A presente tese investigou os efeitos de estresse na latência e acurácia de respostas motoras a estímulos visuais, e a eficiência de treino na reversão de tais efeitos. O embasamento teórico adotado foi o Attentional Control Theory, que prediz que em situações de estresse, o sistema atencional goal-directed fica prejudicado e sobrepujado pelo sistema stimulus-driven. O pênalti no futebol foi adotado como paradigma experimental. Os resultados revelaram que quando estressados participantes ou precisaram de mais tempo para responder ao estímulo visual ou eram incompetente em inibir respostas automáticas incompatíveis com a tarefa. Tais efeitos foram em parte revertidos com sucesso, revelando grandes diferenças individuais que parecem estar relacionadas com controle atencional. Os resultados também revelaram que a simples presença de um estímulo irrelevante para tarefa prejudicou a resposta motora. Os achados ofereceram uma melhor compreensão de como estresse e estímulos irrelevantes afetam o controle motor e de como treinamento pode reverter tais efeitos. / The current thesis investigated the effects of high-pressure on latency and accuracy of motor responses to visual stimuli and the efficiency of task-specific practice in managing these effects. The theoretical framework adopted was Attentional Control Theory, which argues that high-pressure increases stress and thus impairs the goal-directed attentional system. The penalty kick in football was adopted as paradigm. The experiments revealed that when stressed, participants either required more time to respond to the visual stimulus movement or were unable to inhibit automatic responses, resulting in consistent errors. Such effects were in part successfully reverted, revealing individual differences that seem to relate to the individuals tendencies for attentional control. Furthermore, the results showed that the mere presence of a threatening non-target object impaired shooting accuracy. The findings provide a better understanding of how high-pressure and non-target objects affect motor performance and how task-specific practice may revert such effects.

De etiologia multifatorial, a síndrome dolorosa fêmoro-patelar (SDPF) acomete de 7 a 15% da população, em sua maioria jovens, adultos e ativos. Causa dor difusa anterior ou retropatelar e é exacerbada durante atividades funcionais, como subir e descer degraus, permanecer por um período prolongado sentado, agachado ou ajoelhado (COWAN, BENNELL e HODGES, 2002). Tanto o processo de avaliação quanto a evolução do tratamento baseiam-se, fundamentalmente, no relato de dor feito pelo paciente e na incapacidade funcional. Diagnosticar corretamente o distúrbio possibilitaria um tratamento mais adequado e permitiria o acompanhamento do quadro evolutivo do paciente ao longo do tratamento proposto. Desta maneira, propôs-se a análise de alguns parâmetros biomecânicos para melhor caracterização destes indivíduos. 33 voluntárias - 11 com diagnóstico médico de dor fêmoro-patelar e 22 clinicamente normais - foram submetidas à avaliação por meio de eletromiografia de superfície das porções medial e lateral do quadríceps; análise tridimensional de movimento; e plataforma de força durante a subida de degraus. As voluntárias do grupo SDFP foram caracterizadas por um atraso no tempo de atividade máxima do músculo vasto medial em relação ao vasto lateral (4 ms), aumento da rotação externa do fêmur (3,14 graus) e menor variação global do torque (1,14 Nm), quando comparadas aos indivíduos do grupo controle. Os resultados obtidos complementam-se e ajudam a entender características de comportamento neuromotor em indivíduos com dor fêmoro-patelar. Conjuntamente, esses instrumentos apresentam grande potencial para a avaliação e classificação dos indivíduos com relação à síndrome. / From multifactorial etiology, patellofemoral pain syndrome (PFPS) affects 7 to 15% of the population, mostly young, adults and active people. It causes anterior or behind patella diffuse pain and is exacerbated during functional activities such as climbing and descending stairs or stay for a long time sitting, kneeling or crouching down (COWAN, BENNELL e HODGES, 2002). The evaluation process as much as the evolution of treatment is fundamentally based in the reporting of pain by the patient and the functional disability. Correct diagnostic of the disorder would allow a more appropriate treatment as well as to keep up with the patient evolution during the proposed treatment. Thus, it was proposed the biomechanical analysis of some parameters to better characterize these individuals. 33 female volunteers - 11 with medical diagnosis of patellofemoral pain and 22 clinically normal - were submitted to evaluation of surface electromyography of the medial and lateral portions of the quadriceps, three-dimensional motion analysis and force plate during the ascent of steps. The volunteers of the PFPS group were characterized by a delay in time of maximum activity of the vastus medialis muscle related to the vastus lateralis (4 ms), increased femoral external rotation (3.14 degrees) and less overall variation in the torque (1.14 Nm) when compared to individuals in the control group. The results complement each other and help to understand features of neuromotor behavior in individuals with patellofemoral pain. Together, these tools have great potential for assessment and classification of these individuals related to the syndrome.

