The ACSM Metabolic Equation is a widely recognized equation for predicting metabolic intensity from walking speed. However, an equation that uses an observable metric (i.e., cadence [steps/min]), accounts for individual characteristics, and is validated across walking conditions may enable more accessible and accurate predictions of walking intensity. PURPOSE: To develop metabolic equations that predict metabolic intensity (oxygen consumption; mL/kg/min) from cadence using a large treadmill walking dataset (Study One) and cross-validate these equations during overground unconstrained and cadence-constrained walking conditions (Study Two). METHODS: In Study One, 193 adults (21-81 years) completed treadmill walking bouts while oxygen consumption was measured with indirect calorimetry (converted to metabolic equivalents [METs]; 1 MET=3.5 mL/kg/min=1 kcal/kg/min). Directly-observed step counts divided by bout duration produced cadence. The least squares regression of the cadence-intensity relationship produced a simple equation and a full equation was developed using best subsets regression (additional possible predictors of leg length, body mass, BMI, percent body fat, sex, and age). Predictive accuracy and bias of each cadence-based metabolic equation and the ACSM Metabolic Equation was evaluated through k-fold cross-validation. In Study Two, these three metabolic equations were applied to data collected from 20 young adults during overground walking at self-selected paces (unconstrained) and with foot-strikes entrained to music tempos (cadence-constrained). RESULTS: In Study One, the simple equation predicted walking intensity within 0.5 METs, on average, and approximately no bias (CONCLUSIONS: The simple equation performed comparably to the full equation (which accounted for individual characteristics) and appreciably better than the ACSM Metabolic Equation. The simple cadence-based metabolic equation is an improved, user-friendly tool for predicting and prescribing walking intensity with reasonable accuracy (within ~0.5 METs; 45 kcals/hr for the average American).

Les chutes chez les personnes âgées ont été attribuées à une baisse de la fonction proprioceptive ainsi qu'à une incapacité à allouer suffisamment d’attention au maintien de l'équilibre dans des conditions multitâches. Cette étude vise à explorer l'interaction entre les demandes proprioceptive et attentionnelle du contrôle postural dynamique de la personne âgée. Des adultes sédentaires âgés et jeunes ont effectué une tâche de limite de la stabilité posturale avec et sans vision ainsi qu’une tâche attentionnelle secondaire de soustraction mathématique (n-3). Ces deux tâches étaient effectuées soit seul (tâche simple) ou simultanément (tâche double). La force de réaction au sol a été collectée à 200 Hz en utilisant une plateforme de force AMTI et les déplacements des centres de pression (COP) ont été analysés. Les limites fonctionnelles de la stabilité ont été quantifiées comme l'excursion maximale du COP pendant l'inclinaison volontaire du corps dans chaque direction. Nous avions émis l'hypothèse que les plus grandes différences liées à l'âge seraient observées dans la condition de tâche double en raison des limitations des ressources attentionnelles pour faire face simultanément à des exigences proprioceptives et cognitives élevées. Nos résultats indiquent que l’addition de la tâche attentionnelle n’a pas influencé les limites de stabilité posturales des participants. Cependant, les personnes âgées ont significativement diminué leur performance dans la tâche attentionnelle lorsqu’ils ont effectué simultanément la tâche posturale, particulièrement en l’absence de vision. Ces résultats supportent l’idée d’une interaction entre les demandes proprioceptives et attentionnelles du contrôle postural dynamique chez la personne âgée. / Falls among seniors have been attributed to declines in proprioceptive function as well as an inability to efficiently allocate attention to balance in multi-task conditions. This study aims to explore the interaction between the proprioceptive and attentional demands for dynamic postural control in seniors. Old and young sedentary adults performed a postural stability limit task with and without vision as well as a secondary attentional subtraction task (n-3). These two tasks were performed either alone (single task) or simultaneously (dual-task). Ground reaction force was collected at 200 Hz using an AMTI force platform and centre of pressure (COP) was analyzed. The functional limits of stability were quantified as the maximum COP excursion during voluntary leaning in each direction. We hypothesized that the greatest age-related differences would be seen under the dual-task condition because of limitations in attentional resources available for concurrently coping with high proprioceptive and cognitive demands. Our findings indicated that the stability limits of both subject groups were not influenced by the addition of the cognitive attentional task. However, seniors markedly decreased their performance in the cognitive task while simultaneously performing the postural task and this trend was accentuated in the absence of vision. These results support the idea of an interaction between the proprioceptive and attentional demands of dynamic postural control in seniors.

