Este trabalho consiste na elaboração de uma estratégia para a geração de trajetórias otimizadas para um robô cilíndrico de cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Como resultado da aplicação do método desenvolvido obtêm-se as trajetórias no espaço das juntas que resultam no movimento adequado do efetuador do robô, de acordo com algum critério de otimização. Para a obtenção das trajetórias das juntas do robô a partir de uma dada trajetória desejada para o efetuador, resolveu-se o problema de cinemática inversa por meio de uma abordagem algébrica. Para a geração de trajetórias entre os pontos no espaço de trabalho do robô propõe-se a utilização de um algoritmo de aproximação de pontos através de splines compostas por polinômios de sétimo grau. Essa escolha garante a continuidade da função de posição, bem como de suas três primeiras derivadas, sendo essa uma condição necessária para a implantação de importantes leis e estratégias de controle (como, por exemplo, a estratégia em cascata, utilizada com sucesso no controle de sistemas servopneumáticos). O método proposto para a geração de splines possibilita, através do ajuste de parâmetros em função da exigência de cada aplicação, a obtenção de curvas no espaço das juntas com valores otimizados de jerk, aceleração ou velocidade. Para aplicação na geração de trajetórias para o robô, a interpolação dos pontos é realizada no espaço dos atuadores a fim de fornecer ao controlador as curvas de referência para posição, velocidade, aceleração e jerk. Para a demonstração da aplicação do método no seguimento de trajetórias, são utilizadas como referência curvas tridimensionais cujos valores numéricos são comparados com os resultados fornecidos a partir da metodologia proposta. Assim, uma vez calculadas as trajetórias em cada uma das juntas através da cinemática inversa, utiliza-se as transformações homogêneas da cinemática direta do robô, obtidas a partir do método de Denavit-Hartenberg, para obter a trajetória do efetuador e verificar a funcionalidade do modelo resultante. / This work consists of developing a strategy to generate optimized trajectories for a cylindrical robot with five degrees of freedom which is actuated pneumatically. As a result of the application of the developed method, trajectories in joint space are obtained and result in the proper motion of the robot’s end-effector according to a given optimizing criteria. In order to obtain the trajectories of the robot’s joints from a given desired trajectory for the end-effector, the problem of inverse kinematics was solved by an algebraic approach. To generate trajectories between points in the robot’s workspace it was proposed the use of an algorithm for approximation of points through splines composed by seventh degrees polynomials. This choice ensures the continuity of the position function as well as its first three derivatives. It is a necessary condition for the implementation of important laws and control strategies (for example, the cascade strategy which is successfully used in servo-pneumatic control systems). The proposed method to generate splines allows, through the adjustment of parameters taking into account the requirements of each application, the obtainment of curves in the joint space with optimized values of jerk, acceleration and speed. In order to apply the method in the generation of trajectories for the robot, the interpolation of the points is performed in the space of the actuators with the purpose of providing the controller reference curves for position, speed, acceleration and jerk. To demonstrate the application of the method in trajectory tracking, three-dimensional curves are used and their numerical values are compared with the results provided by the proposed methodology. Therefore, once the calculated trajectory in each joint through inverse kinematics is obtained, homogeneous transformations of the direct kinematics of the robot, obtained by Denavit-Hartenberg’s method, are employed to find out the trajectory of the end-effector and verify the functionality of the resulting model.

