L'objectif principal de cette recherche est d'amorcer le processus de fabrication sur mesure de moteurs électriques au Laboratoire d'Ingénierie de la Réadaptation de l'Université Laval. Fondé en 2017, par le Pr Ing. Alexandre Campeau-Lecours, le laboratoire se consacre au développement de technologies visant à faciliter le quotidien des personnes vivant avec des incapacités. La majorité des robots fabriqués au laboratoire emploient des moteurs et leur performance est cruciale pour assurer l'efficacité et la fiabilité des dispositifs développés. En mettant en oeuvre le processus de fabrication de moteurs adaptés aux besoins spécifiques des projets du laboratoire, cette recherche vise à soutenir l'innovation en réhabilitation et en assistance. Ce mémoire se concentre sur les aspects théoriques de la fabrication de moteurs, en particulier sur le lien entre la forme et la fonction. Son objectif est de fournir une méthode pour déterminer l'architecture d'un moteur afin de répondre à un cahier des charges quelconque. L'étude se concentre sur l'évaluation théorique des performances des moteurs synchrones à aimants permanents avec rotor interne, une technologie bien adaptée aux principaux besoins du laboratoire. Pour y arriver, un simulateur utilisant 50 dimensions est développé afin de représenter une large gamme d'architectures de moteurs. En intégrant cet outil de prédiction dans un algorithme d'optimisation, la configuration optimale du moteur est déterminée en fonction des performances désirées. Pour présenter un exemple concret d'utilisation du simulateur, son développement est exposé dans le cadre d'une problématique réelle : la motorisation d'une prothèse de main. Ce projet permet de définir un cahier des charges et, à l'issue du processus d'optimisation, de fournir les plans de fabrication de la solution proposée. En somme, ce mémoire établit les bases de la conception sur mesure de moteurs électriques en démontrant comment un simulateur et un algorithme d'optimisation peuvent être utilisés pour répondre efficacement à des besoins spécifiques de motorisation. / The primary objective of this research is to initiate the custom manufacturing process of electric motors at the Laboratoire d'Ingénierie de la Réadaptation de l'Université Laval. Founded in 2017 by Prof. Ing. Alexandre Campeau-Lecours, the laboratory is dedicated to developing technologies aimed at improving the daily lives of individuals with disabilities. Most of the robots produced at the laboratory use motors, and their performance is critical for the efficiency and reliability of systems. By developing motors tailored to the specific needs of the laboratory's projects, this research aims to support the goals of innovation in rehabilitation and assistance. This thesis focuses on the theoretical aspects of motor manufacturing, specifically on the relationship between form and function. The aim is to precisely define the architecture of a motor to meet any given specifications. The research is centered on the theoretical evaluation of the performance of permanent magnet synchronous motors with internal rotors, a technology well suited to the laboratory's primary needs. To achieve this, a simulator utilizing 50 dimensions is developed to represent a wide range of motor architectures. By integrating this predictive tool into an optimization algorithm, the research's goal is achieved: deter- mining the optimal motor configuration. To provide a concrete example of the simulator's application, its development is presented within the context of a real-world problem: the motorization of a prosthetic hand. This project allows for the definition of precise specifications and, following the optimization process, the delivery of the proposed motor's manufactur- ing plans. In summary, this thesis establishes the foundations for custom electric motor design by demonstrating how a simulator and optimization algorithm can be effectively used to meet specific needs.

Pour combler l'écart entre l'augmentation de la demande énergétique et l'épuisement de la production d'hydrocarbures onshore, l'exploitation des hydrocarbures offshore est de plus en plus envisagée, en particulier les gisements de gaz / pétrole dans les eaux plus profondes. En attendant, un grand nombre d'unités de traitement déployées pour la production d'hydrocarbures doivent respecter les contraintes environnementales conçues pour la protection maritime. Les systèmes tels que les réacteurs et les épurateurs à lit fixe embarqués deviennent inévitablement l'une des options les plus prometteuses pour atteindre ces deux objectifs. De nombreux efforts dans la littérature pour dévoiler l'hydrodynamique de l'écoulement multiphasé dans les lits garnis révèlent que des défis persistent soit dans leur conception / mise à l'échelle, soit dans leurs opérations. De plus, exposer ces réacteurs à des conditions marines difficiles telles que la convolution de la dynamique des navires et de l'hydrodynamique à l'intérieur des réacteurs à lit fixe conduit à des situations encore plus compliquées pour maintenir des performances de fonctionnement acceptables dans les conditions flottantes. Un grand nombre de preuves issues de la littérature a jusqu'à présent mis en évidence l'échec des colonnes garnies avec des garnissages aléatoires, des garnissages structurés ou des mousses à alvéoles ouvertes, pour empêcher la maldistribution des liquides dans les lits fixes destinés à fonctionner à bord de navires ou de platesformes flottantes. Les efforts de recherche doivent donc se poursuivre dans le but de trouver des composants internes robustes et capables de résilience contre la maldistribution des liquides dans les réacteurs / unités de séparation gaz-liquide. Ce projet de doctorat s’est proposé des recherches visant dans un premier temps de tester des internes disponibles commercialement pouvant préserver des performances similaires à celles des unités terrestres classiques. Au meilleur de notre connaissance, la sensibilité et la susceptibilité des réacteurs monolithes à une mauvaise distribution soumis à des conditions offshore n'ont pas encore été étudiées. Plutôt que de se concentrer