Η παρούσα διπλωματική εργασία περιλαμβάνει την πλήρη αυτοματοποίηση του τρόπου παραγωγής και διανομής των ηλεκτρικών παροχών στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Το πρώτο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας αφορά την περιγραφή του συστήματος παροχών του ΕΗΜΕ. Γίνεται περιγραφή του υπάρχοντος εξόπλισμου και εξετάξεται η δυνατότητά του να λειτουργήσει με PLC. Στην συνέχεια γίνεται περιγραφή της διαδικασίας προγραμματισμού του PLC και ο τρόπος που δομείται το εποπτικό περιβάλλον SCADA. Τέλος γίνεται ιδιαίτερη αναφορά σε κάποιες δυνατότητες που παρέχει το νέο πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα, όπως η δυνατότητα αυτόματου παραλληλισμού σύγχρονης μηχανής με το δίκτυο της ΔΕΗ και η διόρθωση τού συντελεστή ισχύος της εγκατάστασης. / The present diplomatic work includes the complete automation of way of production and distribution of Power supply in the Laboratory of electromechanis Transformation of Energy at the Department of Electricians of Engineers and Technology of Computers.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή κυκλώματος οδήγησης κινητήρα τύπου DC Brushless. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Η οδήγηση του κινητήρα τύπου DC Brushless γίνεται ηλεκτρονικά με τη χρήση τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι η κατασκευή του παραπάνω κυκλώματος. Ο κινητήρας τύπου DC Brushless είναι Σύγχρονος Κινητήρας Μόνιμου Μαγνήτη, επομένως το πρώτο που πραγματεύεται η διπλωματική εργασία είναι ο ορισμός κάποιων θεμελιωδών ιδιοτήτων του μαγνητικού πεδίου, και η μελέτη των χαρακτηριστικών των μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται σε αυτού του τύπου τις μηχανές. Στη συνέχεια μελετώνται οι Σύγχρονοι Κινητήρες Μόνιμου Μαγνήτη τραπεζοειδούς και ημιτονοειδούς παλμού ως προς τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά και την αρχή λειτουργίας τους. Παρατίθενται επίσης τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους σε σχέση με άλλους τύπους μηχανών και αναφέρονται κάποια πεδία στα οποία οι κινητήρες αυτοί βρίσκουν εφαρμογές. Ακόμα καταγράφονται λεπτομερώς οι μαθηματικές εξισώσεις λειτουργίας τους καθώς και η χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας. Στο επόμενο βήμα γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του μετατροπέα που κατασκευάστηκε καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων και στοιχείων που είναι αναγκαία για την λειτουργία του. Επιπροσθέτως, αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του μετατροπέα, που είναι η Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (PWM) και κατόπιν περιγράφεται αναλυτικά η κατασκευή και η υλοποίηση των παραπάνω κυκλωμάτων. Η παρούσα διπλωματική εργασία προχωράει με την περιγραφή των ιδιοτήτων του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε και την ανάλυση της παλμοδότησης του αντιστροφέα. Τέλος, ολοκληρώνεται με την παράθεση και το σχολιασμό των παλμογραφημάτων που προέκυψαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής . / This diploma thesis deals with the study, design and construction of a converter topology for a DC Brushless motor drives. The project was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of School of Engineerings, of University of Patras. Three-Phase DC Brushless motors are known to be controlled electronically using three-phase voltage inverter. Therefore, the aim of this paper is to construct this circuit. DC Brushless motors are Synchronous Permanent Magnet Motors so that the first thing we deal with in this diploma thesis is the definition of some fundamental properties of the magnetic field and the study of the characteristics of magnetic materials used in this type of motors. Then we examine the synchronous permanent magnet motors with trapezoidal and sinusoidal supply on the construction characteristics and the principle of operation. We also list some of their the advantages and disadvantages compared with other types of motors and mention some areas where these motors are finding application. We also record in detail the mathematical equations of operation and the torque-speed characteristics. The next step is a theoretical analysis of the circuit of the converter that was constructed and of all the other circuits and components necessary for its operation. Furthermore, we describe the method of pulse generation which is Pulse Width Modulation (PWM) and then we describe in detail the construction and implementation of these circuits. This essay goes on to analyze the properties of the microcontroller used and finally, it concludes with oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction.

Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να συζητηθούν και να παρουσιαστούν οι υπάρχουσες τεχνικές που εφαρμόζουν την στρατηγική δειγματοληψίας βασισμένη σε γεγονότα για την εκτίμηση της κατάστασης των γραμμικών συστημάτων και να αξιολογηθεί πώς αυτές οι μέθοδοι επηρεάζουν τη συνολική απόδοση του συστήματος. Όπως ήδη αναφέρθηκε, περιορισμοί στον ρυθμό δειγματοληψίας ανακύπτουν στα NCS λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου εύρους ζώνης. Αυτός ο περιορισμός στον αριθμό δειγμάτων επηρεάζει σαφώς το μέσο τετραγωνικό σφάλμα εκτίμησης, και η ερώτηση είναι πώς πρέπει να επιλέξουμε τις χρονικές στιγμές δειγματοληψίας προκειμένου να το ελαχιστοποιήσουμε. / The aim of this diploma thesis is to discuss and present existing techniques that apply event-triggered sampling to linear system state estimation, and to evaluate how these methods affect the overall performance of the system. As already mentioned, sampling rate constraints arise in NCS due to the limited bandwidth available. This restriction on the number of samples clearly affects the mean square estimation distortion error, and the question is how we should choose the sampling instants in order to minimize it.

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν ο έλεγχος ηλεκτροκινητήρων μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή. Προσεγγίσαμε το πρόβλημα με τρόπο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οποιοδήποτε τύπο συστήματος αρχίζοντας από το μηδέν και πραγματοποιώντας συγκεκριμένα βήματα. Αρχικά ορίσαμε το πρόβλημά μας ορμώμενοι από πρακτικές εφαρμογές που έχουν ανάγκη την επίτευξη του συγκεκριμένου έλεγχου που αφορά τους DC ηλεκτροκινητήρες. Επιλέξαμε ένα σύστημα ηλεκτροκινητήρων το οποίο προσομοιώνει επαρκώς το πρόβλημά μας, δηλαδή τόσο τον υπό έλεγχο ηλεκτροκινητήρα όσο και την διάταξη προσομοίωσης συνθηκών φορτίου. Στη συνέχεια μελετήσαμε το θεωρητικό υπόβαθρο γύρω από τη λειτουργία των DC κινητήρων αναλύοντας τόσο τα δομικά τους στοιχεία όσο και τη συμπεριφορά τους. Κατόπιν, επικεντρωθήκαμε στην πειραματική διάταξη κάνοντας μια αναλυτική και εκτενή περιγραφή των παραμέτρων της, του τρόπου λειτουργίας των στοιχείων της και του επιτρεπτού τρόπου λειτουργίας. Σύμφωνα με αυτά επιλέξαμε κατάλληλη διάταξη επικοινωνίας με τον υπολογιστή συνοδευόμενη από λογισμικό που θα μας επιτρέψει τον προγραμματισμό του ελέγχου της διεργασίας. Η κάρτα που επιτελεί αυτή τη διεργασία επιλέχθηκε με βάση τον αριθμό και το είδος εισόδων / εξόδων, τον μέγιστο ρυθμό δειγματοληψίας και τα δυνατά όρια λειτουργίας DC τάσης. Ακολούθησε θεωρητική περιγραφή του συστήματος και μοντελοποίηση των παραμέτρων του στο πεδίο Laplace