O objetivo deste estudo foi comparar variáveis cinemáticas e coordenativas do nado borboleta sob diferentes modelos inspiratórios, velocidades de nado e níveis de desempenho. Participaram 23 nadadores competitivos, divididos em grupo de nível iniciante (n = 9) e grupo de nível avançado (n = 14). Foram mensuradas as durações das fases da braçada (entrada e apoio, puxada, empurrada e recuperação) e da pernada (descendente1, ascendente 1, descendente 2, ascendente 2), bem como a duração relativa das duas fases propulsivas principais DP1 (do início ao final da fase descendente 1 da pernada) e DP2 (do início da puxada ao final da fase descendente da segunda pernada). Os ângulos de ataque do tronco foram avaliados nos pontos-chave de entrada das mãos, início da puxada, início da empurrada e saída das mãos da água. Com relação à coordenação de membros, foram avaliadas as diferenças temporais entre pontos-chave da braçada e da pernada, sendo: T1 (entrada das mãos – início da fase descendente da primeira pernada), T2 (final da fase descendente da primeira pernada – início da puxada), T3 (início da empurrada – início da fase descendente da segunda pernada), T4 (final da fase descendente da segunda pernada – saída das mãos da água) e TTG (diferença de tempo total). Foi realizado, ainda, o estudo de um dos casos por meio de videogrametria tridimensional, por meio da qual foi possível mensurar as amplitudes de oscilação vertical do vértex e do ombro. Os principais resultados mostram que: (1) O grupo de nível avançado, comparado ao de nível iniciante, apresentou maior velocidade de nado, maior freqüência de ciclos e maior índice de nado. Este maior índice de nado foi acompanhado de menores ângulos de ataque do tronco nos pontos-chave de entrada das mãos, início da puxada e saída das mãos da água. Nadadores de nível avançado apresentaram, ainda, menor duração relativa na fase de entrada e apoio, maior duração relativa na fase de recuperação. Considerando as fases propulsivas principais do nado, a duração relativa de DP2 foi maior no grupo avançado. Com relação à coordenação de membros, estes nadadores apresentaram menor diferença de tempo entre pontos-chave da braçada e da pernada para T2, T3, T4 e TTG. (2) Ao se executar ciclos não-inspiratórios, houve uma menor DC, comparado ao modelo de inspiração lateral, e um maior índice de nado, com relação aos modelos de inspiração frontal e lateral. Ainda, ciclos não-inspiratórios acarretaram em menores ângulos de ataque do que os demais modelos nos pontos-chave de entrada das mãos, início da puxada, início da empurrada e saída das mãos da água. O modelo de inspiração lateral apresentou um menor ângulo de ataque do que o modelo frontal somente no ponto-chave de entrada das mãos na água. Analisando a coordenação de nado, o modelo de inspiração lateral apresentou uma maior diferença de tempo para T1 e T3, quando comparado ao modelo de ciclos não-inspiratórios. (3) Com o aumento da velocidade imposta, os nadadores aumentaram a freqüência de ciclos, reduziram a distância percorrida por ciclo e aumentaram o índice de nado. Esse comportamento foi acompanhado por uma redução do ângulo de ataque do tronco nos pontos-chave de entrada das mãos na água, início da puxada e saída das mãos da água. Ainda, houve aumento na duração relativa das fases propulsivas e redução das fases não-propulsivas da braçada. Da mesma forma a duração relativa das fases propulsivas da pernada aumentou e a duração relativa da fase não-propulsiva A1 reduziu. Com relação à coordenação de membros, as diferenças de tempo para T1, T2, T4 e TTG reduziram com o aumento da velocidade. / The aim of this study was to compare the kinematical and coordinative parameters of the butterfly stroke under different breathing patterns, paces and expertise levels. Volunteered to this study 23 competitive swimmers, divide in beginner level group (n=9) and advanced level group (n = 14). Arm (entry and catch, pull, push and recovery) and leg (downward 1, upward 1, downward 2, upward 2) stroke phases relative duration, the main propulsive phases durations DP1 (from the beginning to the end of the downward 1 leg stroke phase) and DP2 (from the beginning of the pull phase to the end of the upward 2 leg stroke phase). The trunk angle of attack was measured at the hands entry, pull beginning, push beginning and hands exit key points. Regarding the inter-limb coordination, we analyzed the time gap between arm and leg propulsive actions, being: T1 (hands entry – beginning of the downward 1 phase), T2 (end of the downward 1 phase – beginning of the pull phase), T3 (beginning of the push phase –beginning of the downward 2 phase), T4 (end of the downward 2 phase – hands exit) and TTG (total time gap). In parallel a tridimensional analysis case study was developed for measuring the vertex and shoulder’s vertical amplitude of oscillation. The main results includes: (1) The advanced level group presented higher stroke rate and stroke index when compared to the beginner level group. This higher stroke index was due to lower angle of attack at the hands entrym pull beginning and hands exit key point. Advanced level swimmers presented also a shorter entry and catch phase and a longer recovery phase. Regarding the main propulsive phases of the butterfly stroke, advanced level swimmers had a longer DP2. Considering the inter-limb coordination the advanced level group also presented shorter time gaps for T2, T3, T4 and TTG; (2) Performing the non-breathing condition swimmers had shorter stroke length, compared to de lateral breathing pattern, and a higher stroke index, compared to both frontal and lateral breathing conditions. Regarding the trunk angle of attack it was smaller at the hands entry, beginning of the pull phase, beginning of the push phase and hands release key points when performing non-breathing cycles. Compared to frontal breathing pattern, the trunk angle of attack was smaller at the hands entry performing lateral breathing. Compared to non-breathing pattern, T1 and T3 time gaps were longer performing lateral breathing; (3) Increasing the imposed pace, stroke rate and stroke index increased while stroke length decreased. Trunk angle of attack also reduced at the hands entry, beginning of pull phase and hands release key points. Relative duration for arm and leg stroke propulsive phases relative duration increased and non-propulsive phases relative duration decreased, except for the upward 2 phase. Regarding the inter-limb coordination T1, T2, T4 and TTG reduced when increasing the imposed pace.

