Dans les applications robotiques, la plupart des préhenseurs sont plus apparentés à des outils qui sont spécialisés pour effectuer une tâche extrêmement bien plutôt que d’effectuer une variété de tâches et de simplement les réussir. C’est dans cette optique que les travaux rapportés dans cette thèse proposent des solutions de préhension. Premièrement, des méthodes générales sont proposées pour permettre de prendre un type d’objets qui est généralement impossible à prendre pour les préhenseurs simples. Par la suite sont présentés les mécanismes planétaires qui sont au cœur des assemblages subséquents. Ces mécanismes sont utilisés pour améliorer les débattements des doigts et ainsi rendent possible un premier design pouvant prendre des petits et grands objets reposant sur des surfaces dures. Par la suite est présenté la conception d’un préhenseur complet qui inclut les propriétés du premier préhenseur mais aussi des propriétés de prises parallèles qui sont considérées comme indispensables pour être en mesure de saisir une grande panoplie d’objets. Finalement, le design du préhenseur proposé est optimisé et des capteurs y sont intégrés pour tenter de produire un design complet et sécuritaire pouvant être utilisé de manière simple par une grande panoplie de robots. / Most robotic grippers excel at completing one task but are ill suited for completing many and very different tasks. It is with this fact in mind that this thesis proposes general solutions to the grasping problem. First, general methods are proposed that aim at picking small flat objects that could not otherwise be grasped by simple mechanical grippers. Planetary mechanisms are then proposed to increase the range of motion of the finger joints, hence providing a way to achieve the necessary properties to build and test a finger capable of grasping small flat objects lying on hard surfaces. A complete gripper design is then proposed and built. The novel design that includes the features of the previous design is also capable of performing parallel grasps which are considered essential to be able to grasp a wide range of unknown objects. Finally, the gripper design is optimised and sensing apparatus is included in the gripper to provide a gripper that is considered a complete solution to grasping and is simple to use on a wide range of robots.

Le projet derrière cette thèse porte sur l’amélioration des conditions de travail des ouvriers sur les chaînes d’assemblage. Une équipe de Général Motors est venue à notre rencontre avec la problématique que les ouvriers sur leurs chaînes d’assemblage doivent souvent adopter des postures inconfortables lors de l’exécution de certaines tâches. Répétées de nombreuses fois, ces postures peuvent engendrer des problèmes de santé sur le long terme. Une solution proposée pour pallier à ce problème est de permettre à l’ouvrier d’effectuer son travail depuis une zone éloignée de la zone d’assemblage, où il ne devrait pas adopter de postures gênantes et pourrait être isolé de bruits, chaleurs ou dangers induits par la proximité avec la chaîne d’assemblage. Pour faire le lien entre cette zone sécuritaire et la zone de travail, la solution d’un robot a été proposée. Cette thèse présente le travail effectué pour concevoir ce robot. Cette thèse est composée de quatre chapitres qui sont autant d’articles abordant chacun un sujet différent. Le chapitre 1 porte sur deux types d’assemblages courant, en fait l’analyse et propose des solutions pour mécaniser ces tâches. Un outil est conçu et testé dans le cas des clips aussi appelés ’snap-fit’. Des stratégies de trajectoire et l’usage de mécanismes vibrants sont explorés pour l’insertion de tuyaux. Les phases de test et de mesure sont présentées en vidéo. Dans le chapitre 2, la notion de difficulté d’accomplir une tache de loin est abordée. En effet, la distance augmente considérablement la concentration et la perception nécessaires à un opérateur humain pour accomplir une tâche d’assemblage, résultant en un échec ou au moins un temps d’exécution plus grand et donc une efficacité moindre. Les mécanismes de correction de précision sont donc abordés. Des solutions impliquant l’usage de ressorts sont tout d’abord présentées pour permettre aux mécanismes d’être compliants tout en maintenant une position neutre définie. Ces solutions ont pour particularité d’introduire des seuils de force pour activer la compliance qui garantissent un comportement du mécanisme prévisible dans une utilisation générale. Puis, la notion de correction de position est introduite au travers de la famille de mécanismes des Remote Centre of Compliance (RCC) que l’on peut traduire par centre de mobilité distant. Différentes architectures en rotation et en translation sont présentées pour proposer des alternatives au RCC plus adaptées au contexte de travail avec un opérateur humain. Des tests sont effectués et une vidéo appuie la démonstration. Après la conception des mécanismes passifs, le plan du projet était de se tourner vers des solutions actives. La recherche d’une architecture adaptée aux besoins a mené à l’élaboration du chapitre 3. Ce dernier