La préhension manuelle, impliquée dans l'acquisition de nourriture et la locomotion, est commune à tous les primates. Toutefois, les mécanismes de son émergence et de son évolution restent encore à élucider. Quels sont les facteurs 1) écologiques (propriétés de la nourriture et du substrat) conduisant à une plus grande utilisation de la main chez les premiers primates et 2) fonctionnels (posture corporelle, cinématique du membre supérieur) impliqués dans l'évolution de la préhension des primates?Afin d'apporter des éléments de réponse, cette thèse a pour objectif de déterminer les stratégies comportementales et cinématiques de la préhension non contrainte d'espèces représentatives des grands groupes phylogénétiques primates (microcèbe, lémur catta, capucin, gorille, chimpanzé, humain).Tout d'abord, les stratégies comportementales du microcèbe, présentant des convergences avec les premiers primates, suggèrent que l'arboricolie et l'omnivorie ont joué un rôle important dans l'émergence des capacités de préhension des primates. Ensuite, l'analyse de la préhension du gorille et de l'humain montre une influence limitée des postures corporelles sur les stratégies articulaires du membre supérieur. Enfin, la comparaison de toutes les espèces montre que certains invariants cinématiques de la préhension liés à la vitesse du poignet existent indépendamment des espèces et que d'autres semblent être lié au comportement des espèces. En outre, deux stratégies articulaires divisent les espèces favorisant les rotations (gorille et chimpanzé) de celles privilégiant les flexions-extensions (lémur, capucin, humain). Ces stratégies articulaires semblent avoir évolué indépendamment de leurs capacités préhensiles.L'ensemble de ces résultats est discuté au regard des données comportementales et fonctionnelles connues et confronté aux théories actuelles sur l'origine et l'évolution de la préhension.

The motor activity involves the activation of an extremely complex function that begins even before the action becomes perceptible. The very large number of degrees of freedom possessed by the hand seems to provide almost endless possibilities of movements. To grasp an object, it is necessary to take into account all its physical characteristics (topography, orientation, size and shape). When transmitting strength though his hand during the act of prehension, the subject must take into account the estimated weight of the object, the texture of its surface as well as the degree of stability he is aiming at. Thus, the number of parameters to deal with in order to perform the grasp seems very large. However, Napier (1956) tried to simplify the study of the prehension movement by defining two types of grip: the precision grip and the power grip. Their analysis provided a new parameter, named the opposition axis (Napier, 1955; Iberall et al. 1986), in reference to the spatial line connecting the index to the thumb and through which the forces applied to the object are transmitted during the grasp. In order to further study the prehension through the observation of the opposition axis behavior, we have performed the kinematics analysis of the hand during a prehension movement of cylindrical objects using a precision grip. A computerized motion analyzer was used to record the position of the markers placed on the hand during the grasp. A special attention was give to the position of the opposition axis at the end of the movement. Three experiments were performed involving real and simulated grasps of cylindrical objects. The results show that the opposition axis behaves as a controlled variable of both real and simulated prehension movements. This result is analyzed from a modular point of view according to the pragmatic theory of the prehension movement.

La préhension manuelle, impliquée dans l’acquisition de nourriture et la locomotion, est commune à tous les primates. Toutefois, les mécanismes de son émergence et de son évolution restent encore à élucider. Quels sont les facteurs 1) écologiques (propriétés de la nourriture et du substrat) conduisant à une plus grande utilisation de la main chez les premiers primates et 2) fonctionnels (posture corporelle, cinématique du membre supérieur) impliqués dans l’évolution de la préhension des primates?Afin d’apporter des éléments de réponse, cette thèse a pour objectif de déterminer les stratégies comportementales et cinématiques de la préhension non contrainte d’espèces représentatives des grands groupes phylogénétiques primates (microcèbe, lémur catta, capucin, gorille, chimpanzé, humain).Tout d’abord, les stratégies comportementales du microcèbe, présentant des convergences avec les premiers primates, suggèrent que l’arboricolie et l’omnivorie ont joué un rôle important dans l’émergence des capacités de préhension des primates. Ensuite, l’analyse de la préhension du gorille et de l’humain montre une influence limitée des postures corporelles sur les stratégies articulaires du membre supérieur. Enfin, la comparaison de toutes les espèces montre que certains invariants cinématiques de la préhension liés à la vitesse du poignet existent indépendamment des espèces et que d’autres semblent être lié au comportement des espèces. En outre, deux stratégies articulaires divisent les espèces favorisant les rotations (gorille et chimpanzé) de celles privilégiant les flexions-extensions (lémur, capucin, humain). Ces stratégies articulaires semblent avoir évolué indépendamment de leurs capacités préhensiles.L’ensemble de ces résultats est discuté au regard des données comportementales et fonctionnelles connues et confronté aux théories actuelles sur l’origine et l’évolution de la préhension. / Manual prehension, involved in food acquisition and locomotion, is common to all primates. However, the mechanisms of its emergence and evolution still remain to be elucidated. This prompts questions such as 1) what are the ecological factors (food and substrate properties) leading to an increase of the use of the hand in early primates, and 2) what functional factors (body posture, kinematics of the forelimb) are involved in the evolution of prehension in primates?The thesis project aims to determine the behavioural and kinematic strategies of unconstrained prehension in representative species of the major lineages of primates (the mouse lemur, lemur catta, capuchin, gorilla, chimpanzee, human).The behavioural strategies of the mouse lemur, convergent on early primates, suggest that arboreality and omnivory have played an important role in the origin of prehensile abilities in primates. The analysis of prehension in gorillas and humans shows a limited influence of body posture on the angular joint excursions and kinematic strategies. A comparison of all the species reveals that some kinematic invariants in the wrist velocity profile exist, independent of the species. Yet others appear to be related to the specific behaviour of the species. Moreover, two joint motion strategies divide the species, one favoring the rotations (gorillas and chimpanzees) and one involving more flexion-extension movements (lemurs, capuchins, humans). These joint motion strategies seem to have evolved independently of grasping ability.The results are discussed in the context of current work and theories on the origin and the evolution of prehension in primates.

