La locomotion autonome est une étape clef du développement du nourrisson. Elle débute dans la majorité des cas par la marche quadrupède au deuxième semestre de vie. Cependant, dès la naissance, le nouveau-né est déjà capable de se propulser de manière autonome en position ventrale. Cette mobilité quadrupède précoce a été très peu étudiée, car considérée par la plupart des auteurs comme un simple réflexe de reptation, destiné à disparaître rapidement sous l'influence du développement cortical : cette reptation n'aurait aucun lien avec la marche mature, n'impliquerait pas les bras et aurait pour fonction principale de permettre au nouveau-né de se propulser jusqu'au sein maternel. Contrairement à ce point de vue, quelques auteurs ont observé que cette mobilité semblait complexe et pouvait éventuellement persister jusqu'à l'âge de 2-3 mois, dans un contexte adapté. Ces observations posent la question de savoir si cette mobilité primitive, loin d'être un simple réflexe, pourrait être en lien avec la marche quadrupède et bipède mature. L'objectif de cette thèse est d'étudier les différentes caractéristiques, en particulier cinématiques, de cette mobilité quadrupède depuis la naissance jusqu'au sixième mois. Dans ce but, un dispositif a été créé, le CrawliSkate, qui permet de libérer les bras et faciliter la propulsion. Trois études ont été menées et montrent que cette mobilité quadrupède est loin d'être un simple réflexe stéréotypé, qu'elle implique une coordination des jambes et des bras, qu'elle peut en partie être modifiée dès la naissance à un niveau supra spinal par la vision et enfin qu'elle persiste tout en se modifiant durant tout le premier semestre de la vie. / Self-produced locomotion is a key stage in infant development, which usually begins with hand and knees crawling in the second semester of life. Since the moment of birth, however, newborns are already capable of autonomous propulsion from a prone position. This precocious form of quadrupedalism remains largely unstudied due in part to the fact that most researchers consider these creeping movements to constitute a mere reflex, destined dissipate as cortical development progresses. Under such an interpretation, this creeping « reflex » would have no link with mature, bipedal walking, would not recruit the upper limbs and would serve mainly as a mechanism by which newborns could reach the maternal breast. Contrary to this point of view, a handful of authors have observed that these patterns of locomotion seem complex, and might persist in some form until the age of 2-3 months. These observations invite us to consider the possibility that such primitive locomotion might be directly involved in the emergence of quadrupedal and bipedal gait. The present thesis examines the various characteristics (particularly cinematic) of this prone mobility, from birth to about six months of age. To this end, we describe the creation of an experimental tool that frees the use of a newborn's limbs and facilitates the aforementioned form of propulsion: the CrawliSkate. We present three studies showing that neonatal prone mobility goes beyond simple reflexes, involves coordination between the upper and lower limbs, and can be partially modified at birth at a supra-spinal level through visual stimulation. Lastly, we demonstrate that this pattern of locomotion persists, albeit with heavy modification, throughout the first semester of life.