présente une architecture de robot parallèle à six degrés de liberté de type 6-ꝐUS. La cinématique du robot est étudiée, puis une méthode analytique de détermination de son espace de travail géométrique est présentée. Une étude de ses lieux de singularité et de ses capacités en force complète son analyse. Même si cette architecture ne fut pas celle retenue pour le prototype, les méthodes développées pour cette architecture furent utilisées pour la conception du robot fabriqué. Après de multiples itérations, une architecture pour le robot actif fut choisie. Cette dernière est présentée au chapitre 4 et s’accompagne de la présentation de trois schémas de contrôle développés pour répondre à la problématique. Les étapes de conception développées dans le chapitre 3 sont présentées au préalable. Le premier schéma de contrôle exploré est un contrôle en position, qui sert de base au contrôle du robot et permet de développer et valider les outils essentiels au bon contrôle du robot. Le second schéma de contrôle introduit des concepts présentés dans les architectures passives précédentes, en présentant l’avantage d’être reconfigurable au besoin. Un modèle simulant le comportement d’un RCC est d’ailleurs présenté. Le dernier schéma de contrôle exploré introduit de la vision numérique. Un marqueur ARUCO est placé sur le robot et les informations qu’il fournit sont incluses et traitées dans le schéma de contrôle. L’objectif est de simuler un environnement où le robot peut détecter de façon efficace et indépendante les positions des pièces à assembler et ajuster en temps réel les erreurs de positionnement de l’opérateur humain. / The project behind this thesis is about improving the working conditions of workers on assembly lines. A research team from General Motors came to us with a problem to work on: the workers on their assembly lines must use body postures that are difficult to bear when performing some tasks. These postures can become health hazards because of the repetitive nature of their work. The proposed solution to this problem is to make the operator work in a safe remote area from the assembly area, where he can keep a comfortable posture and remain far from the potential hazards of the assembly line. To make the link between the safe area and the assembly area, the solution of using a robot has been suggested. This thesis presents the work accomplished to design such robot. This thesis is composed of four chapters, each corresponding to an article dealing with a different subject. Chapter 1 deals with two different types of assembly tasks, presents their analysis and discusses solutions to introduce mechanisms in their process. A tool is designed and tested to perform snap-fit assembly tasks. Motion strategies are explored as well as vibrating mechanisms to deal with hose assembly tasks. Test phases and data measurements are presented in a video. In chapter 2, the issues associated with performing a task remotely are raised. Indeed, distance enhances greatly the required concentration and perception for a human operator to perform the task, resulting in a failure or a greater operating time, reducing productivity. Therefore, the accuracy correction mechanisms were considered. First, solutions with springs are presented to design compliant mechanisms that return to a neutral configuration when unloaded. These solutions bring the originality to introduce force thresholds to keep the compliance passive when not needed. Then, accuracy correction mechanisms are introduced through RCC mechanisms. Several rotational and translational mechanisms adapted to human collaboration are presented. Tests to validate the concept are shown in a video. After the design of passive mechanisms, the scope of the project turned to active solutions. The search for an effective architecture led to the contents of chapter 3. It presents a sixdegree-of-freedom 6-ꝐUS parallel robot. The kinematic analysis of the robot is presented, followed by an algorithm to determine the geometrical workspace of the robot. A singularity locus analysis and a force capability analysis are then presented. Even if this architecture was not selected in the end, the methods developed were used for the design of the final architecture. After several iterations, an architecture was chosen for the active robot. This architecture is presented in chapter 4. After a design process based on the work shown in chapter 3, three control schemes are presented. The first one is a classical position control which is a requisite for more advanced schemes. The second control scheme introduces concepts previously raised with the passive mechanisms discussed in chapter 2. The model simulates a RCC mechanism with the advantage of being reconfigurable without hardware modifications. The last control scheme introduces computer vision. An ARUCO marker is placed on the robot and the information it provides are injected in the control scheme. The objective is to simulate an environment where the robot detects the pose of the parts to assemble and adjusts itself in real time to compensate for the errors of the human operator.