Une interface haptique est développée pour fournir le retour d'effort d'interaction dans un environnement virtuel à échelle humaine. L'interface est composée d'une plate-forme à câbles et d'un exosquelette de préhension. La plate-forme comprend 8 câbles qui sont actionnés par 8 blocs d'actionnement. Chaque bloc contient un moteur électrique, un encodeur rotatif et un capteur de force. Le moteur tire sur le câble, pendant que le capteur de force mesure la tension du câble et l'encodeur détermine sa longueur. Les blocs d'actionnement sont d'une conception novatrice qui augmente la force maximale et la précision de l'interface. L'exosquelette est connecté et actionné par les câbles et permet aux 5 doigts d'une main de l'utilisateur d'accomplir le geste de préhension. L'interface fournit au total 7 degrés d'action pour l'utilisateur en interaction avec les objets virtuels : 3 degrés de translation, 3 degrés de rotation et 1 degré de préhension. L'interface à retour d'effort a été modélisée pour déterminer précisément la distribution des tensions dans les câbles en fonctions des forces et des couples désirés. Les blocs d'actionnement peuvent se déplacer sur un cadre cubique autour de l'environnement virtuel. Une configuration optimale est alors trouvée pour les positions des blocs afin de maximiser l'espace de travail de l'interface. Une méthode de commande hybride basée sur les tensions des câbles, mesurées par les capteurs, est également proposée. Cette méthode mène à résoudre les problèmes classiques des interfaces à câbles. L'application considérée pour cette interface est l'interaction haptique avec l'espace intérieur simulé d'une automobile. Une scène virtuelle correspondante à cette application a été développée et l'interface a été testée dans différents cas de retour d'effort. Les résultats des tests démontrent la performance de l'interface pour fournir des efforts appropriés avec une transparence de mouvement pour l'utilisateur.

Le mouvement de préhension est un mouvement très complexe qui a fait l'objet de nombreuses recherches, non seulement dans le domaine ergonomique mais aussi dans le domaine clinique, en neurophysiologie, en robotique ou dans l'animation. Dans le contexte ergonomique, il est de plus en plus usuel d'utiliser un mannequin numérique pour reproduire et simuler des mouvements de préhension. Un tel outil, MAN3D, a été développé à l'INRETS. MAN3D permet la représentation des sujets humains (homme et femme) dans un environnement, ainsi que des interactions entre ces sujets et leur environnement. Cependant, dans l'état actuel de développement, les mouvements au niveau de la main sont peu réalistes et certaines postures réelles sont impossibles à reproduire. Cette limite est principalement liée à la modélisation trop simplifiée du modèle cinématique de la main. L'objectif de cette thèse est donc en premier lieu de développer un modèle cinématique de la main, intégré dans le mannequin numérique MAN3D, capable de reproduire et de simuler, de la manière la plus réaliste possible, des postures de préhension. Un second objectif est d'exploiter ce modèle pour réaliser une base de données de postures de préhension adoptées naturellement lors de la prise et la manipulation de plusieurs types d'objets.