Esta tese está dividida em três estudos. No estudo I desta tese, os objetivos foram descrever a cinemática tridimensional do ombro e determinar a contribuição da articulação escápulotorácica no movimento total de elevação. No estudo II, os objetivos foram descrever a atividade eletromiográfica (EMG) e o percentual de cocontração entre os músculos deltóide médio e redondo maior. No estudo III, o objetivo foi determinar o valor máximo da força de contato gleno-umeral e da força muscular. Quarenta sujeitos participaram dos estudos divididos em três grupos: pacientes com prótese total do ombro (PTO), com prótese reversa (PRO) e um grupo controle. Todos realizaram dois exercícios de reabilitação (flexão e elevação no plano escapular) usando diferentes cargas (sem carga externa, halter de 1kg e resistência elástica). A cinemática do ombro foi registrada por meio de um dispositivo eletromagnético de rastreamento, a atividade EMG foi registrada por meio de um eletromiógrafo de 16 canais e o modelo matemático utilizado foi o Delft Shoulder and Elbow Model. As análises estatísticas foram feitas por meio de ANOVAs de dois e três fatores para medidas repetidas. Foi utilizado o teste post hoc de Bonferroni e o nível de significância adotado foi de α < 0,05. Os resultados do estudo I mostram que a escápula contribui mais para o movimento total do ombro em pacientes com prótese em relação aos indivíduos saudáveis e em exercícios realizados com 1 kg e resistência elástica comparados com os exercícios sem carga externa. O ângulo de elevação glenoumeral durante a flexão foi significativamente maior no grupo PTO em comparação ao grupo PRO. O estudo II identificou maior atividade EMG do deltóide médio e posterior no grupo PTO em comparação ao grupo controle e um aumento da atividade EMG do peitoral (parte esternal) no grupo PRO em comparação ao grupo PTO e ao grupo controle. Para os outros músculos (deltóide anterior, redondo maior, peitoral maior - parte clavicular e serrátil anterior) não foram encontradas diferenças significativas entre os grupos. Para todos os músculos, exceto o serrátil anterior, a atividade EMG foi menor nos exercícios sem carga externa quando comparados aos exercícios com 1 kg e resistência elástica. Nenhum efeito principal dos fatores grupo e carga foi encontrado no percentual de cocontração. No estudo III, o grupo controle apresentou maior força de contato gleno-umeral máxima quando comparado ao grupo PTO durante a flexão, mas não foram encontradas diferenças entre os grupos de pacientes nos dois movimentos. A resistência elástica apresentou maiores valores de força de contato gleno-umeral em todos os grupos. O valor máximo da força de todos os músculos analisados variou de 0,32 N a 772 N e o manguito rotador e o deltóide foram os músculos que apresentaram os maiores valores de força em todos os grupos. A presente tese sugere que para uma mesma amplitude de movimento, os pacientes com prótese de ombro apresentarão um movimento escapular maior compensando a perda do movimento gleno-umeral. A cinemática escapular e a atividade EMG destes pacientes foram influenciadas pela implementação de cargas externas, mas não pelo tipo de carga, diferentemente das forças de contato e das forças musculares, nas quais a resistência elástica apresentou maior influência. Além disso, o percentual de cocontração não foi influenciado pelo tipo de prótese e os grupos de pacientes apresentaram menores forças de contato gleno-umeral do que o grupo controle. / This thesis is divided into three studies. In study I, the objectives were to describe shoulder three-dimensional kinematics and to determine the contribution of scapulothoracic motion in total shoulder elevation. In study II, the objectives were to describe the electromyographic activity (EMG) and the percentage of cocontraction between middle deltoid and teres major. In study III, the objective was to determine the maximum glenohumeral contact force and shoulder muscle forces. Forty subjects participated in the studies divided into three groups: patients with total shoulder prosthesis (TSP), patients with reverse shoulder prosthesis (RSP) and a control group. All patients realized two rehabilitation exercises (anteflexion and elevation in the scapular plane) using different loads (without external load, 1 kg dumbbell and elastic resistance). Shoulder kinematics was recorded by means of an electromagnetic tracking device, the EMG activity was recorded through a 16-channel EMG system and the Delft Shoulder and Elbow Model was used. Statistical analyses were performed by means of repeated measures ANOVAs. The Bonferroni post hoc test was used and the adopted significance level was α <0.05. Results of study I showed that the scapula contributes more to the total movement of the shoulder in patients with prosthesis compared to healthy subjects and in exercises performed with 1 kg and elastic resistance compared to exercises without external load. The glenohumeral elevation angle during anteflexion was significantly higher in the TSP group compared to the RSP. The study II identified higher EMG activity of