Whether there are sex differences in the kinematic organization of non-reproductive behaviors is rarely addressed. In this thesis, evidence is presented that male and female rats organize their posture and stepping differently during a food protection task, contact righting, skilled reaching, and vertical rearing. Neonatal gonadal steroid exposure can alter sex-typical patterns of movement organization. Whether these differences are due to sex differences in body morphology or central nervous system (CNS) was also addressed using gravid females and tfm males. The results reveal that sex differences in movement are CNS based. Furthermore, the expression and choice of sex-typical patterns of movement can be altered by CNS injury. Finally, evidence is presented that sex differences in movement organization are also present in marsupials and insects. The implications of these results for our understanding of the evolution of sex differences in CNS anatomy and behavior will be discussed. / xvi, 249 leaves : ill. ; 28 cm.

Dans le cadre de ce mémoire, les relations entre morphologie, locomotion et croissance chez les hominoïdes sont analysées sous l'angle des proportions métaphysaires et de leur acquisition. Plusieurs niveaux d'analyse — intermembre, supérieur et inférieur — sont abordés dans une perspective ontogénique. La masse corporelle et la direction des charges influencent la morphologie des surfaces articulaires et métaphysaires mais aussi leur développement. Les charges étant dépendantes du mode locomoteur et celui-ci se modifiant en fonction de l'âge, on tente de voir à quel(s) moment(s) les changements proportionnels ont lieu et pourquoi ils apparaissent. Des mesures linéaires ont été recueillies sur l'humérus, le radius, le fémur et le tibia sur un échantillon squelettique des espèces H. sapiens, P. troglodytes, G. gorilla et P. pygmaeus. À partir de ces mesures et du calcul de certains ratios, des comparaisons intra et interspécifiques ont été réalisées. Les différences les plus significatives entre les espèces se dévoilent au niveau intermembre et sont relatives aux différents pourcentages d'utilisation des membres supérieurs ou inférieurs. Au sein des espèces, les résultats révèlent une similarité dans les réactions des surfaces métaphysaires au niveau intermembre, supérieur et inférieur. Les changements proportionnels ont lieu entre les stades 0 et 1 pour H. sapiens (première marché indépendante), entre les stades 2 et 4 pour P. troglodytes (majorité du poids corporel soutenue par les membres inférieurs) et entre les stades 3 et 5 pour G. gorilla (taille adulte et quadrupédie très majoritaire). Pour P. pygmaeus aucun stade en particulier n'a été ciblé par les analyses et cela concorde avec l'homogénéité de ses modes de locomotion employés au cours de la vie. Les différences proportionnelles répondent à des changements locomoteurs majeurs. Australopithecus afarensis est intermédiaire entre H. sapiens et les grands singes pour de nombreuses comparaisons. Au niveau du genou, les plus jeunes individus A. afarensis ne montrent pas de morphologie bipède, similaire aux humains. / This thesis analyses the relationship between morphology, locomotion and growth in hominoids by studying metaphyseal proportions and development. Several levels of analysis — interlimb, upper and lower limbs — are discussed in an ontogenic perspective. Body mass and direction of loads affect the morphology of articular and metaphyseal surfaces but also their development. Taking into account the locomotion of a species and related loads during growth, we try to determine when proportions change, if at all, and why they appear. Australopithecus afarensis is one species for which the debate about its locomotion is still ongoing, study of the ontogeny of its proportions may shed light on the functions of its limbs during locomotion. Linear measurements were collected on the humerus, radius, ulna, femur and tibia of H. sapiens, P. troglodytes, G. gorilla and P. pygmaeus. From these measurements, ratios have been calculated to intra and inter limb proportions of hominoid appendicular skeleton for different age groups. Differences between species are most significant at the interlimb level and relative to the different relative percentage of upper and lower limbs use. Within species, results reveal a similarity for metaphyseal surfaces responses to loads at all levels of analyses. Proportional changes take place between dental stages 0 and 1 for H. sapiens (acquisition of bipedality), between stages 2 and 4 for P. troglodytes (majority of body weight supported by the lower limb) and between stages 3 and 5 for G. gorilla (knuckle-walking for 85 % of the time). For P. pygmaeus, no proportional change occur at any specific stage, which corresponds to the absence of changes in locomotor behavior from birth to adulthood in that species. From these data, it appears that proportional differences are responses to major changes in the mode of locomotion. Australopithecus afarensis is intermediate between H. sapiens and apes for many proportional comparisons while the knee joint, contrarily to expectation, is not like the bipedal humans.