uniquement sur une étude des lits monolithiques, le chapitre 1 opte pour une campagne expérimentale plus large comprenant un garnissage aléatoire et un garnissage en mousse à cellules ouvertes pour des comparaisons systématiques de la distribution des liquides en conditions flottantes. La distribution liquide des colonnes embarquées garnies de divers garnissages et pour une large plage de débit gaz / liquide est systématiquement comparée à l'aide d'un capteur à treillis métallique (WMS) et d'un émulateur hexapode à six degrés de liberté. La vraisemblance de conditions météorologiques extracôtières rudes pourrait menacer la sureté de l'exploitation des lits fixes, en particulier dans des situations extrêmes telles que des cyclones, des épisodes d'icebergs, etc. Pour assurer la sécurité du personnel et des installations, l’opération des colonnes garnies à bord doit être immédiatement interrompue pour éviter des problèmes de sécurité critiques sous de telles circonstances. Par conséquent, la base de connaissances sur la dynamique de drainage des liquides dans les lits flottants est iv essentielle pour assurer une vidange rapide du liquide. Néanmoins, l'étude de la dynamique du drainage liquide des lits fixes en conditions flottantes est à tout le moins rare. Par conséquent, le chapitre 2 se propose de comparer expérimentalement le drainage du liquide dans des colonnes garnies dans les conditions marines à celui observé dans une colonne statique verticale à l’instar des applications terrestres. En dehors de cela, l'influence des mouvements du navire (par exemple, cavalement, embardée, pilonnement, roulis, tangage, et lacet) à différentes amplitudes et périodes d'oscillation sur la dynamique de drainage des liquides est étudiée pour approfondir nos connaissances. Parallèlement à l'étude expérimentale, un modèle numérique Euler-Euler transitoire et en trois dimensions est utilisé en complément pour tenter de prédire la dynamique du drainage des liquides dans les lits flottants. D'autres facteurs susceptibles d'affecter la dynamique de drainage sont analysés par la simulation numérique. Ainsi, le chapitre 3 met en évidence l'influence globale des propriétés des liquides, de la structure du lit et des types de mouvement associé à la sollicitation marine. Par ailleurs, la campagne expérimentale en fournissant des données mesurables a permis de valider le modèle dans les conditions de roulis et de tangage testées au laboratoire. / To fill the gap between increasing energy demand and depletion of onshore hydrocarbon production, offshore hydrocarbon exploitation is increasingly contemplated especially the gas/oil fields in the deeper water. Meantime, large amount of deployed processing units for hydrocarbon productions must comply with the environmental codes designated for maritime protection. Systems such as embarked packed-bed reactors and scrubbers inevitably become one of the most promising options to achieve both purposes. Numerous efforts in literature to unveil the hydrodynamics of multiphase flow in packed beds reveal that challenges persist either in their design/scale-up or during the operations. Moreover, exposing these reactors to harsh marine conditions such as the convolution of ship dynamics and hydrodynamics inside packed-bed reactors leads to even more complex situations to maintain the proper operation performance of packed-bed reactors under floating conditions. A lot of evidence from literature has pointed out the failure of random and structured packings and open-cell foams, to prevent liquid maldistribution in packed beds destined to operate on-board sailing ships and floating platforms. Research efforts must therefore continue in the quest for robust internals capable of resilience against liquid maldistribution in gas-liquid reactors/separation units. The proposed Ph.D. research aims at firstly following a sound path to adapt commercially existing internals being capable of preserving performance similar to landbased packed beds. To the best of literature exploring, the sensitivity and susceptibility of monolith reactors to maldistribution subjected to offshore conditions have yet to be investigated. Rather than focusing on a study of monolith beds alone, Chapter 1 opts for a broader experimental campaign including a random packing and an open-cell foam packing for the sake of systematic comparisons of the liquid distribution under floating conditions. Liquid distribution of embarked columns packed with various internals under wide gas/liquid flow range is systematically compared with the assistance of wire mesh sensor (WMS) and six-degree-of-freedom emulator hexapod. Severe offshore weather conditions threaten the operation safety of floating packed beds especially encountering extreme situations such as cyclone, iceberg episodes and so forth. To ensure the safety of staff and facilities, the onboard packed columns must be immediately shutdown to avoid critical safety concerns under such circumstances. Therefore, knowledgebase of liquid draining dynamics in floating packed beds is the essence to ensure timely discharge of liquid. Nevertheless, the study regarding liquid drainage dynamics of packed beds under floating conditions is scarce to say the least. Then, Chapter 2 compares liquid draining of packed columns embarking on floating platforms with static land-based one experimentally. Other than that, the influence of ship motions (e.g., roll, roll & pitch, heave etc.) with different oscillation amplitudes and periods on liquid draining dynamics is investigated to deepen the insights. vi In parallel with the experimental study, a 3D transient Euler-Euler CFD model is employed as a supplementary analysis to further deepen the understanding of liquid drainage dynamics in floating packed beds. More factors possibly affecting the draining dynamics are exploited by numerical simulation. Consequently, Chapter 3 highlights the comprehensive influence of liquid properties, bed structure and moving types instead of focusing on impact of movements alone. Meanwhile, with sufficient body of experimental campaign, the validity and accuracy of model are strongly endorsed.

