Existe um conceito difundido entre professores de educação física, fisioterapeutas e ortopedistas que o joelho não deve ser demasiadamente anteriorizado em relação à ponta do pé na direção ântero-posterior durante qualquer tipo de agachamento de modo a diminuir a carga mecânica imposta ao joelho. No entanto, são escassas as evidências quantitativas que corroboram este conceito. Este trabalho tem como objetivo estimar forças e torque na articulação do joelho em indivíduos saudáveis durante o exercício de agachamento livre com peso em dois modos diferentes de execução: a) joelho não ultrapassando a linha vertical que passa pelos dedos do pé; b) joelho ultrapassando essa linha vertical. Os sujeitos realizaram o agachamento com o pé direito sobre uma plataforma de força que mensurou os torques e forças de reação do solo. O membro inferior direito dos indivíduos (pé, perna e coxa) foram filmados com cinco câmeras digitais. Visando reconstruir o movimento dos segmentos, nós utilizamos a técnica de calibração do sistema anatômico (CAST), aumentando assim, a acurácia na reconstrução da posição tridimensional dos segmentos. O centro articular do quadril foi determinado pelo método rotacional e as forças e torques articulares internos líquidos foram determinados por dinâmica inversa. Os resultados obtidos mostram que o pico da carga mecânica no joelho, quando esse passa em média 11cm da linha do pé, é cerca de 31% maior na condição em que o joelho ultrapassa a linha do pé. Esses resultados implicam que não passar o joelho da linha do pé diminui a força de compressão patelofemoral, levando assim a uma menor solicitação mecânica nesta articulação. / There is a wide spread notion among health professionals that during a squat exercise the knee should not pass forward the forefoot region in order to not overload the knee joint. However, it seems there isn’t scientific literature to support or negate this concept. The goal of this paper is to investigate the effect of different foot-knee positions on the knee joint moment and on the patelofemoral force during squat, which was performed into two different ways: a) knee do not passing the forefoot region; b) knee passing the forefoot region. The subjects performed the squat exercise with the right foot on a force plate that measured the ground reaction force and moment components. The subject’s right leg (foot, shank, and thigh) and pelvis were filmed with five digital cameras. In order to reconstruct the segments’ movement, we used the Calibrated Anatomical System Technique (CAST), improving the accuracy on three-dimensional reconstruction of segment’s position. The hip center was determined by the rotational method and the internal net forces and torques were estimated by inverse dynamics. The results showed that during the condition were knee passed the forefoot region, the knee passed 11 cm on average, what resulted in a peak of mechanical load on the knee 30% higher in relation to the do not pass condition. Based on these results it is suggested that the knee should not pass the forefoot region during squatting in order to decrease the patelofemoral force.

Existe um conceito difundido entre professores de educação física, fisioterapeutas e ortopedistas que o joelho não deve ser demasiadamente anteriorizado em relação à ponta do pé na direção ântero-posterior durante qualquer tipo de agachamento de modo a diminuir a carga mecânica imposta ao joelho. No entanto, são escassas as evidências quantitativas que corroboram este conceito. Este trabalho tem como objetivo estimar forças e torque na articulação do joelho em indivíduos saudáveis durante o exercício de agachamento livre com peso em dois modos diferentes de execução: a) joelho não ultrapassando a linha vertical que passa pelos dedos do pé; b) joelho ultrapassando essa linha vertical. Os sujeitos realizaram o agachamento com o pé direito sobre uma plataforma de força que mensurou os torques e forças de reação do solo. O membro inferior direito dos indivíduos (pé, perna e coxa) foram filmados com cinco câmeras digitais. Visando reconstruir o movimento dos segmentos, nós utilizamos a técnica de calibração do sistema anatômico (CAST), aumentando assim, a acurácia na reconstrução da posição tridimensional dos segmentos. O centro articular do quadril foi determinado pelo método rotacional e as forças e torques articulares internos líquidos foram determinados por dinâmica inversa. Os resultados obtidos mostram que o pico da carga mecânica no joelho, quando esse passa em média 11cm da linha do pé, é cerca de 31% maior na condição em que o joelho ultrapassa a linha do pé. Esses resultados implicam que não passar o joelho da linha do pé diminui a força de compressão patelofemoral, levando assim a uma menor solicitação mecânica nesta articulação. / There is a wide spread notion among health professionals