Esta dissertação apresenta o projeto e a construção de atuadores elásticos em série para o acionamento das juntas de um exoesqueleto para membros inferiores, baseado em uma órtese comercial. Inicialmente, considerou-se como dispositivo de testes a parte do exoesqueleto referente à junta do tornozelo, ou seja, a construção de uma órtese tornozelo-pé ativa. Atuadores elásticos em série são considerados neste trabalho, pois tais dispositivos apresentam características ideais para a sua utilização em órteses ativas: controle de força, controle de impedância (possibilidade de impedância baixa), absorção de impactos, baixo atrito e largura de banda que se aproxima da movimentação muscular. Um primeiro protótipo do atuador elástico em série foi construído e resultados experimentais de controle de força, impedância e posição foram obtidos com sucesso, através de uma interface de acionamento e controle entre o atuador, os sensores (encoders e sensores de força) e o computador. Também foi construída uma órtese tornozelo-pé ativa acionada pelo atuador elástico em série construído, sendo apresentados os primeiros resultados experimentais obtidos com este dispositivo. / This dissertation deals with the design and construction of series elastic actuators for driving the joints of an exoskeleton for lower limbs, based on a commercial orthosis. Initially, it was considered the construction of the exoskeleton\'s ankle joint, that is, the construction of an active ankle-foot orthosis. Series elastic actuators are considered in this work since these devices have ideal characteristics for use in active orthoses: force control, impedance control (possibility of low impedance), impact absorption, low friction and bandwidth that approximates the muscle movement. A first prototype of the series elastic actuator was constructed and experimental results of force, impedance, and position control were successfully obtained trough of a control interface between the actuators, the sensors (encoders and force sensors) and the computer. Also, an active ankle-foot orthosis, driven by the series elastic actuator, was constructed and the first experimental results achieved with this device are presented.

Os isópodos terrestres possuem uma cutícula protetora que mantém a forma corporal, permite locomoção e comunicação com o ambiente e protege contra dessecação, infecção e predação. Assim como nos demais crustáceos, a cutícula é composta por uma matriz orgânica que é mineralizada com cálcio. A cutícula é uma estrutura versátil que reflete adaptações ambientais e a ampla distribuição geográfica do grupo. Dessa forma, a ultraestrutura e a composição da cutícula variam entre espécies. Isópodos terrestres fazem mudas frequentes ao longo da vida para crescer e/ou renovar receptores de superfície, o que resulta em reabsorção e deposição cuticular constante. Esse grupo apresenta muda bifásica e deposição de placas de cálcio nos esternitos anteriores antes da ecdise como estratégia para reciclar o cálcio corporal. Estudos relacionados à cutícula nesse grupo contemplam a ultraestrutura, a composição e a deposição bem como o efeito de alguns fatores ambientais na muda. No entanto, poucos estudos exploram as ligações entre ecomorfologia e história de vida. Essa tese visa explorar diversos aspectos relacionados à cutícula e a muda de duas espécies neotropicais de isópodos terrestres. Atlantoscia floridana e Balloniscus glaber foram usados como modelo uma vez que são frequentemente encontrados nas mesmas localidades e diferem em tipo ecomorfológico e estratégias ambientais. No Capítulo I, foram exploradas as estruturas de superfície e a ultraestrutura da cutícula das duas espécies a fim de ver como as diferenças encontradas podem ser relacionadas à história de vida de cada espécie, utilizando técnicas de microscopia. As espécies diferiram em tipo e disposição das estruturas de superfície bem como em espessura e proporção de camadas da cutícula. De maneira geral, as diferenças das estruturas de superfície estão relacionadas à seleção de microhabitat e nicho ecológico. Características cuticulares ajudam a explicar o hábito endógeno de B. glaber e epígeo de A. floridana enquanto que as diferenças em ultraestrutura são relacionadas a estratégias comportamentais e tolerância ambiental. No Capítulo II, o efeito do cálcio alimentar no ciclo de muda das espécies foi testado. Para isso, dieta experimental e análise estrutural da cutícula foram realizadas a fim de entender como diferentes concentrações de cálcio alimentar interferem na duração do ciclo de muda. Peculiaridades na ecdise em A. floridana refletem morfologia específica do animal. A duração da intramuda foi maior em B. glaber assim como a sobrevivência média nos tratamentos. A duração do ciclo de muda foi influenciada pela concentração de cálcio; uma tendência a menor duração do ciclo com o aumento da concentração de cálcio foi observada em B. glaber, enquanto em A. floridana a diferença encontrada foi apenas entre o controle sem cálcio e os demais tratamentos. Não houve efeito da dieta no grau de mineralização ou na ultraestrutura em B. glaber. Independentemente do tratamento, a maior taxa de mortalidade em laboratório parece estar relacionada