La maladie d’Alzheimer (MA) et la maladie de Parkinson (MP), sont considérées aujourd’hui comme un problème majeur de santé publique du fait qu’elles sont diagnostiquées trop tardivement et demeurent sans traitement curatif. D’importants efforts doivent donc être mis en œuvre pour identifier des marqueurs précliniques sensibles et spécifiques au risque de développer une maladie neurodégénérative. Dans cette optique, plusieurs auteurs ont récemment montré que les fonctions exécutives et le control locomoteur dans une situation de double tâche, sont altérés aux stades précliniques de la MA et la MP. En routine clinique les médecins sont des fois confrontées à ces individus ayant des troubles exécutivo-locomoteurs mais qui ne sont pas immédiatement repérés en raison de leurs capacités de réserves particulièrement élevées. Pris ensemble, les travaux de cette thèse s’articulent autour d’un large spectre des notions liées au vieillissement normal et pathologique qui sont les fonctions exécutives, le contrôle locomoteur et la réserve cognitive. L’originalité de cette thèse réside dans le développement d’un « nouveau test neuropsychologique : Le Stroop Switching Card Test » évaluant l’efficience exécutive globale avec des mesures spécifiques à chaque composante et deux nouvelles mesures de la réserve cognitive dont une qualitative (i.e., un nouveau questionnaire) et l’autre quantitative (seuil du déclin exécutif associé à une basse réserve cognitive). En parallèle nous avons développé trois nouveaux paradigmes de doubles tâches fondés sur le profil physiopathologique de la MA et la MP. Les résultats révèlent que la batterie de tests que nous proposons présente un intérêt potentiel pour détecter précocement un déclin exécutif chez les sujets âgés, mais aussi pour distinguer le vieillissement normal du vieillissement accéléré. En conclusion, les résultats préliminaires de cette thèse confirment la validité de nouveaux tests dans l’évaluation des fonctions exécutive, de la réserve cognitive et du contrôle locomoteur. Des études longitudinales sont nécessaires pour confirmer que ces outils pourraient avoir une valeur ajoutée dans le diagnostic précoce et différencié des MA et MP. / To date, Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson’s disease (PD) are diagnosed in the advanced stage of degenerative brain processes, when clinical symptoms occur. In the absence of curative therapy, current research is focused on prevention by identifying subtle signs of early stage neurodegeneration. In the light of these clinical perspectives, recent research in behavioral neurosciences has already found that executive functions (i.e., notably inhibition and switching) and gait control as assessed by standard neuropsychological tests (e.g., Stroop Test and Trail Making Test) and dual-task walking paradigms, respectively, are already altered at both the preclinical and prodromal phases of AD and PD. We would argue that it is imperative to take into account factors modulating the capacity to cope with age-related brain changes, among which the most important is the cognitive reserve. Together, the main goals of this thesis are to develop: (i) a new neuropsychological test, assessing executive functions, separately and together, (ii) new measures of CR; and (iii) new dual-task walking paradigms based on the neuropathological profiles of AD and PD, by manipulating both the nature of executive processes and cognitive load. These tools were validated in healthy young adults and older adults with a high sensitivity. Specifically, we have found that these tools allow detecting early executive decline. Furthermore, they allow to differentiate normal aging from accelerated aging. In conclusion, the preliminary results of this thesis confirm the validity of the new tests in the evaluation of executive function, cognitive reserve and gait control. Longitudinal studies are needed to confirm that these tools could have an added value in the early and differential diagnosis of AD and PD.

