Notre motivation est de comprendre la locomotion humaine pour un meilleur contrôle des systèmes virtuels (robots et mannequins). La locomotion humaine a été étudiée depuis longtemps dans des domaines différents. Nous considérons la locomotion comme le déplacement d’un repère attaché au corps humain (direction et orientation) au lieu de la trajectoire articulaire du corps complet. Notre approche est basée sur le fondement calculatoire de la locomotion humaine. Le but est de trouver un modèle qui explique la forme de la locomotion humaine dans l’espace. Pour ce faire, nous étudions tout d’abord le comportement des trajectoires au sol pendant la locomotion intentionnelle. Quand un humain marche, il met un pied devant l’autre et par conséquence, l’orientation du corps suit la direction tangente de la trajectoire. C’est ce qu’on appelle l’hypothèse de comportement nonholonome. Cependant, dans le cas d’un pas de côté, l’orientation du corps n’est plus semblable à la direction de trajectoire, et l’hypothèse n’est plus valable. Le comportement de la locomotion devient holonome. Le but de la thèse est de distinguer ces deux comportements et de les exploiter en neuroscience, robotique et animation graphique. La première partie de la thèse présente une étude qui permet de déterminer des configurations de comportement holonome par un protocole expérimental et par une fonction qui segmente les comportements nonholonomes et holonomes d’une trajectoire. Dans la deuxième partie, nous établissons un modèle unifiant comportements nonholonomes et holonomes. Ce modèle combine trois vitesses générant la locomotion humaine : tangentielle, angulaire et latérale. Par une approche de commande optimale inverse nous proposons une fonction multi-objectifs qui optimise des trajectoires calculées pour les rendre proches des trajectoires humaines naturelles. La dernière partie est l’application qui utilise les deux comportements pour synthétiser des locomotions humaines dans un environnement d’animation graphique. Chaque locomotion est caractérisée par trois vitesses et est donc considérée comme un point dans l’espace de commande 3D (de trois vitesses). Nous avons collecté une librairie qui contient des locomotions de vitesses différentes – des points dans l’espace 3D. Ces points sont structurés en un nuage de tétraèdres. Quand une vitesse désirée est donnée, elle est projetée dans l’espace 3D et on trouve le tétraèdre qui la contient. La nouvelle animation est interpolée par quatre locomotions correspondant aux quatre sommets du tétraèdre. On expose plusieurs scénarios d’animations sur un personnage virtuel. / Our motivation is to understand human locomotion to better control locomotion of virtual systems (robots and mannequins). Human locomotion has been studied so far in different disciplines. We consider locomotion as the level of a body frame (in direction and orientation) instead of the complexity of many kinematic joints systems as other approaches. Our approach concentrates on the computational foundation of human locomotion. The ultimate goal is to find a model that explains the shape of human locomotion in space. To do that, we first base on the behavior of trajectories on the ground during intentional locomotion. When human walk, they put one foot in front of the other and consequently, the direction of motion is deduced by the body orientation. That’s what we called the nonholonomic behavior hypothesis. However, in the case of a sideward step, the body orientation is not coupled to the tangential direction of the trajectory, and the hypothesis is no longer validated. The behavior of locomotion becomes holonomic. The aim of this thesis is to distinguish these two behaviors and to exploit them in neuroscience, robotics and computer animation. The first part of the thesis is to determine the configurations of the holonomic behavior by an experimental protocol and an original analytical tool segmenting the nonholonomic and holonomic behaviors of any trajectory. In the second part, we present a model unifying nonholonomic and holonomic behaviors. This model combines three velocities generating human locomotion: forward, angular and lateral. The experimental data in the first part are used in an inverse optimal control approach to find a multi-objective function which produces calculated trajectories as those of natural human locomotion. The last part is the application that uses the two behaviors to synthesize human locomotion in computer animation. Each locomotion is characterized by three velocities and is therefore considered as a point in 3D control space (of three speeds). We collected a library that contains locomotions at different velocities - points in 3D space. These points are structured in a tetrahedra cloud. When a desired speed is given, it is projected into the 3D space and we find the corresponding tetrahedron that contains it. The new animation is interpolated by four locomotions corresponding to four vertices of the selected tetrahedron. We exhibit several animation scenarios on a virtual character.

Every movement has a goal. For reaching, the goal is to move the hand to a specific location. For locomotion, however, goals for each step cycle are unclear and veiled by the automatic nature of lower limb control. What mechanical variables does the nervous system "care" about during locomotion? Abundant evidence from the biomechanics literature suggests that the force generated on the ground, or endpoint force, is an important task variable during hopping and running. Hopping and running are called bouncing gaits for the reason that the endpoint force trajectory is like that of bouncing on a pogo stick. In this work, I captured kinematics and kinetics of human bouncing gaits, and tested whether structure in the inherent step-to-step variability is consistent with control of endpoint force. I found that joint torques covary from step to step to stabilize only peak force. When two limbs are used to generate force on the ground at the same time, individual forces of the limbs are not stabilized, but the total peak force is stabilized. Moreover, passive dynamics may be exploited during forward progression. These results suggest that the number of kinetic goals is minimal, and this simple control scheme involves goals for discrete times during the gait cycle. Uncovering biomechanical goals of locomotion provides a functional context for understanding how complex joints, muscles, and neural circuits are coordinated.

