This study develops theorems which generalize or improve the existing predictive dynamics method and implements them to simulate several motion tasks of a human model. Specifically, the problem of determination of contact forces (non-adhesive) between the environment and the digital human model is addressed. Determination of accurate contact forces is used in the calculation of joint torques and is important to account for human strength limitations in simulation of various tasks. It is shown that calculation of the contact forces based on the distance of the contact areas from the Zero Moment Point (ZMP) leads to unrealistic values for some of the forces. This is the approach that has been used in the past. In this work, necessary and sufficient constraints for modeling the non-adhesiveness of a contact area are presented through the definition of NCM (Normal Contact Moment) concepts. NCM point, constraints and stability margins are the new theoretical concepts introduced. When there is only one contact area between the body and the environment, the ZMP and the NCM point coincide. In this case, the contact forces and moments are deterministic. When there are more than one contact areas, the contact forces and moments are indeterminate. In this case, an optimization problem is defined based on the NCM constraints where contact forces and moments are treated as the unknown design variables. Here, kinematics of the motion is assumed to be known. It is shown that this approach leads to more realistic values for the contact forces and moments for a human motion task as opposed to the ZMP based approach. The proposed approach appears to be quite promising and needs to be fully integrated into the predictive dynamics approach of human motion simulation. Some other insights are obtained for the predictive dynamics approach of human motion simulation. For example, it is mathematically proved and also validated that there is a need for an individual constraint to ensure that the normal component of the resultant global forces remains compressive for non-adhesive contacts between the body and the environment. Also, the ZMP constraints and stability margins are applicable for the problems where all the contacts between the environment and the body are in one plane; however, the NCM constraints and stability margins are applicable for all types of arbitrary contacts between the body and the environment. The ZMP and NCM methods are used to model the motion of a human (soldier) performing several military tasks: Aiming, Kneeling, Going Prone and Aiming in Prone Position. New collision avoidance theorems are also presented and used in these simulations.

No description available.

This thesis project covers the development of a cross country skiing robot, with the purpose of being used as an instrument for measuring gliding properties of skis. The robot used in total 4 servomotors to control the motion of right and left arms with poles attached. A general movement pattern generator was developed to construct patterns that resemble the one of a human hand during poling. The final robot is able to generate a poling motion resulting in a forward propulsion, but further development to the design has to be made to use the robot for its intended purpose.

Le syndrome de Leigh, type canadien français (LSFC) est une maladie infantile orpheline causée par une mutation du gène lrpprc. Elle se caractérise par une déficience tissu spécifique de cytochrome c oxydase (COX), une dysfonction mitochondriale et la survenue de crises d’acidose lactique fatales dans plus de 80% de cas. Selon les familles des patients, ces crises apparaissent lors d’une demande excessive d’énergie. Malheureusement, les mécanismes sous-jacents à l’apparition des crises et notamment la physiopathologie du LSFC demeurent inconnus. Afin de mieux comprendre les mécanismes de régulation du métabolisme énergétique chez les patients LSFC, nous avons examiné la régulation de la protéine kinase activée par l’AMP (AMPK), une enzyme clé de l'homéostasie énergétique, de même que certaines de ses voies cibles (SIRT1/PGC1α et Akt/mTOR) dans les fibroblastes de patients LSFC et de témoins en conditions basales et conditions de stress. En conditions basales, l’activité de l’AMPK était similaire dans les cellules LSFC et les témoins. Par contre, les cellules LSFC montraient une surexpression significative des voies Akt/mTOR et SIRT1/PGC1α comparativement aux cellules témoins. Nous avons aussi examiné ces voies de signalisation suite à une incubation de 4h avec 10 mM de lactate et 1 mM de palmitate (LP), nous permettant de mimer les conditions de « crise ». Nos résultats ont démontré que le LP augmentait les niveaux de phosphorylation de l’AMPK de 90% (p<0,01) dans les cellules témoins mais pas dans les cellules LSFC. Pourtant, l’AMPK est activée dans les cellules LSFC en réponse à une hypoxie chimique induite par le 2,4 dinitrophénol. Dans les cellules témoins, le LP augmentait aussi les niveaux d’expression de SIRT1 (57%, p<0,05), de LRPPRC (23%, p=0,045) et de COXIV (19%, p<0,05). Un prétraitement de 48h au ZMP, un activateur pharmacologique de l’AMPK, a eu un effet additif avec le LP et des augmentations de SIRT1 phosphorylée (120%, p<0,05), de SIRT1 total (75%, p<0,01), de LRPPRC (63%, p<0,001) et de COXIV (38%, p<0,001) ont été observées. Tous ces effets étaient aussi abolis dans les cellules LSFC. En conclusion, nos résultats ont démontré des altérations importantes de la régulation du métabolisme énergétique dans les fibroblastes de patients LSFC. / Leigh syndrome French Canadian type (LSFC) is an orphan infantile disease caused by mutations in the LRPPRC gene. It is characterized by a tissue-specific cytochrome c oxidase deficiency (COX), mitochondrial dysfunction and fatal lactic acidosis crises which occur in more than 80% of cases. According to parents, these crises occur during stressful situations. The pathophysiology underlying this disease and the factors that precipitate these crises remain unknown. To better understand the regulation of energy metabolism in LSFC patients, we examined the activity of AMP activated protein kinase (AMPK), a key regulator of energy balance, and its downstream targets (SIRT1/PGC1α and Akt/mTOR) in LSFC and control fibroblasts under basal and stress conditions. Our results showed that AMPK activity was similar in LSFC and control cells under basal conditions. On the other hand, Akt/mTOR and SIRT1/PGC1α pathways were up regulated in LSFC cells compared to controls. We next examined AMPK activity in cells treated with 10 mM lactate and 1mM palmitate (LP) for 4h, thus mimicking the conditions of “crisis”. Following this treatment, AMPK phosphorylation levels increased significantly (90%, p<0.01) in control cells but not in LSFC cells. Nevertheless, AMPK seems functional in LSFC cells because the enzyme was activated in response to chemical hypoxia induced by 2,4 dinitrophenol. LP also increased the expression of SIRT1 (57%, p<0.05), LRPPRC (23%, p=0.045) and COXIV (19%, p<0.05), in controls cells. Furthermore, pretreatment with ZMP, a pharmacological activator of AMPK, had an additive effect with LP leading to a further increase in the activity of SIRT1 (120%, p<0.05), as well as the expression levels of SIRT1 (75%, p<0.01), LRPPRC (63%, p<0.001) and COXIV (38%, p<0.001). All these effects were abolished in LSFC cells and thus, our data highlight alterations in the regulation of key enzymes of energy metabolism, including the activation of AMPK, in LFSC fibroblasts.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la prise en compte de phase de déséquilibre dans la commande pour la marche d'un robot bipède. Cette thèse est donc dédiée à l'analyse de stabilité pour des marches cycliques avec sous-actionnement. Un robot planaire à contact ponctuel avec le sol est étudié. Les outils d'analyse de stabilité de type méthode de Poincaré, Dynamique de Zéro et Dynamiques de zéro hybrides sont abordées. Deux lois de commande basées sur des mouvements articulaires de référence (fréquents en robotique) sont proposées et comparées avec une loi de commande de suivi de trajectoire articulaire (l'évolution temporelle étant libre). Ensuite le cas d'un robot bipède évoluant en 3D avec pieds est abordé. Nous avons fait le choix d'asservir explicitement la position du ZMP (Zero Moment Point). En conséquence, deux variables à asservir étant alors définies, le système est traité comme un système sous-actionné. Les approches développées précédemment sont alors reprises pour obtenir une marche stable. Un asservissement de l'orientation du pied en transfert est nécessaire pour assurer une bonne pose du pied. Par ailleurs, une loi de commande de direction est proposée afin de contrôler la direction de marche du robot pour passer par une porte et atteindre une destination avec une courbure douce. Enfin, la commande proposée est étendue à un robot bipède avec des bras et une marche incluant une phase de rotation autour de l'axe métatarsien en fin de phase de simple appui. On montre que la commande proposée s'étend naturellement à cette phase de déséquilibre grâce à l'asservissement du ZMP qu'elle contient, cette approche est validée par les résultats de simulation.