the middle and posterior deltoid in the TSP group compared to the control group and an increase of EMG activity of pectoralis major (sternal part) in the RSP group compared to the TSP and the control group. For the other muscles (anterior deltoid, teres major, pectoralis major - clavicular part and serratus anterior) significant differences were not found among groups. For all muscles, except the serratus anterior, EMG activity was lower during exercises without external load compared to exercises with 1 kg and elastic resistance. No main effect of group and load was found in the percentage of cocontraction. In study III, the control group showed higher maximum glenohumeral contact force when compared to TSP group during anteflexion, but no differences were found between groups of patients during both movements. Elastic resistance exercises showed higher glenohumeral contact force in all groups. The maximum force of all analyzed muscles ranged from 0,32 N to 772 N and the rotator cuff and deltoid muscles presented the highest values in all groups. This thesis suggests that for a same range of motion, patients with shoulder prosthesis present greater scapular motion compensating the loss of glenohumeral motion. Scapular kinematics and EMG activity of these patients were affected by the implementation of external loads, but not by the type of load, unlike the contact forces and muscle forces, in which the elastic resistance had greater influence. Moreover, the percentage of cocontraction was not influenced by the type of prosthesis and patient groups had lower glenohumeral contact forces compared to the control group.

abstract: Millions of Americans live with motor impairments resulting from a stroke and the best way to administer rehabilitative therapy to achieve recovery is not well understood. Adaptive mixed reality rehabilitation (AMRR) is a novel integration of motion capture technology and high-level media computing that provides precise kinematic measurements and engaging multimodal feedback for self-assessment during a therapeutic task. The AMRR system was evaluated in a small (N=3) cohort of stroke survivors to determine best practices for administering adaptive, media-based therapy. A proof of concept study followed, examining changes in clinical scale and kinematic performances among a group of stroke survivors who received either a month of AMRR therapy (N = 11) or matched dosing of traditional repetitive task therapy (N = 10). Both groups demonstrated statistically significant improvements in Wolf Motor Function Test and upper-extremity Fugl-Meyer Assessment scores, indicating increased function after the therapy. However, only participants who received AMRR therapy showed a consistent improvement in their kinematic measurements, including those measured in the trained reaching task (reaching to grasp a cone) and in an untrained reaching task (reaching to push a lighted button). These results suggest that that the AMRR system can be used as a therapy tool to enhance both functionality and reaching kinematics that quantify movement quality. Additionally, the AMRR concepts are currently being transitioned to a home-based training application. An inexpensive, easy-to-use, toolkit of tangible objects has been developed to sense, assess and provide feedback on hand function during different functional activities. These objects have been shown to accurately and consistently track hand function in people with unimpaired movements and will be tested with stroke survivors in the future. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Bioengineering 2012

In this paper, we report a new estimate of the absolute proper motion (PM) of the globular cluster NGC 5139 (omega Cen) as part of the HST large program GO-14118+ 14662. We analyzed a field 17 arcmin southwest of the center of omega Cen and computed PMs with epoch spans of similar to 15.1 years. We employed 45 background galaxies to link our relative PMs to an absolute reference-frame system. The absolute PM of the cluster in our field is (mu(alpha) cos delta, mu(delta))=(-3.341. 0.028, -6.557 +/- 0.043) mas yr(-1). Upon correction for the effects of viewing perspective and the known cluster rotation, this implies that for the cluster center of mass (mu(alpha) cos delta, mu(delta))=(-3.238. 0.028, -6.716 +/- 0.043) mas yr(-1). This measurement is direct and independent, has the highest random and systematic accuracy to date, and will provide an external verification for the upcoming Gaia Data Release 2. It also differs from most reported PMs for omega Cen in the literature by more than 5 sigma, but consistency checks compared to other recent catalogs yield excellent agreement. We computed the corresponding Galactocentric velocity, calculated the implied orbit of omega Cen in two different Galactic potentials, and compared these orbits to the orbits implied by one of the PM measurements available in the literature. We find a larger (by about 500 pc) perigalactic distance for omega Cen with our new PM measurement, suggesting a larger survival expectancy for the cluster in the Galaxy.