com o próprio processo de ecdise, com mortalidade acumulada de 20% do início da ecdise até o início da pós-muda para ambas as espécies. No Capítulo III, a secreção da cutícula durante a pré- e pós-muda muda foi observada utilizando microscopia de transmissão. A deposição seguiu o padrão observado para outros isópodos. Entretanto, grânulos eletrondensos presentes no espaço ecdisial durante a pré-muda são provavelmente constituídos de cálcio, sugerindo a reciclagem de cálcio diretamente da cutícula velha para a nova no mesmo segmento. Esses grânulos são depositados nas escamas na nova epicutícula antes da ecdise, sugerindo a presença de cálcio na superfície cuticular das espécies. Além disso, regiões sem a ultraestrutura típica encontrada na pós-muda indicam que há modificação na exocutícula após a ecdise uma vez que a expansão e endurecimento da nova cutícula apenas após a ecdise. De maneira geral, esse trabalho não apenas trouxe novas informações sobre a estrutura cuticular de duas espécies neotropicias, mas também contribuiu para esclarecer conexões entre ecomorfologia e requerimentos biológicos de isópodos terrestres. / Terrestrial isopods have a protective cuticle that maintains body shape, allows locomotion, enables communication with the environment and protects them against desiccation, infection and predation. As in all crustaceans, their cuticle is composed of an organic matrix that is mineralized with calcium. The cuticle is highly versatile reflecting adaptations to environmental conditions and large geographical distribution of this group. Therefore, cuticle ultrastructure and composition vary among species. Terrestrial isopods molt frequently throughout their lives in order to grow and/or renew surface receptors, resulting in constant cuticular resorption and deposition. In this group, this dynamics of cuticle formation is affected by the biphasic molt and by the calcium deposition on sternal deposits prior ecdysis, strategies to recycle body calcium. Studies related to cuticle on this group include ultrastructure, composition and deposition as well as effect of some environmental factors on molting. However, few studies explore connections of ecomorphology and life history of animals. This thesis aimed to explore various aspects of cuticle structure and molting using two Neotropical species of terrestrial isopods. Atlantoscia floridana and Balloniscus glaber were used as models since they are found in the same locations while differing in ecomorphology and behavioral strategies. In Chapter I, I explored the cuticle surface structures and ultrastructure of both species to see how their differences can be related to each species life history traits, using microscopy techniques. Species differed in surface structures type and disposition, as well as cuticle thickness and layer proportion. Overall, differences in surface structure are related to microhabitat selection and ecological niche. Cuticular features further explain the endogeic habit of B. glaber and epigeic habit of A. floridana, while differences in cuticle ultrastructure relate to behavioral strategies and environmental tolerance. Next, differences on molting cycle and environmental requirements were analyzed. In Chapter II, I tested the effects of dietary calcium on the molting cycle of both species. For that, artificial diet and structural analysis of the cuticle were used to understand how different concentrations of dietary calcium interfere with molt cycle duration. Peculiarities were observed during ecdysis in A. floridana and reflect to specific morphology of the species. Intramolt duration was longer for B. glaber as well as overall survivorship in treatments. Cycle duration was influenced by calcium concentration; a trend of shorter molt cycle length with increasing calcium concentration was observed for B. glaber, while in A. floridana, only difference between control without calcium and other treatments was observed. Degree of mineralization and cuticle ultrastructure of B. glaber showed no difference between treatments. Regardless of treatment or species, higher mortality rate under lab conditions seems to be related to the process of ecdysis itself, with cumulative mortality of 20% from the beginning of ecdysis until the beginning of postmolt. In Chapter III, I used transmission electron microscopy to analyze cuticle secretion in both species during pre- and postmolt stages. Cuticle deposition during premolt followed the same pattern as other terrestrial isopods. Nonetheless, electron dense granules present on the ecdysial space during premolt are likely calcium granules, suggesting the recycling of calcium within the same segment. These granules are deposited on the scales of the new epicuticle prior ecdysis, suggesting the presence of calcium on the cuticular surface of both species. Moreover, regions without typical lamellate ultrastructure during postmolt indicate modification of the exocuticle after ecdysis since expansion and hardening must occur after ecdysis. Overall, this work not only added information on cuticular structure of two Neotropical species but also clarified connections between ecomorphology and biological requirements of terrestrial isopods.