και πήραμε μια θεωρητική απόκριση βασισμένη στις τιμές των προδιαγραφών που ορίζει ο κατασκευαστής για να δούμε μια πρώτη εικόνα του τι είδους σύστημα θα αντιμετωπίσουμε. Στη συνέχεια αναλύσαμε τη θεωρία αναγνώρισης βασισμένη στο γραμμικό πολυωνυμικό μοντέλο, καθώς και την επιλογή του αλγορίθμου αναγνώρισης που θα χρησιμοποιήσουμε και ορίσαμε τη μορφή και τάξη του μοντέλου που περιγράφει το σύστημα επαρκώς σύμφωνα. Κατασκευάσαμε το πρόγραμμα που καταγράφει την απόκριση ανοικτού βρόχου του συστήματος και με διαδοχικές πειραματικές μετρήσεις αναλύσαμε γραφικά τη συμπεριφορά του συστήματος, κάναμε παραδοχές, απλοποιήσεις και ορίσαμε τα γραμμικά όρια λειτουργίας. Τα παραπάνω συνετέλεσαν στην ομαλή διεξαγωγή καταγραφής της απόκρισης της εξόδου σε τυχαία είσοδο ώστε ο αλγόριθμος ARX να υπολογίσει το βέλτιστο προσεγγιστικό μοντέλο το οποίο στη 94 συνέχεια απλοποιήσαμε σε τάξη και προσαρμόσαμε ώστε να έχει όσο το δυνατόν πιο όμοια συμπεριφορά με το πραγματικό σύστημα. Η γνώση της προσεγγιστικής συνάρτησης μεταφοράς του συστήματος μας βοήθησε στο να επιλέξουμε το είδος ελέγχου που θα επιβάλλουμε στο σύστημα. Υλοποιήσαμε λοιπόν τον PI ελεγκτή και αναλύσαμε τη συμπεριφορά του πειραματικά για ένα συγκεκριμένο χρόνο δειγματοληψίας που είναι συνήθης να χρησιμοποιείται. Αφού βρήκαμε τις καλύτερες δυνατές τιμές των παραμέτρων του καταφέραμε όσο το δυνατόν καλύτερα τον έλεγχο του συστήματος για δεδομένο ρυθμό δειγματοληψίας. Τέλος, εξαντλήσαμε τις δυνατότητες που προσφέρει ο υπολογιστής και παραθέσαμε τη βελτιωμένη λειτουργία του ελεγκτή με πολύ μεγαλύτερο ρυθμό δειγματοληψίας κατά την οποία ορίσαμε εκ νέου τις βέλτιστες τιμές των παραμέτρων του. Το αποτέλεσμα είναι εκπληκτική ακρίβεια και επιτυχία στην επιτέλεση της επιθυμητής διεργασίας (tracking) από το σύστημα. Σκέψεις για την περεταίρω συνέχιση της εργασίας είναι ο έλεγχος AC κινητήρων με παρόμοια μέθοδο καθώς και η επιβολή διαφορετικού τύπου ελέγχου στο συγκεκριμένο σύστημα (fuzzy control, robust control). Αυτό μπορεί να γίνει πολύ εύκολα εφόσον το σύστημα είναι πλήρως αναγνωρισμένο από τη συνολική διαδικασία του κεφαλαίου 3 απλά αντικαθιστώντας τον ελεγκτή PI από διαφορετικό μέσω στοιχειώδους προγραμματισμού στο Labview. Στην εργασία αυτή αναλύθηκε ένα είδος ελέγχου αντιπροσωπευτικά αφού το μεγαλύτερο βάρος ενός τέτοιου προβλήματος, πέραν της φυσικής περιγραφής του συστήματος, αφορά πρωτίστως την αναγνώρισή του και τον πλήρη ορισμό του ως μαθηματικό μοντέλο. / This project is about DC motor control throught PID control. The control unit is programmed on Labview 8.5 and thus implemented by a PC unit. This project also contains identification theory based on ARX algorithm.