Solar-type binaries with short orbital periods (P-close equivalent to 1-10. days; a less than or similar to 0.1. au) cannot form directly via fragmentation of molecular clouds or protostellar disks, yet their component masses are highly correlated, suggesting interaction during the pre-main-sequence (pre-MS) phase. Moreover, the close binary fraction of pre-MS stars is consistent with that of their MS counterparts in the field (F-close = 2.1%). Thus, we can infer that some migration mechanism operates during the early pre-MS phase (tau less than or similar to 5 Myr) that reshapes the primordial separation distribution. We test the feasibility of this hypothesis by carrying out a population synthesis calculation which accounts for two formation channels: Kozai-Lidov (KL) oscillations and dynamical instability in triple systems. Our models incorporate (1) more realistic initial conditions compared to previous studies, (2) octupole-level effects in the secular evolution, (3) tidal energy dissipation via weak-friction equilibrium tides at small eccentricities and via non-radial dynamical oscillations at large eccentricities, and (4) the larger tidal radius of a pre-MS primary. Given a 15% triple-star fraction, we simulate a close binary fraction from KL oscillations alone of F-close approximate to 0.4% after tau = 5. Myr, which increases to F-close 0.8% by tau = 5. Gyr. Dynamical ejections and disruptions of unstable coplanar triples in the disk produce solitary binaries with slightly longer periods P approximate to 10-100. days. The remaining approximate to 60% of close binaries with outer tertiaries, particularly those in compact coplanar configurations with log P-out (days) approximate to 2-5 (a(out) < 50 au), can be explained only with substantial extra energy dissipation due to interactions with primordial gas.

Este trabalho propõe uma nova estrutura cinemática paralela tridimensional com três graus de mobilidade que pode ser aplicada como robô manipulador. O volume do espaço de trabalho disponível é empregado como índice para avaliar o desempenho cinemático do mecanismo. As cinemáticas de posição e velocidade são desenvolvidas, tendo em vista o levantamento das configurações singulares e do espaço de trabalho. Os resultados obtidos com as cinemáticas direta e inversa são comparados de modo a verificar a correspondência entre eles. São levantadas diversas configurações singulares que correspondem ao alinhamento entre as barras das cadeias ativas do mecanismo e uma família de singularidades para uma das cadeias ativas é apresentada. O volume do espaço de trabalho do mecanismo é calculado pelo método da discretização, de modo a avaliar o volume do espaço de trabalho disponível, bem como a identificação da influência dos parâmetros dimensionais do mecanismo sobre este volume. O volume do espaço de trabalho com os parâmetros ótimos é expressivo, quando comparado com aqueles alcançados por manipuladores robóticos convencionais. / This dissertation proposes a novel three-degree-of-freedom parallel kinematic structure in order to be applied as a three-dimensional robot manipulator. The volume of the available workspace is employed as a performance index to evaluate the kinematic behavior of the mechanism. The position and velocity kinematics are developed for mapping singular configurations and evaluating the workspace. The results obtained by performing the direct and inverse kinematics are compared in order to verify the consistency between them. It is demonstrated that most of singular configurations is represented by the alignment of the links that belong to each active chain. In addition, a family of singularities for one of the active chains is presented. The volume of the workspace is calculated by using the discretization method not only for evaluating the feasible workspace but also for identifying the influence of dimensional parameters with respect to this volume. The achieved workspace by employing the optimal parameters is comparable to that reached by conventional robot manipulators.