that during a squat exercise the knee should not pass forward the forefoot region in order to not overload the knee joint. However, it seems there isn’t scientific literature to support or negate this concept. The goal of this paper is to investigate the effect of different foot-knee positions on the knee joint moment and on the patelofemoral force during squat, which was performed into two different ways: a) knee do not passing the forefoot region; b) knee passing the forefoot region. The subjects performed the squat exercise with the right foot on a force plate that measured the ground reaction force and moment components. The subject’s right leg (foot, shank, and thigh) and pelvis were filmed with five digital cameras. In order to reconstruct the segments’ movement, we used the Calibrated Anatomical System Technique (CAST), improving the accuracy on three-dimensional reconstruction of segment’s position. The hip center was determined by the rotational method and the internal net forces and torques were estimated by inverse dynamics. The results showed that during the condition were knee passed the forefoot region, the knee passed 11 cm on average, what resulted in a peak of mechanical load on the knee 30% higher in relation to the do not pass condition. Based on these results it is suggested that the knee should not pass the forefoot region during squatting in order to decrease the patelofemoral force.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2017-04-17T14:12:44Z No. of bitstreams: 3 Dissertação - Thiago Santana Lemes - 2017 - Pt1.pdf: 10405713 bytes, checksum: aa367c643c35e55003006c669c0d140f (MD5) Dissertação - Thiago Santana Lemes - 2017 - Pt2.pdf: 16857396 bytes, checksum: cc1efd8dbb1e9b16c13abe4b9ded8d98 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-04-17T14:32:08Z (GMT) No. of bitstreams: 3 Dissertação - Thiago Santana Lemes - 2017 - Pt1.pdf: 10405713 bytes, checksum: aa367c643c35e55003006c669c0d140f (MD5) Dissertação - Thiago Santana Lemes - 2017 - Pt2.pdf: 16857396 bytes, checksum: cc1efd8dbb1e9b16c13abe4b9ded8d98 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-17T14:32:08Z (GMT). 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A complex coherence and phase analysis was used between simulation of muscle activity, body segment kinematics and inverse dynamics, in order to verify if there is a difference between the signals before and after an induced disturbance, and how the trunk and knee joint behaves in a triple inverted pendulum model of the body. Complex coherence is an analysis in the frequency domain and reveals how well two signals correspond to one another. The activation of nine muscles was simulated, and the resulting torque using the inverse dynamics at the ankle, knee and hip joints was calculated, both using OpenSim software. The trunk worked in phase with leg and thigh at low frequencies, and switched to anti-phase at high frequencies. However, the trunk does not show significant coherence with any of the muscles analyzed besides moving in delay with respect to the torque in the hip, which suggests that the trunk oscillations occur passively. However, thigh and leg muscles activated in phase with trunk muscles, suggesting a relationship between the movement of these segments. However, it has to be considered that there are limitations in the simulations of muscle activation, so that future experimental studies that confirm the data presented here are necessary. The results show no significant difference between the pre-perturbation and post-perturbation oscillations, but there is a greater variability in the angular oscillations of the segments, indicating the challenge imposed to the postural control system and the work of recovering the disturbance. Patterns of muscular activation in the ankle and pelvis were compatible with previous studies, acting to maintain upright posture. / A análise da ativação muscular e a modelagem do corpo humano como um pêndulo invertido triplo revelam alguns interessantes mecanismos de manutenção da postura ereta quase-quieta não observáveis em modelos mais simples. Estudos já demonstraram alguns padrões de coordenação entre os segmentos e músculos do corpo quando este se encontra sob uma perturbação em posição ereta, mas devido ao uso de modelos mais simples não revelaram o exato papel do joelho na postura ereta. Neste estudo, 25 jovens participaram de um experimento, no qual foram coletados dados cinemáticos e de plataformas de força. Foi utilizada uma análise de coerência complexa e de fase entre a simulação da atividade muscular, a cinemática dos segmentos corporais e a dinâmica inversa, com o objetivo de verificar se existe diferença entre os sinais antes e após uma perturbação induzida, e como se comportam tronco e articulação do joelho em um modelo de pêndulo invertido triplo do corpo. A