Chez les patients hémiparétiques chroniques, la tDCS a été testée sur diverses tâches du membre inférieur, montrant des résultats intéressants, mais parfois contradictoires. Cependant, les effets de la tDCS sur la fonction motrice volontaire (extension de genou) et semi-automatique (locomotion) chez des patients hémiparétiques ne sont pas encore totalement connus. L’objet de ce travail était d’évaluer contre placébo les effets de la tDCS en polarité anodale sur les fonctions motrices volontaires et semi-automatiques, chez des patients hémiparétiques. L’étude comporte deux parties : la première a pour but d’évaluer l’effet contre placébo de la tDCS bilatérale sur la force volontaire maximale du quadriceps parétique par isocinétisme, la seconde a pour objectif d’étudier les effets contre placébo des effets de la tDCS unilatérale sur la marche par analyse tridimensionnelle du mouvement. Les résultats ont montré une absence d’effet de la tDCS sur les deux types de mouvements étudiés. De plus, la tDCS n’a pas eu d’effet sur la spasticité du quadriceps ni sur la performance aux tests fonctionnels des patients hémiparétiques. Cela suggère qu’il n’y a pas d’intérêt à l’utilisation de la tDCS bilatérale pour améliorer une performance motrice maximale (l’extension de genou) ni de la tDCS unilatérale pour améliorer un mouvement semi-automatique (la locomotion) chez les patients hémiparétiques chroniques. Les perspectives envisagées sont de reconduire ces expérimentations chez un groupe homogène de patients hémiparétiques en phase aigüe ou subaigüe afin de potentialiser les phénomènes plastiques post-lésionnels. Ceci permettra de renforcer ou non l’intérêt de l’utilisation de la tDCS chez les patients hémiparétiques afin d’améliorer leurs performances motrices. / In chronic hemiparetic patients, the use of tDCS has been tested on various lower limb tasks, showing interesting but sometimes contradictory results. However, the effects of tDCS on voluntary (knee extension) and semi-automatic (locomotion) motor function in hemiparetic patients are not yet fully known. The purpose of this work was to quantify the effects of tDCS in anodal polarity on the voluntary and semi-automatic motor functions in placebo-controlled studies. The study is divided into two parts: the first aims to evaluate the effect against placebo of bilateral tDCS on the maximal voluntary force of the paretic quadriceps by isokinetic assessment, the second aims to study the effects against placebo of unilateral tDCS on the gait of chronic hemiparetic patients, assessed by three-dimensional gait analysis. The results showed an absence of effect of tDCS on the two types of movements studied. In addition, tDCS had no effect on quadriceps spasticity or functional test performance in hemiparetic patients. This suggests that there is no interest in using bilateral tDCS to improve maximal motor performance (knee extension) or unilateral tDCS to improve semi-automatic movement (locomotion) in chronic hemiparetic patients. The envisaged perspectives are to continue these experiments in a homogeneous group of hemiparetic patients in acute or subacute stroke patients in order to potentiate the post-lesional plastic phenomena. This will strengthen or not the interest of the use of tDCS in hemiparetic patients to improve their motor performance.

This dissertation aims to realize the goal of deploying legged robots that cooperatively walk to transport objects in complex environments. More than half of the Earth's continent is unreachable to wheeled vehicles---this motivates the deployment of collaborative legged robots to enable the accessibility of these environments and thus bring robots into the real world. Although significant theoretical and technological advances have allowed the development of distributed controllers for complex robot systems, existing approaches are tailored to the modeling and control of multi-agent systems composed of collaborative robotic arms, multi-fingered robot hands, aerial vehicles, and ground vehicles, but not collaborative legged agents. Legged robots are inherently unstable, unlike most of the systems where these algorithms have been deployed. Models of cooperative legged robots are further described by high-dimensional, underactuated, and complex hybrid dynamical systems, which complicate the design of control algorithms for coordination and motion control. There is a fundamental gap in knowledge of control algorithms for safe motion control of these inherently unstable hybrid dynamical systems, especially in the context of collaborative work. The overarching goal of this dissertation is to create a formal foundation based on scalable optimization and robust and nonlinear control to develop distributed and hierarchical feedback control algorithms for cooperative legged robots to transport objects in complex environments. We first develop a hierarchical nonlinear control algorithm, based on model predictive control (MPC), quadratic programming (QP), and virtual constraints, to generate and stabilize locomotion patterns in a real-time manner for dynamical models of single-agent quadrupedal robots. The higher level of the proposed control scheme is developed based on an event-based MPC that computes the optimal center of mass (COM) trajectories for a reduced-order linear inverted pendulum (LIP) model subject to the feasibility of the net ground reaction force (GRF). QP-based virtual constraint controllers are developed at the lower level of the proposed control scheme to impose the full-order dynamics to track the optimal trajectories while having all individual GRFs in the friction cone. The analytical results are numerically verified to demonstrate stable and robust locomotion of a 22 degree of freedom (DOF) quadrupedal robot, in the presence of payloads, external disturbances, and ground height variations. We then present a hierarchical