Dois modelos mecânicos, o pêndulo-invertido e o massa-mola, explicam como os mecanismos pendular e elástico minimizam o dispêndio energético advindo dos músculos durante caminhada e corrida humana. A presente tese testa dois efeitos que, para nosso conhecimento, todavia não possuem respostas conclusivas da literatura, nomeadamente o processo de envelhecimento na mecânica da corrida humana e o efeito da inclinação do terreno na velocidade ótima da caminhada. Para estudar o primeiro efeito, as forças de reação do solo provenientes de uma plataforma de força (4m x 0,50m), foram usadas para a posterior comparação de: i) trabalho mecânico, ii) parâmetros do sistema massa-mola e, iii) assimetrias contatodespregue entre jovens e idosos. Os idosos produzem menos força durante a fase de trabalho mecânico positivo com uma menor oscilação vertical total e oscilação durante a fase aérea. Conseqüentemente a capacidade de armazenar e re-utilizar energia elástica dos tendões é prejudicada contribuindo para o maior dispêndio energético neste grupo quando comparado com jovens.Para o modelo do custo eletromiográfico (EMG) da caminhada humana criou-se duas abordagens: experimental e teórica. Em ambas as abordagens, informações da atividade EMG de dezesseis músculos, sendo 8 posturais e 8 propulsores foram coletadas e analisadas a partir da integral EMG. A abordagem teórica parece ter uma melhor relação com as evidências experimentais sobre a energética da caminhada humana em inclinações. Os principais mecanismos envolvidos na nova hipótese são i) músculos posturais que não realizam trabalho muscular, exercem uma função importante na determinação do dispêndio energético total e ii) a presente hipótese leva em consideração a co-contração de músculos antagonistas no dispêndioenergético total. Mais experimentos são necessários para confirmar o modelo apresentado neste estudo. Além disso, através de estratégias de otimização e predição linear, um modelo teórico foi delineado a fim de determinar parâmetros mecânicos (comprimento de passada e velocidade de progressão) e energéticos da locomoção terrestre em situações onde as informações disponíveis são apenas a massa e uma curva força de reação vertical versus tempo. Os resultados advindos do modelamento correspondem aos parâmetros determinados experimentalmente. Laboratórios que detenham apenas uma plataforma de força, ou nas áreas onde as informações de entrada do atual modelo sejam as únicas informações (e.g. paleontologia, biomecânica forênsica, etc), a predição de variáveis primárias da locomoção podem ser preditas com razoável acurácia. / Two mechanical models, the inverted pendulum and spring-mass, explain how do the pendular and elastic mechanisms minimizing energy expenditure from muscles during human walking and running. Here, we test two effects that, to our knowledge, do not have yet conclusive responses from literature, specifically the ageing effects on mechanics of human running, and the effect of gradient on walking optimal speed. In order to check the former effect, the ground reaction forces came from a force platform (4m x 0.5m) were used for a later comparison: i) mechanical work, ii) spring-mass parameters and, iii) landing-takeoff asymmetries. The old subjects produce less force during positive work resulting in a smaller overall and aerial vertical oscillation of the centre of mass. Consequently, the potential for restore elastic energy from tendons is reduced contributing to greater energy expenditure than in young subjects. In relation to Electromyographical (EMG) Cost of human walking we created two approaches: experimental and theoretical. In both approaches, information from EMG activity of sixteen muscles, eight postural and eight propulsor were collected and analysed. The theoretical approach seems to fit better with the energy expenditure during gradient walking. The main mechanisms involved in this new hypothesis are i) postural muscles that do not perform muscular work, play an important role in the total energy expenditure and ii) the present hypothesis take the co-contraction into account of the antagonist muscles in the total energy expenditure. Further experiments are necessary to confirm this hypothesis. Besides, using optimization and linear prediction procedures, a theoretical model was designed to estimate mechanical parameters (stride length and velocity of progression) and energetic variables of terrestrial locomotion when available information consists only of mass and one vertical ground reaction force versus time.The results from this modelling are similar to experimentally obtained data. Laboratories with just one force platform, or in areas where the present model’s input information be the unique accessible data (e.g. palaeontology, forensic biomechanics, etc) the prime variables of locomotion may be estimated with reasonable accuracy.

