Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) sont des dispositifs de taille micrométrique capables de transformer un signal mécanique en un signal électrique et vice-versa. Ils sont aujourd'hui largement répandus dans notre vie quotidienne pour la détection, la transformation de l'énergie et l'actionnement de dispositifs grâce à leur faible dissipation énergétique, leur réponse ultra-rapide et leur grande sensibilité. Même si depuis plusieurs décennies, les progrès technologiques ont entraîné la miniaturisation des ces dispositifs, il reste nombreux challenges à surmonter dont l'un des plus importantes est l'intégration à l'échelle nanométrique d'actionneurs à base des matériaux dit " intelligents " (à ces dimensions, les matériaux habituellement utilisés perdent leurs propriétés d'actionnement). Dans ce contexte, ce travail de thèse avait pour objectif d'explorer l'utilisation des matériaux moléculaires à transition de spin pour le développement d'actionneurs électromécaniques. Dans ce but, nous avons conçu des microleviers en silicium que nous avons recouvert par différentes molécules à transition de spin soit par sublimation, soit par " spray-coating ". Les MEMS ont été caractérisés à température et pression variables en modes dynamique et statique à l'aide d'un unique dispositif expérimental. Les résultats obtenus démontrent que les molécules à transition de spin peuvent être intégrées, à l'aide de différents procédés de fabrication, dans des dispositifs MEMS et qu'il est possible de réaliser l'actionnement à l'aide d'une source d'énergie thermique (chauffage et refroidissement) et/ou lumineuse. Simultanément, cette étude a également permis d'évaluer les propriétés mécaniques des matériaux à transition de spin (module de Young, coefficient de Poisson) qui restent mal connues. / Microelectromechanical systems (MEMS) are micrometric devices able to transform a mechanical signal into an electrical one and vice-versa. In the past years they have been successfully employed in different fields of our everyday life for sensing, transducing different forms of energy and for actuating purposes thanks to their low energy dissipation, fast response and high sensibility. Even if recent technological progress has allowed a considerable miniaturization of these devices, several challenges remain. In particular the integration of smart actuating materials at the nanometric scale remains arduous because in most cases they lose their actuating properties at reduced sizes. In this context, this thesis work aimed for exploring the possibility of using molecular spin crossover materials for the development of electromechanical actuators. To this aim we have conceived silicon microcantilevers, which have been coated by various spin crossover molecules using either thermal evaporation or spray-coating methods. The MEMS have been characterized at variable temperature and pressure both in dynamical and static modes using a single experimental setup. The results prove that spin crossover molecules can be successfully integrated into silicon MEMS devices using different fabrication processes and their actuation can be achieved using either a thermal energy source or light irradiation. In parallel, this work has allowed us to extract relevant mechanical properties of spin crossover materials (Young's modulus, Poisson's ratio), which have been largely unknown previously.

L'utilisation d'un miroir liquide déformable à base de ferrofluide est l'une des nouvelles applications en optique adaptative. Ce miroir liquide déformable possède l'avantage, en comparaison du miroir solide déformable, de générer un faible coût de production des actionneurs ainsi qu'une grande amplitude de déformation de la surface du miroir. Ce mémoire est dédié à l'étude de la miniaturisation des actionneurs composant le miroir déformable. Ainsi, au sein d'un système d'optique adaptatif actuel muni d'un miroir déformable liquide à base de ferrofluide, des bobines de 5 mm de diamètre sont utilisées en tant qu'actionneurs afin de créer un champ magnétique qui déforme la surface du ferrofluide. La miniaturisation des actionneurs doit permettre l'amélioration de la finesse des déformations, la diminution de l'espace occupé par le système optique ainsi que la baisse des coûts de production. Pour se faire, une diminution de la largeur à demi-hauteur des déformations gaussiennes à la surface du liquide est requise afin de créer différents systèmes d'actionneurs de diamètres inférieurs à 5 mm. En premier lieu, la technologie des bobines électriques est privilégiée. Ainsi, un système de bobines de 2,5 mm de diamètre est étudié où l'importance du coeur magnétique de la bobine apparaît. Afin de diminuer la largeur à demi-hauteur de la déformation, un système d'immersion est mis en place avec une bobine de 1,5 mm de diamètre. La limite physique de la technologie des bobines électriques est alors atteinte. Afin d'outrepasser cette limite, un système de boucle de courant entouré d'un champ magnétique permanent permet d'obtenir des actionneurs de 1,2 mm de diamètre. En conclusion, l'avenir des actionneurs du miroir déformable liquide devrait avoir comme point d'appui la technologie des MEMS avec des actionneurs de 400 ptm.