Antecedendo movimentos voluntariamente gerados, existe atividade neuronal encefálica que se inicia alguns segundos antes da execução deste movimento. Esta atividade preparatória é responsável pela elaboração de um plano de execução que alcança a via final comum para realização de um ato motor voluntário, os motoneurônios. Entretanto, na última década, evidências apontam para a participação de circuitos neuronais na medula espinhal apresentando padrão de atividade similar aos padrões observados em áreas encefálicas e que, possivelmente, estaria relacionado a uma atividade preparatória para o movimento voluntariamente gerado. Por este motivo, o presente trabalho teve por objetivo verificar a atividade de circuitos neuronais na medula espinhal durante diferentes instantes de proximidade da ação voluntariamente gerada em paradigma de tarefa motora com período de instrução. Para isso, inicialmente, 15 sujeitos saudáveis, sem histórico de doença neuromuscular foram submetidos ao protocolo experimental. O protocolo experimental constituiu-se do processo de recrutamento dos sujeitos, sua preparação para o ensaio dentro do ambiente experimental, bem como as orientações necessárias para execução dos procedimentos e paradigmas. Os procedimentos referem-se às etapas realizadas para captação do reflexo H, bem como desta captação sob a influência de técnica de condicionamento por inibição pré-sináptica. Essa captação ocorreu em janelas de aquisição em que o sujeito encontrava-se em repouso e em três instantes de expectativa para a execução de ação voluntária, estando o músculo sóleo atuando como agonista (flexão plantar) ou antagonista (dorsiflexão), em paradigma de tarefa motora voluntária com período de instrução. Após os registros, por meio de processamento dos sinais coletados, foi possível se calcular a amplitude pico-a-pico do reflexo H nas diferentes condições experimentais de proximidade da execução (1000, 600 e 200 milissegundos) e de atuação do músculo sóleo (agonista e antagonista) que foi usado para: (1) análise da variação da excitabilidade reflexa, em porcentagem da onda M máxima, (2) análise da ocorrência de inibição pré-sináptica e (3) análise da variação da inibição pré-sináptica, em porcentagem de inibição. Os resultados mostram que a porcentagem da onda M máxima aumentou significativamente nos três instantes de proximidade com os sujeitos estando em expectativa da execução da tarefa motora quando o músculo sóleo atuaria como agonista da contração, quando comparados com os registros obtidos nas mesmas condições em repouso. Contudo, somente a 200 ms da execução é que foi observado aumento da porcentagem da onda M máxima quando o músculo sóleo atuaria como antagonista. Inibição pré-sináptica ocorreu em todas as condições experimentais, contudo aumento significativo da porcentagem de inibição pré-sináptica foi somente observado a 200 ms da execução da tarefa motora em que o músculo sóleo atuaria como antagonista. Diferenças entre agonista e antagonista com relação ao padrão de excitabilidade reflexa foi somente observado a 600 ms de proximidade da execução da tarefa e essas diferenças com relação à porcentagem de inibição pré-sináptica foi somente detectada a 200 ms. Nossos resultados nos permitem concluir que circuitos neuronais na medula espinhal apresentam atividade no período preparatório para a execução de tarefa motora voluntária que podem estar relacionadas ao comportamento de expectativa da realização de uma ação motora eminente, bem como relacionada ao planejamento motor para a ação a longa proximidade da execução de movimentos. / There is brain activity preceding voluntary movements a few seconds before the execution of the movement. This preparatory activity is responsible for the execution plan that reaches the final common pathway, i.e., the motoneurons. In the last decade, there have been reports indicating the involvement of spinal cord circuits in the preparatory activity for movement. The present work has the objective of verifying the activity of spinal cord neuronal circuits at different times preceding a voluntary action, under an instructed delay period paradigm. Fifteen healthy subjects participated in the study. The protocol included an explanation of the experimental tasks. Electrophysiological recordings of the H reflex with and without presynaptic inhibition conditioning were employed. The epochs of H reflex recording were associated either with a resting period or with one of three pre-action periods. The subject received a cue at an appropriate time about the