Contexte et objectif:C’est presque une banalité que de dire qu’une des caractéristiques principales de la parole est sa variabilité : variabilité inter-sexe, inter-locuteur, mais aussi variabilité d’un contexte à un autre ou d’une répétition à une autre pour un même sujet. C’est cette variabilité qui fait à la fois la beauté de la parole mais aussi la complexité de son traitement par les technologies vocales, et la difficulté pour en comprendre les mécanismes. Dans cette thèse nous étudions certains aspects de cette variabilité, avec comme point de départ la variabilité observée chez un locuteur dans la répétition d’un même son dans les mêmes conditions, que nous appelons variabilité intrinsèque.Les modèles de contrôle moteur de la parole abordent principalement la variabilité contextuelle de la parole mais prennent rarement en compte sa variabilité intrinsèque, alors même que l’on sait que c’est cette variabilité qui donne à la parole tout son caractère naturel. Dans le contexte général du contrôle moteur, l’origine précise de la variabilité intrinsèque reste peu comprise et controversée. Cependant, une hypothèse courante est que la variabilité intrinsèque serait essentiellement due à du bruit neuronal dans la chaine d’exécution.L’objectif principal de cette thèse est d’aborder la variabilité intrinsèque et contextuelle de la production de la parole dans un cadre formel intégrateur. Pour cela nous faisons l’hypothèse que la variabilité intrinsèque n’est pas que le résultat d’un bruit d’exécution, mais qu’elle résulte aussi d’une stratégie de contrôle où la variabilité inter-répétition fait partie intégrante de la représentation de la tâche.Méthodologie:Nous formalisons cette idée dans un cadre computationnel probabiliste, la modélisation Bayésienne, où l’abondance de réalisations possibles d’un même item de parole est représentée naturellement sous la forme d’incertitudes, et où la variabilité est donc manipulée formellement. Nous illustrons la pertinence de cette approche à travers trois contributions.Résultats:Dans un premier temps, nous reformulons un modèle existant de contrôle optimal de la parole, le modèle GEPPETO, dans le formalisme probabiliste et démontrons que le modèle Bayésien contient GEPPETO comme un cas particulier. En particulier, nous illustrons comment l’approche Bayésienne permet de rendre compte de la variabilité intrinsèque tout en incluant les mêmes principes d’émergence et de structuration de la variabilité contextuelle proposés par GEPPETO.Dans un deuxième temps, le formalisme nous permet de dépasser le cadre de GEPPETO en y intégrant une composante somatosensorielle dans la représentation des buts. Cela permet d’introduire une variabilité interindividuelle sur la préférence sensorielle, c’est-à-dire la modulation des poids relatifs des cibles auditives et somatosensorielles, et permet d’expliquer la variabilité de compensation observée dans les études de perturbation sensorielle. Cette étape a nécessité l’élaboration d’hypothèses sur l’intégration des retours sensoriels dans la planification, dont nous avons cherché à évaluer la pertinence en concevant une expérience originale de production-perception de parole.Dans un troisième temps, nous exploitons le formalisme pour réinterpréter des données expérimentales récentes qui mettent en évidence un changement perceptif consécutif à un apprentissage moteur induit par une altération du retour auditif. Cela est rendu possible grâce à la représentation unifiée des connaissances dans le modèle, qui permet d’intégrer la production et la perception dans un cadre formel unique.L’ensemble de ces travaux illustre la capacité du formalisme Bayésien à proposer une démarche systématique et structurée pour la construction des modèles. Cette démarche facilite le développement des modèles et leur complexification progressive en précisant et explicitant les hypothèses formulées. / Context and goal:It is almost a truism to affirm that one of the main features of speech is its variability: variability inter-gender, inter-speaker, but also variability from one context to another, or from one repetition to another for a given subject. Variability underlies at the same time the beauty of speech, the complexity of its treatment by speech technologies, and the difficulty for understanding its mechanism. In this thesis we study certain aspects of speech variability, our starting point being the variability characterizing the repetitions of a given utterance by a given subject, in a given condition, which we call intrinsic variability.Models of speech motor control have mainly focused on the contextual aspects of speech variability, and have rarely considered its intrinsic component, even though it is this fundamental component of variability that gives speech it naturalness. In the general context of motor control, the precise origin of the intrinsic variability of our movements remains controversial and poorly