coerência complexa é uma análise no domínio da frequência e revela o quão bem dois sinais correspondem um ao outro. A ativação de nove músculos foi simulada, e o torque resultante usando a dinâmica inversa nas articulações do tornozelo, joelho e quadril foi calculado, ambos utilizando o software OpenSim. O tronco trabalhou em fase com perna e coxa em baixas frequências, e muda para anti-fase em altas frequências. No entanto, o tronco não apresenta coerência significativa com nenhum dos músculos analisados além de se mover em atraso com relação ao torque no quadril, o que sugere que as oscilações do tronco ocorrem de forma passiva. Entretanto, músculos da coxa e da perna ativaram em fase com músculos do tronco, sugerindo relação entre a movimentação desses segmentos. Porém, há de se considerar que há limitações nas simulações da ativação muscular, de forma que estudos experimentais futuros que confirmem os dados ora apresentados são necessários. Os resultados encontrados não apontam diferença significativa entre as oscilações pré perturbação e pós perturbação, mas existe uma maior variabilidade nas oscilações angulares dos segmentos, indicando o desafio imposto ao sistema de controle postural e o trabalho de recuperação da perturbação. Padrões de ativação muscular no tornozelo e na pelvis foram compatíveis com estudos anteriores, agindo na manutenção da postura ereta.

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul / People who have suffered stroke often have difficulty during walking. One of the reasons is hemiplegia, which is the main motor impairment caused by stroke. Hemiplegia generates asymmeries in limb control that often can result in compensation and overload in one of the hemisphere, leaving individuals susceptible to joint moments and/or exaggerated in both affected and unaffected limbs. The objective of this study was to analyze joint mechanics during hemiplegic gait, post-stroke. The sample was composed of 28 hemiplegic subjects and 22 subjects without hemiplegia. Kinetic and kinematic gait magnitudes were obtained for subsequent calculation of joint moments via inverse dynamics method. The hemiplegic individuals were divided into two groups: fast group and slow group, according to their self selected speed adopted during the data collection, and subjects without hemiplegia took part of the third group. Comparisons were conducted between groups and between the affected and unaffected members in the hemiplegic group. The results showed similar joint moments patterns between hemiplegic individuals and subjects without hemiplegia. Nevertheless, a higher number of differences were found in joint moments between groups and it became more evident at the beginning of the stance phase. Few differences were found on comparisons between the affected and unaffected limbs within the hemiplegic group. We concluded that people who have suffered strokes are susceptible to changes in joint moments, being more evident in hemiplegic individuals who adopted a faster walking speed. It occurs because the walking speed is an intervening factor for the calculation of joint moments. / Pessoas que sofreram Acidente Vascular Encefálico (AVE) frequentemente apresentam dificuldade durante a marcha. Um dos motivos para tal é a hemiplegia, que é o principal comprometimento motor ocasionado pelo AVE. A hemiplegia gera assimetrias corporais que muitas vezes podem resultar em compensações e sobrecargas em um dos hemicorpos, deixando os indivíduos suscetíveis a momentos articulares desproporcionais e/ou exagerados nos membros afetado e não afetado. O objetivo deste estudo foi analisar a mecânica articular durante a marcha de hemiplégicos, pós-AVE. A amostra foi composta por 28 sujeitos hemiplégicos e 22 sujeitos sem hemiplegia. Foram obtidas grandezas cinéticas e cinemáticas da marcha para posterior cálculo dos momentos articulares utilizando o método de dinâmica inversa. Os indivíduos hemiplégicos foram divididos em dois grupos: grupo rápido e grupo lento, de acordo com a velocidade autosselecionada adotada, e os sujeitos sem hemiplegia constituíram o terceiro grupo. As comparações foram realizadas entre os três grupos e entre os membros afetado e não afetado do grupo hemiplégico. Os resultados mostraram curvas de momentos articulares similares para indivíduos hemiplégicos e sujeitos sem hemiplegia. Ainda assim, um maior número de diferenças foi encontrado nos momentos articulares entre grupos e estas se fizeram mais presentes no início da fase de apoio. Nas comparações entre os membros hemiplégico e não hemiplégico poucas diferenças foram encontradas. Conclui-se que pessoas que sofreram AVE estão suscetíveis a alterações nos momentos articulares, sendo estas alterações mais evidentes no grupo hemiplégico que adotou uma velocidade de caminhada mais rápida. Isso ocorre porque a velocidade de caminhada é um fator interveniente para o cálculo dos momentos articulares.