Ce mémoire présente les concepts théoriques et pratiques qui permettront à un groupe de véhicules sans-pilote hétérogène d'estimer la position et l'orientation relative des véhicules voisins en temps réel. Le système de localisation relative leur permettra donc de se coordonner localement afin d'effectuer des missions d'équipe telles que le transport d'une charge et le vol en formation. La localisation relative est effectuée avec une matrice de capteurs ultrasoniques et un algorithme de différence de temps d'arrivée des signaux. Le système présenté peut être monté à bord de véhicules sans-pilote et ne requiert pas d'architecture externe.

La construction de bâtiments dans les régions nordiques isolées est confrontée à des défis importants tels qu'une logistique de transport complexe en raison d'un accès limité au site de construction, des conditions climatiques sévères, le manque de travailleurs qualifiés, ainsi qu'un approvisionnement en énergie et en matériaux coûteux et limité. Les différentes communautés du nord du Canada sont souvent qualifiées « d'isolées », justement en raison de leur éloignement géographique. Par exemple, la plupart ne sont pas reliées au réseau électrique principal ni au réseau routier du reste du pays. Le manque criant d'unités de logement disponibles a entraîné le surpeuplement des logements en place et a récemment poussé les gouvernements à augmenter le financement pour aider ces communautés à construire et à rénover davantage d'unités [1]. Parallèlement, l'utilisation de la main-d'œuvre locale est fortement encouragée, car le secteur de la construction est une source importante d'emplois et d'autonomisation [2]. Bien que la construction modulaire (ou préfabrication) puisse être considérée comme une solution facilitant la viabilité de la construction de bâtiments dans ces communautés isolées, la préfabrication de composants peut avoir des répercussions négatives sur les emplois locaux. Par conséquent, les solutions de préfabrication peuvent être écartées à certains moments. Ce projet vise donc à acquérir une meilleure compréhension des éléments à considérer dans la conception de systèmes de chauffage préfabriqués et durables dans le contexte de ces régions. En particulier, le territoire du Nunavik au nord de la province de Québec (Canada) a été choisi en tant que région type pour cette étude. Dans le même ordre d'idées, et considérant la pertinence de ce type de logement, la thèse se concentre spécifiquement sur les bâtiments sociaux. Le terme « social » fait référence au fait que les gouvernements subventionnent la construction et l'exploitation de ces bâtiments et que ceux-ci sont dédiés aux familles à faibles revenus. Dans un premier temps, le projet a proposé un cadre conceptuel pour identifier les facteurs affectant la création de valeur au sein de la chaîne d'approvisionnement de la construction de logements sociaux dans cette région. La recherche s'est appuyée sur une revue de la littérature et sur les informations recueillies lors d'entrevues semi-dirigés avec les principales parties prenantes pour identifier les caractéristiques souhaitées de l'amélioration ou des solutions (par exemple, la préfabrication) en ce qui concerne la création de valeur. Une analyse des forces, faiblesses, opportunités et menaces (FFOM), une carte d'influence et de dépendance et un diagramme de boucle causale ont été élaborés pour représenter la chaîne d'approvisionnement. La création d'emplois locaux et le nombre de bâtiments à construire ont été identifiés comme les principaux facteurs pouvant représenter la performance de la création de valeur. Par ailleurs, les ressources énergétiques, le temps de construction, le type et la quantité de main-d'œuvre, les contraintes d'expédition, le nombre de pièces de rechange et l'élimination des déchets ont été identifiés comme les principaux facteurs limitant l'éventail des solutions de construction à mettre en œuvre. Dans un deuxième temps, le projet a proposé un cadre computationnel pour identifier la modularité optimale des tuyauteries à assembler dans les bâtiments résidentiels situés au Nunavik. Initialement, les algorithmes ont été testés en utilisant une étude de cas avec 40 composants du réseau de distribution du glycol. Pour ce cas, l'algorithme cherchait simultanément à minimiser le coût d'installation du système et à maximiser la création d'emplois locaux en considérant deux sites possibles de préfabrication et des contraintes de poids, de dimensions et de collision. Des modèles de logique floue et l'algorithme NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II) ont été utilisés pour évaluer les configurations et identifier les solutions non dominées. Par la suite, afin de prendre en compte une autre facette importante du développement durable, un troisième objectif relatif à la minimisation des émissions de CO₂ liées au transport des modules par bateau a été ajouté aux algorithmes. En particulier, pour l'étude de cas analysée, le cadre computationnel a trouvé des solutions réduisant les coûts d'installation jusqu'à 81,9%, générant jusqu'à 23,4 heures d'emplois locaux, mais augmentant les émissions de CO₂ jusqu'à 36,7%. Finalement, le projet a adapté le cadre de calcul pour modulariser l'ensemble du réseau de distribution du fluide caloporteur. Au total, 627 composants ont été pris en compte. Quelques heuristiques supplémentaires ont été incluses pour réduire l'espace de