The impressive kinematic capabilities and structural adaptations presented by bio-locomotion continue to inspire some of the advancements in today's small-scaled flying and swimming vehicles. These vehicles operate in a low Reynolds number flow regime where viscous effects dominate flow interactions, which makes it challenging to generate lift and thrust. Overcoming these challenges means utilizing non-conventional lifting and flow control mechanisms generated by unsteady flapping body motion. Understanding and characterizing the aerodynamic phenomena associated with the unsteady motion is vital to predict the unsteady fluid loads generated, to implement control methodologies, and to assess the dynamic stability and control authority of airborne and underwater vehicles. This dissertation presents experimental results for forced oscillations on multi-element airfoils and hydrofoils for Reynolds numbers between Re=104 and Re=106. The document divides the work into four main sections: The first topic presents wind tunnel measurements of lift forces generated by an oscillating trailing edge flap on a NACA-0012 airfoil to illustrate the effects that frequency and pitching amplitude have on lift enhancement. The results suggest that this dynamic trailing edge flap enhances the mean lift by up to 20% in the stalled flow regime. Using frequency response approach, it is determined that the maximum enhancement in circulatory lift amplitude occurs at stalled angles of attack for lower pitching amplitudes. The second topic presents wind tunnel measurements for lift and drag generated by a sinusoidal and non-sinusoidal oscillations of a NACA-0012 airfoil. The results show that 'trapezoidal' pitching enhances the mean lift and the RMS lift by up to 50% and 35% in the pre-stall flow regime, respectively, whereas the 'reverse sawtooth' and sinusoidal pitching generate the most substantial increase of the lift-to-drag ratio in stall and post-stall flow regimes, respectively. The third topic involves a study on the role of fish-tail flexibility on thrust and propulsive efficiency. Flexible tails enhance thrust production in comparison to a rigid ones of the same size and under the same operating conditions. Further analysis indicates that varying the tail's aspect ratio has a more significant effect on propulsive efficiency and the thrust-to-power ratio at zero freestream flow. On the other hand, changing the material's property has the strongest impact on propulsive efficiency at non-zero freestream flow. The results also show that the maximum thrust peaks correspond to the maximum passive tail amplitudes only for the most flexible case. The final topic aims to assess the unsteady hydrodynamic forces and moments generated by a three-link swimming prototype performing different swimming gaits, swimming speeds, and oscillatory frequencies. We conclude that the active actuation of the tail's first mode bending produces the most significant thrust force in the presence of freestream flow. In contrast, the second mode bending kinematics provides the most significant thrust force in a zero-freestream flow. / Doctor of Philosophy / It is by no surprise that animal locomotion continues to inspire the design of flying and swimming vehicles. Although nature produces complex kinematics and highly unsteady flow characteristics, simplified approximations to model bio-inspired locomotion in fluid flows are experimentally achievable using low degrees of freedom motion, such as pitching airfoils and trailing edge flaps. The contributions of this dissertation are divided into four primary foci: (a) wind tunnel force measurements on a flapped NACA-0012 airfoil undergoing forced pitching, (b) wind tunnel measurements of aerodynamic forces generated by sinusoidal and non-sinusoidal pitching of a NACA-0012 airfoil, (c) towing tank measurements of thrust forces and torques generated by a one-link swimming prototype with varying tail flexibilities, and (d) towing tank measurements of hydrodynamic forces and moments generated by active tail actuation of a multi-link swimming prototype. From our wind tunnel measurements, we determine that lift enhancement by a trailing edge flap is achieved under certain flow regimes and oscillating conditions. Additionally, we assess the aerodynamic forces for a sinusoidal and non-sinusoidal pitching of an airfoil and show that 'trapezoidal' pitching produces the largest lift coefficient amplitude whereas the sinusoidal and 'reverse sawtooth' pitching achieve the best lift to drag ratios. From our towing tank experiments, we note that the role of tail flexibility enhances thrust generation on a swimming device. Finally, we conclude that different kinematics on an articulating body strongly affect the hydrodynamic forces and moments. The results of the towing tank measurements are accessible from an online public database to encourage research and contribution in underwater vehicle design through physics-based low-order models that can accommodate hydrodynamic principles and geometric control concepts.