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La tendance à la miniaturisation des produits n'est pas sans influence sur l'évolution de leurs moyens de production et d'assemblage. En effet, dû à la réduction d'échelle, l'assemblage de petits composants (appelé microassemblage) est perturbé par les forces de surface comme les forces de capillarité. Ces forces, exercées par le pont liquide reliant manipulateur et composant, sont habituellement négligeables (et négligées) dans l'assemblage conventionnel dominé par les forces de gravité. L'approche originale suivie dans ce travail consiste à tirer parti de ces effets et à les utiliser pour la manipulation de microcomposants, c'est-à-dire de composants dont la taille va de quelques dizaines de microns à quelques millimètres. Ce travail tente donc d'apporter quelques réponses aux problèmes de conception posés par un tel choix: quels sont les avantages d'une telle approche? Comment ces forces `fonctionnent-elles'? Sont-elles suffisamment grandes pour manipuler des microcomposants? Comment, dans ce cas, relâcher le composant? Quel rôle la tension de surface joue-t-elle? En quoi le choix des matériaux est-il important? Comment optimiser la conception du manipulateur? Tout au long de ce travail, le lecteur trouvera un inventaire des principes de manipulation existants, les éléments nécessaires à la modélisation des forces de capillarité, ainsi que la description de la simulation et du banc d'essai développés par l'auteur dans le but d'étudier ces paramètres de conception. Les résultats présentés dans cette thèse recouvrent essentiellement deux thèmes: quelles sont les règles de conception à suivre pour maximiser les forces de capillarité (problème de la préhension) et comment choisir une stratégie de relâche adéquate (problème de la relâche)?

L'industrie de l'emballage, comme de nombreux industriels, veut construire ses propres représentations du consommateur final pour mieux le prendre en compte dans son processus de conception. Dans ce contexte, l'ergonomie est une des disciplines contributrices à la production de données inhérentes aux interactions entre le consommateur final et l'emballage. L'objectif de notre recherche est de mettre en place une méthode d'étude destinée à comprendre et analyser les critères d'usage et de préhension d'emballages de liquides alimentaires, et de faciliter leur intégration en conception. Nous avons pour cela couplé deux démarches. La première a été la mise en place de tests utilisateurs portant sur l'usage d'emballages de différents matériaux et de différentes formes, selon des critères de perception, de performance, de confort et de satisfaction. Parallèlement, notre deuxième démarche s'est centrée sur les caractéristiques biomécaniques de l'interaction main-bouteille, par la transposition de méthodes d'étude des outils à main vers les emballages. Nos principaux résultats portent sur l'impact de la forme des emballages sur la saisie, sur la comparaison des matériaux et son implication dans l'utilisation, et sur l'évaluation des poignées de saisie pour emballages de grands contenants. L'ensemble des tests portant sur la biomécanique de l'interaction main-bouteille a apporté des réponses sur les modalités de saisie à l'utilisation, et des résultats sur les rôles de la main dans la préhension, sur son utilisation et sur la perception que l'utilisateur en a. Nos travaux donnent lieu à un cahier de recommandations exploitable par l'entreprise.

Les travaux portant sur l’imagerie motrice (IM) ont montré l’identité des processus de production réelle et de représentation mentale du mouvement. Diverses voies expérimentales incluant la chronométrie mentale, les indices physiologiques (dont ceux issus de la neuroimagerie) ont été utilisées pour montrer que la représentation mentale de l’action repose sur les mêmes mécanismes que la préparation motrice et agirait sur la plasticité cérébrale. Le rôle de l’IM dans l’amélioration et l’apprentissage du mouvement, la récupération motrice après une lésion des effecteurs musculo-articulaires a été démontré chez le sujet sain. L’entraînement mental pourrait donc être intégré dans les protocoles thérapeutiques suite à une lésion centrale ou périphérique. Si plusieurs expériences ont montré son efficacité lorsqu’il est pratiqué après un accident vasculaire cérébral, aucune étude n’a porté sur son rôle dans la réadaptation fonctionnelle du patient médullo-lésé. L’hypothèse est que l’entraînement par IM associé à la rééducation classique peut facilement être intégrer dans les protocoles de réadaptation de ces patients et favoriserait la récupération et l’amélioration de la préhension chez les patients tétraplégiques / The mental representation of movement may help motor functions recovery after central or peripheral stroke. There is now ample evidence that motor performance and learning ma benefit from mental rehearsal in healthy subjects. However, whether the ability to perform motor imagery is preserved after spinal cord injury, the effectiveness of mental rehearsal on prehension rehabilitation has to be questioned. The review of relevant literature about motor imagery and rehabilitation show that integrating mental practice into the rehabilitation process may be a reliable tool. Traditional stroke rehabilitation therapies are usually based upon actual movement aimed at improving motor functions. However, this may be limited by muscle spasticity, muscle weakness, or persistent deficit in movement coordination. As motor imagery and actual movement share the same neural substrate, mental rehearsal may serve motor rehabilitation by involving cerebral plasticity and thus facilitating recovery. More specifically, it will be useful to elaborate guideline of mental practice in rehabilitation. Additional clinical issues, including brain mapping studies, need to be performed