nonlinear control algorithm for the real-time planning and control of cooperative locomotion of legged robots that collaboratively carry objects. An innovative network of reduced-order models subject to holonomic constraints, referred to as interconnected LIP dynamics, is presented to study quasi-statically stable cooperative locomotion. The higher level of the proposed algorithm employs a supervisory controller, based on event-based MPC, to effectively compute the optimal reduced-order trajectories for the interconnected LIP dynamics. The lower level of the proposed algorithm employs distributed nonlinear controllers to reduce the gap between reduced- and full-order complex models of cooperative locomotion. We numerically investigate the effectiveness of the proposed control algorithm via full-order simulations of a team of collaborative quadrupedal robots, each with a total of 22 DOFs. The dissertation also investigates the robustness of the proposed control algorithm against uncertainties in the payload mass and changes in the ground height profile. Finally, we present a layered control approach for real-time trajectory planning and control of dynamically stable cooperative locomotion by two holonomically constrained quadrupedal robots. An innovative and interconnected network of reduced-order models, based on the single rigid body (SRB) dynamics, is developed for trajectory planning purposes. At the higher level of the control scheme, two different MPC algorithms are proposed to address the optimal control problem of the interconnected SRB dynamics: centralized and distributed MPCs. The MPCs compute the reduced-order states, GRFs, and interaction wrenches between the agents. The distributed MPC assumes two local QPs that share their optimal solutions according to a one-step communication delay and an agreement protocol. At the lower level of the control scheme, distributed nonlinear controllers are employed to impose the full-order dynamics to track the prescribed and optimal reduced-order trajectories and GRFs. The effectiveness of the proposed layered control approach is verified with extensive numerical simulations and experiments for the blind, robust, and cooperative locomotion of two holonomically constrained A1 robots with different payloads on different terrains and in the presence of external disturbances. It is shown that the distributed MPC has a performance similar to that of the centralized MPC, while the computation time is reduced significantly. / Doctor of Philosophy / Future cities will include a complex and interconnected network of collaborative robots that cooperatively work with each other and people to support human societies. Human-centered communities, including factories, offices, and homes, are developed for humans who are bipedal walkers capable of stepping over gaps, walking up/down stairs, and climbing ladders. One of the most challenging problems in deploying the next generation of collaborative robots is maneuvering in those complex environments. Although significant theoretical and technological advances have allowed the development of distributed controllers for motion control of multi-agent robotic systems, existing approaches do not address the collaborative locomotion problem of legged robots. Legged robots are inherently unstable with nonlinear and hybrid natures, unlike most systems where these algorithms have been deployed. Furthermore, the evolution of legged collaborative robot teams that cooperatively manipulate objects can be represented by high-dimensional and complex dynamical systems, complicating the design of control algorithms for coordination and motion control. This dissertation aims to establish a formal foundation based on nonlinear control and optimization theory to develop hierarchical feedback control algorithms for effective motion control of legged robots. The proposed layered control algorithms are developed based on interconnected reduced-order models. At the high level, we formulate cooperative locomotion as an optimal control problem of the reduced-order models to generate optimal trajectories. To realize the generated optimal trajectories, nonlinear controllers at the low level of the hierarchy impose the full-order models to track the trajectories while sustaining stability. The effectiveness of the proposed layered control approach is verified with extensive numerical simulations and experiments for the blind and stable cooperative locomotion of legged robots with different payloads on different terrains and subject to external disturbances. The proposed architecture's robustness is shown under various indoor and outdoor conditions, including landscapes with randomly placed wood blocks, slippery surfaces, gravel, grass, and mulch.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / Le Laboratoire de robotique de l'Université Laval s'est fixé comme objectif de créer un nouveau type d'interface de locomotion. Ce dernier doit permettre de recréer, de manière exacte, les principaux mouvements exécutés lors de la démarche humaine. D'ailleurs, ce mécanisme est nécessaire à la conception d'un système de réalité virtuelle pouvant reproduire différents types de surfaces à l'utilisateur tout en conservant une inconscience totale de la présence du système de la part de l'usager. Par conséquent, dans le but d'atteindre de tels objectifs, il est requis d'effectuer une étude permettant de déterminer la géométrie adéquate d'un mécanisme respectant des critères de performance aussi exigeants. Ainsi, ce document présente les diverses étapes parcourues lors de l'analyse et de l'obtention de l'architecture d'un mécanisme parallèle à six degrés de liberté entraîne à l'aide de huit câbles. En résumé, l'optimisation de la géométrie, la détection des interférences et la distribution des tensions dans les câbles sont les principaux thèmes qui s'enchaînent dans ce mémoire.