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e as análises de técnicas de controle aplicadas a uma base de movimento de um simulador de vôo. Nos primeiros capítulos são abordados aspectos relacionados com a simulação de movimentos. Uma breve descrição da dinâmica da aeronave e o desenvolvimento do algoritmo de movimento (washout filter) são apresentados. O modelo dinâmico da base de movimento é desenvolvido baseado num manipulador paralelo de seis graus de liberdade chamado de plataforma de Stewart acionado eletricamente. As equações de movimento do atuador eletromecânico são incluídas no modelo dinâmico da plataforma. O controle baseado na dinâmica inversa é uma alternativa para abordar o controle de sistema mecânicos não lineares como a plataforma de Stewart. Porém, essa técnica considera o conhecimento exato do modelo dinâmico do sistema, portanto, a dinâmica não modelada, as incertezas paramétricas e as perturbações externas podem degradar o desempenho do controlador. Além disso, o custo computacional pago pelo cálculo do modelo dinâmico realizado online é muito alto. Nesse contexto, duas estratégias de controle foram aplicadas na malha externa da estrutura de controle baseada na dinâmica inversa para o controle de aceleração na presença de incertezas paramétricas e da dinâmica não modelada, os quais foram introduzidas intencionalmente no processo de aproximar o modelo dinâmico com o objetivo de simplificar a implementação do controle baseado na dinâmica inversa. Na primeira estratégia, o termo robusto de controle foi projetado, provando a estabilidade do sistema linearizado por meio da teoria de estabilidade de Lyapunov. Este controle apresenta o fenômeno conhecido como chattering e então foi adotada uma função de saturação para substituir a lei de controle. Na segunda estratégia, o termo robusto de controle foi projetado considerando um problema de rejeição de distúrbio via controle H \'INFINITO\', onde o controlador considera as incertezas como distúrbios afetando o sistema linearizado resultante da aplicação do controle baseado na dinâmica inversa. Finalmente, três tipos de testes foram realizados para avaliar o sistema de controle: função descritiva, limiar dinâmico e algumas manobras da aeronave calculadas a partir do modelo dinâmico e transformadas através do algoritmo de movimento. As duas estratégias de controle foram comparadas. / This work presents the development and analysis of control techniques applied to a flight simulator motion base. The first chapters deal with subjects related to motion simulation. A brief description of the aircraft dynamic model and the development of the motion algorithm (washout filter) are presented. The motion base dynamics is derived based on a six degree of freedom parallel manipulator driven by electromechanical actuators. The six degree of freedom parallel manipulator is called Stewart platform. The motion equations of the electromechanical actuators are included in the motion base dynamics. Inverse dynamics control is an approach to nonlinear control design, nonetheless, this technique is based on the assumption of exact cancellation of nonlinear terms, therefore, parametric uncertainty, unmodeled dynamics and external disturbances may deteriorate the controller performance. In addition, a high computational burden is paid by computing on-line the complete dynamic model of the motion-base. Robustness can be regained by applying robust control tecniques in the outer loop control structure. In this context, two control strategies were applied in the outer loop of the inverse dynamics control structure linearized system for robust acceleration tracking in the presence of parametric uncertainty and unmodeled dynamic, which are intentionally introduced in the process of approximating the dynamic model in order to simplify the implementation of this approach, the inverse dynamic control. Both control strategies consist of introducing an additional term to the inverse dynamics controller which provides robustness to the control system. In the first strategy, the robust control term was designed proving the stability of the linearized system in the presence of uncertainties, using the Lyapunov stability theory. This control term presents a phenomenon known as chattering. Therefore, a saturation function was adopted to replace the control law. In the second strategy, the robust term was designed for a disturbance rejection problem via H \'INFINITE\' control, where the controller considers the uncertaities as disturbances affecting the linearized system resulting from the application of the inverse dynamic control. Finally, describing function, dynamic threshold and some maneuvers computed from the washout filter were used to evaluate the performance of the controllers. Both approaches were compared.