recherche, afin de prendre en compte les contraintes particulières du système et les résultats précédemment trouvés dans l'étude de cas avec 40 composants. Le cadre computationnel développé prend donc en compte la minimisation des coûts d'installation, la maximisation de l'emploi local ainsi que l'impact de la modularisation sur les émissions de gaz à effet de serre (CO₂). L'éventail des solutions trouvées permet de générer entre 225 heures et 536,8 heures d'emplois locaux liés à la plomberie et à la menuiserie par logement à construire, tout en réduisant le coût d'installation actuel de 79 % et 58 %, respectivement. Cependant, les émissions de CO₂ peuvent être multipliées par plus de 2,8. / Building construction in isolated northern regions faces important challenges such as a complex transportation logistics due to a limited access to the construction site, severe climatic conditions, a lack of skilled workers, as well as expensive and limited energy and material supply. The different communities of the northern part of Canada are often qualified as isolated due to their remoteness. For example, most are not connected to the main power grid nor to the road network of the rest of the country. The stringent lack of available housing units has resulted in dwelling overcrowding and has recently pushed governments to increase funding to help these communities to build and refurbish more units [1]. At the same time, the use of local labor is highly promoted as the construction industry is an important source of employment and empowerment [2]. Therefore, while modular construction (or prefabrication) can be seen as a solution that facilitates the sustainability of building construction in these remote communities, the prefabrication of components can generate negative impacts on local jobs. As a result, prefabrication solutions can be discarded at certain times. Hence, this project aims to gain a better understanding of the elements to consider in the development of sustainable prefabricated heating systems in the context of these regions. In particular, the Nunavik territory in the northern part of the province of Quebec (Canada) was chosen as a typical region for this study. In the same vein, and considering the relevance of this type of housing, the thesis focuses specifically on social buildings. The term "social" refers to the fact that governments subsidize the construction and operation of these buildings which are intended for low-income families. As a first step, the project proposed a conceptual framework to identify the factors affecting value creation within the supply chain of social housing construction in that region. The research used a literature review and information collected from semi-structured interviews with key stakeholders to identify the desired features of improvement or solutions (e.g., prefabrication) with respect to value creation. A strengths, weaknesses, opportunities, and threats analysis (SWOT), an influence/dependence map, and a causal loop diagram were developed to represent the supply chain. Local job creation and the number of buildings to build were identified as the key factors that can better represent the performance of the value creation. On the other hand, energy resources, the construction time, the type and amount of labour force, shipping constraints, the number of replacement parts, and waste disposal were identified as the main factors constraining the range of construction solutions to implement. Secondly, this project proposed a computational framework to identify the optimal modularity of piping to be assembled in residential buildings located in Nunavik. Initially, the algorithms were tested using a case study with 40 components of the glycol distribution network. For this case, the algorithm simultaneously minimizes the system installation cost and maximizes the local job creation by considering two possible prefabrication sites and constraints on weight, size, and collision. Fuzzy logic models and the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) were used to evaluate configurations and identify non-dominated solutions. Subsequently, in order to consider another important facet of sustainable development, a third objective based on the minimization of CO₂ emissions related to the transportation of the modules by ships was added to the algorithms. In particular, for the case studied, the computational framework found solutions that reduce installation costs by up to 81.9%, generate up to 23.4 hours of local employment, but increase CO₂ emissions by up to 36.7%. Finally, the project adopted the computational framework to modularize the whole heat transfer fluid distribution network. In total, 627 components were considered. Some additional heuristics were included to reduce the search space, in order to consider particular constraints of the system and results previously found in the case study with 40 components. The computational framework developed contemplates, therefore, minimizing installation costs, maximizing local employment as well as the impact of modularization on greenhouse gas (CO₂) emissions. The range of solutions found generates between 225 hours and 536.8 hours of local employment related to plumbing and carpentry per unit to be built while reducing the current installation cost by 79% and 58%, respectively. However, CO₂ emissions can be increased by more than 2.8 times.