type of contraction: plantarflexion or dorsiflexion. Peak to peak H reflex values were computed in the control resting period and at 1000 ms, 600 ms and 200 ms before the action. Percent values of H amplitude with respect to maximum M values were computed as well as the level of presynaptic inhibition. The results have shown that the relative H reflex value increased significantly at the three premovement times for the soleus under an agonist contraction (i.e., plantarflexion) when compared to control. However, when the soleus was an antagonist to the contraction (i.e., dorsiflexion) there was a statistical difference in the H amplitude only at 200 ms before movement. Presynaptic inhibition occurred in all experimental conditions, however only at 200 ms before contraction there was a significant increase. Differences in reflex excitability between agonist and antagonist activity were only observed at 600 ms before action. On the other hand, differences in presynaptic inhibition were only found at 200 ms before contraction. The results indicated that spinal cord neuronal circuits are activated during the preparatory period preceding a voluntary action. These may be correlated with an expectancy behavior for the execution of an imminent motor action and also with the planning of a motor action at larger times preceding movement execution.

Qualquer tarefa motora ativa se dá pela ativação de uma população de unidades motoras. Porém, devido a diversas dificuldades, tanto técnicas quanto éticas, não é possível medir a entrada sináptica dos motoneurônios em humanos. Por essas razões, o uso de modelos computacionais realistas de um núcleo de motoneurônios e as suas respectivas fibras musculares tem um importante papel no estudo do controle humano dos músculos. Entretanto, tais modelos são complexos e uma análise matemática é difícil. Neste texto é apresentada uma abordagem baseada em identificação de sistemas de um modelo realista de um núcleo de unidades motoras, com o objetivo de obter um modelo mais simples capaz de representar a transdução das entradas do núcleo de unidades motoras na força do músculo associado ao núcleo. A identificação de sistemas foi baseada em um algoritmo de mínimos quadrados ortogonal para achar um modelo NARMAX, sendo que a entrada considerada foi a condutância sináptica excitatória dendrítica total dos motoneurônios e a saída foi a força dos músculos produzida pelo núcleo de unidades motoras. O modelo identificado reproduziu o comportamento médio da saída do modelo computacional realista, mesmo para pares de sinal de entrada-saída não usados durante o processo de identificação do modelo, como sinais de força muscular modulados senoidalmente. Funções de resposta em frequência generalizada do núcleo de motoneurônios foram obtidas do modelo NARMAX, e levaram a que se inferisse que oscilações corticais na banda-beta (20 Hz) podem influenciar no controle da geração de força pela medula espinhal, comportamento do núcleo de motoneurônios até então desconhecido. / Any active motor task is accomplished by the activation of a motor unit population. However, due to many ethical and technical difficulties the synaptic input to the motoneurons cannot be measured in humans. For these reasons realistic computational models of a motoneuron nucleus and the innervated muscle fibers have an important role in the study of the human control of muscles. However such models are complex and their mathematical analysis is difficult. In this text a system identification approach of a realistic motor unit nucleus model is presented with the objective of obtaining a simpler model capable of representing the transduction of the motor unit nucleus inputs into the muscle force signal associated to that nucleus. The system identification was based on an orthogonal least squares algorithm to find a NARMAX model, the input being the net dendritic excitatory synaptic conductance of the motoneurons and the output being the muscle force signal produced by the motor unit nucleus. The identified model output reproduced the mean behavior of the output from the realistic computational model even for input-output signal pairs not used during the identification process, such as sinusoidally modulated output muscle force signals. Generalized frequency response functions of the motoneuron nucleus were obtained from the identified NARMAX model, and led to an inference that cortical oscillations in the beta band (20 Hz) can affect force control by the spinal cord, an unknown motoneuron nucleus behavior until now.