Há mais de uma década os robôs paralelos têm atraído a atenção das comunidades acadêmica e industrial devido às suas vantagens potenciais sobre as arquiteturas predominantes - as seriais. Dentre estas vantagens, pode-se citar a leveza, as elevadas velocidades e acelerações e a capacidade de carga. A aplicação industrial mais promissora para estas arquiteturas alternativas de robôs são as operações \"pega-e-põe\", necessárias nas indústrias alimentícia, farmacêutica e de componentes eletrônicos. Neste trabalho apresenta-se um robô paralelo, concebido com a finalidade de realizar operações \"pega-e-põe\" no espaço bidimensional (plano). O objetivo principal é a análise dinâmica deste mecanismo, empregando o método de Kane, para a determinação dos torques dos atuadores e das forças de reação, causados pelo efeito dinâmico de sua movimentação, quando a garra esteja sujeita a esforços externos e realizando uma trajetória retilínea ou circular em movimento uniforme ou uniformemente variado. Para tanto, desenvolveu-se nesta dissertação a análise cinemática do robô, um estudo de possíveis trajetórias para a garra, o levantamento do espaço de trabalho, bem como a análise dinâmica correspondente. Incluiu-se também diversas simulações para caracterizar melhor suas propriedades. / For over a decade parallel robots have attracted the interest from academic and industrial communities due to their potential advantages over the predominant serial architecture. Among these advantages are the lighter weight and higher speeds, accelerations, and load capacity. The most promising industrial application for these alternative architectures are the pick-and-place operations, which are needed in food, pharmaceutical and electronics industries. We show here a parallel robot designed to perform pick-and-place operations in two dimensions , i.e., on a plane. The main goal is the dynamical analysis of this mechanism by means of the Kane method. We determine the torques of the actuators and the reaction forces caused by the dynamical effects of its movement, when its end-effector is subject to external load. The cases of uniform and accelerated movements, with either straight or circular trajectory, are considered. Therefore, in this dissertation we present the kinematics analysis of the robot, an analysis of possible end-effector trajectories, the workspace development, and the corresponding dynamical analysis. A few simulations are also included to better describe its properties.

O objetivo deste estudo foi comparar variáveis cinemáticas e coordenativas do nado borboleta sob diferentes modelos inspiratórios, velocidades de nado e níveis de desempenho. Participaram 23 nadadores competitivos, divididos em grupo de nível iniciante (n = 9) e grupo de nível avançado (n = 14). Foram mensuradas as durações das fases da braçada (entrada e apoio, puxada, empurrada e recuperação) e da pernada (descendente1, ascendente 1, descendente 2, ascendente 2), bem como a duração relativa das duas fases propulsivas principais DP1 (do início ao final da fase descendente 1 da pernada) e DP2 (do início da puxada ao final da fase descendente da segunda pernada). Os ângulos de ataque do tronco foram avaliados nos pontos-chave de entrada das mãos, início da puxada, início da empurrada e saída das mãos da água. Com relação à coordenação de membros, foram avaliadas as diferenças temporais entre pontos-chave da braçada e da pernada, sendo: T1 (entrada das mãos – início da fase descendente da primeira pernada), T2 (final da fase descendente da primeira pernada – início da puxada), T3 (início da empurrada – início da fase descendente da segunda pernada), T4 (final da fase descendente da segunda pernada – saída das mãos da água) e TTG (diferença de tempo total). Foi realizado, ainda, o estudo de um dos casos por meio de videogrametria tridimensional, por meio da qual foi possível mensurar as amplitudes de oscilação vertical do vértex e do ombro. Os principais resultados mostram que: (1) O grupo de nível avançado, comparado ao de nível iniciante, apresentou maior velocidade de nado, maior freqüência de ciclos e maior índice de nado. Este maior índice de nado foi acompanhado de menores ângulos de ataque do tronco nos pontos-chave de entrada das mãos, início da puxada e saída das mãos da água. Nadadores de nível avançado apresentaram, ainda, menor duração relativa na fase de entrada e apoio, maior duração relativa na fase de recuperação. Considerando as fases propulsivas principais do nado, a duração relativa de DP2 foi maior no grupo avançado. Com relação à coordenação de membros, estes nadadores apresentaram menor diferença de tempo entre pontos-chave da braçada e da pernada para T2, T3, T4 e TTG. (2) Ao se executar ciclos não-inspiratórios, houve uma menor DC, comparado ao modelo de inspiração lateral, e um maior índice de nado, com relação aos modelos de inspiração frontal e lateral. Ainda, ciclos não-inspiratórios acarretaram em menores ângulos de ataque do que os demais modelos nos pontos-chave de entrada das mãos, início da puxada, início da empurrada e saída das mãos da água. O modelo de inspiração lateral apresentou um menor ângulo de ataque do que o modelo frontal somente no ponto-chave de entrada das mãos na água. Analisando a coordenação