La marche humaine nécessite la génération de force propulsive ainsi que des forces antigravitaires pour maintenir l'équilibre. Pour cela, le système nerveux central est requis d'orchestrer la contraction des muscles des membres inférieurs, notamment les fléchisseurs plantaire de la cheville qui interface entre le sol et le corps humain. Durant la première phase de simple appui, le triceps sural (TS) est en contraction excentrique et son activation aide à soutenir le corps en résistant à la rotation du tibia sur le Tarsus. Par contre, la phase finale de simple appui est marquée par une augmentation des forces de réactions au sol " Push-off ", du couple articulaire de la cheville et de l'activité électromyographique du TS. Le rôle du TS durant la phase finale de simple appui est l'objet de débat dans la littérature, où certains lui attribut le rôle de propulseurs et d'autre de soutien du corps. Dans ce travail, nous postulons que l'augmentation de l'activité du TS en phase finale de simple d'appui sert uniquement à décélérer la chute du centre de masse. En outre, nous postulons que la modulation temporelle de l'activité du TS permet de contrôler la cinématique (cadence et longueur de pas) et la cinétique de la marche. Deux études ont été mises en places pour tester les hypothèses de travail. Des données biomécaniques mesurées à partir d'une plateforme de force et l'activité EMG du soléaire et des gastrocnémiens latéral et médial de la jambe d'appui ont été collecté pour les deux études. Dans la première études des volontaires ont initié la marche sans et avec un ajout de poids de 20 kg attaché au niveau de la ceinture abdominale. L'ajout du poids augmente les forces de propulsion. Une augmentation de l'activité EMG du triceps permettrait de comprendre si le triceps participe à la génération de force propulsive. La deuxième étude est composée de deux expérimentations. Dans la première expérimentations des volontaires ont accompli 3 conditions de initiation de marche à vitesse variée tout en maintenant la longueur de pas constante. Dans la deuxième expérimentation, les sujets ont été incliné et instruit de récupérer leur équilibre en exécutant un pas de longueur différente. Les résultats ont montré que : 1) le triceps ne participe pas au push-off mais freine la chute du centre de masse en phase finale de simple appui. 2) L'amplification d'activité électromyographique durant la marche rapide est due à l'augmentation de demande de support de corps causé par la croissance des forces inertiels du corps. 3) La durée de contraction du TS permet de déterminer la cadence et la longueur de pas, donc la cinématique de la marche. La durée d'activité du TS permet aussi de déterminer la position du centre de masse par rapport au centre de pression au moment du contact avec le sol. 4) Ceci permet au TS de moduler le couple de déséquilibre responsable des forces propulsives, donc la cinétique de la marche.

Nous proposons une approche de planification unifiée pour robots humanoïdes réalisant des tâches de locomotion et de manipulation nécessitant une dextérité propre aux systèmes anthropomorphes. Ces tâches sont basées sur des transitions de contacts ; contacts entre les extrémités des membres locomoteurs et l'environnement dans le cas du problème de locomotion par exemple, ou entre les extrémités de l'organe préhensible effecteur et l'objet manipulé dans le cas du problème de manipulation. Nous planifions ces transitions de contacts pour des systèmes abstraits constitués d'autant de robots, d'objets, et de supports dans l'environnement que désiré/nécessaire pour la modélisation du problème. Cette approche permet de s'affranchir de la distinction de nature entre tâches de locomotion et de manipulation et s'étend à une variété d'autres problèmes tels que la coopération entre plusieurs agents. Nous introduisons notre paradigme de planification non-découplée de locomotion et de manipulation en exhibant la stratification induite dans l'espace des configurations de systèmes simplifiés pour lesquels nous résolvons analytiquement le problème en comparant des méthodes de planification géométrique, non-holonome, et dynamique. Nous présentons ensuite l'algorithme de planification de contacts basé sur une recherche best-first. Cet algorithme fait appel à un solveur de cinématique inverse qui prend en compte des configurations de contacts générales dans l'espace pouvant être établis entre robots, objets, et environnement dans toutes les combinaisons possibles, le tout sous contraintes d'équilibre statique et de respect des limitations mécaniques des robots. La génération de mouvement respectant l'équation de dynamique Lagrangienne est obtenue par une formulation en programme quadratique. Enfin nous envisageons une extension à des supports de contact déformables en considérant des comportements linéaires-élastiques résolus par éléments finis.