Human machine interface has been a growing field of scientific research for the last years. Conventional robots have been conceived as rigid metallic structures and, when metal meets human tissue, it is necessary to break the mindset in order to achieve better interaction. Exoskeletons, often called wearable robots, shares the same challenges with applications ranging from industry, to military, medicine and entertainment. This work introduces a systematic design of a development platform for exoskeleton research supported by Requirement Engineering and implemented through prototyping. The dynamics of the human joint and the robotic joint are modelled with different couplings between them. A Model Reference Adaptive Control is proposed as a solution for exoskeleton control and simulations indicate that it is capable of estimating human joint parameters in real time. The Model Reference controller is implemented, with successful modulation of the robotic joint apparent impedance. From a practical perspective, we present the design and construction of an experimental workbench and the use of an on-line repository for the control software development. The on-line repository results in a viable way for collaborative project management, software versioning and scientific contribution. The experimental workbench which was designed to meet the stakeholders needs - the university, patients and therapists - being of modular application, easy to operate and relatively low cost, can be used to conduct motor control experiments and rehabilitation tasks. / Interface homem e máquina tem sido um campo crescente de pesquisa científica nos últimos anos. Robôs convencionais têm sido concebidos como estruturas metálicas rígidas que, quando em contato com o tecido humano, faz necessário romper com o modo de pensar corrente para atingir uma melhor interação. Exoesqueletos, chamados também de robôs vestíveis, compartilham destes desafios e abrangem aplicação na indústria, militar, medicina e entretenimento. Este trabalho introduz uma abordagem sistemática, baseada em Engenharia de Requisitos e Prototipagem, para projeto de uma plataforma de desenvolvimento para pesquisa em exoesqueletos. A dinâmica da junta humana e da junta robótica são modeladas para diferentes acoplamentos entre si. O Controle Adaptativo por Modelo de Referência é proposto como uma solução para controle de exoesqueletos; simulações indicam ser capaz de estimar os parâmetros da junta humana em tempo real. O controlador por Modelo de Referência foi implementado, tendo sucesso na modulação da impedância aparente da junta robótica. De uma perspectiva mais prática, é apresentado o projeto e construção de uma bancada experimental e o uso de um repositório online para desenvolvimento do software de controle. O repositório on-line viabiliza gestão de projetos colaborativos, focado em versionamento de software e contribuição científica. A bancada experimental foi projetada para atender as necessidades de diferentes stakeholders - a universidade, os pacientes e terapeutas - sendo de aplicação modular, de fácil operação e relativo baixo custo, é capaz de conduzir experimentos de controle motor e tarefas de reabilitação.

Un modèle tridimensionnel du visage a été élaboré, dans la perspective de contribuer à l'étude de questions importantes sur le contrôle moteur de la production de la parole. Ce modèle est construit sur un maillage constitué d'éléments hexahédraux et de clavettes, qui comporte 3 couches distinctes et est symétrique par rapport au plan medio-sagittal. Les muscles faciaux sont représentés dans le maillage par un sous-ensemble d'éléments contigus. Les propriétés élastiques des éléments du maillage sont décrites par une loi de comportement de type isotrope quasi incompressible et hyperélastique. Dans une première phase de ce travail, pour étudier les conséquences globales de l'activation des muscles oro-faciaux sur les mimiques faciales et les gestes labiaux, et plus particulièrement sur les gestes labiaux en parole, un modèle linéaire de muscle a été élaboré. L'influence des variations de la raideur des tissus mous sur les gestes faciaux a été étudiée. En effet, l'activation des muscles entraîne un raidissement des tissus mous musculaires concernés. Cet effet est pris en compte dans le modèle de muscle par un changement de la loi de comportement hyperélastique avec l'activation musculaire. Une attention particulière a été portée dans cette étude à la production du geste de protrusion/arrondissement des lèvres qui est un geste fondamental dans la production des voyelles arrondies, en particulier en Français. Nous montrons que le raidissement des tissus mous musculaires facilite la production précise de ce geste grâce à l'existence d'un effet de saturation dans la relation entre les activations musculaires et les paramètres géométriques des lèvres qui sont pertinents acoustiquement. Ce résultat souligne l'importance des propriétés dynamiques des articulateurs dans la production des gestes de la parole, et il nous a incités à améliorer encore la modélisation de la source principale de force en production de la parole, c'est-à-dire les muscles. C'est pourquoi, un modèle de muscles plus réaliste a été élaboré qui se fonde sur une loi de comportement transversalement isotrope quasi incompressible et hyperélastique et sur un modèle de muscle de type Hill. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel éléments finis ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERMAT. La prise en compte supplémentaire d'une loi caractéristique force-vitesse a permis la modélisation complète d'un modèle de muscle de type Hill. Ceci a été fait sous ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERELEM. Cette loi caractéristique force-vitesse introduit un effet d'amortissement dans le mouvement du muscle du fait d'une atténuation croissante de la force musculaire lorsque la vitesse de compression du muscle augmente. Ce nouvel élément de type muscle a été conçu de manière telle qu'il est possible d'implémenter d'autres modèles de muscles que le modèle de type Hill. C'est pourquoi nous avons aussi implémenté le modèle de Feldman, qui a été utilisé de manière importante à Gipsa-lab dans les dernières années. L'intégration du modèle de Feldman dans une structure à éléments finis a nécessité une reformulation de façon à le rendre compatible avec une modélisation distribuée. Les modèles de Hill et de Feldman ont ensuite été incorporés dans le modèle de visage pour remplacer le modèle linéaire initial. Dans ces conditions les premières simulations du geste de protrusion/arrondissement labial ont donné des résultats réalistes. Finalement une comparaison des résultats obtenus avec le modèle de Hill avec ceux qui génère le modèle de Feldman montrent que les formes labiales finales sont très similaires pour les deux modèles. / Un modèle tridimensionnel du visage a été élaboré, dans la perspective de contribuer à l'étude de questions importantes sur le contrôle moteur de la production de la parole. Ce modèle est construit sur un maillage constitué d'éléments hexahédraux et de clavettes, qui comporte 3 couches distinctes et est symétrique par rapport au plan medio-sagittal. Les muscles faciaux sont représentés dans le maillage par un sous-ensemble d'éléments contigus. Les propriétés élastiques des éléments du maillage sont décrites par une loi de comportement de type isotrope quasi incompressible et hyperélastique. Dans une première phase de ce travail, pour étudier les conséquences globales de l'activation des muscles oro-faciaux sur les mimiques faciales et les gestes labiaux, et plus particulièrement sur les gestes labiaux en parole, un modèle linéaire de muscle a été élaboré. L'influence des variations de la raideur des tissus mous sur les gestes faciaux a été étudiée. En effet, l'activation des muscles entraîne un raidissement des tissus mous musculaires concernés. Cet effet est pris en compte dans le modèle de muscle par un changement de la loi de comportement hyperélastique avec l'activation musculaire. Une attention particulière a été portée dans cette étude à la production du geste de protrusion/arrondissement des lèvres qui est un geste fondamental dans la production des voyelles arrondies, en particulier en Français. Nous montrons que le raidissement des tissus mous musculaires facilite la production précise de ce geste grâce à l'existence d'un effet de saturation dans la relation entre les activations musculaires et les paramètres géométriques des lèvres qui sont pertinents acoustiquement. Ce résultat souligne l'importance des propriétés dynamiques des articulateurs dans la production des gestes de la parole, et il nous a incités à améliorer encore la modélisation de la source principale de force en production de la parole, c'est-à-dire les muscles. C'est pourquoi, un modèle de muscles plus réaliste a été élaboré qui se fonde sur une loi de comportement transversalement isotrope quasi incompressible et hyperélastique et sur un modèle de muscle de type Hill. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel éléments finis ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERMAT. La prise en compte supplémentaire d'une loi caractéristique force-vitesse a permis la modélisation complète d'un modèle de muscle de type Hill. Ceci a été fait sous ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERELEM. Cette loi caractéristique force-vitesse introduit un effet d'amortissement dans le mouvement du muscle du fait d'une atténuation croissante de la force musculaire lorsque la vitesse de compression du muscle augmente. Ce nouvel élément de type muscle a été conçu de manière telle qu'il est possible d'implémenter d'autres modèles de muscles que le modèle de type Hill. C'est pourquoi nous avons aussi implémenté le modèle de Feldman, qui a été utilisé de manière importante à Gipsa-lab dans les dernières années. L'intégration du modèle de Feldman dans une structure à éléments finis a nécessité une reformulation de façon à le rendre compatible avec une modélisation distribuée. Les modèles de Hill et de Feldman ont ensuite été incorporés dans le modèle de visage pour remplacer le modèle linéaire initial. Dans ces conditions les premières simulations du geste de protrusion/arrondissement labial ont donné des résultats réalistes. Finalement une comparaison des résultats obtenus avec le modèle de Hill avec ceux qui génère le modèle de Feldman montrent que les formes labiales finales sont très similaires pour les deux modèles.