Submitted by Franciele Moreira (francielemoreyra@gmail.com) on 2018-03-16T14:51:31Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Sémebber Silva Lino - 2018.pdf: 6051816 bytes, checksum: ea335e51b02781bbf65596b8422bac01 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-03-19T11:54:12Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Sémebber Silva Lino - 2018.pdf: 6051816 bytes, checksum: ea335e51b02781bbf65596b8422bac01 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-19T11:54:12Z (GMT). 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Therefore, this study aims to present a mathematical model to describe the trajectory of nodes corresponding to the movable joints and upper extremity of a low cost orthosestic device, of the exoskeleton type, to be coupled in the wheelchair, using computer simulation to determine the variation of positions and velocities of these joints associated with the articulations of the hip and lower limbs of the paraplegic wheelchair user, when performing extension or flexion movements of the body segments, besides the simulation of a prototype developed in CAD. As for the main results of the research, first, there is the trajectory of the nodes with respect the mobile joints and upper end using the representation of Denavit-Hartenberg, generated graphically by numerical and computer simulation, in order to validate and make feasible the mechanical construction of the device. Then, as the variation of the positions and velocities of motor gasket associated with the user’s knee joint device, has its graphical representation plucked by multistep interactive Runge-Kuta 4th Order, using the Lagrange equations for numerical and computational simulation of the transmission system drive, with the application of a torque on the crank of the robotic mechanism proposed, thus confirming its usability, reliability and security. Finally, the development of a 3D virtual prototype device CAD. Therefore, the preparation and provision of this manual orthotic device developed to assist in the vertical mobility of the paraplegic with spinal cord injury, will improve physical, psychological health, functional independence and daily well-being, and helping them in their autonomy to support on the feet. / Os movimentos de extensão ou flexão corporal em um indivíduo saudável são atividades físicas rotineiras necessárias para sua autonomia e independência. As lesões da medula espinhal e do cérebro são as principais causas da paraplegia, que impossibilitam a locomoção humana com autonomia. O uso de uma cadeira de rodas os auxiliará em sua mobilidade horizontal diária. Mas a possibilidade de uso de um dispositivo ortético que lhe permita aumentar a amplitude dos movimentos de extensão ou flexão, contribuirá na manutenção da sua densidade óssea, melhorando sua circulação sanguínea e ampliação do tônus muscular, envolvendo tensão em músculos, artérias ou outros tecidos orgânicos além de reflexos involuntários excessivos. Por conseguinte, este estudo objetiva apresentar um modelo matemático para descrever a trajetória dos nós correspondentes as juntas móveis e extremidade superior de um dispositivo ortético manual de baixo custo, do tipo exoesqueleto, a ser acoplado na cadeira de rodas do paraplégico, usando-se de simulação computacional para determinar a variação das posições e velocidades dessas juntas associadas às articulações do seu quadril e membros inferiores, ao realizar movimentos de extensão ou flexão dos segmentos corporais, além da simulação de um protótipo desenvolvido em CAD. Quanto aos principais resultados decorrentes da pesquisa, primeiramente, obteve-se a trajetória dos nós referentes às juntas móveis e extremidade superior utilizando-se da representação de Denavit-Hartenberg, gerada graficamente por simulação numérico- computacional, no intuito de validar e viabilizar a construção mecânica do dispositivo. Em seguida, a variação das posições e velocidades da junta motora associada à articulação do joelho do usuário do dispositivo, teve sua representação gráfica tangida pelo método interativo multipasso de Runge-Kuta de 4ª ordem, usando-se das equações de Lagrange para simulação numérico-computacional do acionamento do sistema de transmissão, com a aplicação de um torque na manivela do mecanismo robótico proposto, confirmando assim, a sua usabilidade, confiabilidade e segurança. Por último, o desenvolvimento de um protótipo virtual 3D em CAD do dispositivo. Portanto, a confecção e disponibilização desse dispositivo ortético desenvolvido para auxiliar na mobilidade vertical do paraplégico com lesão medular, melhorará sua saúde física, psicológica, independência funcional e bem-estar diário, auxiliando-o na autonomia para apoiar sobre os pés.

Ce projet s’inscrit dans l’effort développé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA)pour robotiser les activités extravéhiculaires à bord de la Station Spatiale Internationale et lors des futures missions d’exploration planétaire. Un aspect important de ces projets concerne le retour de force et la capacité, pour la personne qui commande les mouvements du robot, à ressentir les efforts qui lui sont appliqués. Le but est d’améliorer la qualité et l’immersion de la téléopération. L’objectif de cette thèse est la conception d’une interface haptique de type exosquelette pour le bras, pour ces missions de téléopération à retour de force. Ce système doit permettre une commande intuitive du robot téléopéré tout en reproduisant le plus fidèlement possible les efforts. Les chapitres 2 et 3 présentent les études réalisées sur un banc de test à 1 degré de liberté, destinées à comprendre le contrôle haptique ainsi qu’à évaluer différentes technologies d’actionnements et de capteurs. Les principales méthodes de contrôle sont décrites théoriquement et comparées en pratique sur le banc de test. Les chapitres 4 et 5 décrivent le développement de l’exosquelette SAM destiné aux futures applications de téléopération spatiale. La conception cinématique, le choix des actionneurs et des capteurs sont décrits. Différentes méthodes de contrôle sont également comparées avec des expériences de réalité virtuelle (sans robot esclave) et de téléopération. Pour finir, le chapitre 6 présente le projet EXOSTATION, un démonstrateur de téléopération haptique spatiale, dans lequel SAM est utilisé comme interface maître.