Cette thèse porte sur la réalisation des tâches avec la locomotion sur des robots humanoïdes. Grâce à leurs nombreux degrés de liberté, ces robots possèdent un très haut niveau de redondance. D'autre part, les humanoïdes sont sous-actionnés dans le sens où la position et l'orientation ne sont pas directement contrôlées par un moteur. Ces deux aspects, le plus souvent étudiés séparément dans la littérature, sont envisagés ici dans un même cadre. En outre, la génération d'un mouvement complexe impliquant à la fois des tâches de manipulation et de locomotion, étudiée habituellement sous l'angle de la planification de mouvement, est abordée ici dans sa composante réactivité temps réel. En divisant le processus d'optimisation en deux étapes, un contrôleur basé sur la notion de pile de tâches permet l'adaptation temps réel des empreintes de pas planifiées dans la première étape. Un module de perception est également conçu pour créer une boucle fermée de perception-décision-action. Cette architecture combinant planification et réactivité est validée sur le robot HRP-2. Deux classes d'expériences sont menées. Dans un cas, le robot doit saisir un objet éloigné, posé sur une table ou sur le sol. Dans l'autre, le robot doit franchir un obstacle. Dans les deux cas, les condition d'exécution sont mises à jour en temps réel pour faire face à la dynamique de l'environnement : changement de position de l'objet à saisir ou de l'obstacle à franchir.

In this thesis, the walking of a humanoid system is simulated applying an optimal predictive control algorithm. The simulation is built using Matlab and Simulink softwares. Four separate physical models are developed to represent the single support and the double support phases of a full gait cycle. The models are three dimensional and their properties are analogous to the human&rsquo / s. In this connection, the foot models in the double support phases include an additional joint which connects the toe to the foot. The kinematic relationships concerning the physical models are formulated recursively and the dynamic models are obtained using the Newton &ndash / Euler formulation. The computed torque method is utilized at the level of joints. In the double support phase, the redundancy problem is solved by the optimization of the actuating torques. The command accelerations required to control the gait are obtained by applying an optimal predictive control law. The introduced humanoid walker achieves a sustainable gait by tuning the optimization and prediction parameters. The control algorithm manages the tracking of the predefined walking pattern with easily realizable joint accelerations. The simulation is capable of producing all the reaction forces, reaction moments and the values of the other variables. During these computations, a three dimensional view of the humanoid walker is animated simultaneously. As a result of this study, a suitable simulation structure is obtained to test and improve the mechanical systems which perform bipedal locomotion. The modular nature of the simulation structure developed in this study allows testing the performance of alternative control laws as well.

In this thesis, we introduce our lasso-type grasping scheme. This 3-D lasso-type grasping scheme, different from the previously performed grasping schemes which are either planar or fixed base, is the novelty of our approach where the snake robot grasps an object with any of its body links which are at close proximity to the object while undergoing its serpentine motion with the remaining links and dragging the grasped object. Since our snake robot has the pitch motion for every link, we can ensure that the links do not run into each other as they wrap around the object. A lasso-type power grasp is then possible for our 15-link snake robot as seen in the simulation results of this thesis. Furthermore we develop the kinematic and control models for lasso-type grasping and for dragging the grasped object to a desired state. This control model includes an adaptively changing feedback gain which prevents excessively large inputs to corrupt the serpentine locomotion control. According to our lasso-type grasping model, while the snake robot can grasp the object beginning with the any body link at close proximity of the object, the contact points can be controlled to generate the curvilinear grasping curve by using our lasso-type grasping procedure. For dragging the grasped object, we define a scheme which can determine the appropriate desired state to drag the grasped object to a desired position. The stability of the grasped object is important to resist the disturbance forces as well as the force closure grasping is important to counteract the disturbance force. To analyze the stability of the lasso-type grasping, we introduce a stability model of lasso-type grasping based on contact stiffness matrices that faces the snake to regrasp when gone unstable.