Conception et validation d’un nouvel outil d’évaluation de la stabilité posturale en position érigée(SAP3D : Système d’Analyse Postural 3D)La stabilité posturale en position debout est la capacité d'un sujet à maintenir un état d'équilibre ou à le retrouver en cas de perturbation. De nombreux organes sont mis à contribution par le système nerveux central afin d'aider l'organisme à maintenir sa stabilité. L'atteinte d'une ou plusieurs de ces structures (suite à un traumatisme, une pathologie, ou tout simplement du fait du vieillissement) modifie le comportement du sujet et altèrent sa capacité à maintenir sa stabilité. Les outils d’évaluation posturale actuels reposent essentiellement sur des mesures du centre des pressions et/ou du centre de masse, négligeant le comportement postural inter-segmentaire : les outils capables de les prendre en compte sont souvent inaccessibles, car complexes et coûteux. Le SAP3D a été développé comme un nouvel outil d’évaluation de la stabilité posturale, il permet une reconstruction tridimensionnelle multi-segmentaire et du centre de masse à partir d’une seule caméra bon marché. La validation du SAP3D comparativement à un système de référence optoélectronique met en évidence une excellente corrélation et un faible résidu moyen entre les deux systèmes. En situation clinique, le SAP3D confirme que les mécanismes de stabilisation posturale sont i) moins efficaces en condition yeux fermés ; ii) influencés négativement par le vieillissement ; iii) influencés positivement par la pratique régulière d’une activité telle que de la danse, au moins chez les jeunes femmes ; iv) altérés par plusieurs antécédents traumatiques et/ou pathologiques. Bien que des améliorations techniques soient envisagées, le SAP3D constitue une alternative clinique fiable, rapide, accessible et peu coûteuse aux systèmes d'analyse posturographique existants.Mots-clés : équilibre ; contrôle moteur ; analyse cinématique ; centre de masse ; personnes âgées ; vieillissement ; danse ; faible coût / Design and validation of a new tool for assessing postural stability in quiet standing(SAP3D: 3D Postural Analysis System)Postural stability in quiet standing is a subject’s ability to maintain its balance or to regain it after a perturbation. Multiple organs contribute to ensure postural stability, under a regulation ensured by the central nervous system. The alteration of one or several of these organs (following a trauma, a pathology or simply due to ageing) modifies the subject’s behavior and its ability to maintain stability. Current systems for postural evaluation rely mostly on center of pressure and/or center of mass assessment, disregarding the intersegmental postural behavior: such measurements are possible, but most tools are complex and expensive. The SAP3D system was developed as a new tool for postural stability assessment, allowing for center of mass and multi-segmental three dimensional modeling based on a single inexpensive camera. Validation of the SAP3D system compared to a standard optoelectronic system shows excellent agreement and a satisfyingly low average residue between the two systems. In a clinical setup, the SAP3D system confirms that postural steadiness mechanisms are i) less efficient with eyes closed than eyes opened; ii) negatively affected by ageing; iii) positively affected by regular practice of an activity such as dancing, at least for young women; iv) altered in pathological or injured patients. Although many technical improvements are being considered, the SAP3D system is a reliable, quick, accessible and low-cost clinical alternative to the existing systems for postural evaluation.Keywords: balance; steadiness; motor control; kinematics; center of mass; elderly; ageing; dance; low-cost