Os isópodos terrestres possuem uma cutícula protetora que mantém a forma corporal, permite locomoção e comunicação com o ambiente e protege contra dessecação, infecção e predação. Assim como nos demais crustáceos, a cutícula é composta por uma matriz orgânica que é mineralizada com cálcio. A cutícula é uma estrutura versátil que reflete adaptações ambientais e a ampla distribuição geográfica do grupo. Dessa forma, a ultraestrutura e a composição da cutícula variam entre espécies. Isópodos terrestres fazem mudas frequentes ao longo da vida para crescer e/ou renovar receptores de superfície, o que resulta em reabsorção e deposição cuticular constante. Esse grupo apresenta muda bifásica e deposição de placas de cálcio nos esternitos anteriores antes da ecdise como estratégia para reciclar o cálcio corporal. Estudos relacionados à cutícula nesse grupo contemplam a ultraestrutura, a composição e a deposição bem como o efeito de alguns fatores ambientais na muda. No entanto, poucos estudos exploram as ligações entre ecomorfologia e história de vida. Essa tese visa explorar diversos aspectos relacionados à cutícula e a muda de duas espécies neotropicais de isópodos terrestres. Atlantoscia floridana e Balloniscus glaber foram usados como modelo uma vez que são frequentemente encontrados nas mesmas localidades e diferem em tipo ecomorfológico e estratégias ambientais. No Capítulo I, foram exploradas as estruturas de superfície e a ultraestrutura da cutícula das duas espécies a fim de ver como as diferenças encontradas podem ser relacionadas à história de vida de cada espécie, utilizando técnicas de microscopia. As espécies diferiram em tipo e disposição das estruturas de superfície bem como em espessura e proporção de camadas da cutícula. De maneira geral, as diferenças das estruturas de superfície estão relacionadas à seleção de microhabitat e nicho ecológico. Características cuticulares ajudam a explicar o hábito endógeno de B. glaber e epígeo de A. floridana enquanto que as diferenças em ultraestrutura são relacionadas a estratégias comportamentais e tolerância ambiental. No Capítulo II, o efeito do cálcio alimentar no ciclo de muda das espécies foi testado. Para isso, dieta experimental e análise estrutural da cutícula foram realizadas a fim de entender como diferentes concentrações de cálcio alimentar interferem na duração do ciclo de muda. Peculiaridades na ecdise em A. floridana refletem morfologia específica do animal. A duração da intramuda foi maior em B. glaber assim como a sobrevivência média nos tratamentos. A duração do ciclo de muda foi influenciada pela concentração de cálcio; uma tendência a menor duração do ciclo com o aumento da concentração de cálcio foi observada em B. glaber, enquanto em A. floridana a diferença encontrada foi apenas entre o controle sem cálcio e os demais tratamentos. Não houve efeito da dieta no grau de mineralização ou na ultraestrutura em B. glaber. Independentemente do tratamento, a maior taxa de mortalidade em laboratório parece estar relacionada com o próprio processo de ecdise, com mortalidade acumulada de 20% do início da ecdise até o início da pós-muda para ambas as espécies. No Capítulo III, a secreção da cutícula durante a pré- e pós-muda muda foi observada utilizando microscopia de transmissão. A deposição seguiu o padrão observado para outros isópodos. Entretanto, grânulos eletrondensos presentes no espaço ecdisial durante a pré-muda são provavelmente constituídos de cálcio, sugerindo a reciclagem de cálcio diretamente da cutícula velha para a nova no mesmo segmento. Esses grânulos são depositados nas escamas na nova epicutícula antes da ecdise, sugerindo a presença de cálcio na superfície cuticular das espécies. Além disso, regiões sem a ultraestrutura típica encontrada na pós-muda indicam que há modificação na exocutícula após a ecdise uma vez que a expansão e endurecimento da nova cutícula apenas após a ecdise. De maneira geral, esse trabalho não apenas trouxe novas informações sobre a estrutura cuticular de duas espécies neotropicias, mas também contribuiu para esclarecer conexões entre ecomorfologia e requerimentos biológicos de isópodos terrestres. / Terrestrial isopods have a protective cuticle that maintains body shape, allows locomotion, enables communication with the environment and protects them against desiccation, infection and predation. As in all crustaceans, their cuticle is composed of an organic matrix that is mineralized with calcium. The cuticle is highly versatile reflecting adaptations to environmental conditions and large geographical distribution of this group. Therefore, cuticle ultrastructure and composition vary among species. Terrestrial isopods molt frequently throughout their lives in order to grow and/or renew surface receptors, resulting in constant cuticular resorption