À ce jour, les détails des événements physiologiques survenant à la suite de blessures de la moelle épinière sont encore très peu connus. Comment se fait-il, par exemple, qu'après une lésion complète de la moelle épinière, des animaux puissent encore produire certains mouvements locomoteurs? Cette question a été jusqu'à maintenant partiellement répondue, car plusieurs recherches ont démontré l'existence d'un réseau de neurones au sein de la moelle épinière lombaire, présentant le potentiel d'induire des mouvements locomoteurs. Ce réseau générerait des signaux de contrôle vers les muscles impliqués de la locomotion, et ce, de façon rythmique et coordonnée. Toutefois, il demeure encore difficile de déterminer clairement ce qui permet à ce réseau de s'activer en l'absence de signaux du cerveau. Les approches pharmacologiques ont jusqu'à maintenant identifié plusieurs neurotransmetteurs pouvant activer ce réseau, mais le rôle des sous types de récepteurs spécifiques n'a été que très peu abordé. Notamment, le rôle joué par les 14 sous types de récepteurs sérotoninergiques dans la locomotion demeure encore très imprécis. Toutefois, certains agonistes tels que la quipazine (5-HT2A/2C) OU le 8-OH-DPAT (5-HT1A/7), ont démontré un certain potentiel pro-locomoteur, ce qui permet d'envisager l'élaboration éventuelle d'un traitement pharmacologique destiné à ré-activer les réseaux locomoteurs lombaires chez les blessés à la moelle épinière aussi appelés blessés médullaires. Afin de permettre des recherches plus poussées, l'approche pharmacologique peut être combinée à d'autres techniques, comme celle des manipulations génétiques. Or, pour pouvoir effectuer des recherches avec des animaux dépiétés de certains gènes, il faut tout d'abord considérer utiliser une espèce qui permet de telles manipulations. La souris a donc été choisie comme modèle de recherche car plusieurs modèles de souris transgéniques sont déjà disponibles. Les deux premiers articles de cette thèse se sont concentrés sur le développement et la caractérisation du modèle animal de la souris paraplégique ou spinale. À cet effet, nous avons rapporté différentes caractéristiques du modèle, tant au niveau des changements du poids corporel que de la force musculaire pendant la période post-traumatique. Nous présentons également différentes caractéristiques de l'activité neuronale spinale sous-lésionelle émergeant plusieurs semaines après une transsection complète. Quant aux troisième et quatrième articles, ils portent directement sur l'implication des récepteurs sérotoninergiques dans la genèse spinale de mouvements locomoteurs. Après avoir réalisé l'ensemble de ces travaux, les résultats que j'ai obtenu nous ont amené à penser et conclure que les récepteurs 5-HTIA, 5-HT2A et 5-HT7 jouent un rôle particulièrement important dans le déclenchement de mouvements locomoteurs spinaux chez des souris ayant subi une transsection complète de la moelle épinière.

Une blessure à la moelle épinière (BME) est un traumatisme qui endommage les fibres nerveuses permettant la communication entre le cerveau et le reste du corps. La prévalence d'une BME est d'environ 1.3 million de Nord-Américains. Il n'existe malheureusement aucune cure pour réparer la moelle épinière lésée. La principale conséquence d'une BME est une perte des fonctions sensorielles et motrices volontaires, sous le niveau de la lésion (ex, lésion thoracique entraîne paraplégie). Les patients souffrent également de problèmes de santé qui se développent progressivement. Des problèmes immunitaires, métaboliques, hormonaux, cardiovasculaires, musculaires, osseux et mentaux apparaîtront chez une majorité de patients. Le manque de connaissance lié au développement de ces troubles de santé constitue la problématique de recherche au coeur de cette thèse. Le but de cette thèse est de mieux comprendre l'étendue de ces problèmes de santé, et de concevoir un traitement novateur pour diminuer, voire prévenir, certains de ces problèmes. En se sens, les objectifs sont : 1) De terminer la caractérisation des ces problèmes chez notre modèle animal. 2) De bien établir les conséquences fonctionnelles de la plasticité neuronale sous-lésionnelle sur le système moteur et locomoteur. 3) D'établir le rôle précis des récepteurs 5-HT2 dans l'activation pharmacologique des circuits spinaux locomoteurs in vivo. 4) De déterminer les effets de substances aux propriétés anaboliques sur le système musculaire et locomoteur. 5) D'évaluer les effets de d'un entraînement seul, puis d'une approche multidisciplinaire combinant l'entraînement locomoteur, l'administration d'agents aux propriétés anaboliques et d'activateurs des réseaux locomoteurs spinaux, sur les dérèglements des systèmes locomoteur, musculaire et osseux.