understood, however, a common assumption is that intrinsic variability would mainly originate from neural and muscular noise in the execution chain.The main goal of this thesis is to address the contextual and intrinsic component of speech variability in an integrative computational framework . To this aim, we postulate that the main component of the intrinsic variability of speech is not just execution noise, but that it results from a control strategy where intrinsic variability characterizes the abundance of possible productions of the intended speech item.Methodology:We formalize this idea in a probabilistic computational framework, Bayesian modeling, where the abundance of possible realizations of a given speech item is naturally represented as uncertainty, and where variability is thus formally manipulated. We illustrate the pertinence of this approach with three main contributions.Results:Firstly, we reformulate in Bayesian terms an existing model of speech motor control, the GEPPETO model, and demonstrate that this Bayesian reformulation, which we call B-GEPPETO, contains GEPPETO as a particular case . In particular, we illustrate how the Bayesian approach enables to account for the intrinsic component of speech variability while including the same principles proposed by GEPPETO for the emergence and structuration of its contextual component.Secondly, the Bayesian framework enable us to go beyond and extend B-GEPPETO in order to include a multisensory characterization of speech motor goals, with auditory and somatosensory components. We apply this extension to explore variability in the context of compensations to sensory-motor perturbation in speech production. We account for differences in compensation as sensory preferences implemented by modulating the relative contribution of each sensory modality in the model . The somatosensory characterization of speech motor goals involved a certain number of hypotheses that we intended to evaluate with two experimental studies.Finally, in our third contribution we exploit the formalism for the reinterpretation of recent experimental observations concerning perceptual changes following speech motor adaptation to auditory perturbations. This original analysis is made possible thanks to the unified representation of knowledge in the model, which enables to account for production and perception processes in a single computational framework.Taken together, these contributions illustrate how the Bayesian framework offers a structured and systematic approach for the construction of models in cognitive sciences . The framework facilitates the development of models and their progressive complexification by specifying and clarifying underlying assumptions.

Résumé : L’objectif de cette thèse était d’investiguer l’influence des émotions sur l’organisation biomécanique de mouvements volontaires complexes, c’est-à-dire mobilisant l’ensemble du corps. L’effet des émotions a été testé par le biais de l’hypothèse de la direction motivationnelle selon laquelle 1) les stimuli plaisants faciliteraient les comportements d’approche et perturberaient les comportements d’évitement et 2) les stimuli déplaisants faciliteraient les comportements d’évitement et perturberaient les comportements d’approche. Deux modèles expérimentaux du mouvement complexe ont été choisis : l’initiation du pas vers l’avant et vers l’arrière (étude 1) et l’élévation latérale de la jambe (études 2 à 4). Les émotions étaient manipulées en exposant les participants à des images de l’International Affective Pictures System (induisant des émotions plaisantes et déplaisantes, étude 1) et en plaçant les participants au bord d’une plateforme surélevée (induisant une peur de chuter, études 2 à 4). Les mouvements étaient réalisés sur une plateforme de force (études 1 à 3). La cinématique du mouvement de la jambe oscillante était enregistrée grâce au système de capture de mouvements VICON (études 2 et 3). Les paramètres psychologiques (dimension de valence et d’activation des émotions, peur de chuter) étaient évalués grâce à des questionnaires. Les résultats de la première étude ont montré que les émotions plaisantes facilitaient les comportements d’approche (en termes de réactivité) et perturbaient les comportements d’évitement (en termes de vitesse du centre des masses lors des ajustements posturaux anticipateurs (APA) associés à un pas vers l’arrière), comparativement aux images déplaisantes et neutres. Cependant ces images semblaient aussi pouvoir perturber les comportements d’approche (en termes de pic de vitesse du centre des masses lors de l’exécution du pas vers l’avant). Les résultats de la deuxième étude ont démontré que les comportements d’approche envers la menace posturale (c’est-à-dire le vide) étaient perturbés (en termes d’amplitude et de durée des APA), comparativement aux comportements d’évitement. La troisième étude s’est ensuite intéressée à