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<p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p><b>Keywords</b>legged locomotion, control, balance, leggedmachines, legged robots, walking robots, walking machines,compliance, platform stability, symbolic modeling</p>

Cette étude sur la locomotion de C. elegans vise à mieux comprendre le fonctionnement de son système nerveux et à apporter des éléments nouveaux de réflexion pour la conception de modèles ou d'objet biomimétiques. Ce travail débute par une description du ver, de sa physiologie ainsi que des principaux modes de locomotion connus : la nage (en milieu liquide) et la reptation (sur gel aqueux). Puis dans le cas de la nage, nous mettons en évidence une dissymétrie du mouvement, nécessaire pour la progression en milieu visqueux. L'analyse des vitesses des déplacements locaux permet de faire un bilan des forces exercées sur le ver, en admettant que celles-ci sont visqueuses. On montre ainsi que les coefficients de friction transverse et longitudinale peuvent être assimilés à ceux d'un ellipsoïde allongé. Dans le cas du mode reptation, on observe une diminution de l'amplitude de la tête vers la queue. L'interaction ver-substrat est abordée d'abord théoriquement (hypothèse de lubrification). Il en résulte des prédictions pour les coefficients de friction en désaccord avec les résultats expérimentaux. Ce désaccord est expliqué par la mise en évidence de seuils de friction statique. On mesure aussi la rigidité passive d'un ver. Un confinement vertical du ver en milieu liquide permet d'observer une transition continue de la nage vers la reptation. On montre que la période du mouvement ainsi que le déphasage entre les mouvements de la tête et la queue augmentent avec le placage. Un confinement horizontal du ver sur substrat permet de contraindre l'amplitude. On montre que la longueur d'onde diminue avec l'amplitude.

En réalité virtuelle, pour adapter les interfaces aux utilisateurs, deux dimensions doivent être étudiées : la tâche et l'utilisateur. <br />La première concerne les tâches d'interaction en réalité virtuelle, plus particulièrement la manipulation et la locomotion. L'étude et la comparaison des propriétés spatiales des environnements réels et virtuels nous permettent de proposer des modèles hiérarchiques de ces tâches, spécifiant les configurations d'interaction problématiques pour un utilisateur. En fonction de ces configurations problématiques, un concepteur devra contraindre le déplacement ou aider l'interaction. La principale difficulté que nous avons identifiée est l'adaptation de l'interface aux référentiels spatiaux de l'utilisateur (égocentrique, exocentrique). <br />La seconde dimension concerne l'identification des caractéristiques de l'utilisateur influençant la performance en fonction de la tâche (locomotion vs. manipulation) et de l'interface (immersive visuellement vs. peu immersive visuellement). Pour la configuration n'induisant que peu d'immersion visuelle, un écran d'ordinateur et un grand écran sont utilisés, l'angle de vue de l'utilisateur est conservé constant. Cette étude montre l'impact sur la performance d'interaction des capacités spatiales, de la dépendance-indépendance à l'égard du champ et de l'expérience en jeu vidéo, pour différentes interfaces et tâches. Nous montrons notamment qu'un grand écran peut soutenir la performance et minimiser l'influence des capacités spatiales sur celle-ci.

L'objectif de ce travail est de fournir quelques éléments de compréhension sur les règles d'organisation de l'activité locomotrice chez l'homme. Son originalité réside dans le fait d'analyser la locomotion humaine dans ses composantes (sensori)motrice et cognitive : ainsi la locomotion est considérée et analysée comme l'activité coordonnée des membres inférieurs combinée à des stratégies de planification communes à l'ensemble des mouvements orientés vers un but spatial. Deux niveaux de description de la locomotion sont pris en compte, l'analyse des processus aboutissant à la formation du pas et ceux liés à la génération de la trajectoire locomotrice. Les effets propres et conjoints du mode et de la vitesse de locomotion, ainsi que de la géométrie des trajets, sur la régulation de l'activité locomotrice, sont étudiés au moyen (principalement) de l'analyse cinématique mais également électromyographique et vidéooculographique. Les origines de certains invariants cinématiques de la locomotion humaine sont étudiées pour ces deux niveaux d'analyse et la caractérisation des mouvements du regard et du corps lors des<br />changements de direction de marche est réalisée. Enfin, quelques approches et principes particulièrement intéressants, comme le principe de segmentation et celui d'optimalité, sont discutés dans le cadre général de l'étude expérimentale et de la modélisation des processus de génération et de contrôle des trajectoires locomotrices.

Thèse de doctorat : Sciences et techniques des activités physiques et sportives : Rennes 2 : 2008. / Bibliogr. p.139-162. Table des illustrations et tableaux.

Thèse de doctorat : Physiologie et biologie des organismes et des populations, Ethologie : Strasbourg : 2009. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 20 p.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2009. / Härtill 5 uppsatser.

This thesis covers the study of an actively assisted passive walker with discontinuous and impulsive actuation. The dynamics of the passive and active portions are derived, and a comprehensive mathematical model is proposed. An actuation method is also proposed to study the use of multiple discrete actuation events in a walking gait. Two key cases are considered: actuation at the stance point and at the EA point of a non-kneed walker. An experimental walker was designed that is capable of passive walking and has an experimental implementation of the proposed actuation system. A thorough characterization of the model is then performed, with experimental validation to show that: at high ramp angles, energy injection results in an increase in BOA of ~38% on a stable walking gait at a Ct of 0.086, and at low ramp angles, injection results in a stride length increase of ~29% at a Ct of 0.06.

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