Dois modelos mecânicos, o pêndulo-invertido e o massa-mola, explicam como os mecanismos pendular e elástico minimizam o dispêndio energético advindo dos músculos durante caminhada e corrida humana. A presente tese testa dois efeitos que, para nosso conhecimento, todavia não possuem respostas conclusivas da literatura, nomeadamente o processo de envelhecimento na mecânica da corrida humana e o efeito da inclinação do terreno na velocidade ótima da caminhada. Para estudar o primeiro efeito, as forças de reação do solo provenientes de uma plataforma de força (4m x 0,50m), foram usadas para a posterior comparação de: i) trabalho mecânico, ii) parâmetros do sistema massa-mola e, iii) assimetrias contatodespregue entre jovens e idosos. Os idosos produzem menos força durante a fase de trabalho mecânico positivo com uma menor oscilação vertical total e oscilação durante a fase aérea. Conseqüentemente a capacidade de armazenar e re-utilizar energia elástica dos tendões é prejudicada contribuindo para o maior dispêndio energético neste grupo quando comparado com jovens.Para o modelo do custo eletromiográfico (EMG) da caminhada humana criou-se duas abordagens: experimental e teórica. Em ambas as abordagens, informações da atividade EMG de dezesseis músculos, sendo 8 posturais e 8 propulsores foram coletadas e analisadas a partir da integral EMG. A abordagem teórica parece ter uma melhor relação com as evidências experimentais sobre a energética da caminhada humana em inclinações. Os principais mecanismos envolvidos na nova hipótese são i) músculos posturais que não realizam trabalho muscular, exercem uma função importante na determinação do dispêndio energético total e ii) a presente hipótese leva em consideração a co-contração de músculos antagonistas no dispêndioenergético total. Mais experimentos são necessários para confirmar o modelo apresentado neste estudo. Além disso, através de estratégias de otimização e predição linear, um modelo teórico foi delineado a fim de determinar parâmetros mecânicos (comprimento de passada e velocidade de progressão) e energéticos da locomoção terrestre em situações onde as informações disponíveis são apenas a massa e uma curva força de reação vertical versus tempo. Os resultados advindos do modelamento correspondem aos parâmetros determinados experimentalmente. Laboratórios que detenham apenas uma plataforma de força, ou nas áreas onde as informações de entrada do atual modelo sejam as únicas informações (e.g. paleontologia, biomecânica forênsica, etc), a predição de variáveis primárias da locomoção podem ser preditas com razoável acurácia. / Two mechanical models, the inverted pendulum and spring-mass, explain how do the pendular and elastic mechanisms minimizing energy expenditure from muscles during human walking and running. Here, we test two effects that, to our knowledge, do not have yet conclusive responses from literature, specifically the ageing effects on mechanics of human running, and the effect of gradient on walking optimal speed. In order to check the former effect, the ground reaction forces came from a force platform (4m x 0.5m) were used for a later comparison: i) mechanical work, ii) spring-mass parameters and, iii) landing-takeoff asymmetries. The old subjects produce less force during positive work resulting in a smaller overall and aerial vertical oscillation of the centre of mass. Consequently, the potential for restore elastic energy from tendons is reduced contributing to greater energy expenditure than in young subjects. In relation to Electromyographical (EMG) Cost of human walking we created two approaches: experimental and theoretical. In both approaches, information from EMG activity of sixteen muscles, eight postural and eight propulsor were collected and analysed. The theoretical approach seems to fit better with the energy expenditure during gradient walking. The main mechanisms involved in this new hypothesis are i) postural muscles that do not perform muscular work, play an important role in the total energy expenditure and ii) the present hypothesis take the co-contraction into account of the antagonist muscles in the total energy expenditure. Further experiments are necessary to confirm this hypothesis. Besides, using optimization and linear prediction procedures, a theoretical model was designed to estimate mechanical parameters (stride length and velocity of progression) and energetic variables of terrestrial locomotion when available information consists only of mass and one vertical ground reaction force versus time.The results from this modelling are similar to experimentally obtained data. Laboratories with just one force platform, or in areas where the present model’s input information be the unique accessible data (e.g. palaeontology, forensic biomechanics, etc) the prime variables of locomotion may be estimated with reasonable accuracy.