l’existence de différences interindividuelles dans la relation entre la menace posturale (et donc la peur de chuter) et l’organisation du mouvement volontaire. Les résultats ont révélé que la confiance en l’équilibre était un facteur de protection à la menace posturale. Ainsi, les participants reportant une forte confiance en leur équilibre étaient moins perturbés par la menace posturale que les participants reportant une faible confiance en leur équilibre. Enfin, la quatrième étude a cherché à expliquer l’existence de ces différences interindividuelles. Les résultats ont montré que l’estime globale de soi pouvait expliquer une partie de ces différences. En conclusion, les résultats de cette Thèse ne semblent confirmer que partiellement l’hypothèse de la direction motivationnelle. Pris ensemble, ces résultats ont permis d’améliorer la compréhension des processus sous-jacents à l’influence des émotions sur l’organisation du mouvement volontaire.Mots clés : Ajustements Posturaux Anticipateurs, Approche-Évitement, Contrôle Moteur, Émotions, Hypothèse de la Direction Motivationnelle / The aim of this thesis is to investigate the influence of emotions on the planning and execution of whole body voluntary movement. The effect of emotions was test thanks to the motivational direction hypothesis which supposed that 1) pleasant stimuli should facilitate approach and perturb avoidance behaviors. 2) Unpleasant stimuli should facilitate avoidance and perturb approach behaviors. Two experimental protocols have been chosen to pursue the investigation: Forward and backward gait initiation (study 1) and lateral elevation of the leg (studies 2-4). The emotions were manipulated by exposing the subjects to pictures of the International Affective Pictures System (inducing pleasant and unpleasant emotions, study 1) and by placing the subjects at the edge of an elevated platform (inducing fear of falling). Movements were performed on force platform (studies 1-3). Kinematic parameters of leg movement were recorded by the system of motion capture VICON (studies 2 and 3). Psychological parameters (valence and arousal dimensions of emotions fear of falling) were assessed by questionnaires. Results of the first study showed that pleasant pictures facilitated approach behaviors (as observed in the reactivity) and perturbed avoidance behaviors (as observed in the velocity of centre of mass during anticipatory postural adjustment (APA) prior to the execution of a backward step), compared to unpleasant or neutral pictures. However, these pleasant pictures also perturbed approach behaviors (as observed in the peak of centre of mass velocity during the execution of a forward step). Results of the second study showed that approach behaviors toward the postural threat (i.e, the void) were perturbed (as observed in the amplitude and duration of APA), compared to avoidance behaviors. The third study focused on the inter-individual differences in the relation between postural threat and organization of movement. Results revealed that balance confidence of the participants dealing with increased postural threat. In other terms, participants reported a high confidence in their own balance control were least perturbed than those reported a low balance confidence and vice versa. Finally, in the fourth study we tried to explain these inter-individual differences. The self-esteem seems to explain these differences. In conclusion, the results of this thesis seem to partially confirm the hypothesis of motivational direction. Put together, the results help improve our general understanding of the influence of emotions on the planning and execution of voluntary movements.Keywords: Anticipatory Postural Adjustments, Approach-Avoidance, Emotions, Motivational Direction Hypothesis, Motor Control

La recherche portant sur l'identification des principes neurobiologiques qui sous-tendent le contrôle moteur humain est actuellement très active. Les mouvements humains ont en effet un niveau de robustesse et de dextérité encore inégalé dans la réalisation robotique de tâches complexes. L'objectif est donc de mieux comprendre l'origine de cette performance et de la reproduire en robotique bio-inspirée. Il a déjà été démontré que des réseaux spinaux rythmiques sont présents dans la moelle épinière des vertébrés. Ils constituent des systèmes dynamiques non-linéaires composés de neurones en inhibition réciproque et seraient à l’origine de la génération des mouvements rythmiques comme la locomotion et la respiration. Les attracteurs de ces systèmes dynamiques seraient modulés de manière continue ou intermittente par des signaux sensoriels et des signaux descendant du cortex moteur, de manière à adapter le comportement de l’agent à la dynamique de l’environnement.La présente étude émet l'hypothèse que des informations visuelles sont également couplées aux réseaux spinaux rythmiques et que ces couplages sont responsables