Cette thèse fait partie d'un travail collaboratif avec des partenaires industriels et universitaires. Ses 2 principaux résultats sont : - La modélisation en 3D d'une vendangeuse qui est un exemple typique de véhicule tout-terrain reconfigurable. Le contexte de l'environnement 'tout-terrain' a focalisé cette étude sur un modèle d'interaction pneumatique/sol qui prenne en compte les inégalités et les déformations du terrain. En particulier, on tient compte du fait que chaque contact roue/sol n'est pas ponctuel et qu'a fortiori, les 4 zones de contacts ne sont pas coplanaires. Un calcul ensembliste des zones de contact est fait en utilisant une version de l'algorithme SIVIA adaptée à MATLAB. Le résultat pour chaque zone de contact est un sous pavage ou une boite englobante selon la précision et la rapidité de calcul souhaitée. On dispose ainsi d'un ensemble de polygones de sustentation pour faire un diagnostic de non renversement du véhicule. - La définition de 2 indicateurs du risque de renversement sont ensuite proposés. L'un d'eux se base sur le concept de "Zero Moment Point (ZMP)" en calculant une distance de la position du ZMP par rapport aux 4 côtés de l'ensemble des polygones de sustentation. L'autre critère de tendance au renversement calcule la vitesse de rotation du véhicule par rapport à un ensemble d'axes de renversement. La prédiction du risque de renversement est proposée sous la forme de la prédiction de la position du ZMP ou du critère "Time to Rollover". Chacune de ces méthodes ont été évaluées avec des données expérimentales réelles et simulées. La suite de ce travail est une mise en commun de ces résultats avec d'autres méthodes proposées par nos partenaires.

This thesis deals with the development of a new adaptive algorithm for three-dimensional fluid flows based on a residual error estimator. The residual, known as the R –parameter has been successfully extended to three dimensions using a novel approach for arbitrary grid topologies. The computation of the residual error estimator in three dimensions is based on a least-squares based reconstruction and the order of accuracy of the latter is critical in obtaining a consistent estimate of the error. The R –parameter can become inconsistent on three–dimensional meshes depending on the grid quality. A Zero Mean Polynomial(ZMP) which is k–exact, and which preserves the mean has been used in this thesis to overcome the problem. It is demonstrated that the ZMP approach leads to a more accurate estimation of solution derivatives as opposed to the conventional polynomial based least-squares method. The ZMP approach is employed to compute the R –parameter which is the n used to derive the criteria for refinement and derefinement. Studies on three different complex test problems involving inviscid, laminar and turbulent flows demonstrate that the new adaptive algorithm is capable of detecting the sources of error efficiently and lead to accurate results independent of the grid topology.