and deposition. In this group, this dynamics of cuticle formation is affected by the biphasic molt and by the calcium deposition on sternal deposits prior ecdysis, strategies to recycle body calcium. Studies related to cuticle on this group include ultrastructure, composition and deposition as well as effect of some environmental factors on molting. However, few studies explore connections of ecomorphology and life history of animals. This thesis aimed to explore various aspects of cuticle structure and molting using two Neotropical species of terrestrial isopods. Atlantoscia floridana and Balloniscus glaber were used as models since they are found in the same locations while differing in ecomorphology and behavioral strategies. In Chapter I, I explored the cuticle surface structures and ultrastructure of both species to see how their differences can be related to each species life history traits, using microscopy techniques. Species differed in surface structures type and disposition, as well as cuticle thickness and layer proportion. Overall, differences in surface structure are related to microhabitat selection and ecological niche. Cuticular features further explain the endogeic habit of B. glaber and epigeic habit of A. floridana, while differences in cuticle ultrastructure relate to behavioral strategies and environmental tolerance. Next, differences on molting cycle and environmental requirements were analyzed. In Chapter II, I tested the effects of dietary calcium on the molting cycle of both species. For that, artificial diet and structural analysis of the cuticle were used to understand how different concentrations of dietary calcium interfere with molt cycle duration. Peculiarities were observed during ecdysis in A. floridana and reflect to specific morphology of the species. Intramolt duration was longer for B. glaber as well as overall survivorship in treatments. Cycle duration was influenced by calcium concentration; a trend of shorter molt cycle length with increasing calcium concentration was observed for B. glaber, while in A. floridana, only difference between control without calcium and other treatments was observed. Degree of mineralization and cuticle ultrastructure of B. glaber showed no difference between treatments. Regardless of treatment or species, higher mortality rate under lab conditions seems to be related to the process of ecdysis itself, with cumulative mortality of 20% from the beginning of ecdysis until the beginning of postmolt. In Chapter III, I used transmission electron microscopy to analyze cuticle secretion in both species during pre- and postmolt stages. Cuticle deposition during premolt followed the same pattern as other terrestrial isopods. Nonetheless, electron dense granules present on the ecdysial space during premolt are likely calcium granules, suggesting the recycling of calcium within the same segment. These granules are deposited on the scales of the new epicuticle prior ecdysis, suggesting the presence of calcium on the cuticular surface of both species. Moreover, regions without typical lamellate ultrastructure during postmolt indicate modification of the exocuticle after ecdysis since expansion and hardening must occur after ecdysis. Overall, this work not only added information on cuticular structure of two Neotropical species but also clarified connections between ecomorphology and biological requirements of terrestrial isopods.

This document presents the development of a first proposal prototype of a rehabilitation exoskeleton hand. The idea was to create a lighter, less complex and cheaper exoskeleton than the existing models in the market but efficient enough to carry out rehabilitation therapies.The methodology implemented consists of an initial literature review followed by data collection resulting in a pre-design in two dimensions using two different software packages, MUMSA and WinmecC. First, MUMSA provides the parameters data of the movement of the hand to be done accurately. With these parameters, the mechanisms of each finger are designed using WinmecC. Once the errors were solved and the mechanism was achieved, the 3D model was designed.The final result is presented in two printed 3D models with different materials. The models perform a great accurate level on the motion replica of the fingers by using rotary servos. The properties of the model can change depending on the used material. ABS material gives a flexible prototype, and PLA material does not achieve it. The use of distinct methods to print has a high importance on the difficulties of development throughout the entire process of production. Despite found difficulties in the production, the model was printed successfully, obtaining a compact, strong, lightweight and eco-friendly with the environment prototype.