des synchronisations temporelles et spatiales observées lors de la réalisation de tâches visuomotrices rythmiques. Cette proposition est confrontée à des résultats expérimentaux de frappe cyclique de balle, un benchmark bien connu des neuroscientifiques et des dynamiciens en raison de ses propriétés dynamiques intrinsèques. Il rend possible à la fois l’étude de la génération de mouvements rythmiques par des réseaux spinaux, la synchronisation temporelle avec l’environnement, la correction en-ligne des erreurs spatiales et l’interception de projectiles balistiques.Cette thèse propose ainsi un modèle comportemental mathématique innovant reposant sur un modèle d’oscillateur neuronal dont l’attracteur, qui définit les trajectoires de la raquette, est modulé en ligne par les perceptions visuelles de la trajectoire de la balle. La pertinence du modèle est validée par comparaison aux données expérimentales et aux modèles précédemment proposés dans la littérature. La robustesse de cette stratégie de contrôle est également quantifiée par une analyse de stabilité asymptotique du système hybride défini par le couplage entre le système neuro-musculo-squelettique et la balle. Le correcteur bio-inspiré proposé dans cette thèse réunit de manière harmonieuse un contrôle prospectif de la synchronisation balle-raquette, un contrôle paramétrique intermittent dimensionnant le mouvement et un contrôle émergeant du cycle-limite du système couplé. Il reproduit efficacement les modulations des actions motrices et les performances des humains durant la tâche de frappe cyclique de balle, y compris en présence de perturbations, et ce sans avoir recours à une planification du mouvement ou à des représentations internes explicites de l’environnement. Les résultats de cette étude conduisent à l’affirmation réaliste que les mouvements humains sont directement structurés par l’information sensorielle disponible et par des stratégies correctives en-ligne, en accord avec la théorie des dynamiques comportementales. Cette architecture de contrôle pourrait offrir de nombreux avantages aux robots humanoïdes qui en seraient munis, en assurant stabilité et économie d’énergie, par l’intermédiaire de lois de commande de faible complexité et peu gourmandes en ressources computationnelles. / The identification of the neurbiological principles underlying human motor control is a very active reseach topic. Indeed, human movement has a level of robustness and dexterity still unmatched by robots. The objective is therefore to better understand the origin of this efficiency to replicate these performances in robotics. It has been shown that spinal rhythm generators, known as Central Pattern Generators (CPG), are responsible for the generation of rhythmic movements such as locomotion and respiration in vertebrates. These CPG constitute dynamic nonlinear systems modulated by sensory signals and descending signals from the cortex to adapt the behavior to the changing environment.The present study hypothesizes that visual information is also coupled to the CPG and that these couplings are responsible for the temporal and spatial synchronization observed during rhythmic visuomotor tasks. This assumption is confronted with experimental results from human participants performing ball bouncing, a well-known benchmark in neuroscience and robotics for its intrinsic dynamic properties. This task allows for the investigation of rhythmic movement generation by spinal networks, the temporal synchronization with the environment, the on-line correction of spatial errors and the interception of ballistic projectiles.This thesis proposes an innovative mathematical behavioral model based on a neuronal oscillator whose attractor, which defines the paddle trajectories, is modulated on-line by the visual perception of the ball trajectory. The relevance of the model is validated by comparison with experimental data and models previously proposed in the literature. The robustness of this control strategy is quantified by an asymptotic stability analysis. The bio-inspired controller presented in this thesis harmoniously combines a prospective control of the ball-paddle synchronization, an intermittent parametric control that scales the movement and a control emerging from the coupled system limit cycle. It efficiently reproduces the human modulation in motor action and performance during ball bouncing, without relying on movement planning or explicit internal representation of the environment. The results of this study lead to the realistic assumption that much part of the human behavior during ball bouncing is directly structured by sensory information and on-line error correction processes, in agreement with the behavioral dynamics theory. This control architecture holds promise for the control of humanoid robots as it is able to ensure stability and energy saving through control laws of reduced complexity and computational cost.