L'exploration planétaire utilise des robots à roues depuis plusieurs années maintenant. Cependant, même si elles ont du succès, ces missions spatiales sont limitées à des terrains relativement plats et sédimentaires. Les zones explorées sont très intéressantes, mais elles le sont moins au point de vue de la recherche de traces potentielles de vie lorsqu'elles sont comparées à certains endroits plus risqués. Il est entendu que les agences spatiales ne peuvent prendre le risque d'envoyer des véhicules au coût important dans ces zones à la géologie peu commune. C'est pourquoi l'exploration spatiale évoluera peut-être vers l'utilisation de petits robots à faible coût assez agiles pour explorer ces terrains riches en informations géologiques. La recherche de vie sur Mars pour expliquer notre existence fait rêver. Les contraintes de cette mission sont cependant nombreuses puisque la planète n'est pas très hospitalière. Après avoir examiné plusieurs options, le Laboratoire de robotique de l'Université Laval a développé un petit robot marcheur inspiré des insectes. Ce mémoire décrit les étapes de design que la plateforme tout-terrain a franchies, soient l'analyse, la conception, la fabrication et l'expérimentation. Le système a traversé ce processus rigoureux avec succès, mais a toujours besoin d'améliorations. C'est là tout l'intérêt du projet, envoyer un robot parfaitement fonctionnel et autonome sur Mars pour parcourir aisément cette planète qui a tant de secrets à découvrir.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / L’utilisation de systèmes de béton chauffant électriquement conducteur en conditions hivernales constitue une alternative intéressante pour prolonger la durée de vie des structures et pour assurer la mobilité et la sécurité des usagers de la route. En remplaçant certaines composantes conventionnelles du béton, il est possible d’augmenter suffisamment sa conductivité électrique pour que ce dernier dégage de la chaleur lors du passage d’un courant électrique. L’utilisation de ce type de système dans des zones à grande sensibilité hivernale est une option pour remplacer les techniques présentement utilisées pour le déneigement et le déglaçage souvent mauvaises pour l’environnement, inefficaces, endommagent les structures en plus d’être très coûteuses. Néanmoins, le succès d’un tel système demande une bonne élaboration du mélange de béton électriquement conducteur et une configuration d’électrodes permettant un dégagement de chaleur uniforme. L’automatisation par des capteurs augmente l’efficacité énergétique du système en activant ce dernier seulement quand le besoin se manifeste, c’est-à-dire en conditions de chute de neige, de pluie verglaçante ou de brouillard givrant. L’objectif principal de ce projet de recherche est de développer un système automatisé de fonte de neige et de glace en optimisant les recettes de béton et la position des électrodes précédemment mentionnés vers des solutions économiques et efficaces. Dans ce mémoire, le développement de mélanges de bétons et de mortiers électriquement conducteurs sera développé, en plus de l’élaboration d’une configuration d’électrodes rencontrant des critères de sécurité et de consommation énergétique. Ces réalisations par étapes en laboratoire seront suivies par des essais en conditions réelles hivernales sur un prototype de 1.1m² installé sur le campus de l’Université Laval. Les succès de ce travail de recherche présentent des résultats et confirment le côté innovateur et le potentiel commercial du système élaboré. / The use of electrically conductive heated concrete systems in winter conditions is an interesting alternative to extend the life of structures and to ensure the mobility and safety of road users. By replacing some conventional components of concrete, it is possible to increase its conductivity sufficiently to release heat when electric current passes through it. Using this type of system in strategic points can be an option to replace techniques currently used for snow and ice removal, which are bad for the environment, are not effective, cause damage to structures and are very expensive. Nevertheless, the success of such a system requires a good elaboration of the electrically conductive concrete mix design and a configuration of electrodes that releases heat uniformly. Sensor automation increases the energy efficiency of the system by activating the latter only when the need arises, i.e. under snowfall, freezing rain or freezing fog conditions. The main objective of this research project is to develop an automated snow and ice melting system using the previously mentioned concrete and electrodes. In this thesis, the development of electrically conductive concrete and mortars mix designs will be presented, in addition to the development of an electrode configuration that meets criteria of safety and energy consumption previously established by the searchers. These laboratory steps will be followed by tests in real winter conditions on a 1.1m² prototype installed on Laval University’s campus. The successful results confirm the innovative side and commercial potential of the developed system.

