Les animaux sont de plus en plus présents dans les effets spéciaux au cinéma et dans les films d'animation 3D. Les quadrupèdes en particulier, de par la richesse et de l'esthétique de leurs mouvement, sont souvent l'objet de création de personnages virtuels. L'objectif de cette thèse est d'utiliser la vidéo, et surtout des documentaires animaliers, pour créer des animaux virtuels capables de mouvements réalistes. Dans un premier temps, nous proposons de construire des squelettes d'animation de quadrupèdes à partir d'images. Nous montrons tout d'abord comment reconstruire un squelette réel à partir de plusieurs images. Ensuite, nous construisons un modèle déformable de squelette de quadrupède qui permet de de créer un squelette d'animation rapidement à partir d'une image ou d'un modèle 3D de l'animal à animer. Dans un second temps, nous proposons des méthodes permettant d'animer des quadrupèdes à partir de séquences vidéo. Nous présentons tout d'abord une technique d'animation de mouvements cycliques à partir de vidéo, qui permet notamment de choisir automatiquement les images-clés à partir d'une vidéo. Ensuite, nous proposons une nouvelle méthode d'analyse de vidéos qui permet d'identifier les différentes allures utilisées par l'animal, ainsi que les transitions entre allures.

La marche est un moyen de locomotion essentiel pour l'être humain. La marche en courbe fait partie des synergies motrices fondamentales qui permettent de se déplacer en sécurité lorsqu'un sujet tourne dans un couloir ou évite un obstacle. Ce travail vise à approfondir l'étude de la marche en courbe afin de définir des invariants locomoteurs fondamentaux pour l'explication biomécanique et neuroscientifique du mouvement mais aussi pour la génération de trajectoires réalistes en animation et en robotique humanoïde. L'originalité de ce travail est de considérer la trajectoire locomotrice humaine dans l'espace défini par la courbure et la vitesse de la trajectoire.Dans un premier temps, nous proposons une définition objective du virage qui s'appuie sur la relation discrète entre la courbure moyenne et la vitesse moyenne de la trajectoire à chaque pas du sujet en comparaison avec ces mêmes paramètres en ligne droite. Puis, nous nous intéressons aux relations de type loi de puissance entre vitesse et courbure au cours d'un virage. Nous démontrons l'existence d'une relation inter-individuelle au maximum de courbure. Enfin, nous nous intéressons au cas plus complexe de l'évitement de collision entre deux marcheurs afin d'identifier les stratégies mises en place. Ces stratégies dépendent de l'ordre de passage des sujets.

Les travaux présentés dans cette HDR visent à mieux comprendre le fonctionnement des mécanismes d'apprentissage qui sont liés au contrôle moteur bas niveau chez l'humain, pour les modéliser et les intégrer dans les contrôleurs des robots humanoïdes. L'objectif est de rendre ces derniers plus robustes face aux perturbations externes dues à l'environnement, ou à leur interaction avec l'humain (forces externes, glissement, pentes ou irrégularités du sol), ou aux dommages internes, soudains ou progressifs, qu'ils peuvent subir et qui mettent en péril leur mission (usures articulaires, amputation de membres moteurs, pertes sensorielles...). Pour ce faire, les capacités de généralisation offertes par les algorithmes d'apprentissage des réseaux de neurones et les synergies de leurs mécanismes adaptatifs (homéostasie, plasticité neuronale et synaptique) ont été étudiées. Les solutions ont été évaluées en soumettant les robots à des perturbations ou à des dysfonctionnements externes ou internes, lents ou brusques. Des réponses aux questions suivantes ont été apportées: comment la marche adaptative des robots peut elle être produite? Comment peut-elle être contrôlée? Quels types d'architecture permettent à la fois la production de rythmes locomoteurs et le contrôle de la posture? Quels sont les mécanismes adaptatifs sensori-moteurs qui régissent ces architectures pour les marches normales et déficientes des robots? Quelles sont les méthodologies possibles pour modéliser et reproduire ces architectures? Quelles sont les limites de ces approches ?.