Οι σύγχρονες αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις καθώς και η αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος είναι οι κύριοι λόγοι που κάνουν τα αιολικά συστήματα να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο στη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αιολικά συστήματα αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου. Ανάλογα με την τεχνολογία που εφαρμόζουν χωρίζονται σε επιμέρους κατηγορίες. Στη παρούσα εργασία θα μελετήσουμε ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΜΜΜ). Η απήχηση της ΣΜΜΜ στα αιολικά συστήματα διαρκώς αυξάνει. Αυτό οφείλεται κυρίως στην απουσία κιβωτίου ταχυτήτων, δακτυλιοφόρου δρομέα και εξωτερικής διεγέρσεως, που προσφέρουν οι μηχανές αυτές. Πράγμα που σημαίνει αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση. Στην εργασία αυτή θα μοντελοποιήσουμε και θα προσομοιώσουμε, σε περιβάλλον Matlab/Simulink, το αιολικό σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Στο σύστημα αυτό θα εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου που μεγιστοποιεί την παραγόμενη ενέργεια ρυθμίζοντας κατάλληλα τις στροφές της μηχανής. Τέλος, θα παραθέσουμε τα αποτελέσματα μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και θα εξάγουμε ορισμένα συμπεράσματα. / Today’s increased energy needs and the increasing environmental pollution are the main reasons which make wind systems more usable in electric energy production. Wind systems use the kinetic energy of the wind. Depending on the technology they apply, they are divided into certain categories. In the present project we will study a varying speed wind system which uses a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The popularity of the PMSG in wind systems is continuously increasing. This is mainly due to the absence of gear box, wound rotor and external excitation which offer such machines. This means increased reliability and efficiency. In this project we will model and simulate, in Matlab/Simulink environment, the wind system described above. In this system we will apply a control strategy which maximizes the produced energy by regulating appropriately the speed of the machine. Finally, we will demonstrate the results among with a brief comment and we will extract some conclusions.

Le geste médical assisté par ordinateur en salle d'opération n'a pas cessé de progresser lors de ladernière décennie. Ce phénomène est lié à l'évolution des techniques de chirurgie et notamment àl'apparition des techniques dites mini-invasives. Cette pratique bien que révolutionnaire car ellepermet de diminuer les risques d'infection a introduit de nombreux problèmes. En effet, lechirurgien est limité dans ses gestes à cause de la restriction de mouvement imposée par les trocarts.De ce fait, la communauté robotique s'est assez rapidement intéressée aux problématiques deschirurgiens afin de développer des dispositifs robotisés adaptés. Un des grands thèmes étudié estcelui de la téléopération. Cette dernière consiste à utiliser deux dispositifs robotisés communémentappelés: maître et esclave. Dans le contexte médical, le robot maître est manoeuvré par le chirurgienet le robot esclave est au contact de l'organe à opérer. La première génération de ces systèmes nepermettait pas au chirurgien de ressentir les efforts qu'il exerçait sur les organes du patient. Unedeuxième génération de dispositifs est apparue en introduisant le retour d'efforts. Au delà desproblèmes de stabilité et de commande rencontrés, de tels systèmes permettent de réduire lesimperfections du geste humain ou d'en augmenter les capacités. Une des gênes constatées par leschirurgiens lors de l'utilisation de tels systèmes est le mouvement physiologique des organes àopérer.Cette thèse s'est principalement focalisée sur le thème de la compensation des mouvementsphysiologiques dans le cadre de la téléopération avec retour d'efforts. L'objectif étant de démontrerqu'il est possible pour le chirurgien de téléopérer un organe soumis à des mouvementsphysiologiques, et notamment le mouvement respiratoire, sans qu'il ne ressente cette perturbation.[...] / Computer aided medical gesture kept increasing during the last decade. This phenomenon is linkedto the evolution of surgical technique and specially the use of minimally invasive surgery. Thisrevolutionary technique allows reducing infection risks but introduces new problems. Indeed, thesurgeon has limited motion capability because the use of trocars. Therefore, robotics communityinterest has kept growing in order to develop specific robotized devices. One of the most currentstudied topics is teleoperation in which two robots are used: the master and the slave. In a medicalcontext, the master robot is manipulated by the surgeon and the slave robot is in contact with theoperated organ. The first generation of those systems did not allow the surgeon to feel how muchforce he applies on the patient. Then with the second generation, force-feedback was introduced.Even if this technique introduces new problems such as control and stability, it also allows medicalgesture improvements. One commonly cited problem is the physiological motion of organs forexample.This thesis mainly focuses on the subject of physiological motion compensation in the context ofmedical force feedback teleoperation. The aim is to prove that the surgeon is able to teleoperate anorgan submitted to a physiological motion, and especially respiratory motion, without feeling thisdisturbance.First of all, the choice of the teleoperation scheme is important. In the literature, many can be found.To simplify this study, a two communication channel scheme has been chosen. This means that onlyone information is sent from the master to the slave and another one from the slave to the master. Inorder to fulfill a task in the free space and in contact with the environment, and to compensate aforce disturbance, the force-position scheme is selected. In this case, the slave sends forceinformation and the master sends back position information.[...]