Ces travaux de thèse sont consacrés à la définition et la mise en œuvre de systèmes multi-capteurs et d'algorithmes, embarqués sur un déambulateur et dédiés à la capture et l'estimation de la posture et du mouvement de son utilisateur durant la locomotion. Plusieurs expérimentations ont été menées afin d'évaluer quantitativement la qualité de la posture reconstruite obtenue. Un détecteur d'anomalies durant la marche a de plus été proposé afin d'évaluer le système, en termes d'application. Dans ce mémoire, les paramètres du mouvement humain relatifs à la marche (pas, posture, équilibre) généralement utilisés pour l'analyse de la marche, sont d'abord introduits. Pour l'observation de tels paramètres, les médecins utilisent différents dispositifs. La plupart sont encombrants, ce qui limite leur usage au milieu hospitalier. Les systèmes multi-capteurs embarqués sur un déambulateur proposés permettraient d'obtenir des données quotidiennement, sur des distances de locomotion et des durées plus importantes. Deux architectures ont été développées successivement : la première est composée d'une caméra 3D et de deux capteurs infrarouges ; la seconde est composée de deux capteurs Kinect. Ces architectures sont utilisées pour estimer la posture du sujet et son activité locomotrice par recalage sur un modèle physique de mannequin virtuel 3D. La précision de la posture obtenue est améliorée en intégrant un module de prédiction du mouvement: il utilise une estimation de certains paramètres discrets de la marche (durée et longueur des pas) et un modèle de la marche assistée. Enfin, le développement d'un algorithme de détection de ruptures du rythme locomoteur nous permet de valider l'ensemble de l'approche par rapport à l'application finale : l'assistance au diagnostic. A partir d'un ensemble de mesures de distance, correspondant au rapport de vraisemblance généralisé calculé sur les positions relatives de chaque articulation et la vitesse du déambulateur déterminée par un odomètre, un modèle multi-dimensionnel d'une marche régulière est ensuite appris via un séparateur à vaste marge à une classe. Cet algorithme a été évalué sur la base d'un protocole de changement de rythme de marche. Dans l'avenir, ce système pourra être intégré au robot d'assistance à la déambulation conçu dans le cadre du projet ANR MIRAS (Multimodal Interactive Robot of Assistance in Strolling)

This thesis covers broad topics concerning limb growth and development and their effects on locomotion in the brown kiwi (Apteryx mantelli). I begin by describing the morphological features of a collection of unknown-age wild kiwi embryos from early development to point of hatch. Using these features, I assign developmental stages to each embryo and compare the progress of development to the same-staged ostrich and chicken embryos. Measurements of the hindlimb, bill and crown-rump length are used to develop an aging scheme based on comparisons with the ostrich and the chicken. The ostrich model and chicken model create age predictions for the unknown aged kiwi embryos. One kiwi embryo was of known age and both models gave identical predictions for this marker embryo, but gave differing predictions for all other kiwi embryos. Using captive-reared kiwi chicks, I characterise hindlimb, bill and bodyweight growth from the time of hatch to 3 months of age. Growth patterns are very linear within this time period for all measurements but bodyweight. Female kiwi hatch with longer bills than males, but the growth of both sexes converges by the end of the 3-month period. Growth of bodyweight in the males slows earlier than in females. Bodyweight and bill length were then compared to a wild population of kiwi. Captive-reared chicks were found to hatch with shorter bills than the wild birds and to increase in bodyweight at a faster rate than wild birds. Rapid weight gain has been implicated in developmental limb deformities in other precocial and long-legged birds and has the potential to produce similar results in captive kiwi. I further studied the movement of the hindlimb during locomotion in two adults and one juvenile kiwi by filming them while they were walking on a treadmill. Kinematic parameters were measured from the video recordings and compared to overground parameters from another study. Similarity between the treadmill and overground locomotor parameters validates the use of a treadmill in studying kiwi locomotion. None of the birds achieved the theoretical transition from a walk to a run at a duty factor of 0.5. After normalising for size, the juvenile showed a longer stride length and lower stride frequency with increasing speed than the adults. Lateral head oscillations were observed during the stride cycle, which I propose having a sensory function as well as a biomechanical one.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2005. / Vita. Includes bibliographical references.