Le sujet de thèse aborde la quantification du flux de puissance parcourant les différents systèmes de conversion d'énergie statiques et dynamiques pour aboutir aux éléments de stockage de nature chimique / électrostatique / mécanique lors d'un freinage hybride récupératif brusque issu d’un véhicule électrique à traction avant. Le véhicule électrique est équipé de deux ensembles intégrés moteur-roues indépendants. Le côté commande des convertisseurs et des machines électriques sera aussi traité. La problématique concernera les cas de freinage régénératif brusque imposant des contraintes électriques et mécaniques élevées aux éléments de conversion d'énergie et de stockage. L'outil de simulation adopté est le logiciel Matlab/Simulink®. Un modèle assez fin du véhicule électrique utilisé sera développé afin de pouvoir simuler le comportement du véhicule conformément à la distribution des forces de freinage délivrée par le système de répartition et de quantification des forces de freinage. Une étude de la cinématique et de la dynamique du véhicule selon les différents états de route sera aussi examiné. Cette étude sera utilisée à posteriori dans la formulation des lois de distribution des forces de freinage. Les moteurs utilisés sont de type synchrones à aimants permanents intérieurs. L'objectif est d'assurer un couple électrique de freinage élevé à hautes vitesses de conduite du véhicule. A cette fin, la commande optimale de ces moteurs sera basée sur une nouvelle méthode de génération des courants de références assumant ainsi un couple régénératif élevé et donc une amélioration de l'énergie récupérée. Le système de stockage sera mixte et comportera une batterie Li-Ion et des cellules de supercondensateurs afin de réduire les contraintes sur la batterie et prolonger ainsi sa durée de vie. La structure de puissance de ce système sera analysée ainsi que le système de commande proposé du hacheur à 3 niveaux interfaçant l'ultracapacité avec le bus DC. Une résistance de freinage commandée par un régulateur pseudo-cascade sera aussi intégrée afin de réduire, si nécessaire, les contraintes sur la batterie. L'évaluation et la répartition des forces de freinage sur les quatre roues du véhicule en fonction de l'état de la route sont des éléments clés pour la stabilité du véhicule lors du freinage. La méthode de distribution et de quantification des forces de freinage proposée devra maintenir cette stabilité, répondre aux normes internationales et tirer profit de la présence des moteur-roues à l'avant du véhicule afin de maximiser l'énergie récupérée. Les travaux ont été étendus pour inclure une étude comparative avec un système de stockage contenant un élément de stockage à énergie cinétique comme source d'énergie secondaire pour un véhicule en opération de freinage et de traction. La thèse est le point de départ d'une collaboration de recherche entre l'IFSTTAR /Satie et le département de Génie Electrique du Cnam - Liban, centre associé au Conservatoire National des Arts et Métiers (Paris - France). / The thesis will address the quantification of power flow going through the different energy static and dynamic conversion systems to attain the chemical / electrostatic / mechanical storage elements during a hybrid regenerative brutal braking of a front-wheel driven electric vehicle. The electric vehicle is equipped by two integrated wheel-motors independent sets. The control of the converters and electrical machines is also treated. The problematic concerns the brutal regenerative braking case imposing high electrical and mechanical constraints on energy conversion and storage elements. The simulation tool adopted is Matlab/Simulink®. A detailed model of the used electric vehicle has been developed in order to be able to simulate the vehicle behavior with respect to the braking forces distribution delivered by the repartition and quantification of braking forces system. A study of the kinematics and dynamics of the vehicle according to different road types will be also considered. This study will be used retrospectively in the formulation of the braking forces distribution laws. The motors used are interior permanent magnet synchronous type. The objective is to ensure high electrical braking torque at high driving speeds of the vehicle. To this end, the optimal control of these motors will be based on a new current references generation method assuming then a high regenerative torque and therefore an improvement in the recovered energy. The hybrid storage system includes a Li-Ion battery and supercapacitors cells to reduce stress on the battery and to extend its life. The power structure of the system will be analyzed as well as the 3-level DC/DC converter interfacing the ultracapacitor with the DC bus proposed control system. A braking resistor controlled by a pseudo- cascaded controller will also be integrated to reduce, if necessary, the constraints on the battery. The evaluation and distribution of braking forces on the four wheels depending on road conditions are key elements for the stability of the vehicle during braking. The method of distribution and quantification of braking forces proposed should maintain this stability , meet international standards and take advantage of the presence of wheel motors in the front of the vehicle to maximize the energy recovered. The work has been extended to include a comparative study with a system containing a kinetic energy storage element as a secondary energy source for a braking and traction vehicle operation. The thesis is the starting point of a research collaboration between IFSTTAR / Satie and the Electrical Engineering Department of Cnam- Liban, associated center of the Conservatoire National des Arts et Métiers ( CNAM ), Paris, France.