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e as análises de técnicas de controle aplicadas a uma base de movimento de um simulador de vôo. Nos primeiros capítulos são abordados aspectos relacionados com a simulação de movimentos. Uma breve descrição da dinâmica da aeronave e o desenvolvimento do algoritmo de movimento (washout filter) são apresentados. O modelo dinâmico da base de movimento é desenvolvido baseado num manipulador paralelo de seis graus de liberdade chamado de plataforma de Stewart acionado eletricamente. As equações de movimento do atuador eletromecânico são incluídas no modelo dinâmico da plataforma. O controle baseado na dinâmica inversa é uma alternativa para abordar o controle de sistema mecânicos não lineares como a plataforma de Stewart. Porém, essa técnica considera o conhecimento exato do modelo dinâmico do sistema, portanto, a dinâmica não modelada, as incertezas paramétricas e as perturbações externas podem degradar o desempenho do controlador. Além disso, o custo computacional pago pelo cálculo do modelo dinâmico realizado online é muito alto. Nesse contexto, duas estratégias de controle foram aplicadas na malha externa da estrutura de controle baseada na dinâmica inversa para o controle de aceleração na presença de incertezas paramétricas e da dinâmica não modelada, os quais foram introduzidas intencionalmente no processo de aproximar o modelo dinâmico com o objetivo de simplificar a implementação do controle baseado na dinâmica inversa. Na primeira estratégia, o termo robusto de controle foi projetado, provando a estabilidade do sistema linearizado por meio da teoria de estabilidade de Lyapunov. Este controle apresenta o fenômeno conhecido como chattering e então foi adotada uma função de saturação para substituir a lei de controle. Na segunda estratégia, o termo robusto de controle foi projetado considerando um problema de rejeição de distúrbio via controle H \'INFINITO\', onde o controlador considera as incertezas como distúrbios afetando o sistema linearizado resultante da aplicação do controle baseado na dinâmica inversa. Finalmente, três tipos de testes foram realizados para avaliar o sistema de controle: função descritiva, limiar dinâmico e algumas manobras da aeronave calculadas a partir do modelo dinâmico e transformadas através do algoritmo de movimento. As duas estratégias de controle foram comparadas. / This work presents the development and analysis of control techniques applied to a flight simulator motion base. The first chapters deal with subjects related to motion simulation. A brief description of the aircraft dynamic model and the development of the motion algorithm (washout filter) are presented. The motion base dynamics is derived based on a six degree of freedom parallel manipulator driven by electromechanical actuators. The six degree of freedom parallel manipulator is called Stewart platform. The motion equations of the electromechanical actuators are included in the motion base dynamics. Inverse dynamics control is an approach to nonlinear control design, nonetheless, this technique is based on the assumption of exact cancellation of nonlinear terms, therefore, parametric uncertainty, unmodeled dynamics and external disturbances may deteriorate the controller performance. In addition, a high computational burden is paid by computing on-line the complete dynamic model of the motion-base. Robustness can be regained by applying robust control tecniques in the outer loop control structure. In this context, two control strategies were applied in the outer loop of the inverse dynamics control structure linearized system for robust acceleration tracking in the presence of parametric uncertainty and unmodeled dynamic, which are intentionally introduced in the process of approximating the dynamic model in order to simplify the implementation of this approach, the inverse dynamic control. Both control strategies consist of introducing an additional term to the inverse dynamics controller which provides robustness to the control system. In the first strategy, the robust control term was designed proving the stability of the linearized system in the presence of uncertainties, using the Lyapunov stability theory. This control term presents a phenomenon known as chattering. Therefore, a saturation function was adopted to replace the control law. In the second strategy, the robust term was designed for a disturbance rejection problem via H \'INFINITE\' control, where the controller considers the uncertaities as disturbances affecting the linearized system resulting from the application of the inverse dynamic control. Finally, describing function, dynamic threshold and some maneuvers computed from the washout filter were used to evaluate the performance of the controllers. Both approaches were compared.