Le sujet de cette thèse est la caractérisation dynamique d’une surface générée par plusieurs actionneurs d’un miroir ferrofluidique intégré dans un montage d’optique adaptative.Elle conclut un projet de doctorat au sein du groupe Borra s’étant échelonné sur 4 années. Un bref portrait général de l’optique adaptative est d’abord présenté, suivi d’une section sur la théorie du contrôle. Les types de contrôleurs y sont abordés, soit PID et surcharge. L’effet de la viscosité sur la réponse dynamique du système, ainsi que les analyseurs de front d’onde utilisés sont ensuite expliqués. La section résultats est subdivisée en plusieurs sous-sections ordonnées de façon chronologique. Dans un premier temps, il est question des résultats obtenus dans le cadre d’une caractérisation d’un nouveau miroir de 91 actionneurs fabriqué au sein du groupe. Il est ensuite question des résultats obtenus avec diverses techniques telles le PSD et l’imagerie déclenchée. Il y aura toute une section sur les résultats en vitesse, en fonction de la viscosité du liquide, suivie d’une section sur les simulations réalisées avec Simulink afin de bien cibler les limites du système. Les résultats portant sur la technique de surcharge des actionneurs seront ensuite présentés avec des projections futures. La dernière partie de cette thèse portera sur une innovation apportée par un autre membre du groupe. Nous parlerons de la déposition d’une membrane élastomère réfléchissante et de ses effets sur la dynamique du système. / The subject of this thesis is the dynamic characterization of a surface generated by a ferrofluidic mirror integrated in an adaptive optics bench. It ends a PhD project within the Borra group that has been carried out for the past 4 years. At first there’s going to be a brief overview of adaptive optics in general, followed by a section on control theory. Controller types are discussed, PID and overdrive. The effect of viscosity on the dynamic response of the system is then explained followed by a section on wavefront analysers used. The results section is divided into several sub-sections ordered chronologically. At first, the results obtained through a characterization of a new mirror made of 91 actuators manufactured within the group are discussed. The results with various techniques such as PSD and triggered imaging are explained. There will be a whole section on the speed results depending on the viscosity of the liquid, followed by a section on simulation done with Simulink in order to target the system boundaries. The results bearing on the overdrive controller will then be presented with future projections. The last part will focus on an innovation brought by another group member. We will discuss the deposition of a reflective elastomeric membrane and its effects on system dynamics.

La main humaine possède une architecture qui lui permet d'être largement étalée, de se replier sur elle-même ou de se refermer sur un objet en adoptant la forme de celui-ci. La combinaison de tous ces éléments crée un mécanisme de 28 degrés de liberté si nous considérons l'action du poignet. La perte d'un tel instrument est dramatique car la reproduction artificielle d'un mécanisme aussi complexe pose plusieurs problèmes. Le nombre de pièces mécaniques qui doivent être conçues et assemblées dans un volume très restreint, le poids d'un tel assemblage qui est d'autant plus important car le mécanisme est littéralement porté à bout de bras toute la journée et la source d'énergie suffisante pour l'opération de ce mécanisme pendant une période suffisante sont que quelques uns de ces problèmes. Plusieurs solutions à la perte de la main ont été proposées par les chercheurs oeuvrant dans le domaine de la prothèse . Ces solutions vont de la plus simple prothèse à crochet à une main robotisée mettant à profit les dernières avancées technologiques. Cependant, toutes ces solutions ont une chose en commun : elles ne remplacent pas parfaitement la main humaine. Les mécanismes sous-actionnés s'avèrent une alternative intéressante. Un mécanisme sous-actionné possède au moins un actionneur qui agit sur plus d'une liaison mécanique. Ce type de mécanisme est parfait pour prendre la forme d'un objet autour duquel il se referme. La théorie du sous-actionnement nous permet de comprendre le fonctionnement de ce mécanisme. Un doigt sous-actionné a été développé sur le principe du tendon et poulies et afin d'optimiser sa conception et de s'assurer d'obtenir une séquence de fermeture désirée un modèle mathématique du mécanisme a été élaboré. L'effet de la gravité est rajouté au modèle qui tient compte de l'orientation spatiale de la main.