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes consacrés au développement d’un système robotique permettant de reproduire en laboratoire l’ensemble des perturbations subies par un sujet humain dans un transport en commun afin d’analyser et de comprendre le mécanisme de son équilibre postural. La reproduction en laboratoire des perturbations nécessitent la conception d’une plateforme dynamique non contrainte dans son déplacement. L’analyse de l’équilibre humain nécessite également le développement d’un modèle du pendule inversé de l’homme afin de définir des indices quantitatifs d’équilibre et de procéder à des analyses statistiques et comparatives. Grâce aux objectifs fixés par ce travail de recherche, nous avons réalisé une plateforme mobile omnidirectionnelle compacte pouvant supporter un sujet pesant 120kg. Cette plateforme confère au sujet placé dessus une meilleure perception de confort et de sécurité. Ses performances en termes de poursuite de trajectoire et de commande des accélérations ont été effectuées et évaluées. Ces performances sont très satisfaisantes par rapport aux expérimentations menées dans le métro puisque les accélérations réalisées sont supérieures aux valeurs exigées par ce moyen de transport. Ainsi, la plateforme est capable de reproduire une perturbation compatible avec le métro. Nous avons proposé deux méthodes d’analyse basées sur des accéléromètres triaxiaux connectés et synchronisés à la plateforme pour l’évaluation des paramètres de couple et de position articulaires de la cheville, du genou et de la hanche du sujet. Les résultats obtenus sont comparables à ceux obtenus par un système plus couteux de capture de mouvement avec logiciel biomécanique. De nouveaux indices d’équilibre ont été proposés à partir des paramètres biomécaniques de 22 sujets. Ces indices peuvent être exploités par les thérapeutes pour analyser et prévoir la capacité de maintien de l’équilibre d’un passager dans le métro ou plus généralement dans les transports en commun. / In this thesis, we achieved the development of a robotic system to reproduce in laboratory all the disturbances undergone by a human subject in public transport in order to make an analysis of postural balance. Reproductive simulated disturbances in laboratory require developing a dynamic platform unconstrained in its movement. Analysis of postural balance also requires the development of an inverted pendulum model to define quantitative indices of stability and to make comparative and statistical analysis. According the objectives of this research work, we realized a compact omnidirectional mobile platform capable of supporting a weight of about 120kg. This platform gives the subject placed on it a better perception of comfort and safety. Its performances in terms of trajectory tracking and acceleration control are carried out and evaluated. These performances are very satisfactory compared to experiments in the subway since the produced accelerations are higher than the values required by this means of transport. Thus, the platform is able to reproduce the perturbation compatible with the subway. We proposed two methods of analysis based on triaxial accelerometers connected and synchronized platform for evaluating torque and joint position of the ankle, knee and hip of the subject. The results obtained are comparable to those obtained by more expensive motion capture system with biomechanical software. New postural balance indices have been proposed from the biomechanical parameters of 22 subjects. These indices can be used by therapists to analyze and predict the ability of maintaining the balance of a passenger in the subway or more generally in public transport.