Made available in DSpace on 2016-12-06T17:07:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao andresa.pdf: 564416 bytes, checksum: d9a7aed45c3456ab530b89ea17bacbba (MD5) Previous issue date: 2007-12-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The purpose of this study was to analyze the ground reaction force (GRF) of women s gait, both barefoot and wearing different shoes with different heels. The attendees were 32 female volunteers who had not had histories of lesions in the lower limbs up to six months prior to the collections, with alignment of the lower limbs considered as normal and with experience in wearing high heel shoes. The three components of the gait GRF were verified with speed of 4km/h±10%, in three conditions: barefoot, shoe1 (19,93mm heel height), and shoe2 (75,25mm heel height). The kinetic variables were collected in two force plates, AMTI (Massachusetts, EUA, 1991) (frequency of 540Hz); and for speed controlling, photocells and chronometers were used. Five complete gait cycles were collected for each condition and for each volunteer. The data were acquired in the System Peak Motus 32, processed with MATLAB® 5.0 and SAD®32 softwares. The statistical treatment was composed of exploratory descriptive statistics and analysis of variance one-way ANOVA with the post-hoc test Student-Newman-Keuls (p≤ 0,05). Some statistically significant differences were found in the majority of the variables for the three conditions. The results indicate that with increased heel height, modifications occurred in the vertical component of GRF in the variables FPF, MPL, SPF, Time FPF, Time MPL, Time SPF, IFy_Impact, IFy_Prop and, mainly in RAW (Rate Acceptance Weight) among 10-20% of FPF. A more accentuated spike for the barefoot condition was also noticed, and this behavior was made evident when wearing high heel shoes and softened with low heel shoes. In the anterior-posterior component of GRF, the maximum and minimum values observed suggest larger application of force for the impact (slow down action) and of acceleration during gait with high heel shoes. In the medial-lateral component of GRF, even though considered inconsistent and of difficult interpretation, distinctions among the conditions were observed, with the biggest value of lateral impulse and the smallest value of medial impulse for the high heel shoes in comparison with the other two conditions. / O presente trabalho objetivou analisar o comportamento da força de reação do solo da marcha de mulheres descalças, com calçado de salto baixo e calçado de salto alto. Participaram do estudo 32 voluntárias que não apresentavam histórico de lesões nos membros inferiores nos seis meses anteriores às coletas, com alinhamento dos membros inferiores considerado normal e com experiência na utilização de calçados com salto alto. Foram verificadas as três componentes da FRS da marcha com velocidade de 4km/h±10%, em três condições: Descalça, Calçado1 (19,93mm de altura de salto), e Calçado2 (75,25mm de altura de salto). As variáveis cinéticas foram coletadas a partir plataformas de força extensiométricas, triaxiais, AMTI (freqüência de amostragem 540Hz). Foram coletados 5 ciclos de marcha completos para cada condição, para cada voluntária. Os dados foram adquiridos e arquivados no Sistema Peak Motus 32, sendo processados no software MATLAB® 5.0. O tratamento estatístico foi composto de estatística descritiva exploratória e análise de variância ANOVA One way, além do teste post-hoc de Student-Newman-Keuls (α≤ 0,05). Os resultados indicaram que com um aumento no salto do calçado ocorrem modificações na componente vertical de força de reação do solo nas variáveis Primeiro Pico de Força (PPF), Suporte Médio de Força (SMF), Segundo Pico de Força (SPF), intervalos de tempo de SMF e SPF; Impulso de Frenagem, Impulso de propulsão e, principalmente na Taxa de Aceitação de Peso (TAP) na região entre 10% a 20% do PPF. Notou-se também um spike acentuado para a condição descalça, sendo bastante evidente quando utilizado calçado de salto alto e suavizado para o calçado de salto baixo. Na componente ânteroposterior da FRS, os valores máximos e mínimos observados sugerem maior aplicação de força para a ação de frenagem e de aceleração da marcha durante a utilização do calçado de salto alto. A componente médio-lateral da FRS observou-se maior valor de impulso lateral e o menor valor de impulso medial para o calçado de salto alto em comparação com as outras duas condições.

Made available in DSpace on 2016-12-06T17:07:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PAMELA.pdf: 2668750 bytes, checksum: 96752be9e4cc22aee9368d301b2b09b4 (MD5) Previous issue date: 2008-09-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This is a descriptive search that has a general objective the evaluation of the clinic-functional and dynamic of the gait in elderly with knee osteoarthrosis. The specific objectives were to verify the clinic-functional characteristic of the knee in elderly with osteoarthrosis; verify the kinetics characteristics of the gait in elderly with knee osteoarthrosis; compare the kinetic characteristics of the vertical ground reaction forces with normal parameters and identify the morphologic characteristics of the ground reaction forces curve. Twelve elderly subjects with medical knee osteoarthrosis diagnosis were intentionally chosen. The clinic-functional and kinetics variables were measured through the Q angle of the knee, active and passive flexion and extension amplitude of the knee, habitual and maximal velocity of the gait and vertical ground reaction forces. The kinetics data were collected in habitual speed with frequency of sampling of 600Hz. The data were processed through SPSS 11.0 and SAD 32 programs. The statistic used was descriptive, with average, standard deviation and coefficient of variation. Analyzing the results, the observations were that the subjects showed high intensity of the pain (8,2 ± 1,5), obesity in 5/6 of the subjects, diminution of the active and passive amplitude of the flexion and extension of the knee, decreased velocity of the gait (2,7 ± 0,43 km/h), and postural varo and valgus deviation in . of the subjects. More than these, there were a significant increase in the median support force (87% ± 0,039 BW) and a diminution of the first peak of force (96% ± 0,03 BW), second peak of force (99% ± 0,02 BW) and in body weight acceptance tax (71° ± 3,4), suggesting that the subjects