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.

With the transition from water to land in early tetrapods, and with transitions to secondarily aquatic habits in numerous tetrapod lineages, the functions of the vertebral column were transformed. Morphological changes in the vertebral column are a major mechanism by which vertebrates accommodate changes in locomotor forces. Although morphometric measurements from vertebrae have been correlated with axial mechanics and locomotor behaviour in numerous extant taxa, few studies have sought to test or apply these principles in non-mammalian tetrapods. In my thesis, I reconstructed the vertebral mechanics of fossil taxa that represent intermediate stages in water/land transitions of their lineages. Study taxa were the basal tetrapod Pederpes finneyae, which is one of the earliest known tetrapods to show indications of terrestrial adaptation, and three extinct crocodylomorphs, Terrestrisuchus, Protosuchus, and Pelagosaurus, which span the spectrum from fully terrestrial to primarily aquatic. I used a combination of morphometric measurements and 3D virtual models of bone morphology to estimate intervertebral joint stiffness and range of motion. For comparison, I also reconstructed the vertebral mechanics of four related extant taxa. Correlations between vertebral morphometrics and axial stiffness were statistically tested in (cadaveric) modem crocodylians, and I validated my methodology by comparing my results with data from extant taxa. My results reveal similarities and differences between the two lineages. Intervertebral joint compliance and range of motion tended to decrease with adaptation for terrestrial locomotion, as expected, but this trend seems to have reversed in later forms. Additionally, vertebral mechanics may have been largely controlled by different structural mechanisms in different lineages. The relationship between biomechanics of vertebrae and environment appears to be more complex than previously supposed. However, approaches that combine experimental measurements from extant animals, thorough analysis of fossil morphology, and explicit phylogenetic considerations have the potential to greatly improve locomotor reconstructions of extinct taxa.

published_or_final_version / Electrical and Electronic Engineering / Doctoral / Doctor of Philosophy

Fatigue has been observed to affect lower extremity mechanics during the cutting maneuver. However, there is a lack of research examining the effect of fatigue and limb dominance on lower extremity mechanics during unanticipated sidecutting. Objectives: This research sought to assess mechanical differences pre- and post-fatigue and with respect to limb dominance. Design: Repeated measures. Methods: Thirteen female collegiate soccer and field hockey players performed right and left unanticipated sidecutting following the Yo-Yo Intermittent Recovery test (Yo-Yo IR), a two minute treadmill run at a predicted VO2max, and maximum vertical jumps. Mechanical measures of ankle, knee, and hip motion were obtained during the stance phase of the cut. Repeated measures 2x2 ANOVAs were performed to look at fatigue and limb differences. Alpha level set a priori at 0.05. Results: At initial contact and peak stance, significant changes pre- to post-fatigue were observed. At initial contact there was a reduction in knee flexion angles along with increased ankle dorsiflexion angles postfatigue. At peak stance: increased knee adductor moments post-fatigue; greater ankle eversion moments on the dominant limb (DL) as well as increased eversion moments post-fatigue for both limbs. There was a differential effect of fatigue on peak hip abduction angles and hip internal rotation angles at initial contact which were altered in the DL only; decreased hip adductor moments occurred post-fatigue as well as decreased power absorption. Conclusions: Results from this study indicate that lower extremity mechanics are altered as an effect of fatigue such that injury risk may be elevated. / School of Physical Education, Sport, and Exercise Science