Cette thèse propose une étude approfondie de certains aspects des algorithmes de contrôle "sans capteur". Grâce aux progrès faits en électronique, ces algorithmes sont devenus ces dernières années un standard que les clients attendent de tous les variateurs de vitesse pour tous les moteurs électriques. Cependant, le contrôle "sans capteur" des moteurs électriques à basse vitesse est particulièrement difficile à cause d'une limitation théorique expliquée ici par une étude d'observabilité. L'injection de signal est une technique prometteuse pour contourner ce problème, mais ses effets demeurent mal compris. En particulier le traditionnel modèle linéaire sinusoïdal ne permet pas d'expliquer les résultats expérimentaux. Par conséquent, on propose ici une nouvelle méthode pour modéliser les moteurs électriques. Elle est nettement plus simple que les approches traditionnelles et permet de justifier rigoureusement la modélisation de la saturation dans le repère dq fictif. Les effets de l'injection de signal sont ensuite expliqués grâce à une séparation des échelles de temps. Replacée dans le contexte plus général des systèmes non-linéaires, elle s'avère être une technique permettant d'obtenir des informations supplémentaires sans ajouter de capteur. Les informations ainsi obtenues permettent théoriquement le contrôle des moteurs électriques "sans capteur" à basse vitesse, mais la mise en œuvre de cette solution pour certains types de moteurs peut demeurer compliquée à cause de contraintes industrielles. On montre aussi comment les modèles proposés peuvent être calibrés expérimentalement pour le cas du Moteur Synchrone à Reluctance et du Moteur à Induction sans charge. À cause du manque de mesures et d'effets liés à l'hystéresis dans les matériaux ferromagnétiques, on n'a malheureusement pas réussi à obtenir un modèle expliquant le comportement du Moteur à Induction en charge. Par ailleurs, grâce à la similarité entre les moteurs électriques mise en évidence par l'approche de modélisation proposée ici, on a pu concevoir une loi permettant de contrôler aussi bien un Moteur Synchrone à Reluctance que n'importe quel Moteur Synchrone à Aimants Permanents. / This thesis proposes an in-depth study of some aspects of "sensorless" control algorithms for electrical machines. Over the past few years, thanks to the progress made in electronics, "sensorless" control laws became a standard expected from any variable speed drive for any electrical motor. However low-speed "sensorless" operation of electrical motors is inherently difficult, due to a theoretical limitation explained here by an observability study. Signal injection is a promising solution to circumvent this limitation, but its effects are not yet fully understood. In particular, experimental results are not explained by traditional linear sinusoidal models for electrical motors.Hence a new modeling approach for electrical motors is proposed here. It is much simpler than the usual ones and explains thoroughly why saturation can be modeled in the nonphysical dq frame. Signal injection effects are then explained using a multiple time-scale approach and, when put into the general context of nonlinear systems, it turns out to be a technique which allows to obtain more information without adding sensors. Thanks to this additional information, sensorless control of electrical motor becomes theoretically possible, even though the implementation remains challenging due to industrial constraints. Models for the Synchronous Reluctance Motor and the Induction Motor at no load are designed using the proposed approach and calibrated on experimental data but the procedure failed for the Induction Motor under load due to a lack of measurements combined to hysteresis effects. Besides, thanks to the similarities between electrical motors, underlined by the proposed modeling approach, we are able to generalize the proof of a "sensorless" control law designed for Synchronous Reluctance Motors to any kind of Permanent Magnet Synchronous Motor.