of this study do not have enough muscular and ligament forces to control the flexion (shock absorber) and stabilization of the knee during the stance phase of the gait. And the pain, must be doing by chronic repetitive movement occasioned by the articular dysfunction, altered alignments and obesity that accompanying these subjects. This paper demonstrates that the objective analysis of the gait in association with the clinic-functional parameters of the knee can be used to document the gait adaptations of the subjects with knee osteoarthrosis, and to plan best therapeutics interventions. / Esta e uma pesquisa descritiva que teve como objetivo geral avaliar as alterações clínico-funcionais e dinâmicas da marcha de idosos com osteoartrose de joelho. Os objetivos específicos foram verificar as características clínico-funcionais dos joelhos de idosos com osteoartrose de joelho; verificar as características cinéticas da marcha dos idosos com osteoartrose de joelhos; comparar as características cinéticas da componente vertical da força de reação do solo da marcha de indivíduos com osteoartrose de joelho, com valores normais de referência e analisar as características morfológicas da curva da força de reação do solo. Participaram da pesquisa 12 idosos com diagnóstico médico de osteoartrose de joelhos, escolhidos de forma não probabilística intencional. As variáveis de estudo foram medidas do angulo Q do joelho, amplitude articular ativa e passiva de extensão e flexão do joelho, velocidade habitual e máxima da marcha, e forças verticais de reação do solo. Os dados cinéticos foram coletados na velocidade habitual de cada sujeito com freqüência de amostragem de 600hz. O processamento dos dados foi no programa SPSS 11.0 e SAD 32. A estatística utilizada foi a descritiva, com média, desvio padrão e coeficiente de variação. Analisando os resultados pôde-se observar que os sujeitos apresentaram alta intensidade de dor (8,2 ± 1,5), obesidade em 5/6 dos sujeitos, diminuição da amplitude ativa e passiva de movimento articular de flexão e extensão do joelho, diminuição da velocidade habitual da marcha (2,7 ± 0,43), alteração postural em varo ou valgo em ¾ dos sujeitos. Além disso, houve um significativo aumento da média da força de suporte médio (87% ± 0,039 PC) e uma diminuição do primeiro pico de força (96% ± 0,03 PC), do segundo pico de força (99% ± 0,02 PC) e da taxa de aceitação do peso (71° ± 3,4), sugerindo que os indivíduos deste estudo apresentam disfunção articular dos joelhos e não apresentam força muscular e ligamentar suficiente para controlar a flexão (amortecimento) e estabilidade do joelho durante a fase de apoio. E ainda, que a dor pode estar sendo gerada pelas cargas crônicas de movimentos repetitivos ocasionadas pela disfunção articular, alteração postural e excesso de peso que acometem estes sujeitos. Este estudo demonstra que a análise objetiva da marcha associada aos parâmetros clínico-funcionais do joelho, pode ser usada para documentar as adaptações na marcha de idosos com osteoartrose de joelhos e para o planejamento de intervenções terapêuticas mais eficazes.

FINEP; CAPES; CNPQ; Fundação Araucária; ANEEL / O presente trabalho apresenta uma aplicação de sensores à fibra ótica baseados em redes de Bragg encapsulados em compósito de resina polimérica com reforço de fibra de vidro no formato de tubo. O objetivo do trabalho foi projetar, fabricar e caracterizar o dispositivo sensor aplicado ao ciclo da marcha e a mudança do centro de gravidade em amputado transtibial, através da análise de de deformação e resistência do tubo conector da prótese transtibial. Para essa investigação foi produzido um tubo com o material compósito descrito anteriormente através do método de Moldagem por Transferência de Resina (RTM), com quatro sensores óticos. A prótese em que o tubo original foi substituído é classificada como endoesquelético, possui encaixe à vácuo, tem o tubo conector de alumínio e pé com amortecimento de fibra de carbono. O voluntário para os testes foi um homem de 41 anos, 1,65 metros de altura, 72 quilogramas e canhoto. Sua amputação ocorreu devido a trauma (secção cirúrgica nível medial feita abaixo do joelho do membro inferior esquerdo). Ele é usuário de prótese transtibial há dois anos e oito meses A caracterização dos sensores óticos e análise da deformação mecânica e resistência do tubo deu-se pelo ciclo da marcha e a variação do centro de gravidade do corpo através dos seguintes testes: levantar-se, apoiar na perna sem a prótese, apoiar na perna com a prótese, locomoção para frente e locomoção para trás. Os resultados mostram além da caracterização do ciclo da marcha em um amputado transtibial, também um elevado grau de integração das FBGs no compósito e uma alta resistência mecânica do material. / This work presents an application of optical fiber sensors based on Bragg gratings integrated to a transtibial prosthesis tube manufactured with a polymeric composite systrem of epoxy resin reinforced with glass fiber. The main objective of this study is to characterize the sensors applied to the gait cycle and changes in the gravity center of a transtibial amputee, trough the analysis of deformation and strengh of the transtibial prosthesis tube. For this investigation it is produced a tube of the composite material described above using the molding method of resin transfer (RTM) with four optical sensors. The prosthesis in which the original tube is replaced is classified as endoskeletal, has vacuum fitting, aluminium conector tube and carbon fiber foot cushioning. The volunteer for the tests was a man of 41 years old, 1.65 meters tall, 72 kilograms and left-handed. His amputation occurred due to trauma (surgical section is in the medial level, and was made below the left lower limb knee). He has been a transtibial prosthesis user for two years and eight months. The characterization of the optical sensors and analysis of mechanical deformation and tube resistance occurred through the gait cycle and the variation of the center of gravity of the body by the following tests: stand up, support leg without the prosthesis, support in the leg with the prosthesis, walk forward and walk backward. Besides the characterization of optical sensors during the gait cycle and the variation of the gravity center in a transtibial amputated, the results also showed a high degree of integration of the sensors in the composite and a high mechanical strength of the material.