Os isópodos terrestres possuem uma cutícula protetora que mantém a forma corporal, permite locomoção e comunicação com o ambiente e protege contra dessecação, infecção e predação. Assim como nos demais crustáceos, a cutícula é composta por uma matriz orgânica que é mineralizada com cálcio. A cutícula é uma estrutura versátil que reflete adaptações ambientais e a ampla distribuição geográfica do grupo. Dessa forma, a ultraestrutura e a composição da cutícula variam entre espécies. Isópodos terrestres fazem mudas frequentes ao longo da vida para crescer e/ou renovar receptores de superfície, o que resulta em reabsorção e deposição cuticular constante. Esse grupo apresenta muda bifásica e deposição de placas de cálcio nos esternitos anteriores antes da ecdise como estratégia para reciclar o cálcio corporal. Estudos relacionados à cutícula nesse grupo contemplam a ultraestrutura, a composição e a deposição bem como o efeito de alguns fatores ambientais na muda. No entanto, poucos estudos exploram as ligações entre ecomorfologia e história de vida. Essa tese visa explorar diversos aspectos relacionados à cutícula e a muda de duas espécies neotropicais de isópodos terrestres. Atlantoscia floridana e Balloniscus glaber foram usados como modelo uma vez que são frequentemente encontrados nas mesmas localidades e diferem em tipo ecomorfológico e estratégias ambientais. No Capítulo I, foram exploradas as estruturas de superfície e a ultraestrutura da cutícula das duas espécies a fim de ver como as diferenças encontradas podem ser relacionadas à história de vida de cada espécie, utilizando técnicas de microscopia. As espécies diferiram em tipo e disposição das estruturas de superfície bem como em espessura e proporção de camadas da cutícula. De maneira geral, as diferenças das estruturas de superfície estão relacionadas à seleção de microhabitat e nicho ecológico. Características cuticulares ajudam a explicar o hábito endógeno de B. glaber e epígeo de A. floridana enquanto que as diferenças em ultraestrutura são relacionadas a estratégias comportamentais e tolerância ambiental. No Capítulo II, o efeito do cálcio alimentar no ciclo de muda das espécies foi testado. Para isso, dieta experimental e análise estrutural da cutícula foram realizadas a fim de entender como diferentes concentrações de cálcio alimentar interferem na duração do ciclo de muda. Peculiaridades na ecdise em A. floridana refletem morfologia específica do animal. A duração da intramuda foi maior em B. glaber assim como a sobrevivência média nos tratamentos. A duração do ciclo de muda foi influenciada pela concentração de cálcio; uma tendência a menor duração do ciclo com o aumento da concentração de cálcio foi observada em B. glaber, enquanto em A. floridana a diferença encontrada foi apenas entre o controle sem cálcio e os demais tratamentos. Não houve efeito da dieta no grau de mineralização ou na ultraestrutura em B. glaber. Independentemente do tratamento, a maior taxa de mortalidade em laboratório parece estar relacionada com o próprio processo de ecdise, com mortalidade acumulada de 20% do início da ecdise até o início da pós-muda para ambas as espécies. No Capítulo III, a secreção da cutícula durante a pré- e pós-muda muda foi observada utilizando microscopia de transmissão. A deposição seguiu o padrão observado para outros isópodos. Entretanto, grânulos eletrondensos presentes no espaço ecdisial durante a pré-muda são provavelmente constituídos de cálcio, sugerindo a reciclagem de cálcio diretamente da cutícula velha para a nova no mesmo segmento. Esses grânulos são depositados nas escamas na nova epicutícula antes da ecdise, sugerindo a presença de cálcio na superfície cuticular das espécies. Além disso, regiões sem a ultraestrutura típica encontrada na pós-muda indicam que há modificação na exocutícula após a ecdise uma vez que a expansão e endurecimento da nova cutícula apenas após a ecdise. De maneira geral, esse trabalho não apenas trouxe novas informações sobre a estrutura cuticular de duas espécies neotropicias, mas também contribuiu para esclarecer conexões entre ecomorfologia e requerimentos biológicos de isópodos terrestres. / Terrestrial isopods have a protective cuticle that maintains body shape, allows locomotion, enables communication with the environment and protects them against desiccation, infection and predation. As in all crustaceans, their cuticle is composed of an organic matrix that is mineralized with calcium. The cuticle is highly versatile reflecting adaptations to environmental conditions and large geographical distribution of this group. Therefore, cuticle ultrastructure and composition vary among species. Terrestrial isopods molt frequently throughout their lives in order to grow and/or renew surface receptors, resulting in constant cuticular resorption and deposition. In this group, this dynamics of cuticle formation is affected by the biphasic molt and by the calcium deposition on sternal deposits prior ecdysis, strategies to recycle body calcium. Studies related to cuticle on this group include ultrastructure, composition and deposition as well as effect of some environmental factors on molting. However, few studies explore connections of ecomorphology and life history of animals. This thesis aimed to explore various aspects of cuticle structure and molting using two Neotropical species of terrestrial isopods. Atlantoscia floridana and Balloniscus glaber were used as models since they are found in the same locations while differing in ecomorphology and behavioral strategies. In Chapter I, I explored the cuticle surface structures and ultrastructure of both species to see how their differences can be related to each species life history traits, using microscopy techniques. Species differed in surface structures type and disposition, as well as cuticle thickness and layer proportion. Overall, differences in surface structure are related to microhabitat selection and ecological niche. Cuticular features further explain the endogeic habit of B. glaber and epigeic habit of A. floridana, while differences in cuticle ultrastructure relate to behavioral