L'étude des systèmes mécaniques sous-actionnés est inspirée principalement de la structure du corps humain, ils admettent des degrés de liberté plus nombreux que les actionneurs. Une première contribution de cette thèse est l'élaboration de lois de commande directement basées sur les équations non linéaires conduisant à la garantie d'un domaine d'attraction quantifiable, ce qui n'est pas possible en général par le biais de modèles linéarisés. La commande de tels systèmes, lorsqu'on veut la mettre en pratique, se trouve confrontée à la présence inévitable de perturbations et de frottements. La présence de frottements sur les parties non actionnées ne satisfait pas la condition de recouvrement. On proposera ici une commande à structure variable dite quasi-homogène, permettant de forcer à zéro une sortie fictive permettant de découpler le système par rapport aux entrées de commande tout en garantissant la stabilité de la dynamique des zéros correspondante. On montre sur l'exemple du pendule inversé que la méthodologie proposée permet de diminuer l'effet des perturbations ne satisfaisant pas la condition de recouvrement.<br />La deuxième partie de cette thèse parle de techniques de différenciations qui sont de nature algébrique. On présentera des résultats expérimentaux de la commande d'un pendule inversé avec estimation algébrique des vitesses connaissant les positions respectives. Ensuite, nous proposerons une extension multidimensionnelle de ces techniques de dérivation, i.e. des techniques d'estimation des dérivées partielles d'une fonction multidimensionnelle. Ces techniques peuvent être appliquées en traitement d'image par exemple, ce que nous laisserons au titre de perspectives.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La neurophysiologie et la biomécanique constituent deux approches complémentaires à la compréhension globale de la régulation posturale. Le corps humain est considéré comme un système mécanique poly-articulé régulé par le système nerveux central. Ses entrées sont les couples articulaires et ses sorties les positions des segments corporels. Au vu des stratégies posturales employées en station debout, un modèle non linéaire en double pendule inversé est adopté. Il dépend de paramètres pouvant être estimés par des tables anthropométriques standards. Pour ajuster le modèle à un individu particulier, un recuit simulé est utilisé. Les couples articulaires sont classiquement estimés par des techniques de dynamique inverse sensibles aux incertitudes de mesure. Une méthode alternative issue du domaine de l'automatique, basée l'utilisation d'observateurs à entrées inconnues, est proposée. L'étude d'une classe d'observateurs flous de type Takagi-Sugeno basés sur une forme descripteur est proposée. Les conditions de convergence sont obtenues par une fonction de Lyapunov quadratique et peuvent être conservatives. Quatre approches, admettant une écriture sous la forme de problèmes LMI ou BMI, sont alors proposées afin de relâcher ces conditions. La mise en œuvre d'un observateur flou à entrées inconnues dans le cas de l'homme en station debout est proposée. Les résultats obtenus sont confrontés à ceux des différentes approches de la dynamique inverse. L'observateur flou semble mieux adapté à l'estimation des caractéristiques du mouvement en station debout. De plus son caractère temps réel est souligné et conduit à de nombreuses perspectives en rééducation.

Notre travail a porté principalement sur des aspects méthodologiques et sur des caractérisations expérimentales des techniques floues et neuronales, avec deux bancs d'essai: un pendule inversé et des fours industriels. Dans une première étape, nous avons travaillé sur des régulateurs flous de la première génération. Nous avons proposé une méthode pour minimiser les erreurs dues à la quantification lors des mises en œuvre avec table de décision. D'autre part, des études expérimentales ont permis d'expliquer l'amélioration de régulations floues par rapport à des régulations conventionnelles. Nous avons ainsi souligné les rôles, parfois bénéfiques, des non-linéarités liées aux interpolations ou aux saturations naturelles. Dans une deuxième étape, nous nous sommes intéressés aux structures de régulation neuronale directe, utilisant l'apprentissage spécialisé avec l'algorithme de rétropropagation. Nous avons développé une stratégie de régulation neuronale à régime glissant, automatiquement élaborée à partir d'une connaissance initiale très faible. Nous avons validé cette méthode avec des modèles simulés du pendule inversé et vérifié la possibilité de stabiliser le système réel. Dans une troisième étape, nous nous sommes penchés sur des améliorations de lois de régulation PID, par introduction de non linéarités significatives. Dans un premier temps, nous avons proposé deux méthodologies de réglage d'adaptateurs flous de PID (parfois appelés superviseurs flous), agissant à partir de la position dans le plan de phase. Une des méthodes de supervision inclut des garanties de stabilité. Dans un deuxième temps, nous avons mis en œuvre et amélioré une méthode d'auto-réglage d'un régulateur flou par un système flou, partant d'une loi de régulation floue initiale quasi-linéaire (résultant de l'application des règles d'équivalence). Des améliorations ont été apportées sur les fours par rapport à une régulation PID industrielle