Dois modelos mecânicos, o pêndulo-invertido e o massa-mola, explicam como os mecanismos pendular e elástico minimizam o dispêndio energético advindo dos músculos durante caminhada e corrida humana. A presente tese testa dois efeitos que, para nosso conhecimento, todavia não possuem respostas conclusivas da literatura, nomeadamente o processo de envelhecimento na mecânica da corrida humana e o efeito da inclinação do terreno na velocidade ótima da caminhada. Para estudar o primeiro efeito, as forças de reação do solo provenientes de uma plataforma de força (4m x 0,50m), foram usadas para a posterior comparação de: i) trabalho mecânico, ii) parâmetros do sistema massa-mola e, iii) assimetrias contatodespregue entre jovens e idosos. Os idosos produzem menos força durante a fase de trabalho mecânico positivo com uma menor oscilação vertical total e oscilação durante a fase aérea. Conseqüentemente a capacidade de armazenar e re-utilizar energia elástica dos tendões é prejudicada contribuindo para o maior dispêndio energético neste grupo quando comparado com jovens.Para o modelo do custo eletromiográfico (EMG) da caminhada humana criou-se duas abordagens: experimental e teórica. Em ambas as abordagens, informações da atividade EMG de dezesseis músculos, sendo 8 posturais e 8 propulsores foram coletadas e analisadas a partir da integral EMG. A abordagem teórica parece ter uma melhor relação com as evidências experimentais sobre a energética da caminhada humana em inclinações. Os principais mecanismos envolvidos na nova hipótese são i) músculos posturais que não realizam trabalho muscular, exercem uma função importante na determinação do dispêndio energético total e ii) a presente hipótese leva em consideração a co-contração de músculos antagonistas no dispêndioenergético total. Mais experimentos são necessários para confirmar o modelo apresentado neste estudo. Além disso, através de estratégias de otimização e predição linear, um modelo teórico foi delineado a fim de determinar parâmetros mecânicos (comprimento de passada e velocidade de progressão) e energéticos da locomoção terrestre em situações onde as informações disponíveis são apenas a massa e uma curva força de reação vertical versus tempo. Os resultados advindos do modelamento correspondem aos parâmetros determinados experimentalmente. Laboratórios que detenham apenas uma plataforma de força, ou nas áreas onde as informações de entrada do atual modelo sejam as únicas informações (e.g. paleontologia, biomecânica forênsica, etc), a predição de variáveis primárias da locomoção podem ser preditas com razoável acurácia. / Two mechanical models, the inverted pendulum and spring-mass, explain how do the pendular and elastic mechanisms minimizing energy expenditure from muscles during human walking and running. Here, we test two effects that, to our knowledge, do not have yet conclusive responses from literature, specifically the ageing effects on mechanics of human running, and the effect of gradient on walking optimal speed. In order to check the former effect, the ground reaction forces came from a force platform (4m x 0.5m) were used for a later comparison: i) mechanical work, ii) spring-mass parameters and, iii) landing-takeoff asymmetries. The old subjects produce less force during positive work resulting in a smaller overall and aerial vertical oscillation of the centre of mass. Consequently, the potential for restore elastic energy from tendons is reduced contributing to greater energy expenditure than in young subjects. In relation to Electromyographical (EMG) Cost of human walking we created two approaches: experimental and theoretical. In both approaches, information from EMG activity of sixteen muscles, eight postural and eight propulsor were collected and analysed. The theoretical approach seems to fit better with the energy expenditure during gradient walking. The main mechanisms involved in this new hypothesis are i) postural muscles that do not perform muscular work, play an important role in the total energy expenditure and ii) the present hypothesis take the co-contraction into account of the antagonist muscles in the total energy expenditure. Further experiments are necessary to confirm this hypothesis. Besides, using optimization and linear prediction procedures, a theoretical model was designed to estimate mechanical parameters (stride length and velocity of progression) and energetic variables of terrestrial locomotion when available information consists only of mass and one vertical ground reaction force versus time.The results from this modelling are similar to experimentally obtained data. Laboratories with just one force platform, or in areas where the present model’s input information be the unique accessible data (e.g. palaeontology, forensic biomechanics, etc) the prime variables of locomotion may be estimated with reasonable accuracy.