Cette thèse a pour sujet le développement d’un détecteur à fibre scintillante plastique pour la dosimétrie des faisceaux de photons de basses énergies. L’objectif principal du projet consiste à concevoir et caractériser cet instrument en vue de mesurer la dose de radiation reçue au cours des examens d’imagerie diagnostique et interventionnelle. La première section est consacrée à la conception de six différents systèmes et à l’évaluation de leur performance lorsqu’ils sont exposés à des rayonnements de hautes et basses énergies. Tous les systèmes évalués présentaient un écart type relatif (RSD) de moins de 5 % lorsqu’ils étaient exposés à des débits de dose de plus de 3 mGy/s. Cette approche systématique a permis de déterminer que le tube photomultiplicateur répondait le mieux aux conditions d’exposition propres à la radiologie. Ce dernier présentait une RSD de moins de 1 % lorsque le débit de dose était inférieur à 0.10 mGy/s. L’étude des résultats permis également de suggérer quelques recommandations dans le choix d’un système en fonction de l’application recherchée. La seconde partie concerne l’application de ce détecteur à la radiologie interventionnelle en procédant à des mesures de dose à la surface d’un fantôme anthropomorphique. Ainsi, plusieurs situations cliniques ont été reproduites afin d’observer la précision et la fiabilité du détecteur. Ce dernier conserva une RSD inférieure à 2 % lorsque le débit de dose était supérieur à 3 mGy/min et d’environ 10 % au débit le plus faible (0.25 mGy/min). Les mesures sur fantôme montrèrent une différence de moins de 4 % entre les mesures du détecteur et celles d’une chambre d’ionisation lors du déplacement de la table ou du bras de l’appareil de fluoroscopie. Par ailleurs, cette différence est demeurée sous les 2 % lors des mesures de débit de dose en profondeur. Le dernier sujet de cette thèse porta sur les fondements physiques de la scintillation dans les scintillateurs plastiques. Les différents facteurs influençant l’émission lumineuse ont été analysés afin d’identifier leur contribution respective. Ainsi, la réponse du détecteur augmente de près d’un facteur 4 entre un faisceau de 20 kVp et 250 kVp. De ce signal, la contribution de la fluorescence produite dans la fibre claire était inférieure à 0.5 % lorsque les fibres étaient exposées sur 10 cm par des faisceaux de 20 à 250 kVp. Le phénomène d’extinction de la fluorescence par ionisation a également été étudié. Ainsi, l’atténuation du signal variait en fonction de l’énergie du faisceau et atteignit environ 20 % pour un faisceau de 20 kVp. En conclusion, cette étude suggère que les détecteurs à fibres scintillantes peuvent mesurer avec précision la dose de radiation reçue en imagerie diagnostique et interventionnelle, mais une calibration rigoureuse s’avère essentielle. / This thesis deals with the development of a plastic scintillation detector for low energy photon eams. The main goal of the project consists in the design and characterization of this tool in the aim of measuring the radiation dose involved during diagnostic and interventional radiology examinations. The first section is devoted to the design of six different systems and to their performance evaluation when they are exposed to high and low energy radiation. For all photodetectors, the relative standard deviation (RSD) was less than 5% for dose rates higher than 3 mGy/s. This systematic approach identified the photomultiplier tube as the most appropriate photodetector for radiology specific beam qualities. Indeed, its RSD was less than 1% when the dose rate was below 0.10 mGy/s. The result analysis allowed the suggestion of some guidelines for the selection of an appropriate detector for a specific application. The second part was about this detector application to interventional radiology procedures by performing dose measurements at an anthropomorphic phantom surface. Several clinically relevant setups were reproduced to observe the detector’s accuracy and reliability. The RSD remained under 2% when the dose rate was more than 3 mGy/min and about 10% at the lowest dose rate (0.25 mGy/min). Phantom measurements showed a dose rate difference between the detector and the ion chamber of less than 4% when moving the table’s height or rotating the fluoroscope gantry. Moreover, this difference was below 2% for depth dose rate measurements. The last subject of this thesis was about the fundamental physics of scintillation within the plastic scintillators. The factors affecting the light emission were analyzed in order to identify their respective contribution. The detector’s response increased by a factor of about 4 when the tube potential varied between 20 kVp and 250 kVp. The clear optical response was below 0.5%of the scintillator’s light when the fibers were exposed on 10 cm-long by these beam qualities. he ionization quenching phenomenon was also investigated. The signal attenuation varied with the beam energy and reached about 20% for a 20 kVp beam quality. In conclusion, this study suggests that the plastic scintillation detectors can accurately measure the radiation dose involved in diagnostic and interventional radiology, but a rigorous calibration is essential.