strategies and environmental tolerance. Next, differences on molting cycle and environmental requirements were analyzed. In Chapter II, I tested the effects of dietary calcium on the molting cycle of both species. For that, artificial diet and structural analysis of the cuticle were used to understand how different concentrations of dietary calcium interfere with molt cycle duration. Peculiarities were observed during ecdysis in A. floridana and reflect to specific morphology of the species. Intramolt duration was longer for B. glaber as well as overall survivorship in treatments. Cycle duration was influenced by calcium concentration; a trend of shorter molt cycle length with increasing calcium concentration was observed for B. glaber, while in A. floridana, only difference between control without calcium and other treatments was observed. Degree of mineralization and cuticle ultrastructure of B. glaber showed no difference between treatments. Regardless of treatment or species, higher mortality rate under lab conditions seems to be related to the process of ecdysis itself, with cumulative mortality of 20% from the beginning of ecdysis until the beginning of postmolt. In Chapter III, I used transmission electron microscopy to analyze cuticle secretion in both species during pre- and postmolt stages. Cuticle deposition during premolt followed the same pattern as other terrestrial isopods. Nonetheless, electron dense granules present on the ecdysial space during premolt are likely calcium granules, suggesting the recycling of calcium within the same segment. These granules are deposited on the scales of the new epicuticle prior ecdysis, suggesting the presence of calcium on the cuticular surface of both species. Moreover, regions without typical lamellate ultrastructure during postmolt indicate modification of the exocuticle after ecdysis since expansion and hardening must occur after ecdysis. Overall, this work not only added information on cuticular structure of two Neotropical species but also clarified connections between ecomorphology and biological requirements of terrestrial isopods.

Research within the field of human motion assistive device development, with the purpose of reducing the metabolic cost of daily activities, is seeing the benefits of the exclusive use of passive actuators to store and release energy during the gait cycle. Designs of novel exoskeletons at the University of Ottawa implement the Pneumatic Artificial Muscle (PAM) as the primary method of nonlinear, passive actuation. The PAM is proven as a superior actuator for these devices when compared to the linear mechanical springs used by other researchers. There are, however, challenges regarding PAM pressure loss and the limitation of PAM elongation that have been identified. This thesis aims to develop a hyperelastic tubular soft composite that replicates the distinctive mechanical behaviour of the PAM without the need for internal pressurization. The final soft composite solution was achieved by impregnating a prefabricated polyethylene terephthalate braided sleeve, held at a high initial fibre angle, with a silicone prepolymer. A comprehensive experimental evaluation was performed on numerous prototypes for a variety of customizable design parameters including: initial fibre angle, silicone stiffness, and braided sleeve style. Moreover, two separate analytical models were formulated based on incompressible finite elasticity theory using either a structural model of Holzapfel’s type, or a phenomenological model of Fung’s type. Both models were in good agreement with the experimental data that were collected through a modified extension-inflation test. This research has successfully developed, tested, and validated an innovative soft composite that can achieve specific mechanical properties, such as contraction distance and nonlinear stiffness, for optimal use in human motion assistive devices.

Esta dissertação apresenta o projeto e a construção de atuadores elásticos em série para o acionamento das juntas de um exoesqueleto para membros inferiores, baseado em uma órtese comercial. Inicialmente, considerou-se como dispositivo de testes a parte do exoesqueleto referente à junta do tornozelo, ou seja, a construção de uma órtese tornozelo-pé ativa. Atuadores elásticos em série são considerados neste trabalho, pois tais dispositivos apresentam características ideais para a sua utilização em órteses ativas: controle de força, controle de impedância (possibilidade de impedância baixa), absorção de impactos, baixo atrito e largura de banda que se aproxima da movimentação muscular. Um primeiro protótipo do atuador elástico em série foi construído e resultados experimentais de controle de força, impedância e posição foram obtidos com sucesso, através de uma interface de acionamento e controle entre o atuador, os sensores (encoders e sensores de força) e o computador. Também foi construída uma órtese tornozelo-pé ativa acionada pelo atuador elástico em série construído, sendo apresentados os primeiros resultados experimentais obtidos com este dispositivo. / This dissertation deals with the design and construction of series elastic actuators for driving the joints of an exoskeleton for lower limbs, based on a commercial orthosis. Initially, it was considered the construction of the exoskeleton\'s ankle joint, that is, the construction of an active ankle-foot orthosis. Series elastic actuators are considered in this work since these devices have ideal characteristics for use in active orthoses: force control, impedance control (possibility of low impedance), impact absorption, low friction and bandwidth that approximates the muscle movement. A first prototype of the series elastic actuator was constructed and experimental results of force, impedance, and position control were successfully obtained trough of a control interface between the actuators, the sensors (encoders and force sensors) and the computer. Also, an active ankle-foot orthosis, driven by the series elastic actuator, was constructed and the first experimental results achieved with this device are presented.