Die Notwendigkeit, sich über unebene, sich ständig verändernde Gelände zu bewegen, gehört zu unserem täglichen Leben. Das zentrale Nervensystem muss daher eine erhöhte Menge an Information integrieren, um mit der Unvorhersehbarkeit äußerer Störungen zurechtkommen zu können. Die Folge dieser erhöhten Beanspruchung könnte eine flexible Kombination der modularen Organisation von Bewegungssteuerung sein. Auf Kosten der Genauigkeit der Bewegung wäre es so möglich, dass das System reagiert, indem es die Robustheit (Fähigkeit mit Fehlern umzugehen) seiner Steuerung erhöht. Jedoch sind die Strategien, die das zentrale Nervensystem zur Organisation der Bewegung verwendet, immer noch schlecht verstanden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Bewegungen zustande kommen durch eine kleine Anzahl linear kombinierter Aktivierungsmuster (Muskelsynergien). Unter den verschiedenen Möglichkeiten der Bewegungsstörung sind das Weglassen von Schuhen und die Verwendung von unebenen Oberflächen zwei gebräuchliche Optionen. In einem ersten Schritt habe ich eine gründliche Analyse der Methoden durchgeführt, die nützlich sind für a) die Auswertung von raumzeitlichen Gangparametern mithilfe von Daten der plantaren Druckverteilung und b) die Extraktion von Muskelsynergien mittels nicht-negativer Matrixfaktorisierung. Anschließend habe ich die modulare Organisation von c) beschut und barfuß Laufen und d) Laufband Gehen und Laufen über ebener und unebener Oberfläche analysiert. Im Vergleich zum gestörten Zustand zeigte das Barfußlaufen eine zeitlichen Verschiebung der zeitabhängigen Muskelaktivierungspatterns (Motor Primitives) und eine Reorganisation der zeitunabhängigen Koeffizienten (Motor Modules). Zusammenfassend, konserviert Fortbewegung über unebener Oberfläche, im Vergleich zu ebener, Motor Modules, während Motor Primitives im Allgemeinen breiter werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Idee einer erhöhten Robustheit in der motorischen Kontrolle während der instabilen Fortbewegung. / The need to move over uneven, continuously changing terrains is part of our daily life. Thus, the central nervous system must integrate an augmented amount of information in order to be able to cope with the unpredictability of external disturbances. A consequence of this increased demand might be a flexible recombination of the modular organisation of movement creation and control. At the expense of motion’s accuracy, it is possible that the system responds by increasing its control’s robustness (i.e. ability to cope with errors). However, the strategies employed by the central nervous system to organise movement are still poorly understood. One possibility is that movements are constructed through a small amount of linearly combined patterns of activations, called muscle synergies. Amongst the several possibilities of perturbing locomotion, the removal of footwear and the use of uneven surfaces are two valid options. In a first step, I conducted a thorough analysis of the methodologies useful for a) the evaluation of spatiotemporal gait parameters using plantar pressure distribution data and b) the extraction of muscle synergies using non-negative matrix factorisation. Afterwards, I analysed the modular organisation of c) shod and barefoot running and d) walking and running over an even- and an uneven-surface treadmill. The modular organisation of locomotion, assessed through the extraction of muscle synergies, changed when perturbations were introduced. Compared to the shod condition, barefoot running underwent, mostly due to the different foot strike pattern, a reorganisation of the time-independent coefficients (motor modules) and a time-shift of the time-dependent muscle activation patterns (motor primitives). Uneven-surface locomotion, compared to even-surface, conserved motor modules, while motor primitives were generally wider, confirming the idea of an increased robustness in motor control during unsteady locomotion.

O nascimento prematuro contribui significativamente para o aumento de morbidades associadas ao desenvolvimento motor, tornando fundamental o acompanhamento contínuo destas crianças. Desta forma, a avaliação baropodométrica, por consistir em um método quantitativo de controle postural pode trazer vantagens para o diagnóstico e acompanhamento do desenvolvimento motor de crianças. Este estudo teve por objetivo desenvolver um protocolo de avaliação motora através dos dados e índices baropodométricos em crianças nascidas pré-termo. Foi realizado um estudo descritivo, onde foram avaliadas 103 crianças entre 24 e 59 meses. Destas, 40 nascidas pré-termo e 63 crianças nascidas a termo. Durante a seleção da amostra, foi preenchida uma ficha de avaliação correspondente ao pré-termo grupo e um questionário com relatos dos pais no grupo a termo. Após, foram aferidos massa corporal e estatura, seguida da aplicação da Escala de Desenvolvimento Motor. Por fim, a baropodometria foi realizada na forma estática, em três repetições, os quais consistiram de 5 segundos de adaptação da criança dobre a placa e 30 segundos onde foram aferidos dados de análise estática: pressão plantar e área do centro de oscilação corporal. Após, as pressões plantares foram transformadas em índices, o índice ânteroposterior foi definido pelas pressões plantares anterior e posterior: IAP= 1-2*│0,6-P│; e o índice látero-lateral, por sua vez, foi definido pelas pressões plantares laterais direita e esquerda: ILL= 1-│LD-LE│. Após a avaliação os dados foram submetidos ao teste de normalidade