Dans l’environnement concurrentiel d’aujourd’hui, la mondialisation des marchés et les enjeux socio-écologiques du développement durable représentent des défis majeurs pour l’industrie automobile. Afin de relever ces défis, les entreprises doivent investir dans des outils de développent plus performants. Pour améliorer la performance d’un moteur thermique en termes de consommation et d’émissions une compréhension enrichie de la boucle d’air autour du moteur et de l’interaction entre ses composants est indispensable Cette thèse suit deux axes de recherche dans ce contexte. Dans un premier temps, les problèmes liés à la modélisation d’une boucle d’air globale sont traités. En particulier, sont modélisés le débit d’air entre les différents sous-systèmes, la combustion en fonction du degré vilebrequin, la pulsation du débit et de la pression et l’estimation de la force aérodynamique sur les vannes des turbocompresseurs à géométrie variable (TGV). Cette étude de modélisation détaillée à été utilisée pour mettre en place un simulateur de la boucle d’air, qui prend en compte ces interactions et qui peut prédire l’influence des sous-systèmes sur la boucle globale. En suite, l’effort de notre recherche a été consacré à la modélisation des actionneurs mécatroniques de la boucle d’air et de leur comportement non linéaire dû au frottement, aux variations de la température, etc. Un modèle dynamique non linéaire à été développé et intégré dans le simulateur. Ce modèle peut être adapté aux plusieurs types d’actionneurs commerciaux. Le simulateur complet à été implémenté sous AMESim pour les modèles du moteur et de la boucle d’air, et sous Simulink pour le contrôle. Les modèles ont été paramétrées selon les spécifications d’un moteur commercial et le simulateur à été validé expérimentalement. Finalement, des lois de commande robustes ont été étudiées pour le contrôle en position (contrôle locale) des actionneurs. Un contrôleur adaptatif à été développé pour garantir la performance des actionneurs malgré des changements dans le frottement, ainsi que dans la charge externe. La performance de toutes les méthodes étudiées, a été validée expérimentalement. / Today’s globally competitive market and its associated environmental and social issues of sustainable development are major challenges for the automobile industry. To meet them, the industry needs to invest in high performance development tools. For improving engine performance in terms of consumption and emission, the interactions between the subsystems of the engine air-path need to be understood. This thesis followed two major axes of research in this context. First, the problems related to the modeling of the global air-path system were studied, which include the airflow characteristics between the different subsystems of the air-path, high frequency combustion modeling and pulsating airflow, and estimation of the exhaust aerodynamic force on the vanes of variable geometry turbochargers (VGT). The detailed modeling study was used for developing an engine air-path simulator, which takes into account these interactions and predicts the influence of subsystems on the global air-path. The second axis of research was focused on modeling of mechatronic actuators of the air-path, taking into account their nonlinear behavior due to friction and changes in operating conditions. A generic nonlinear dynamic model was developed and included in the simulator. This model can be adapted to most commercial actuators. The complete simulator has been implemented using AMESim for engine and air-path modeling, and Simulink for control. It has been parameterized according to the specifications of a commercial diesel engine and validated against experimental data. Finally, robust local controllers were studied for actuator position control, aimed at guaranteeing the performance of the actuators under parametric uncertainty and external disturbances. An advanced controller was developed, which adapts to changes in friction characteristics of the actuator and external load changes. The performance of all controllers has been demonstrated experimentally.