L'émergence Troubles Musculo-Squelettiques (TMS) en industrie constitue un véritable fléau ayant de lourdes conséquences socio-économique en France. Afin de réduire la pénibilité au travail et les risques TMS, les industriels s'engagent dans une politique de réaménagement des postes de travail par la mise en œuvre de moyens robotisés d'assistance aux opérateurs. Dans cette politique de prévention, le groupe PSA Peugeot Citroën aspire à utiliser des cobots et des exosquelettes comme dispositifs d'assistance pour améliorer les conditions de travail des opérateurs. Mais pour mettre en œuvre ces types de robot en usine, il est nécessaire de quantifier leurs apports ergonomiques. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, dont l'objectif est de proposer une méthode d'évaluation de robots collaboratifs visant à être mis en œuvre dans les usines PSA Peugeot Citroën. Dans le cadre de ces travaux, nous avons utilisé l'exosquelette mono-bras droit ABLE, conçu par le CEA-LIST. A partir d'une analyse biomécanique d'une tâche de manipulation humaine, nous avons pu évaluer l'apport de l'exosquelette en termes de réduction de charge physique de l'utilisateur. Aussi avons-nous proposé dans ces travaux d'analyser les mécanismes neuromusculaires résultants du mouvement effectué en interaction avec l'exosquelette. Sur la base de la théorie du contrôle moteur humain et en utilisant une méthode d'optimisation inverse, les fonctions objectifs telles que jerk, le couple articulaire, ou l'énergie, caractérisant la tâche de manipulation humaine en termes d'efforts, de cinématique et de temps d'exécution, ont été identifiées. Cette meilleure compréhension du mouvement du membre supérieur humain a permis ensuite de revenir sur la conception de l'exosquelette afin de proposer une stratégie de commande optimisée à l'exécution de tâches de travail en environnement industriel. / The emergence of Musculo-Squelettal Disorders (MSD) in the industry is a real blight, having major socioeconomic consequences in France. In order to reduce work painfulness and MSD risks, some industries are committing to modifying workstations by assisting operators with robotic devices. Following this MSD prevention policy, PSA Peugeot Citroen aims to use cobots or exoskeletons as assistive devices to improve workers conditions. However, implementing this type of robot in factories requires quantifying their ergonomic benefit. In this context, the objective of this thesis is to develop a method to assess collaborative robot that are intended to be used in PSA Peugeot Citroen factories. In this framework, the right mono-arm ABLE exoskeleton, designed by the CEA-LIST has been used. With a biomechanical analysis of an industrial manipulation task, we have been able to assess the benefit of the exoskeleton in terms of physical load reduction. We also proposed in this work to assess neuromuscular mechanisms underlying the industrial task performed in interaction with the exoskeleton. On the basis of the human motor control theory and using an inverse optimisation method, objectives functions such as jerk, joint torque or energy that characterize the human manipulation task in terms of efforts, kinematics and execution time, have been identified. This improved understanding of human upper limb movements then allowed reviewing the exoskeleton design in order to propose an optimal command strategy adapted to the execution of industrial tasks.