This thesis addresses two important issues when operating the novel three legged mobile robot STriDER (Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot); how to stand up after falling down while minimizing the motor torques at the joints and considerations for gait planning. STriDER uses a unique tripedal gait to walk with high energy efficiency and has the ability to change directions. In the first version of STriDER, the concept of passive dynamic locomotion was emphasized; however, for the new version, all joints are actively controlled for robustness. The robot is inherently stable when all three feet are on the ground due to its tripod stance, but it can still fall down if it trips while taking a step or if unexpected external forces act on it. The unique structure of STriDER makes the simple task of standing up challenging for a number of reasons; the high height of the robot and long limbs require high torque at the actuators due to its large moment arms; the joint configuration and length of the limbs limit the workspace where the feet can be placed on the ground for support; the compact design of the joints allows limited joint actuation motor output torque; three limbs do not allow extra support and stability in the process of standing up. This creates a unique problem and requires novel strategies to make STriDER stand up. This thesis examines five standing up strategies unique to STriDER: three feet pushup, two feet pushup, one foot pushup, spiral pushup, and feet slipping pushup. Each strategy was analyzed and evaluated considering constraints such as static stability, friction at the feet, kinematic configuration and joint motor torque limits to determine optimal design and operation parameters. Using the findings from the analysis, experiments were conducted for all five standing up strategies to determine the most efficient standing up strategy for a given prototype using the same design and operation parameters for each method. Also, a literature review was conducted for human standing from a chair and human pushup exercises and the conclusions were compared to the analysis presented in this thesis. Many factors contribute to the development of STriDER's gait. Several considerations for gait planning as the robot takes a step are investigated, including: stability, dynamics, the body's maximum and minimum allowable heights, the swing legs foot clearance to the ground, and the range of the subsequent swing foot contact positions. A static stability margin was also developed to asses the stability of STriDER. This work will lay the foundation for future gait generation research for STriDER. Additionally, guidelines for future work on single step gait generation based on kinematics and dynamics are discussed. The findings presented will advance the capabilities and adaptability of the novel robot STriDER. By studying standing up strategies and gait planning issues, the most efficient control methods can be implement for standing up and preparing to take a step and lay out the foundations for future research and development on STriDER. / Master of Science

The ability of fish to deform their bodies in steady swimming action is gaining from robotic designers. While bound by the same physical laws, fish have evolved to move in ways that often outperform artificial systems in critical measures such as efficiency, agility, and stealth through thousands of years of natural selection. As we expand our presence in the ocean with deep-sea exploration or offshore drilling for petroleum and natural gas, the demand for prolonging underwater operations is growing significantly. Therefore, it is critical for robotic designers to understand the physics of pisciform (fish-like) locomotion and learn how to effectively implement the propulsive mechanisms into their designs to create the next generation of aquatic robots. Aiming to assist this process, this thesis presents an experimental apparatus called Towed Biolocomotion Emulator (TBE), which is capable of imitating the undulating action of different fish species in steady swimming and can be quickly adapted to different configurations with modular modules. Using the TBE device, an experiment is performed to test its hydrodynamic performance and evaluate the effectiveness of the bio-inspired locomotion implemented on such a mechanical system. The analysis of hydrodynamic data collected from the experiment shows that there exists a small range of kinematic parameters where the undulating motion of the device produces the optimal performance. This result confirms the benefits of utilizing pisciform locomotion for small-scale underwater vehicles. In addition, this thesis also proposes a reduced-order flow model using the unsteady vortex lattice method (UVLM) to predict the hydrodynamic performance of such a system. The proposed model is then validated with the experimental data collected earlier. The tool developed can be employed to quickly explore the possible design space early in the conceptual design stage for such a bio-mimetic vehicle. / Master of Science / It is no surprise that through thousands of years of natural evolution, marine species possess incredible ability to navigate through water. As we expand our presence in the sea, more and more tasks require underwater operations such as ocean exploration, oil-rig maintenance, etc. Yet, most of the underwater robotic vehicles still utilize propellers as the primary propulsive mechanism. In many cases, the bio-inspired propulsion system that mimics the swimming action of fish offers many advantages in agility, maneuverability, and stealth. With the rising interest in the field, the works presented in this thesis aim to expand our understanding of how to implement the bio-inspired propulsive mechanism to robotic design. To achieve this, a mechanical device is designed to mimic the swimming action of different fish species. Then, an experiment is performed to subject the device to different fish-like motions and test their effectiveness. In addition, a reduced-ordered model is also introduced as an alternative method to predict the hydrodynamic performance of this propulsive mechanism. The works presented in this thesis help to expand the toolbox available for the engineer to design the next generation of the underwater robotic vehicle.