La problématique du port de charges par l'Homme est l'objet de questionnements scientifiques depuis plus d'un siècle, notamment dans les armées où les soldats doivent remplir des objectifs opérationnels tout en emportant des équipements lourds, distribués de façon complexe autour de leur corps, et cela au cours d'efforts allant de quelques heures à plusieurs jours. Aussi, avec le développement des nouvelles technologies et l'arrivée des systèmes fantassins futurs sur le marché de la défense, cette problématique continue de se complexifier puisque la masse totale emportée tend encore à croître. Objectif général : Le but de ce travail de thèse était d'étudier l'impact biomécanique, métabolique et neuromusculaire du port d'un système fantassin moderne chez le soldat expérimenté. Plus précisément, une première recherche a été menée pour caractériser les effets aigus du port d'un tel équipement sur la biomécanique et le coût métabolique de la marche. Puis, une seconde recherche a été consacrée à l'étude des conséquences neuromusculaires et locomotrices d'une mission militaire (simulation sur le terrain) de durée " extrême " réalisée avec ce système fantassin moderne. Première partie : L'analyse de la marche sur tapis roulant dynamométrique a permis de montrer que le port du système fantassin en configurations de " combat " et de " marche d'approche " (principales configurations du théâtre militaire, représentant respectivement ~30 % et ~50 % de la masse corporelle des sujets) altérait le pattern spatio-temporel par rapport à la marche sans charge. Par ailleurs, le travail mécanique appliqué au centre de masse et le coût métabolique de la marche augmentaient parallèlement lors du port des deux configurations du système fantassin, ce qui résultait en un maintien du rendement locomoteur constant dans toutes les conditions testées. Le mécanisme de transfert d'énergie en pendule inversé (méthode Cavagna), permettant de minimiser les coûts mécanique et métabolique de transport, était également similaire dans toutes les conditions avec et sans charge. Enfin, bien que complexement organisés autour du corps du soldat, les équipements militaires n'induisaient pas d'effets mécaniques et métaboliques sensiblement plus importants que ceux rapportés lors du port de masses positionnées symétriquement autour de la taille ; ce mode de portage étant pourtant considéré comme l'un des plus optimisés, abstraction faite des techniques de portage sur la tête inadaptées au contexte militaire. Deuxième partie : La réalisation d'une mission simulée, incluant 21 h d'activités militaires sur le terrain et le port constant d'un système fantassin, résultait en une fatigue neuromusculaire (mesure des forces, électrostimulation et EMG) relativement modérée des muscles locomoteurs extenseurs du genou et fléchisseurs plantaires chez les soldats expérimentés inclus dans ce travail. Les origines de cette fatigue neuromusculaire étaient essentiellement périphériques, mais s'accompagnaient d'une fatigue subjective importante. Enfin, la réalisation de la mission, et donc la fatigue des muscles locomoteurs notamment associée à cette dernière, n'affectait pas sensiblement les paramètres mécaniques et métaboliques de la marche. Conclusion générale : Ce travail rapporte les premières données relatives aux effets biomécaniques, métaboliques et neuromusculaires du port d'un système fantassin moderne chez le soldat expérimenté, et ce par le biais d'une simulation opérationnelle visant à reproduire les conditions militaires

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La problématique du port de charges par l’Homme est l’objet de questionnements scientifiques depuis plus d’un siècle, notamment dans les armées où les soldats doivent remplir des objectifs opérationnels tout en emportant des équipements lourds, distribués de façon complexe autour de leur corps, et cela au cours d’efforts allant de quelques heures à plusieurs jours. Aussi, avec le développement des nouvelles technologies et l’arrivée des systèmes fantassins futurs sur le marché de la défense, cette problématique continue de se complexifier puisque la masse totale emportée tend encore à croître. Objectif général : Le but de ce travail de thèse était d’étudier l’impact biomécanique, métabolique et neuromusculaire du port d’un système fantassin moderne chez le soldat expérimenté. Plus précisément, une première recherche a été menée pour caractériser les effets aigus du port d’un tel équipement sur la biomécanique et le coût métabolique de la marche. Puis, une seconde recherche a été consacrée à l’étude des conséquences neuromusculaires et locomotrices d’une mission militaire (simulation sur le terrain) de durée « extrême » réalisée avec ce système fantassin moderne. Première partie : L’analyse de la marche sur tapis roulant dynamométrique a permis de montrer que le port du système fantassin en configurations de « combat » et de « marche d’approche » (principales configurations du théâtre militaire, représentant