Certains besoins de santé spécifiques ont contribué au développement du travail présenté ici, en particulier dans le domaine de la kinésithérapie dans lequel l’étude de l’équilibre postural est étudiée. Les solutions qui existent aujourd'hui sur le marché sont coûteuses, disponibles uniquement dans les grands hôpitaux ou dans des salles dédiées, avec un faible taux de fréquentation de la population, principalement dans des endroits plus éloignés des grands centres urbains. Ce travail a été développé en collaboration avec une équipe constituée de kinésithérapeutes, de chercheurs en génie électrique et en génie mécanique du laboratoire G-SCOP, Grenoble INP, Institut d’Ingénierie, Univ. Grenoble Alpes, France. Cette équipe cherche des solutions à faible coût qui répondent aux besoins de la société en général, en mettant l'accent sur la santé, mais également sur la vulgarisation scientifique, en diffusant ses travaux lors de manifestations de type fête de la Sciences dans la région et pour la communauté. Les travaux ont débuté avec une plateforme de force développée en 2016, conjointement par des chercheurs de l'UNESP (une Université de l'état Sao Paulo au Brésil) et du laboratoire G-SCOP. A cette solution a été ajoutée une nouvelle interface électronique, développée dans le but de fournir des informations sur le déplacement du centre de pression du patient. Un mécanisme a également été mis en place pour assurer la synchronisation entre les informations capturées par les capteurs installés sur la plate-forme et un capteur Microsoft Kinect. De nouveaux outils logiciels ont été proposés pour capturer et analyser les résultats. Le traitement des données permet de créer un modèle tridimensionnel détaillé contenant la cinématique de plusieurs articulations du corps humain et leur comportement respectif en fonction du temps. La mise en œuvre du capteur Kinect synchronisé avec la plate-forme de force permet de comparer le Centre de Pression avec le Centre de masse en vue de proposer un outil plus léger et moins cher à la communauté des praticiens hospitaliers. / Some specific health needs contributed to the development of the work presented here, especially in Physical Therapy in which the Postural Equilibrium is studied. The solutions that exist today in the market are of expensive, available only in large hospitals or in dedicated rooms, with low index of attendance to the population, mainly in places more distant of the great urban centers. This work was developed in cooperation with a team constituted of Phisiotherpists, Electrical Engineering and Mechanical Engineering from of the G-SCOP Laboratory, Grenoble INP, Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes, France. This team seeks low cost solutions that meet the needs of society in general, with a focus on health, but also with a focus on the popularization of science, disseminating its work in basic schools in the region and also in the community. The work began with a strength platform developed in 2016, jointly by researchers from UNESP, Sao Paulo, Brasil, and the G-SCOP Laboratory. To this solution was added a new electronic interface, developed with the purpose of providing information on the displacement of the patient pressure center. A mechanism was also implemented to ensure synchronization between information captured by sensors installed on the platform and a Microsoft Kinect sensor. New software tools were developed to capture and analyze the results. The data treatment allows the creation of a detailed three-dimensional model, containing the kinematics of several joints of the human body and their respective positional behavior, as a function of time. With the implementation of the Kinect sensor, synchronised with the force platform, it is also possible to evaluate the kinematic and positional biomechanical parameters.

<p>  </p> <p>Falls mostly occur when people are walking. Investigations of control of gait stability have focused primarily on the single stance phase. My dissertation focused on the double support phase of gait because (1) responses to perturbations occur during the double support (2) the portion of the gait cycle spent in double support is increased with old age, and, more importantly, (3) since both feet can push off the ground simultaneously, there are more kinetic degrees of freedom (DoF) and therefore greater control authority over body motion during this phase. However, how these kinetic DoFs are coordinated during the double support phase is not fully understood. Thus, the goal of this dissertation was to identify the inter-leg coordination to stabilize whole-body motion and quantify how the inter-leg coordination is affected by intrinsic and extrinsic factors. Specifically, Study 1 focused on healthy aging (an intrinsic factor) and varying task demands (an extrinsic factor that changed while curb ascent versus curb descent). Study 2 investigated another extrinsic factor of future uncertain environmental demands (fixed versus uncertain foot targeting demand for the step after descending a curb). Using the uncontrolled manifold analysis, I identified ground reaction variable (GRV) synergies, i.e., synergistic