Bipedal locomotion in humanoid robots is a very challenging problem within the field of robot locomotion. In this thesis, we propose and demonstrate an omni-directional walking engine that achieves stable walking using feedback from an inertial measurement unit. Our walking engine generates gaits for which the zero moment point is on the center of the supporting foot. The mechanical structure of CHARLI-L, a humanoid robot used as our test platform in this thesis, is first introduced by describing the inverse kinematics of its legs. The principles of the omni-directional gait generator that creates walking motions and overcomes the robot's mechanical deficiencies is discussed. We develop and implement two kinds of feedback controllers; one is the gait feedback controller and the other is the joint feedback controller. Both feedback controllers use proportional-derivative of the angle of the pelvis from an inertial measurement unit. The results of the experiments are presented the efficacy of our proposed walking engine. / Master of Science

No / We introduce a new "marker-based" model for use in capturing equine movement. This model is informed by a sound biomechanical study of the animal and can be deployed in the pursuit of many undertakings. Unlike many other approaches, our method provides a high level of automation and hides the intricate biomechanical knowledge required to produce realistic results. Due to this approach, it is possible to acquire solved data with minimal manual intervention even in real-time conditions. The approach introduced can be replicated for the production of many other animals. The model is first informed by the veterinary world through studies of the subject's anatomy. Second, further medical studies aimed at understanding and addressing surface processes, inform model creation. The latter studies address items such as skin sliding. If not otherwise corrected these processes may hinder marker based capture. The resultant model has been tested in feasibility studies for practicality and subject acceptance during production. Data is provided for scrutiny along with the subject digitally captured through a variety of methods. The digital subject in mesh form as well as the motion capture model aid in comparison and show the level of accurateness achieved. The video reference and digital renders provide an insight into the level of realism achieved.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Lors de la locomotion, un large patron de mouvement visuel, appelé flux optique, est perçu par l'observateur. Les éléments de l'environnement accélèrent et agrandissent plus ils s'éloignent du point vers lequel il se dirige. Chez le chat, quelques études ont suggéré l'implication de la zone postéro­médiane du cortex suprasylvien latéral (PMLS) dans l'analyse du flux optique. Afin d'étudier plus en détail la participation du cortex PMLS dans cette analyse complexe, nous avons d'abord vérifié si les neurones de cette aire pouvaient coder la direction de divers stimuli mimant le flux optique, par l'enregistrement de l'activité unitaire. Nous avons également vérifié l'importance de différents paramètres des stimuli utilisés, comme les gradients de taille et de vitesse. Enfin, la position des champs récepteurs (CR) dans le champ visuel a été étudiée. Nos résultats démontrent qu'environ le tiers des neurones (83/131 cellules : 66%) testés aux stimuli de flux optique ont répondu à au moins un type de stimulus utilisé. De ces cellules sensibles aux stimulations de flux optique, une population de neurones (66 des 86 cellules) a été sélective à une direction particulière le long de l'axe frontal. La majorité de ces cellules a préféré la direction d'expansion qui correspond à la locomotion vers l'avant. Les neurones ayant des CR centraux ont répondu de façon similaire lorsque les gradients de vitesse et de taille étaient présents ou non. Par contre, les neurones ayant des CR périphériques ont démontré une autre tendance. Ces cellules répondaient presque exclusivement lorsque l'origine du mouvement était placé à l'aire centrale. Aussi, les cellules ayant des CR périphériques ont codé les indices qui sont propres au flux optique (gradients). Nos résultats suggèrent l'implication du cortex PMLS dans l'analyse du flux optique. Également, les résultats ont relevé une différence entre l'analyse du flux optique faite par les cellules ayant des CR centraux et ceux ayant des CR périphériques, ce qui nous amène à suggérer l'existence d'une dichotomie fonctionnelle au sein du cortex PMLS.

Comme la plupart des animaux doivent se déplacer pour se nourrir, échapper à la prédation et trouver des partenaires, les capacités locomotrices sont d'une grande importance dans l'écologie d'une espèce. La performance musculaire est déterminée par les attributs biomécaniques et physiologiques de l'animal. Bien que les lois physicochimiques soient les mêmes pour tous les organismes, les meilleures solutions face aux contraintes définies par ces lois sont influencées par la taille de l'organisme. Au cours de sa croissance, le pétoncle géant, Placopecten magellanicus, est initialement sessile, ensuite très mobile et enfin, plus sédentaire. La simplicité de son système locomoteur, combinée avec sa réponse de fuite caractéristique face à une étoile de mer prédatrice, facilite l'examen de l'impact de la taille sur ses performances. Nous avons utilisé des mesures de force in vivo pour évaluer comment P. magellanicus utilise son muscle adducteur pendant la réponse de fuite, déterminant ainsi comment l'utilisation et les capacités du muscle évoluent sur un large éventail de taille (hauteur de coquille de 30 à 98 mm). L'analyse des composantes principales issues du comportement de fuite a révélé que les paramètres associés à l'endurance et à la fréquence de contraction phasique sont liés sur les deux premiers axes, alors que les mesures de production de force sont associées sur le troisième axe. L'endurance et le nombre de claps lors de la réponse de fuite ont montré une dépendance par rapport à la taille, mais la taille a un impact plus prononcé sur la production de force. Une hausse puis une baisse de la production de force phasique ont été observées avec l'augmentation de la taille. Les variables physiologiques musculaires telles que les activités enzymatiques et le contenu en phosphoarginine ont présenté une dépendance similaire sur la taille. Nos résultats indiquent donc que les caractéristiques comportementales et physiologiques de P. magellanicus suivent une dépendance semblable par rapport à la taille et nous suggérons que des considérations écologiques soient responsables de ces changements.