respectivement ~30 % et ~50 % de la masse corporelle des sujets) altérait le pattern spatio-temporel par rapport à la marche sans charge. Par ailleurs, le travail mécanique appliqué au centre de masse et le coût métabolique de la marche augmentaient parallèlement lors du port des deux configurations du système fantassin, ce qui résultait en un maintien du rendement locomoteur constant dans toutes les conditions testées. Le mécanisme de transfert d’énergie en pendule inversé (méthode Cavagna), permettant de minimiser les coûts mécanique et métabolique de transport, était également similaire dans toutes les conditions avec et sans charge. Enfin, bien que complexement organisés autour du corps du soldat, les équipements militaires n’induisaient pas d’effets mécaniques et métaboliques sensiblement plus importants que ceux rapportés lors du port de masses positionnées symétriquement autour de la taille ; ce mode de portage étant pourtant considéré comme l’un des plus optimisés, abstraction faite des techniques de portage sur la tête inadaptées au contexte militaire. Deuxième partie : La réalisation d’une mission simulée, incluant 21 h d’activités militaires sur le terrain et le port constant d’un système fantassin, résultait en une fatigue neuromusculaire (mesure des forces, électrostimulation et EMG) relativement modérée des muscles locomoteurs extenseurs du genou et fléchisseurs plantaires chez les soldats expérimentés inclus dans ce travail. Les origines de cette fatigue neuromusculaire étaient essentiellement périphériques, mais s’accompagnaient d’une fatigue subjective importante. Enfin, la réalisation de la mission, et donc la fatigue des muscles locomoteurs notamment associée à cette dernière, n’affectait pas sensiblement les paramètres mécaniques et métaboliques de la marche. Conclusion générale : Ce travail rapporte les premières données relatives aux effets biomécaniques, métaboliques et neuromusculaires du port d’un système fantassin moderne chez le soldat expérimenté, et ce par le biais d’une simulation opérationnelle visant à reproduire les conditions militaires / For more than a century, load carriage has been the source of many scientific questions and researches, especially in armies in which soldiers have to reach operational goals while carrying heavy loads complexly distributed around their body and this for some hours to several days. Moreover, with the development of new technologies and the advent of land warfare systems, this issue is becoming more complex since load continues to increase. General purpose: The aim of the present work was to investigate the biomechanical, metabolic and neuromuscular constraints imposed by the carriage of a modern land warfare system in experienced soldiers. Specifically, a first study was conducted to characterize the acute effects of land warfare equipments carriage on the biomechanics and energetics of walking. Moreover, a second research was performed to investigate the neuromuscular and locomotor consequences of an extreme-duration simulated military mission (performed in the field) involving the carriage of these specific equipments. First part: Walking analyses performed on an instrumented treadmill showed that the carriage of a land warfare system in two configurations made for “Battles” and “Road marches” (main configuration used in the field representing ~30% and ~50% of subject’s body mass, respectively) altered the walking pattern. Moreover, the mechanical work applied to the center of mass increased in parallel with the energy cost of walking during Battle and Road March configurations carriage, as shown by the constant locomotor efficiency in the three tested conditions. The inverted pendulum-like energy exchange (Cavagna’s standard method), allowing mechanical/metabolic energy saving, was also constant in all the unloaded and loaded conditions. Finally, even if the load was complexly distributed around soldiers’ body with this warfare system, this did not induce greater effects than those reported with loads carried symmetrically around the waist and close to the center of mass; which has yet been hypothesized to be the optimal method of load carriage from both mechanical and metabolic standpoints (except “original” methods such as head carrying that cannot be used in the military theater). Second part: Performing a 21-h simulated military mission with heavy land warfare system carriage induced relatively moderate neuromuscular alterations (isometric force measurement with electrical stimulation and EMG) for both knee extensors and plantar flexors locomotor muscle groups in experienced soldiers. Moreover, the origin of fatigue was essentially peripheral for both muscle groups but was concomitant with a large sensation of fatigue. Finally, the simulated mission, and notably the associated locomotor muscles fatigue, did not alter walking biomechanics and energetics. General conclusion: These results bring the first insight into the biomechanical, metabolic and neuromuscular consequences of modern land warfare system carriage in experienced soldiers, and this by a real-world approach aiming at simulating the military theater conditions