das distribuições de Shapiro-Wilk, após verificada a distribuição não-normal, foi aplicado o teste de Mann-Whitney para verificar diferença entre os grupos, a associação entre os valores obtidos pelo baropodômetro, Escala do Desenvolvimento Motor, e as principais características e intercorrências do grupo pré-termo foi verificada através da correlação de Spearman. Foi observada diferença significativa nos valores de ILL (p=0,000) entre crianças nascidas a termo e crianças nascidas pré-termo, e que esta diferença possui correlação moderada com a idade gestacional (ρ=0,304), em relação ao centro de oscilação de pressão, crianças nascidas a termo apresentaram menor oscilação quando comparado a idade cronológica (ρ=-0,354), sendo que esta relação foi contrária em crianças nascidas pré-termo (ρ=0,336). Quando analisado somente o grupo pré-termo, foi verificado que o ILL apresentou correlação moderada e inversa com o tempo de internação (ρ=-0,353) e com o tempo de ventilação mecânica (ρ=-0,317) e a aérea do centro de oscilação de pressão apresentou correlação moderada e direta com o tempo de ventilação não invasiva (ρ=0,341). A massa ao nascer apresentou correlação moderada com o ILL (ρ=0,359) e também com a idade motora (ρ=0,323) e o quociente motor (ρ=0,341) e correlação forte com a IG (ρ=0,898) em contrapartida o peso atual apresentou correlação moderada com o quociente motor (ρ=0,310), e a IG (ρ=0,381) e correlação forte com a idade motora (ρ=0,555) e a idade cronológica (ρ=0,613). Houve diferença significativa em relação a idade de aquisição da marcha das crianças que precisaram de acompanhamento fisioterapêutico das que não precisaram (p=0,013). Um índice ILL menor em prematuros, pode estar relacionado ao tempo de internação e ventilação mecânica, além da massa ao nascer, já a maior aérea do centro de oscilação de pressão possui correlação com o tempo de ventilação não invasiva. Também pode-se perceber que a massa atual e a idade cronológica influenciaram mais no desenvolvimento motor que a massa ao nascer e a idade gestacional em crianças prematuras. / Preterm birth contributes significantly to the increase of morbidities associated with motor development, making essential the continuous monitoring of these children. Thus, baropodometry analysis by consisting of a quantitative method for postural control can be advantageous for the diagnosis and monitoring of engine development of children. This study aimed to develop a motor evaluation protocol through the data and baropodometric indexes in preterm infants. It was a descriptive study, which were evaluated 103 children between 24 and 59 months. Of these, 40 preterm and 63 term infants. During the sample selection was completed an evaluation form with data from medical records corresponding to the pre-term group and a questionnaire to parents on group term. After, body mass and height were measured, then the implementation of the Motor Development Scale. Finally, baropodometry was held in static form, with three replicates, which consisted of 5 seconds of child adjustment bend the plate and 30 seconds which were measured static analysis data: plantar pressure and pressure swing center area. After, the plantar pressures were transformed into indexes, the anteroposterior index was defined by the anterior and posterior plantar pressures: API = 1-2 * │0,6-P│; and side side index, in turn, defined by the right and left side planter pressure: SSI = 1- │RS-LS│. After evaluating, the data were submitted to normality test of Shapiro-Wilk distributions, being checked the non-normal distribution, the Mann-Whitney test was used to verify differences between groups, the association between the values obtained by baropodometry analysis, Motor Development Scale, and the main characteristics and complications of preterm group was verified by Spearman correlation. Significant difference in the values of SSI (p = 0.000) among term infants and infants born preterm were observed, and this difference has moderate correlation with gestational age (ρ = 0.304) compared to the pressure oscillation center , full-term babies showed less fluctuation compared to chronological age (ρ = -0.354), and this relationship was contrary in preterm children (ρ = 0.336).When only analyzed the preterm group, it was found that the SSI had moderate and inverse correlation with the length of stay (ρ = -0.353) and the duration of mechanical ventilation (ρ = -0.317) and the air oscillation center pressure showed moderate and direct correlation with noninvasive ventilation time (ρ = 0.341).The mass at birth showed moderate correlation with SSI (ρ = 0.359) and also with the motor age (ρ = 0.323) and the ratio engine (ρ = 0.341) and strong correlation with gestational age (ρ = 0.898) in contrast current weight showed moderate correlation with the motor quotient (ρ = 0.310) and gestational age(ρ = 0.381) and strong correlation with the motor age (ρ = 0.555) and chronological age (ρ = 0.613). There was significant difference in the age of acquisition of march of the children who needed physical therapy monitoring of those who did not needed (p = 0.013). A smaller SSI index in premature infants, may be related to hospitalization time and mechanical ventilation, in addition to mass at birth, already the largest air pressure oscillation center has correlation with noninvasive ventilation time.It may also be seen that the current mass and chronological age influenced more motor development than the mass at birth and gestational age in preterm children.