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique.

La capacité locomotrice est un élément essentiel du fitness de la plupart des animaux, car elle est associée directement à leur survie. L'évaluation des capacités de locomotion des animaux et de leur lien avec leurs caractéristiques physiologiques, génétiques et morphologiques, est un défi majeur. Les pétoncles ont un système locomoteur simple, dépendant d'un seul muscle, ce qui permet d'associer les aspects fonctionnels de ce muscle directement aux capacités de nage. À cette fin, j'ai exploité une technique non invasive (muscle-mètre) qui montre l'activité musculaire d'un pétoncle au cours de sa fuite d'un prédateur. Cette technique révèle un grand nombre de propriétés musculaires pouvant être reliées à des aspects génétiques et physiologiques. Ma comparaison de la production de force par le muscle adducteur de Placopecten magellanicus in vitro et in vivo souligne les avantages des mesures in vivo et suggère que l'organisation mécanique du muscle favorise la production de force lors de la fermeture des coquilles. J'ai trouvé que les conditions défavorables (exposition à l'air, manipulations) diminuent la capacité de fuite autant que les marqueurs biochimiques traditionnels qui sont beaucoup plus longs à mesurer. Toutefois, les capacités de fuite sont restées relativement stables au cours de la ponte, même si ce processus implique des contractions phasique et est censé affaiblir les pétoncles. Ainsi, la ponte n'affecte ni le nombre ni la fréquence des contractions phasiques, ce qui suggère qu'elle ne change pas la disponibilité de carburants pour les contractions phasiques. J'ai trouvé que les pétoncles utilisent les contractions toniques pour accélérer la récupération métabolique partielle du muscle phasique durant une réponse de fuite. Les contractions toniques permettent à la charge adénylique (AEC) de retrouver des valeurs normales permettant la poursuite des contractions phasiques. Enfin, l'hétérozygotie à plusieurs loci fonctionnels, une caractéristique génétique imputée à faciliter la locomotion des pétoncles, n'est guère corrélée significativement avec la capacité de fuite, chez P. magellanicus ou Argopecten purpuratus. Par contre, les propriétés morphologiques des pétoncles sont plus liées à l'hétérozygotie. Le manque de dépendance des capacités de fuite des pétoncles au stress de la ponte et à l'hétérozygotie à des loci fonctionnels reflète probablement l'importance des réponses de fuite pour leur survie. Par contre, un stress physiologique, comme l'exposition à l'air, réduit les capacités de fuite, de sorte que l'évaluation de la nage de ces animaux peut être utilisée comme un indicateur de leur vitalité.

With the maturity of conventional industrial robots, there has been increasing interest in designing robots that emulate realistic animal motions. This discipline requires careful and systematic investigation of a wide range of animal motions from biped, to quadruped, and even to serpentine motion of centipedes, millipedes, and snakes. Collecting optical motion capture data of such complex animal motions can be complicated for several reasons. Often there is the need to use many high-quality cameras for detailed subject tracking, and self-occlusion, loss of focus, and contrast variations challenge any imaging experiment. The problem of self-occlusion is especially pronounced for animals. In this thesis, we walk through the process of collecting motion capture data of a running lizard. In our collected raw video footage, it is difficult to make temporal correspondences using interpolation methods because of prolonged blurriness, occlusion, or the limited field of vision of our cameras. To work around this, we first make a model data set by making our best guess of the points' locations through these corruptions. Then, we randomly eclipse the data, use Gappy POD to repair the data and then see how closely it resembles the initial set, culminating in a test case where we simulate the actual corruptions we see in the raw video footage. / Master of Science / There has been increasing interest over the past few years in designing robots that emulate realistic animal motions. To make these designs as accurate as possible requires thorough analysis of animal motion. This is done by recording video and then converting it into numerical data, which can be analyzed in a rigorous way. But this conversion cannot be made when the raw video footage is ambiguous, for instance, when the footage is blurry, the shot is too dark or too light, the subject (or parts of the subject) are out of view of the camera, etc. In this thesis, we walk through the process of collecting video footage of a lizard running and then converting it into data. Ambiguities in the video footage result in an incomplete translation into numerical data and we use a mathematical technique called the Gappy Proper Orthogonal Decomposition to fill in this incompleteness in an intelligible way. And in the process, we lay your hands on the fundamental drivers of the animal’s motion.