Le but de ce travail de thèse a été d'analyser l'implication du tronc dans la locomotion, notamment sa commande rythmique, afin d'en comprendre les mécanismes de contrôle et les différentes activités segmentaires qui amènent ses mouvements. Ces m´ecanismes peuvent alors être modélisés pour reproduire les différentes synchronisations observées au niveau des activités de chaque segment vertébral considéré. Enfin, cette modélisation permet de spécifier les activités du tronc à observer pour suivre en continu le cycle de marche d'un individu se déplacant. Dans un premier temps nous rappellerons les données de la littérature sur la locomotion, et notamment l'activité du tronc, qui nous ont permis de définir les axes principaux dans lesquels nous allons orienter notre travail. Cet état de l'art nous a notamment amenés à étudier les structures de type ”générateurs de rythme centraux” (Central pattern generator, CPG, en anglais). Dans un second temps nous avons réalisé une série de mesures expérimentales pour analyser de facon systématique et précise l'activité musculaire et cinématique du tronc lors de diverses situations locomotrices (marche, course, bond, pédalage). Ces mesures nous ont permis de mieux comprendre la manière dont le tronc se mettait en mouvement et comment ses activités musculaires et cinématiques, notamment les synchronisations intersegmentaires, évoluaient afin de tirer le meilleur parti des mouvements du haut du corps lors de la locomotion proprement dite. Dans un troisième temps, les résultats obtenus par les mesures d'activités du tronc ayant mis en évidence l'utilité du tronc et les mécanismes de contrôle dans une locomotion efficace, nous avons exploré la modélisation de l'activité du tronc au moyen d'un réseau d'oscillateurs mimant un CPG. Le choix d'un modèle de CPG pour représenter l'activité du tronc fait suite à des considérations phylogénétiques qui semblent indiquer qu'une telle structure pourrait exister chez l'homme. Une des propriétés de ce type de réseaux est leur capacité à exprimer différentes synchronisations sans changer de structure, c'est ce que nous avons appliqué aux observations faites lors de la marche, la course... Une autre propriété de ces réseaux est leur aptitude à se synchroniser avec un signal externe, nous avons donc explor´e diff´erents moyens de commander ce réseau d'oscillateur en phase avec la locomotion, encore une fois à partir de l'activité du tronc, de son accélération pour être plus précis.

This thesis presents methods for implementing robust hexpod locomotion on an autonomous robot with many sensors and actuators. The controller is based on the Subsumption Architecture and is fully distributed over approximately 1500 simple, concurrent processes. The robot, Hannibal, weighs approximately 6 pounds and is equipped with over 100 physical sensors, 19 degrees of freedom, and 8 on board computers. We investigate the following topics in depth: distributed control of a complex robot, insect-inspired locomotion control for gait generation and rough terrain mobility, and fault tolerance. The controller was implemented, debugged, and tested on Hannibal. Through a series of experiments, we examined Hannibal's gait generation, rough terrain locomotion, and fault tolerance performance. These results demonstrate that Hannibal exhibits robust, flexible, real-time locomotion over a variety of terrain and tolerates a multitude of hardware failures.

Cette thèse s'inscrit dans un projet de recherche dont l'objectif est d'améliorer l'autonomie des personnes confinées en fauteuil roulant manuel grâce à des études en situation réelle de locomotion. Un modèle mécanique a été développé mettant en relation les mouvements du système sujet-fauteuil avec les efforts qui s'y exercent. Après avoir étalonné les capteurs nécessaires, plusieurs expérimentations ont permis de valider une méthode d'estimation de la résultante des forces de résistance à l'avancement, et une méthode de reconstruction de la trajectoire suivie par le fauteuil. Enfin, les paramètres biomécaniques qui interviennent dans le modèle ont été quantifiés lors d'une expérimentation en situation réelle qui a permis d'étudier l'influence des mouvements du sujet sur les déplacements du fauteuil. A terme, cette approche devrait permettre de déterminer les paramètres biomécaniques pertinents et d'optimiser les méthodes de rééducation et les réglages des fauteuils

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This thesis is about control and balance stability of leggedlocomotion. It also presents a combination of tools that makesit easier to design controllers for large and complicated robotsystems. The thesis is divided into four parts. The first part studies and analyzes how walking machines arecontrolled, examining the literature of over twenty machinesbriefly, and six machines in detail. The goal is to understandhow the controllers work on a level below task and pathplanning, but above actuator control. Analysis and comparisonis done in terms of: i) generation of trunk motion; ii)maintaining balance; iii) generation of leg sequence andsupport patterns; and iv) reflexes. The next part describes WARP1, a four-legged walking robotplatform that has been builtwith the long term goal of walkingin rough terrain. First its modular structure (mechanics,electronics and control) is described, followed by someexperiments demonstrating basic performance. Finally themathematical modeling of the robot’s rigid body model isdescribed. This model is derived symbolically and is general,i.e. not restricted to WARP1. It is easily modified in case ofa different number of legs or joints. During the work with WARP1, tools for model derivation,control design and control implementation have been combined,interfaced and augmented in order to better support design andanalysis. These tools and methods are described in the thirdpart. The tools used to be difficult to combine, especially fora large and complicated system with many signals and parameterssuch as WARP1. Now, models derived symbolically in one tool areeasy to use in another tool for control design, simulation andfinally implementation, as well as for visualization andevaluation—thus going from equation to action. In the last part we go back to“equation”wherethese tools aid the study of balance stability when complianceis considered. It is shown that a legged robot in a“statically balanced”stance may actually beunstable. Furthermore, a criterion is derived that shows when aradially symmetric“statically balanced”stance on acompliant surface is stable. Similar analyses are performed fortwo controllers of legged robots, where it is the controllerthat cause the compliance. <b>Keywords</b>legged locomotion, control, balance, leggedmachines, legged robots, walking robots, walking machines,compliance, platform stability, symbolic modeling