covariations between the ground reaction forces and moments under the two feet that stabilize whole-body linear and angular motions. Furthermore, I found that GRV synergies were modulated by extrinsic factors: GRV synergies were sensitive to current fixed environmental demands (Study 1), whereas they were robust to future environmental demands on foot placement (Study 2). Lastly, I found that GRV synergies were not changed by the intrinsic factor of age, despite the physiological declines with aging (Study 1). The absence of an age effect on GRV synergies indicates that older adults have the preserved ability to exploit the control authority during the double support phase to maintain stability while negotiating a curb. The work extends the current body of literature on gait stability mechanisms and improves our understanding of changes in stability control as a function of different environmental demands.</p>

Quadruped robots offer distinct advantages in navigating challenging terrains due to their flexible and shock-absorbing characteristics. This flexibility allows them to adapt to uneven surfaces, enhancing their maneuverability. In contrast, rigid robots excel in tasks that require speed and precision but are limited in their ability to navigate complex terrains due to their restricted motion range. Another category of robots, known as soft robots, has gained attention for their unique attributes. Soft robots are characterized by their lightweight and cost-effective design, making them appealing for various applications. Recent advancements have made significant strides in practical control strategies for soft quadruped robots, particularly in diverse and unpredictable environments. An emerging approach in enhancing the autonomy of robots is through reinforcement learning. While this approach shows promise in enabling robots to learn and adapt to their surroundings, it necessitates rigorous training and must exhibit robustness in real-world scenarios. Moreover, a significant hurdle lies in bridging the gap between simulations and reality, as models trained in idealized virtual environments often struggle to perform as expected when deployed in the physical world. This thesis aims to address these challenges by optimizing the control of soft quadruped robots using a model-based reinforcement learning approach. The primary goal is to refine the gait control of these robots, taking into account the complexities encountered in real-world environments. The report covers the implementation of model-based reinforcement learning, including simulation setup, reward design, and policy refinement. Results show improved training efficiency and autonomous behavior, confirming the method’s effectiveness in enhancing soft quadruped robot capabilities.It is important to note that this report provides a concise summary of the thesis results due to the word limit imposed by the Department of Machine Design. For a comprehensive understanding of the research and its implications, the complete version is attached separately here. / Fyrbenta robotar är tack vare deras flexibla och stötdämpande egenskaper är väl lämpade att navigera utmanande terräng. Deras struktur möjliggör anpassning till ojämnheter i underlaget och bidrar till att öka deras rörelseförmåga. I kontrast utmärker sig stela robotar som det bästa valet för uppgifter som kräver snabbhet och precision, men deras förmåga att navigera komplex terräng är begränsad av deras rörelseomfång. En annan typ av robot, så kallade mjuka robotar, har nyligen uppmärksammats för sina unika egenskaper. Dessa robotar kännetecknas av en kostnadseffektiv lättviktsdesign, vilket gör dem attraktiva för många olika användningsområden. Nyligen har betydelsefulla framsteg gjorts inom kontroll av mjuka fyrbenta robotar, framför allt vad gäller kontroll i varierade miljöer. En av de huvudsakliga utmaningarna för att öka robotars autonomi är förstärkningsinlärning. Även om denna teknik är lovande för att ge robotar förmågan att lära sig och anpassa sig efter sin omgivning, kräver den omfattande träning samt måste uppvisa robusthet i verkliga scenarion. Ett större hinder är dessutom klyftan mellan simulation och verklighet, då modeller som tränats i ideella simuleringar ofta presterar sämre än väntat i den fysiska världen. Detta examensarbete behandlar dessa utmaningar genom att implementera en modellbaserad förstärkningsinlärningsmetod för kontroll av fyrbenta robotar, med det primära målet att förfina gångkontrollen för dessa robotar med hänsyn till de komplexa beteenden som uppstår i verkliga miljöer. Denna rapport behandlar implementeringen av modellbaserad förstärkningsin lärning samt simulering, belöningsdesign och policyförfining. Resultat visar på en förbättrad inlärningsförmåga och bättre autonomt beteende, vilket gör metoden lämplig för att förbättra prestandan av mjuka fyrbenta robotar. Var god att notera att denna rapport endast ger en nedkortad sammanfattning av forskningen och dess resultat på grund av krav från institutionen för maskinkonstruktion. En fullständig version innehållande mer detaljer kring studien och dess konsekvenser bifogas här.