de nado, o modelo de inspiração lateral apresentou uma maior diferença de tempo para T1 e T3, quando comparado ao modelo de ciclos não-inspiratórios. (3) Com o aumento da velocidade imposta, os nadadores aumentaram a freqüência de ciclos, reduziram a distância percorrida por ciclo e aumentaram o índice de nado. Esse comportamento foi acompanhado por uma redução do ângulo de ataque do tronco nos pontos-chave de entrada das mãos na água, início da puxada e saída das mãos da água. Ainda, houve aumento na duração relativa das fases propulsivas e redução das fases não-propulsivas da braçada. Da mesma forma a duração relativa das fases propulsivas da pernada aumentou e a duração relativa da fase não-propulsiva A1 reduziu. Com relação à coordenação de membros, as diferenças de tempo para T1, T2, T4 e TTG reduziram com o aumento da velocidade. / The aim of this study was to compare the kinematical and coordinative parameters of the butterfly stroke under different breathing patterns, paces and expertise levels. Volunteered to this study 23 competitive swimmers, divide in beginner level group (n=9) and advanced level group (n = 14). Arm (entry and catch, pull, push and recovery) and leg (downward 1, upward 1, downward 2, upward 2) stroke phases relative duration, the main propulsive phases durations DP1 (from the beginning to the end of the downward 1 leg stroke phase) and DP2 (from the beginning of the pull phase to the end of the upward 2 leg stroke phase). The trunk angle of attack was measured at the hands entry, pull beginning, push beginning and hands exit key points. Regarding the inter-limb coordination, we analyzed the time gap between arm and leg propulsive actions, being: T1 (hands entry – beginning of the downward 1 phase), T2 (end of the downward 1 phase – beginning of the pull phase), T3 (beginning of the push phase –beginning of the downward 2 phase), T4 (end of the downward 2 phase – hands exit) and TTG (total time gap). In parallel a tridimensional analysis case study was developed for measuring the vertex and shoulder’s vertical amplitude of oscillation. The main results includes: (1) The advanced level group presented higher stroke rate and stroke index when compared to the beginner level group. This higher stroke index was due to lower angle of attack at the hands entrym pull beginning and hands exit key point. Advanced level swimmers presented also a shorter entry and catch phase and a longer recovery phase. Regarding the main propulsive phases of the butterfly stroke, advanced level swimmers had a longer DP2. Considering the inter-limb coordination the advanced level group also presented shorter time gaps for T2, T3, T4 and TTG; (2) Performing the non-breathing condition swimmers had shorter stroke length, compared to de lateral breathing pattern, and a higher stroke index, compared to both frontal and lateral breathing conditions. Regarding the trunk angle of attack it was smaller at the hands entry, beginning of the pull phase, beginning of the push phase and hands release key points when performing non-breathing cycles. Compared to frontal breathing pattern, the trunk angle of attack was smaller at the hands entry performing lateral breathing. Compared to non-breathing pattern, T1 and T3 time gaps were longer performing lateral breathing; (3) Increasing the imposed pace, stroke rate and stroke index increased while stroke length decreased. Trunk angle of attack also reduced at the hands entry, beginning of pull phase and hands release key points. Relative duration for arm and leg stroke propulsive phases relative duration increased and non-propulsive phases relative duration decreased, except for the upward 2 phase. Regarding the inter-limb coordination T1, T2, T4 and TTG reduced when increasing the imposed pace.

Esta tese está dividida em três estudos. No estudo I desta tese, os objetivos foram descrever a cinemática tridimensional do ombro e determinar a contribuição da articulação escápulotorácica no movimento total de elevação. No estudo II, os objetivos foram descrever a atividade eletromiográfica (EMG) e o percentual de cocontração entre os músculos deltóide médio e redondo maior. No estudo III, o objetivo foi determinar o valor máximo da força de contato gleno-umeral e da força muscular. Quarenta sujeitos participaram dos estudos divididos em três grupos: pacientes com prótese total do ombro (PTO), com prótese reversa (PRO) e um grupo controle. Todos realizaram dois exercícios de reabilitação (flexão e elevação no plano escapular) usando diferentes cargas (sem carga externa, halter de 1kg e resistência elástica). A cinemática do ombro foi registrada por meio de um dispositivo eletromagnético de rastreamento, a atividade EMG foi registrada por meio de um eletromiógrafo de 16 canais e o modelo matemático utilizado foi o Delft Shoulder and Elbow Model. As análises estatísticas foram feitas por meio de ANOVAs de dois e três fatores para medidas repetidas. Foi utilizado o teste post hoc de Bonferroni e o nível de significância adotado foi de α < 0,05. Os resultados do estudo I mostram que a escápula contribui mais para o movimento total do ombro em pacientes com prótese em relação aos indivíduos saudáveis e em exercícios realizados com 1 kg e resistência elástica comparados