Etre capable de marcher sans ressentir de douleur, fatigue ou autres altérations est considéré comme une priorité pour les activités quotidiennes et est étroitement lié à la qualité de vie de chacun. De nombreuses atteintes du système neuro-musculo-squelettique peuvent engendrer des altérations de la marche. Une compréhension précise de ces altérations est nécessaire pour optimiser les stratégies thérapeutiques. Parmi ces atteintes, la rétraction musculaire est l'une des plus fréquentes. Elle correspond à un raccourcissement permanent du complexe musculotendineux limitant ainsi la mobilité des articulations. Elle est impliquée dans de nombreuses pathologies (paralysie cérébrale, hémiplégie, pieds bots, brûlures, etc.) L'objectif global de ce travail de thèse était d'étudier les effets des rétractions sur la marche humaine. Pour cela, un dispositif permettant d'émuler des rétractions a été mis en place et évalué. Ce dispositif est composé d'un exosquelette et de cordes permettant de limiter les amplitudes articulaires, simulant ainsi la rétraction des principaux muscles des membres inférieurs atteints par cette pathologie. Grâce à ce dispositif, l'effet des rétractions des muscles a été analysé. Des rétractions isolées ont été émulées sur 35 participants unilatéralement et bilatéralement et une analyse quantifiée de la marche a été réalisée. Les patterns cinématiques obtenus sur chaque articulation ont été ensuite utilisés pour analyser les liens entre altérations de marche et rétractions musculaires. Il a été montré que la rétraction des gastrocnemius peut provoquer un pattern de marche genoux fléchis, alors qu'une rétraction du soleus montre peu de modifications de la cinématique du genou. De plus, le lien entre la sévérité de la rétraction des gastrocnemius / soleus et la progression de la marche digitigrade (augmentation de la flexion plantaire pendant la marche) n'est pas linéaire. La marche «genoux fléchis» peut être causée par les rétractions des ilio-psoas, ischio-jambiers et gastrocnemius. Des patterns cinématiques particuliers ont été identifiées en lien avec les muscles responsables de la marche «genoux fléchis». Il a été également montré que les rétractions des muscles du membre inférieur ont des effets importants spécifiques sur la position moyenne du tronc et du bassin dans le plan sagittal. Derrière son objectif scientifique, les résultats obtenus dans ce projet ont le potentiel d'améliorer le choix des stratégies de traitement et donc d'avoir un impact sur la qualité de vie des patients / Preserving or restoring the ability to walk without pain, fatigue or any gait alterations is considered a priority for activities of daily living and is closely related to quality of life. Numerous alterations of the neuro-musculo-skeletal system lead to gait deviations. To treat these alterations, a precise understanding of gait deviations is required. For patients with gait disorders, instrumented gait analysis can be performed to measure precisely the gait deviations. Among the varied causes of gait alterations, one of the most frequent is contractures that affect numerous pathologies. It corresponds to a permanent shortening of a musculo-tendinous complex limiting the mobility of the joints. It is involved in many pathologies (cerebral palsy, stroke, clubfoot, burns, etc.) The global objective of this thesis was to study the effects of contractures on human walking. For this purpose, a device for emulating contractures has been built and evaluated. This device consists of an exoskeleton and ropes to limit joint range of motion of the major lower limb muscles affected by contractures. With this device, the effect of contractures of the musculo-tendinous complex was analysed. Isolated contractures were emulated on 36 participants unilaterally and bilaterally and an instrumented gait analysis was performed. The kinematic patterns obtained for each joint were then used to link kinematic gait alterations with muscle contractures. It has been shown that contracture of gastrocnemius can cause a knee flexion pattern, while a contracture of the soleus shows moderate changes in knee kinematics. Moreover, the relationship between the level of contracture of gastrocnemius / soleus and the progression of the equinus gait (increase in plantar flexion during walking) is not linear. «Knee flexion» gait pattern may be caused by the contractures of the iliopsoas, hamstrings and gastrocnemius. Particular kinematic patterns have been identified in relation to the muscles responsible to the «knee flexion» gait pattern. It has also been shown that retractions of the muscles of the lower limb have important specific effects on the mean position of the trunk and pelvis in the sagittal plane. Behind the scientific objective, the results of this project have the potential to improve the choice of treatment strategies and therefore to have an impact on patient’s quality of life