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There is currently a demand of mm‑wave on‑chip antennas to enable all kinds of new applications in several different areas. But the development requires, among other things, special equipment used during the measurement phase due to the small dimensions and the high frequencies. In this project a robotic measurement system, SAX (Single Arm eXtra), was designed and constructed at Micro and Nanosystems (MST) department at KTH Royal Institute of Technology (Sweden). The purpose of the SAX is to enable radiation pattern measurements of on‑chip antennas ( 140 GHz to 325 GHz ), whether the boresight is vertical or horizontal along with other requirements, by moving a converter with the measurement antenna around the antenna in question. Several alternative designs for the basic construction, both from other works and invented by the author, were analyzed based on the requirements for this project and other limitations. The chosen unique design, the SAX, is very compact and uses only one stepper motor. Several parts have been developed in this project to ensure the proper functionality of the SAX. That includes a main operator program, a motor input signal generating program, a motor input signal executing system, a security system, and a system for controlled rotation of the SAX. For the input signal to the motor two different algorithms to generate the time delays were developed and tested. They were adapted to make the motor manage the sweeps of an ever‑changing load with high inertia during acceleration and deceleration. One of them was developed to make the time delay array generation much more efficient albeit with larger approximation error. The SAX worked well and should be rather easy‑to‑use regarding the operation of the system, from the physical maneuvering to utilizing the sub‑systems to the running of the main operator program. It fulfilled the specific requirements by enable a cross pattern measurement from  -60° to +60°  both from above and from the side, adjustment of the radius between 15cm to 45cm , adjustment 10cm in height, to be rotated along the floor in steps of 1°, measurement steps of 1° with an accuracy of less than 0,5° (the largest error was measured to be ≤ 0,461°). However, some calibration work needs to be done before the optimal performance of the system is reached. As a verification of the operation of the system data from measurements of open‑ended waveguides was presented. / Det finns en efterfrågan på chipantenner för millimetervågor eftersom de kan möjliggöra allehanda produkter inom flera olika områden. Forskningen på dessa ställer dock bl.a. speciella krav på utrustning som används under testmätningsfasen p.g.a. de små dimensionerna och den höga frekvensen. I detta projekt har ett robotsystem, SAX (Single Arm eXtra), utformats och konstruerats på avdelningen för Mikro- och nanosystem på KTH. Syftet med SAX är att mäta högfrekventa chipantenner ( 140 GHz till 325 GHz ) genom att förflytta en frekvensomvandlare med tillhörande mätantenn i en cirkulär bana runt antennen ifråga, oavsett om den är riktad vertikalt eller horisontellt och givet andra kravspecifikationer. Flera designalternativ för den grundläggande konstruktionen, både från andras arbeten och framtagna av författaren själv, har analyserats utifrån kravspecifikation för detta projekt och andra begränsningar. Den valda unika designen, SAX, är väldigt kompakt och använder sig bara av en stegmotor. För att möjliggöra funktionen i den slutgiltiga produkten har flera delar tagits fram vilka inkluderar ett operatörsprogram, ett program för genererandet av motorstyrsignaler, ett program för motorstyrning, ett säkerhetssystem och ett rotationssystem för kontrollerad rotation av SAX. För genererandet av motorstyrsignaler i form av tidsfördröjda pulser framtogs två olika algoritmer. De ger anpassade accelerations- och retardationssignaler för att motorn ska klara av att förflytta en föränderlig last med stor tröghet. En av dessa framtogs med syfte att mycket effektivt generera pulstiderna om än med större approximationsfel. SAX fungerade tillfredsställande och torde vara ganska lättanvänd med tanke på vad systemet kräver av operatören, från att fysiskt manövrera systemet till att använda delsystemen till att använda operatörsprogrammet. Systemet uppfyllde de givna specifika kraven genom att möjliggöra mätningar i form av ett kryssmönster från -60° till +60°  både ovanifrån och från sidan, radiejustering från 15cm till 45cm , höjdjustering över 10cm , rotation över golvet i steg om 1° , mätningar i steg om 1° med en noggrannhet på 0,5° (den största avvikelsen uppmättes till ≤ 0,461°). Vidare kalibrering behöver dock utföras för att utnyttja den fulla potentialen hos konstruktionen. För att verifiera funktionsdugligheten för systemet presenterades data från mätningar gjorda på öppna vågledare.