This thesis presents actuators used in autonomous microsystems. Characteristic for all actuators presented is the low drive voltage and the low power consumption. Different motion mechanisms have been studied and applied in various locomotion modules for microrobots. High resolution movement of a monolithic piezoceramic PZT rotational arm module, using a quasi-static motion mechanism, was demonstrated in a 10x10x20 mm3 autonomous robot. The rotational arm comprises multilayer PZT bimorphs and is fabricated by a wet-building technology. The multilayer approach enables operation of the modules at the low drive voltages provided by the robot electronics. In addition a locomotion module has been designed and fabricated based on the above principles. A three-legged locomotion module with piezoceramic unimorphs, moving by tapping the legs against the floor, has been investigated. Characteristics such as low power consumption, high velocities, low drive voltages and a high weight carrying capability were demonstrated using a resonant motion mechanism. Highly miniaturized three-legged locomotion modules were developed for a 3x3x3 mm3 autonomous microrobot. The modules comprise a multilayer structure of the electroactive copolymer P(VDF-TrFE) on a flexible printed circuit board (FPC) substrate. A novel multilayer fabrication process suitable for mass production was used. It is based on sequential deposition of spun cast copolymer with evaporated aluminum electrodes. Reactive ion etching is used to microstructure the copolymer and the FPC. The mechanical deformability of the FPC is exploited when folding the 2D FPC-multilayer assembly into 3D locomotion modules. Locomotion was demonstrated by moving a glass slider corresponding to the robot weight. A modular building technology for microsystems is presented. It uses surface mounting technology and conductive adhesives to assemble modules on a double-sided FPC. Complex geometries were achieved by subsequent folding the FPC. The feasibility of the technology was demonstrated by assembly of the 3x3x3 mm3 autonomous microrobots.

The ability to control balance and stability are essential to prevent falls during locomotion. Maintenance of stable locomotion is challenging especially when complicated by amputation and prosthesis use. Humans employ several motor strategies to maintain stability during walking on complex terrain: decreasing walking speed, adjusting stride length and stance width, lowering the center of mass, and prolonging the double support time. The mechanisms of selecting these motor strategies by the primary motor cortex are unknown and cannot be studied directly in humans. There is also little information about dynamic stability of prosthetic gait with bone-anchored prostheses, which are thought to provide sensory feedback to the amputee through osseoperception. Therefore, the Specific Aims of my research were to (1) evaluate dynamic stability and the activity of the primary motor cortex during walking with different constraints on the base of support and (2) develop an animal model to evaluate mechanics and stability of prosthetic gait with a bone-anchored prosthesis. To address these aims, I developed a feline model that allows for investigating (1) the role of the primary motor cortex in regulation of dynamic stability of intact locomotion, (2) skin and bone integration with a percutaneous porous titanium implant facilitating prosthetic attachment, and (3) dynamic stability of walking on a bone-anchored prosthesis. The results of Specific Aim 1 demonstrated that the area and shape of the base of support influence the margins of dynamic stability during quadrupedal walking. For example, I found that the animal is dynamically unstable in the sagittal plane and frontal plane (although to a lesser degree) during a double-support by a forelimb and the contralateral hindlimb. Elevated neuronal activity from the right forelimb representation in the primary motor cortex during these phases suggests that the motor cortex may contribute to selection of paw placement location and thus to regulation of stability. The results of Specific Aim 2 on the development of skin-integrated bone-anchored prostheses demonstrated the following. Skin ingrowth into 3 types of porous titanium pylons (pore sizes 40-100 μm and 100-160 μm and nano-tubular surface treatment) implanted under skin of rats was seen 3 and 6 weeks after implantation, and skin filled at least 30% of available implant space. The duration of implantation, but not implant pore size (in the studied range) or surface treatment statistically influenced skin ingrowth; pore size and time of implantation affected the implant extrusion length (p<0.05). The implant type with the slowest extrusion rate (pore size 40-100 μm) was used in a feline model of prosthetic gait with skin-integrated bone-anchored prosthesis. The developed implantation methods, rehabilitation procedures and feline prostheses allowed 2 animals to utilize skin- and bone-integrated prostheses for dynamically stable locomotion. Prosthetic gait analysis demonstrated that the animals loaded the prosthetic limb, but increased reliance on intact limbs for weight support and propulsion. The obtained results and developed animal model improve the understanding of locomotor stability control and integration of skin with percutaneous implants.