La stimulation électrique fonctionnelle (FES) est présente depuis des décennies dans les centres de rééducation. Le principe de cette technique est de créer une dépolarisation de la membrane (potentiel d’action) des cellules excitables (axones ou myocytes) entrainant une contraction musculaire. Employée dans la plupart des cas pour le renforcement musculaire et la prévention des atrophies musculaires faisant suite à une lésion de la moelle épinière, la FES peut également être utilisée pour diminuer la spasticité et restaurer des mouvements des membres. Ainsi, certains dispositifs (neuroprothèses) utilisant la FES sont utilisés depuis plus de 25 ans, pour permettre à certains patients atteints de paralysies des membres supérieurs de pouvoir effectuer des préhensions. Les patients gagnent alors en autonomie dans les activités de la vie quotidienne ce qui limite leurs recours aux aides humaines. Cependant, bien que ce type de neuroprothèse se présente comme l’une des techniques les plus prometteuses pour le rétablissement de la fonction de préhension chez des sujets atteints d’une lésion de la moelle épinière, son utilisation reste limitée. En effet, les dispositifs de stimulation externe provoque des mouvements peu précis et les modes de pilote de cette stimulation, peu ergonomiques, ne sont pas accessibles à la plupart des patients lésés médullaires. Ces difficultés sont atténuées lorsque la stimulation est implantée et le mode de contrôle adapté à la pathologie. Parmi les dispositifs implantées, tous utilisent la stimulation des points moteurs pour rétablir des mouvements de main ce qui nécessite l’implantation de nombreuses électrodes et donc une opération chirurgicale lourde. Des complications liées aux matériels implantés peuvent apparaître au cours du temps. Ce travail de thèse propose une approche originale basée sur (i) la stimulation sélective nerveuse (à l’aide d’une électrode gouttière multi contact) pour rétablir des mouvements de préhension chez des patients tétraplégiques et (ii) l’utilisation de signaux émanant de muscles supra lésionnels pour le contrôle de cette stimulation. Des expérimentations humaines et animales réalisées en conditions aiguës ont démontré la faisabilité de notre approche. Ainsi, la stimulation du nerf sciatique par notre électrode gouttière a permis d’activer sélectivement plusieurs muscles antagonistes chez les 5 animaux de l’étude inclus dans l’étude. Une sélectivité intra fasciculaire est retrouvée chez 3 des 5 animaux. La stimulation du nerf médian chez un patient tétraplégique a permis d’activer sélectivement les muscles palmaris longuset flexor carpi radialis. Concernant le contrôle de la neuroprothèse, nous avons mis en évidence chez les 5 sujets tétraplégiques ayant participé aux expérimentations, une combinaison de muscles pouvant être utilisée pour piloter facilement un dispositif. Des contractions continues ou gradées de ces muscles peuvent être maintenues et ce, sans aucun apprentissage ou entrainement préalable. Les modalités de contrôle et les muscles préférentiels sont patient-dépendant. / Functional electrical stimulation (FES) is used for decades in rehabilitation centers. The principle of this technique is to create a membrane depolarization (action potential) of excitable cells (myocytes or axons) to cause a muscle contraction. Used in most cases for muscle strengthening and prevention of muscle atrophy following a spinal cord injury, FES can also be used to reduce spasticity and restore limb movement. For example, some devices (neuroprostheses) using FES are used for over 25 years, to allow some patients with paralysis of the upper limbs to perform hand movements. Patients then becoming more independent in activities of daily living which limits their use of human aid. However, although this type of neuroprosthesis stands as one of the most promising techniques for the recovery of the gripping function in subjects with spinal cord injury, its use is limited. Indeed, external stimulation devices cause imprecise movements and modes of control modes, not very ergonomic, are not accessible to most spinal cord injured patients. These difficulties are alleviated when the stimulation is implanted and control mode adapted to the pathology. Among the implanted devices all use the stimulation of motor pointsto restore hand movements which requires the implantation of many electrodes and therefore a major surgery. Complications related to the implanted materials can occur over time. This thesis proposes an original approach based on (i) selective nerve stimulation (using a multi contact cuff electrode) to restore gripping motion in tetraplegic patients and (ii) use of signals from supra lesional muscles to control this stimulation. Human and animal experimentations performed in acute conditions have demonstrated the feasibility of our approach. Thus, stimulation of the sciatic nerve by our cuff electrode allowed to selectively activate several antagonistic muscles in the 5 animals included in the study. Intra fascicular selectivity was found in 3 of 5 animals. The stimulation of the median nerve of a tetraplegic patient allowed to selectively activate the palmaris longus and flexor carpi radialis muscles. For the control of neuroprosthesis we demonstrated in the 5 tetraplegics subjects who participated in the experiments, a combination of muscles that can be used to easily control a device. Continuous or graded contractions of these muscles can be maintained, without any prior learning or training. The control modalities and preferential muscles are patient-dependent.