com os exercícios sem carga externa. O ângulo de elevação glenoumeral durante a flexão foi significativamente maior no grupo PTO em comparação ao grupo PRO. O estudo II identificou maior atividade EMG do deltóide médio e posterior no grupo PTO em comparação ao grupo controle e um aumento da atividade EMG do peitoral (parte esternal) no grupo PRO em comparação ao grupo PTO e ao grupo controle. Para os outros músculos (deltóide anterior, redondo maior, peitoral maior - parte clavicular e serrátil anterior) não foram encontradas diferenças significativas entre os grupos. Para todos os músculos, exceto o serrátil anterior, a atividade EMG foi menor nos exercícios sem carga externa quando comparados aos exercícios com 1 kg e resistência elástica. Nenhum efeito principal dos fatores grupo e carga foi encontrado no percentual de cocontração. No estudo III, o grupo controle apresentou maior força de contato gleno-umeral máxima quando comparado ao grupo PTO durante a flexão, mas não foram encontradas diferenças entre os grupos de pacientes nos dois movimentos. A resistência elástica apresentou maiores valores de força de contato gleno-umeral em todos os grupos. O valor máximo da força de todos os músculos analisados variou de 0,32 N a 772 N e o manguito rotador e o deltóide foram os músculos que apresentaram os maiores valores de força em todos os grupos. A presente tese sugere que para uma mesma amplitude de movimento, os pacientes com prótese de ombro apresentarão um movimento escapular maior compensando a perda do movimento gleno-umeral. A cinemática escapular e a atividade EMG destes pacientes foram influenciadas pela implementação de cargas externas, mas não pelo tipo de carga, diferentemente das forças de contato e das forças musculares, nas quais a resistência elástica apresentou maior influência. Além disso, o percentual de cocontração não foi influenciado pelo tipo de prótese e os grupos de pacientes apresentaram menores forças de contato gleno-umeral do que o grupo controle. / This thesis is divided into three studies. In study I, the objectives were to describe shoulder three-dimensional kinematics and to determine the contribution of scapulothoracic motion in total shoulder elevation. In study II, the objectives were to describe the electromyographic activity (EMG) and the percentage of cocontraction between middle deltoid and teres major. In study III, the objective was to determine the maximum glenohumeral contact force and shoulder muscle forces. Forty subjects participated in the studies divided into three groups: patients with total shoulder prosthesis (TSP), patients with reverse shoulder prosthesis (RSP) and a control group. All patients realized two rehabilitation exercises (anteflexion and elevation in the scapular plane) using different loads (without external load, 1 kg dumbbell and elastic resistance). Shoulder kinematics was recorded by means of an electromagnetic tracking device, the EMG activity was recorded through a 16-channel EMG system and the Delft Shoulder and Elbow Model was used. Statistical analyses were performed by means of repeated measures ANOVAs. The Bonferroni post hoc test was used and the adopted significance level was α <0.05. Results of study I showed that the scapula contributes more to the total movement of the shoulder in patients with prosthesis compared to healthy subjects and in exercises performed with 1 kg and elastic resistance compared to exercises without external load. The glenohumeral elevation angle during anteflexion was significantly higher in the TSP group compared to the RSP. The study II identified higher EMG activity of the middle and posterior deltoid in the TSP group compared to the control group and an increase of EMG activity of pectoralis major (sternal part) in the RSP group compared to the TSP and the control group. For the other muscles (anterior deltoid, teres major, pectoralis major - clavicular part and serratus anterior) significant differences were not found among groups. For all muscles, except the serratus anterior, EMG activity was lower during exercises without external load compared to exercises with 1 kg and elastic resistance. No main effect of group and load was found in the percentage of cocontraction. In study III, the control group showed higher maximum glenohumeral contact force when compared to TSP group during anteflexion, but no differences were found between groups of patients during both movements. Elastic resistance exercises showed higher glenohumeral contact force in all groups. The maximum force of all analyzed muscles ranged from 0,32 N to 772 N and the rotator cuff and deltoid muscles presented the highest values in all groups. This thesis suggests that for a same range of motion, patients with shoulder prosthesis present greater scapular motion compensating the loss of glenohumeral motion. Scapular kinematics and EMG activity of these patients were affected by the implementation of external loads, but not by the type of load, unlike the contact forces and muscle forces, in which the elastic resistance had greater influence. Moreover, the percentage of cocontraction was not influenced by the type of prosthesis and patient groups had lower glenohumeral contact forces compared to the control group.