Ce présent ouvrage s'intéresse à la quantification de l'impact de différents paramètres sur les performances en isolation vibratoire d'un actionneur piézoélectrique THUNDER. Une récapitulation des travaux de recherche dans le domaine est tout d'abord proposée. Plus spécifiquement, la modélisation et le procédé de fabrication de l'actionneur sont décrits. Un modèle semi-analytique Rayleigh-Ritz à une base de décomposition par champ de déplacements, résolu à l'aide de MATLAB, est alors conçu. Pour ce faire, l'énergie potentielle et l'énergie cinétique totale du système sont déterminées en posant l'hypothèse de Kirchhoff pour un composite. Le modèle est par la suite validé à l'aide d'un modèle éléments finis Abaqus. Il est alors constaté qu'il est difficile de représenter les discontinuités associées à l'extension métallique de l'actionneur à l'aide d'une unique base de décomposition. Un modèle à trois bases de décomposition par champ de déplacements, résolu à l'aide du logiciel MAPLE, est donc conçu et validé à l'aide du modèle éléments finis précédemment considéré. Finalement, une quantification de l'impact de différents paramètres tels que la longueur de l'extension métallique, les conditions limites et le rayon de courbure sur le comportement fréquentiel d'un THUNDER est proposée. Il est observé qu'à l'aide du modèle Rayleigh-Ritz, il est possible d'optimiser les performances en isolation vibratoire de l'actionneur.

Ce travail de thèse concerne l'étude de dispersions et de fibres de nanotubes de carbone. Nous nous sommes intéressés à l'influence de la structure des nanotubes et de la nature des dispersants sur la topologie des diagrammes de phases des suspensions. Nous montrons par ailleurs que les dimensions des nanotubes peuvent être caractérisées en suspension par diffusion dynamique dépolarisée de la lumière. Le deuxième aspect de ce travail concerne l'étude et l'optimisation des propriétés mécaniques, électriques et électromécaniques de fibres de nanotubes de carbone formulées grâce aux acquis de la partie précédente. Nous montrons que les fibres de nanotubes sont des systèmes prometteurs pour la réalisation de matériaux haute ténacité, de capteurs ou encore d'actionneurs électromécaniques.

Les actionneurs électromécaniques sont de plus en plus utilisés dans le domaine de la motorisation. Particulièrement, ils sont employés pour contrôler la boucle d'air du moteur Diesel. De tels actionneurs ont généralement une structure interne très complexe dont les caractéristiques sont protégées par des conventions de confidentialité. Notre travail dans cette thèse vise, en premier, à élaborer des procédures de modélisation et d'identification en prenant en compte une seule source de non linéarité, à savoir les frottements. Deux classes d'actionneurs sont ainsi étudiées et quatre procédures d'identification sont introduites permettant l'estimation des paramètres des systèmes et les coefficients des forces de frottement. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés pour développer des simulateurs sous Simulink-MATLAB et AMESim dont la dynamique est expérimentalement validée via LabVIEW. Afin d'évaluer la dégradation des performances due au processus de vieillissement, la seconde partie du travail consiste en la réalisation des études de sensibilité quantifiant l'impact des variations paramétriques sur la réponse des actionneurs. Les techniques d'ANOVA (analyse des variances) et des plans d'expériences sont appliquées, en boucle ouverte et en boucle fermée, aux actionneurs étudiés. Les résultats issus des deux techniques sont cohérents permettant ainsi de valider les études réalisées.La dernière partie du travail a pour objectif l'élaboration de lois de commande robuste vis-à-vis des perturbations et des incertitudes de modélisation. Ainsi, trois stratégies de contrôle sont utilisées : PI-Flou (PI-Fuzzy controller), l'IDA-PBC (Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control) et le backstepping. Les trois contrôleurs sont testés en présence et en absence d'incertitudes. Leur performance est démontrée en simulation en utilisant Simulink-MATLAB, et expérimentalement via LabVIEW.

