électrophysiologiques. En conclusion, ce travail de thèse a permis d’apporter les premières pistes quant à la fonction de GPRIN3, une protéine totalement méconnue, dans le striatum, de par la création de modèles d’invalidation constitutive et de répression Cre-dépendante de cette protéine. Divers outils moléculaires ont également été générés et pourront être utilisés dans la suite de la caractérisation des fonctions de GPRIN3. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le sujet principal de cette thèse est le mouvement des systèmes anthropomorphes, et plus particulièrement la locomotion bipède des humains et des robots humanoïdes. Pour caractériser et comprendre la locomotion bipède, il est instructif d'en étudier les causes, qui résident dans le contrôle et l'organisation du mouvement, et les conséquences qui en résultent, que sont le mouvement et les interactions physiques avec l'environnement. Concernant les causes, par exemple, quels sont les principes qui régissent l'organisation des ordres moteurs pour élaborer une stratégie de déplacement spécifique ? Puis, quelles grandeurs physiques pouvons-nous calculer pour décrire au mieux le mouvement résultant de ces commandes motrices ? Ces questions sont en partie abordées par la proposition d'une extension mathématique de l'approche du Uncontrolled Manifold au contrôle moteur de tâches dynamiques, puis par la présentation d'un nouveau descripteur de la locomotion anthropomorphe. En lien avec ce travail analytique vient le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes anthropomorphes. La difficulté d'un tel problème vient du fait que les mesures apportent un bruit qui n'est pas toujours séparable des données informatives, et que l'état du système n'est pas nécessairement observable. Pour se débarrasser du bruit, des techniques de filtrage classiques peuvent être employées, mais elles sont susceptibles d'altérer le contenu des signaux d'intérêt. Pour faire face à ce problème, nous présentons une méthode récursive, basée sur le filtrage complémentaire, pour estimer la position du centre de masse et la variation du moment cinétique d'un système en contact, deux quantités centrales de la locomotion bipède. Une autre idée pour se débarrasser du bruit de mesure est de réaliser qu'il résulte en une estimation irréaliste de la dynamique du système. En exploitant les équations du mouvement, qui dictent la dynamique temporelle du système, et en estimant une trajectoire plutôt qu'un point unique, nous présentons ensuite une estimation du maximum de vraisemblance en utilisant l'algorithme de programmation différentielle dynamique pour effectuer une estimation optimale de l'état centroidal des systèmes en contact. Finalement, une réflexion pluridisciplinaire est présentée, sur le rôle fonctionnel et computationnel joué par la tête chez les animaux. La pertinence de son utilisation en robotique mobile y est discutée, pour l'estimation d'état et la perception multisensorielle. / The substantive subject of this thesis is the motion of anthropomorphic systems, and more particularly the bipedal locomotion of humans and humanoid robots. To characterize and understand bipedal locomotion, it is instructive to study its motor causes and its resulting physical consequences, namely, the interactions with the environment. Concerning the causes, for instance, what are the principles that govern the organization of motor orders in humans for elaborating a specific displacement strategy? And then, which physical quantities can we compute for best describing the motion resulting from these motor orders ? These questions are in part addressed by the proposal of a mathematical extension of the Uncontrolled Manifold approach for the motor control of dynamic tasks and through the presentation of a new descriptor of anthropomorphic locomotion. In connection with this analytical work, comes the problem of state estimation in anthropomorphic systems. The difficulty of such a problem comes from the fact that the measurements carry noise which is not always separable from the informative data, and that the state of the system is not necessarily observable. To get rid of the noise, classical filtering techniques can be employed but they are likely to distort the signals. To cope with this issue, we present a recursive method, based on complementary filtering, to estimate the position of the center of mass and the angular momentum variation of the human body, two central quantities of human locomotion. Another idea to get rid of the measurements noise is to acknowledge the fact that it results in an unrealistic estimation of the motion dynamics. By exploiting the equations of motion, which dictate the temporal dynamics of the system, and by estimating a trajectory versus a single point, we then present maximum likelihood estimation using the dynamic differential programming algorithm to perform optimal centroidal state estimation for systems in contact. Finally, a multidisciplinary reflection on the functional and computational role played by the head in animals is presented. The relevance of using this solution in mobile robotics is discussed, particularly for state estimation and multisensory perception.

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