O estudo do controle neurofisiológico do movimento tem sido realizado sob várias perspectivas. Experimentos com seres humanos são realizados durante a execução de uma dada tarefa motora e, frequentemente, mediante a aplicação de estímulos externos (elétrico, magnético ou mecânico) ao sistema neuromuscular. Estes experimentos fornecem uma grande quantidade de dados referentes ao funcionamento das redes neuronais e dos atuadores biomecânicos envolvidos nos procedimentos. Entretanto, alguns achados experimentais permanecem incompreensíveis, requerendo a utilização de outros recursos para elucidar quais mecanismos estão por trás dos resultados. Neste sentido, a modelagem matemática e a simulação computacional servem como parte importante destas ferramentas que são imprescindíveis para uma melhor compreensão dos mecanismos neurofisiológicos e biomecânicos por trás do controle do movimento. A presente tese de doutorado teve como objetivo prover um modelo neuromusculoesquelético biologicamente plausível capaz de investigar diferentes mecanismos responsáveis pelo controle do torque gerado na articulação do tornozelo. Este modelo teve como base um modelo neuromuscular previamente proposto, porém, que não incorporava uma série de elementos fundamentais para um estudo mais amplo do sistema motor. O novo modelo proposto contempla modelos de motoneurônios com dendritos ativos, proprioceptores musculares responsáveis pelas vias reflexas de curta e média latência, modelos que representam as características viscoelásticas dos músculos e um modelo biomecânico do ser humano durante a postura ereta quieta. O modelo foi aplicado a diferentes problemas relacionados ao funcionamento do sistema neuromusculoesquelético, que são tipicamente explorados por experimentos com seres humanos, e forneceu bases teóricas importantes para estes achados. / The neurophysiological control of movement has been studied from several standpoints. Human experiments are performed during the execution of a given motor task and, frequently, by applying an external stimulation (electrical, magnetic, or mechanical) to the neuromuscular system. These experiments provide a large amount of data concerning the functioning of the neuronal networks and biomechanical actuators involved in the procedures. Nonetheless, some experimental findings remain puzzling, so that other available resources should be used to clarify what mechanisms are behind these results. In this vein, the mathematical modeling and computer simulations are invaluable tools that may be used to better understand the neurophysiological and biomechanical mechanisms underlying the motor control. The present PhD thesis aimed at providing a biologically plausible neuromusculoskeletal model that was used to study different mechanisms involved in the control of the ankle joint torque. This model was based on a previous neuromuscular model, which did not employ several elements that are fundamental to a comprehensive evaluation of the motor system. The novel proposed model encompasses motor neuron models with active dendrites, muscle proprioceptors responsible for the short- and medium-latency reflex pathways, muscle models with the main viscoelastic features, and a biomechanical model of the human body during upright stance. It was applied to a series of problems frequently related to the functioning of the neuromusculoskeletal system and its main outcomes provided important theoretical bases for a set of experimental findings.

Nous avons tous un corps, et seulement un corps. Grâce à lui, nous nous déplaçons dans l’espace, nous interagissons avec le monde extérieur et les autres individus qui l’habitent, nous percevons, bref, nous vivons. Il s’agit d’un objet unique et essentiel. Cependant, bien que nous ayons un seul corps, il en existe dans le cerveau plusieurs représentations. Peu d’accord existe en littérature sur le nombre de représentation, mais tout le monde concorde sur le fait qu’il en existe plus qu’une. Les modèles de la représentation corporelle sont basés sur une notion de séparation des fonctions, selon laquelle activités différentes requièrent différentes représentations. Au cours de ma thèse j’ai étudié une de ces représentations dont la fonction principale est de fournir une connaissance du corps utile à l’action. Cette représentation est nommée Schéma Corporel. En particulier, en utilisant une technique comportementale puissante telle que la cinématique, j’ai pu montrer, pour la première fois, que le Schéma Corporel est une représentation extrêmement plastique, capable d’intégrer des outils lorsqu’ils sont utilisés pour effectuer une action. Ensuite, j’ai pu décrire cette propriété plastique du Schéma Corporel en montrant quelles informations sensorielles sont nécessaires et quels aspects des outils sont intégrés dans la représentation du corps. Les résultats de mes études expérimentales, ainsi que mon travail de synthèse de la littérature, m’ont permis d’élaborer une définition opérative du Schéma Corporel et de sa plasticité / We all have a body : our own body and just one body. Through it, we move, we interact with the world and other persons, we perceive, basically we live. It’s a unique essential object. If it is true that we have only one physical body, we also have many representations of it in the brain. There is little agreement about the exact number of body representations in the brain, but not on the fact that we have more than one. The multi-componential models of body representation are based on the notion, supported by scientific evidence that different activities demand and rely on specifically adapted representations. In my thesis, I studied one particular body representation that is used and involved in action planning and execution, i.e. the Body Schema. I have been able to describe and measure the plasticity of the Body Schema and its level of specificity in healthy individuals. In particular, using a tool-use paradigm, I showed that the Body Schema is quickly and efficiently updated once a change in the body configuration occurs. With a series of kinematic studies, I contributed unveiling the ingredients that rule the plasticity of the BS and the sensory information that is used to this purpose. As a result of my thesis, I suggest that a clearer definition and operational description of the Body Schema, as an action-devoted repertoire of effectors representations, is possible, particularly thanks to its plastic features