Les technologies d’assistance jouent un rôle important dans le quotidien des personnes en situation de handicap, notamment dans l’amélioration de leur autonomie de vie. Certaines d’entre elles à l’exemple des fauteuils roulants motorisés et autres bras robotiques articulés, requièrent une interaction au moyen d’interfaces dédiées capables de traduire l’intention de l’utilisateur. Les individus dont le niveau de paralysie confère de bonnes capacités résiduelles arrivent à interagir avec les interfaces de contrôle nécessitant une intervention mécanique et un certain niveau de dextérité (joysitck, boutons de contrôle, clavier, switch, souris etc). Cependant, certains types de handicap (lésion ou malformation médullaire, paralysie cérébrale, traumatismes à la suite d’un accident, absence congénital de membres du haut du corps, etc) peuvent entraîner une perte d’autonomie des doigts, des avant-bras ou des bras, rendant impossibles le recours à ces outils de contrôle. Dès lors, il est essentiel de concevoir des solutions alternatives capables de pallier ce manque. Partout à travers le monde, des chercheurs réalisent des prouesses technologiques et conçoivent des interfaces corps-machine adaptés à des handicaps spécifiques. Certaines d’entre elles utilisent les signaux bio-physiologiques (électromyoraphie (EMG), électroencéphalographie (EEG), électrocorticographie (ECoG), électrocculographie (EOG)), image de l’activité musculaire, cérébrale et occulographique du corps humain, qu’elles traduisent en moyens de contrôle relatifs à un mouvement, une intention formulée par le cerveau, etc. D’autres se servent de capteurs d’image capable d’être robuste dans un environnement donné, pour traduire la direction du regard, la position de la tête ou l’expression faciale en vecteurs de contrôle. Bien qu’ayant fait montre de leur efficacité, ces techniques sont parfois trop coûteuses, sensibles à l’environnement dans lequel elles sont utilisés, peuvent être encombrantes et contre-intuitives, ce qui explique le gap existant entre les besoins réels, la recherche et le marché des solutions de contrôle alternatives disponibles. Ce projet propose un “framework” embarqué, permettant d’interfacer différents types de modalités de mesure des capacités résiduelles des patients, au sein d’un réseau de capteurs corporels sans-fils multimodales. Son architecture est conçue de façon à pouvoir prendre en compte différents types de handicap et octroyer une large gamme de scénarios de contrôle pouvant s’adapter facilement aux aptitudes physiques de son utilisateur. In fine, l’interface corps-machine que ce projet propose, explore des approches nouvelles, se voulant pallier aux limitations des solutions existantes et favoriser l’autonomie de vie des individus en situation de handicap. / Assistive technologies play an important role in the day-to-day lives of people with disabilities, in particular in improving their autonomy. Tools such as motorized wheelchairs, assistive robotic arms, etc, require interaction through dedicated interfaces capable of translating the user’s intention. Individuals whose level of paralysis allows good residual abilities can interact with control interfaces requiring mechanical intervention and a good level of dexterity (joysitck, control buttons, keyboard, switch, mouse etc). However, certain types of disability (spinal cord injury or malformation, cerebral palsy, trauma following an accident, congenital absence of upper body limbs, etc.) may result in loss of autonomy of the fingers, forearms or arms, making it impossible to use these control tools. Therefore, it is essential to design alternative solutions to overcome this lack. Researchers around the world are realizing technological prowess by designing body-machine interfaces adapted to specific handicaps. Some of them use bio-physiological signals (electromyography (EMG), electroencephalography (EEG), electrocorticography (ECoG), electrocculography (EOG)), images of the muscular, cerebral and occulographic activity of the human body, for translation into means of control with respect to a movement, an intention formulated by the brain, etc. Others use image sensors that can be robust in a given environment, to translate the direction of gaze, the position of the head, or facials expressions, into control vectors. Although they were proved to be efficient, these techniques are sometimes too expensive, sensitive to the environment in which they are used, can be cumbersome and counter-intuitive, which explains the gap between existing needs, research and development, and the market of commercially available alternative control solutions. This project provides a "framework" that enables the design of flexible, modular, adaptive and wearable body-machine interfaces for the severely disabled. The proposed system, which implements a wireless and multimodal body sensor network, allows for different types of modalities the measure the residual capacities of individuals with severe disabilities for translation into intuitive control commands. The architecture is designed to accommodate different types of disabilities and provide a wide range of control scenarios. Ultimately, the body-machine interface that this project proposes, explores new approaches, aiming to overcome the limitations of existing solutions and to promote the autonomy of life of individuals with disabilities.