Les interactions physiques comportent divers gestes dextres et sont sources d’échanges d’informations très variées. Différentes interfaces haptiques ont été développées pour reproduire ces mouvements dextres et ces interactions. Cependant il est impossible actuellement de concevoir une interface simulant tous les types d’interactions avec un retour haptique réaliste. Je propose d’identifier les interactions les plus importantes et les zones de la main les plus intéressantes à stimuler, et ensuite d’étudier comment associer certains dispositifs pour améliorer le ressenti de l’utilisateur. Il semble intéressant de développer une interface se concentrant sur : la transition entre les mouvements de l’utilisateur en espace libre et au contact d’un objet, le retour d’effort, et enfin la déformation locale et globale de la pulpe, et ce sur 4 zones : les phalanges distales du pouce, de l’index et de l’annulaire, et le côté extérieur de l’index. Afin de rendre cela réalisable dans le cadre d’une thèse, j’ai entrepris de développer une interface à retour d’effort à contacts intermittents sur le pouce et l’index, tout en prenant en compte l’ajout futur d’un retour plus complet. Pour cela, j’ai tout d’abord élaboré un effecteur instrumenté permettant d’acquérir, sans contact, la position de la dernière phalange d’un doigt en 6D. Puis j’ai dimensionné une interface de type gant à deux doigts, capable de déplacer, en 6D, ces effecteurs dans l’ensemble de l’espace de travail des doigts et de générer un retour d’effort quand cela est nécessaire. Enfin j’ai étudié la commande de ce système lors de ses différentes phases de fonctionnement et ses performances ont été évaluées. / Physical interactions involve highly dexterous movements and exchanges of diverse information. Numerous haptic interfaces were developed with the aim to reproduce these dexterous gestures and each of these interactions. However, it is technically impossible to date to design an interface simulating all of them with a realistic haptic feedback.I propose to identify the most important interactions and the hand areas the most interesting to stimulate, and then to study how associate different devices to improve the feeling of an operator. I decided to focus on: the transition between user’s movements in free space and in contact with an object, force feedback, and finally local and global deformation of the fingers’ pulp, with an emphasis on the four following areas: distal phalanges of the thumb, index and middle finger, plus the external side of the index finger. To make this possible during a PhD, I finally decided to focus on an intermittent contact force feedback interface for the thumb and index fingers, by taking into account the future integration of more complete feedback. Therefore, I first developed instrumented end-effectors able to remotely measure the 6D configuration of the distal phalanx of the fingers without any contact with them. Then I dimensioned and designed a glove-type haptic interface with two fingers. This device allows controlling the position and orientation of the intermittent contact end-effectors in 6D throughout the whole fingers workspace. It is also able to generated force feedback when necessary. Finally, I studied the control laws of this interface in all its operating phases and its performances were evaluated.

Les interventions chirurgicales s'orientent de plus en plus vers des techniques dites mini-invasives. Dans ce mode d'intervention, le praticien perd la vision directe de l'extrémité de l'instrument médical qu'il manipule. Le contrôle visuel du déplacement de l'instrument à l'intérieur du corps humain s'effectue alors sur écran grâce aux techniques d'imagerie médicale, en particulier l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Afin d'assurer une grande précision du déplacement de l'instrument, sa position doit être connue pour permettre un recalage automatique du plan d'imagerie en temps réel. Ce document décrit la conception et la caractérisation d'un système de positionnement fonctionnant sous IRM et pouvant s'insérer dans un instrument médical de très petit diamètre. Afin d'aboutir à des dimensions millimétriques, le système est réalisé sur une puce en silicium utilisant les procédés standard de fabrication de la micro-électronique : la technologie CMOS 0,35 µm basse tension. Ce microsystème est basé sur l'utilisation d'un capteur magnétique 3D à effet Hall associé à l'électronique intégrée spécifique au traitement du signal, permettant d'extraire la mesure précise des gradients de champ magnétique inhérents au principe même de l'IRM. La relation unique entre les coordonnées spatiales du tunnel du scanner IRM et les gradients de champ magnétique, rend possible la détermination de la position et de l'orientation du microsystème. Les résultats expérimentaux montrent qu'une localisation est possible en 3 ms avec une résolution spatiale sub-millimétrique. / Surgeries are moving more and more towards so called minimally invasive techniques. With these techniques, the surgeon looses direct view of the medical tool that he manipulates. The visual control of the instrument movement inside the human body is monitored on a screen through medical imaging techniques, particularly magnetic resonance imaging (MRI). To ensure a high accuracy of the instrument movement, its position must be known to enable the automatic registration of the imaging plane in real time.This work describes the design and characterization of a positioning system operating in a MRI scanner which can be embedded in medical devices of very small diameters. To achieve millimeter dimensions, the system is realized on a silicon chip using standard manufacturing processes of microelectronics : low voltage 0.35 µm CMOS technology. This microsystem is based on the use of a 3D magnetic Hall effect sensor co-integrated with specific signal processing electronics to extract the accurately measured magnetic field gradients which are inherent to the MRI principle. The unique relationship between scanner bore space coordinates and the magnetic field gradients allows to determine the position and orientation of the microsystem. Experimental results show that localization is possible in 3 ms with sub-millimeter spatial resolution.