Depuis de nombreuses années des chercheurs imitent le vivant afin d'obtenir des systèmes capables de s'adapter à des environnements de plus en plus complexes. Aujourd'hui aucune des technologies classiques n'est capable de rivaliser complètement avec le fonctionnement d'un muscle. L'objectif de ce travail est de synthétiser et d'intégrer une nouvelle génération d'actionneurs-capteurs à base de réseaux interpénétrés de polymères conducteurs dans des systèmes de perceptions biomimétiques. Nous avons tout d'abord réalisé la synthèse et la caractérisation d'une nouvelle matrice hôte à base de réseaux interprétés de polymères (RIP) combinant de bonnes propriétés mécaniques du caoutchouc nitrile (NBR) et de conductivités ioniques du poly (oxyde d'éthylène). Nous avons ensuite incorporé dans cette matrice hôte un polymère conducteur électronique, le poly (3,4-éthylènedioxythiophène), par polymérisation in situ. Nous avons caractérisé les effets de différents paramètres de synthèse sur la localisation et la morphologie du polymère conducteur au sein de la matrice. Puis nous avons caractérisé les propriétés d'actionneurs et de capteurs de ces matériaux électroactifs. Enfin nous avons réalisé l'intégration de ces matériaux dans deux prototypes de systèmes de perceptions biomimétiques, le premier tactile imitant les vibrisses du rat et le deuxième visuel imitant les muscles oculomoteurs. Finalement, nous concluons que les propriétés et performances de cette nouvelle génération d'actionneurs-capteurs permettent leurs intégrations dans des systèmes de perceptions spécifiques pouvant être utilisés sur un robot mobile. / For many years researchers mimic the living in order to obtain systems that can adapt to complex environments. Today no conventional technology is able to fully compete with the functioning of a muscle. The objective of this work is to synthesize and integrate a new generation of actuators and sensors based on interpenetrating polymer networks of conductive polymers in biomimetic perceptions systems. We first carried out the synthesis and characterization of a novel host matrix based on interpreted polymer networks (IPN) combining good mechanical properties of nitrile rubber (NBR) and ionic conductivities of poly(ethylene oxide ) (PEO). Then, We incorporated into this host matrix an electronically conductive polymer, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), by in situ polymerization. We characterized the effects of various synthesis parameters on the location and morphology of the electrically conductive polymer within the matrix. Then, we characterized the actuation and sensing properties of these électroactive materials. Finally, we completed the integration of these materials into two prototypes of biomimetic perceptions. The first one tactile is imitating and emulating tactile perception of the rat vibrissae. The second one visual is imitating the extraocular muscles. Finally, we conclude that properties and performances of this new generation of sensor-actuators allow their integration into specific perception system that can be used on a mobile robot.

Les travaux développés dans ce mémoire de thèse portent sur la contribution à une méthodologie de synthèse de lois de commande tolérante aux fautes garantissant la fiabilité des systèmes. Cette nouvelle méthodologie nécessite l'adaptation des différents outils de caractérisation de la fiabilité avec la théorie de la commande. L'intégration explicite de l'aspect charge dans les lois modélisant la fiabilité en ligne est considérée. Une première partie des travaux est consacrée à la reconfigurabilité des systèmes tolérants aux fautes. Une analyse de reconfigurabilité en présence de défauts basée sur la consommation d'énergie ainsi que des objectifs liés à la fiabilité globale du système sont proposés. Un indice de reconfigurabilité est proposé définissant les limites fonctionnelles d'un système commandé en ligne en fonction de la sévérité des défauts et de la dégradation des actionneurs en terme de fiabilité. Dans la deuxième partie, le problème d'allocation et ré-allocation de la commande est considéré. Des solutions sont développées tenant compte de l'état de dégradation et du vieillissement des actionneurs. Les entrées de commande sont attribuées au système en tenant compte de la fiabilité des actionneurs ainsi que les éventuels défauts. Des indicateurs de fiabilité sont proposés et intégrés dans la solution du problème d'allocation et ré-allocation de la commande. La dernière partie est entièrement consacrée à la synthèse d'une loi de commande tolérante aux fautes garantissant la fiabilité globale du système. Une procédure d'analyse de fiabilité des systèmes commandés en ligne est proposée en se basant sur une étude de sensibilité et de criticité des actionneurs. Ainsi, une méthode de commande tolérante aux fautes en tenant compte de la criticité des actionneurs est synthétisée sous une formulation LMI / The works developed in this thesis deal with the active fault tolerant control design incorporating actuators reliability. This new methodology requires the adaptation of the reliability analysis tools with the system control field. The explicit integration of load in the actuators reliability models is considered. First, the reconfigurability analysis of fault tolerant control systems is treated. A reliable reconfigurability analysis based on the energy consumption with respect to overall system reliability is presented. A reconfigurability index which defines the functional limitation of the system is proposed based on fault severity and actuators reliability degradation. The second part of the developed works is devoted to control allocation and re-allocation. Two approaches of control re-allocation are proposed by taking into consideration actuator degradation health. The control inputs are applied to the system with respect to actuators reliability and faults. The third part contributes to a fault tolerant controller design incorporating actuator criticality. A sensitivity analysis of the overall system reliability and criticality indicator are proposed. A new method of active fault tolerant control is developed with Linear Matrix Inequality (LMI) formulation based on actuator criticality