L’objectif principal de ce travail est de concevoir un petit brûleur au kérosène pour étudier la propriété ignifuge de matériaux composites sous attaque de flamme. Les normes AC20-135 et ISO 2685 décrivent de quelle manière les tests pour démontrer la capacité ignifuge d’un matériau doivent se dérouler. Ces normes sont utilisées pour dresser les requis pour la conception de ce petit brûleur au kérosène. Des gouttelettes liquides de jet-A sont pulvérisées pour alimenter la flamme en carburant tandis que l’air est amené via une conduite annulaire autour de l’injecteur. La combustion génère une flamme non-confinée. L’injecteur sélectionné est un atomiseur à pression avec ligne de retour de la compagnie Delavan. Un swirler en impression 3D de plastique est placé dans le brûleur près de la sortie d’air pour augmenter le mélange entre les gouttelettes de jet-A et l’air. Une analyse de mécanique des fluides numériques (MFNou CFDen anglais) est présentée pour mieux comprendre l’aérodynamique dans un brûleur et pour concevoir le swirler. Le brûleur est conçu pour permettre de facilement changer le swirler pour tester différents angles d’aubes. Un banc d’essai a été mis en place pour tester l’effet de ces swirlers sur le flux thermique de la flamme. Les effets de la puissance du brûleur, du rapport d’équivalence et de la distance entre le brûleur et la position de la mesure ont été investigués avec des essais expérimentaux. Un swirler de15 aubes avec un angle d’aube de 25°a été choisi. Parmi toutes les distances axiales testées expérimentalement avec le swriler choisi, il est possible d’atteindre le flux thermique requis de 116 kW/m2 avec le plus de configurations de flamme possible lorsque cette distance est de 7.6 cm (3 po.) du brûleur. Il est possible de générer une flamme avec un diamètre inférieur à 6.4 cm (2.5 po.) tout en atteignant le flux thermique requis de 116 kW/m2. Ceci permet d’effectuer des tests sur des petits échantillons et de réduire les coûts des tests de pré-certification. Pour atteindre cette configuration de flamme, il faut ajuster la puissance du brûleur entre 10 kW et 20 kW avec un rapport d’équivalence entre 0.7 et 0.9. / The main objective of this work is to design a small kerosene burner to study the fireproofing capacity of composite material under flame attack. The standards AC20-135 and ISO-2685 described how the fireproofing tests have to be performed and are used to set the requirements for the design of the small kerosene burner. The burner sprays liquid jet-A droplets and air is flowing around the injector in an annular chamber. The combustion generates an unconfined flame. The fuel injector selected is a Delavan spill-return pressure atomizer. There is a custom 3D printed plastic swirler at the air exit near the combustion area to increase the mixing between air and jet-A droplets. A computational fluid dynamic analysis (CFD) is presented to better understand the aerodynamic of the burner and to design the swirler. The design of the burner allows to easily change the swirler to test different vane angles. An experimental test bench is designed to test the effect of these swirlerson the heat flux under multiple combinations of burner power and equivalence ratio at four axial measurement locations. The experimental investigation allows selecting the final configuration and parameters for the burner. The chosen swirler has 15 vanes that are oriented 25° to the burner axis. The best axial location for the measurements is at 7.6 cm (3 in.). It is possible to generate a flame with a diameter smaller than 6.4 cm (2.5 in.) while reaching the required heat flux of 116 kW/m2. This accommodates smaller coupon sizes and reduces cost for pre-certification testing. To achieve this flame configuration, the burner power should be set between 10 kW to 20 kW with an equivalence ratio between 0.7 and 0.9.

On propose dans ce mémoire un nouveau type de capteur pour la mesure des fonctions respiratoires et cardiaques à des fins médicales. Le système offre la possibilité de mesurer le rythme respiratoire et la profondeur de respiration et de transmettre les données vers une station locale pour une analyse plus poussé et un diagnostic. Le capteur proposé est basé sur une approche électromagnétique où on utilise deux antennes posées sur la cage thoracique du patient. Lorsque le patient inspire et expire l’air avec ses poumons, le diamètre de la cage thoracique de ce dernier va augmenter et par conséquent la distance entre les deux antennes aussi. Le système mesure l’écart relatif entre les deux pour extraire le rythme respiratoire. Le point clé du capteur est d’encoder le signal de respiration sous forme de différence de phase entre l’onde émise et l’onde reçue conférant au système une bonne immunité contre les bruits des signaux externes. Le design a été implémenté sur un PCB (46mm x 46mm) pour fournir une preuve de concept de la méthode proposée. Les tests ont été conduits sur trois sujets de deux sexes et d’âges distincts. Les données mesurées démontrent que le système fonctionne sur différentes morphologies physiques. Finalement, le capteur a été capable de recueillir avec grande précision le rythme respiratoire et même la fréquence cardiaque. / We propose in this project a wearable electronic Patch Radar sensor that can monitor respiration rate and respiration depth continuously in real-time and transmit data to a base station for analysis. The device relies on a two-antenna configuration. Both antennas are bent to the patient chest, and when the patient breathes, the mechanical movement of the chest wall changes the distance between them. The system measures the relative distance between the antennas to extract the respiration pattern. The key feature of the sensor is that it transduces respiration movements to phase shifts in RF wave signals which make it very robust against external interferences. The design was implemented on a PCB (46mm x 46mm) to demonstrate a proof of concept for the proposed device. The system was able to acquire respiration signals and even cardiac frequency. Experimental results are presented for three different subjects, an adult male and female and a child. The data gathered gives enough sensitivity and accuracy to state that the device can work with different physical morphologies.