Le Nunavik compte 14 communautés autochtones isolées dépendant massivement de la combustion du diésel pour générer leur électricité et répondre aux besoins en chauffage de leurs habitations et de leurs bâtiments publics. Le présent mémoire évalue la capacité des pompes à chaleur géothermique à assistance solaire à réduire la consommation de diésel associée au chauffage, en milieu nordique, au sein des réseaux autonomes. Pour ce faire, une configuration de ce système incluant une assistance solaire photovoltaïque a été proposée afin de répondre aux besoins en chauffage d'un logement situé dans la communauté de Whapmagoostui-Kuujjuarapik, au Nunavik. Un modèle numérique du système de chauffage a été développé sous TRNSYS et les simulations ont permis de connaître l'évolution de ses performances pendant dix années d'exploitation, pour une configuration particulière incluant un échangeur géothermique d'une longueur totale de 260 m et des panneaux photovoltaïques d'une puissance installée de 9 kW. Le fonctionnement du système, les flux d'énergie et la température du fluide dans les différents composants ont également été détaillés. Une étude sensibilité a ensuite permis de montrer l'influence de cinq paramètres de conception sur les performances globales du système au bout de dix années d'exploitation. Les conceptions dotées d'une assistance solaire permettent de réaliser des économies de diésel de 48 à 69% au bout de dix années d'exploitation. En revanche, une analyse économique a révélé que ces systèmes sont très coûteux en raison des batteries et des panneaux photovoltaïques, et qu'ils nécessitent un horizon d'au moins 50 ans et des conditions économiques favorables pour devenir rentables. Enfin, une modification de la méthode de dimensionnement de l'ASHRAE a été proposée. Elle permet de prédire la longueur requise d'échangeurs géothermiques avec une précision de ±31% pour l'ensemble des systèmes simulés, pour une durée d'exploitation de dix ans. / Nunavik has 14 isolated indigenous communities that heavily rely on diesel fuel to generate electricity and meet the heating needs of their homes and public buildings. This thesis evaluates the ability of solar-assisted ground-coupled heat pumps to reduce diesel consumption for heating purposes in a northern environment within autonomous networks. For this purpose, a configuration including a solar-assisted photovoltaic system was proposed to meet the heating needs of a dwelling in the community of Whapmagoostui-Kuujjuarapik, in Nunavik. A numerical model of the heating system was developed in TRNSYS, and the simulations were carried out to know the evolution of its performances during a ten-year operation, for a particular configuration including a ground heat exchanger of a total length of 260 m and photovoltaic panels of an installed capacity of 9 kW. The operation of the system, the energy flows, and the temperature of the fluid in the different components were also evaluated. A sensitivity study then showed the influence of five design parameters on the overall performance of the system after ten years of operation. Designs with solar assistance achieved diesel savings of 48 to 69 percent after ten years of operation. On the other hand, an economic analysis revealed that these systems are very expensive due to the batteries and photovoltaic panels and require a time horizon of at least 50 years and favorable economic conditions to become cost-effective. Finally, a modification to the ASHRAE sizing method was proposed. It predicts the required length of ground heat exchangers with an accuracy of ±31% for all simulated systems, for a ten-year operating life.

Le mercure est universellement reconnu comme un contaminant largement distribué dans l'environnement en raison d'activités naturelles et anthropiques. Comme certaines de ses espèces peuvent se propager et s'accumuler à travers la chaine alimentaire, ce polluant peut poser un risque élevé pour la santé humaine. Heureusement, ces dangers sont atténués par la mise en place de politiques et par le suivi de la qualité de l'eau et des aliments dans des laboratoires d'analyse équipés d'instruments de pointe conçus pour fournir une réponse analytique précise et sensible. Malgré cela, cette approche est plus ou moins adéquate pour répondre aux besoins spécifiques des communautés de régions éloignées, où l'accès limité aux installations d'analyse et les coûts d'expédition élevés entravent le suivi exhaustif des aliments. Pourtant, les peuples autochtones habitant l'Arctique, comme les Inuits, courent un risque plus élevé d'exposition au mercure en raison de l'accumulation préférentielle du contaminant aux pôles et d'un mode de vie reposant fortement sur la chasse et la pêche traditionnelles. Considérant que l'alimentation traditionnelle est une partie vitale de la culture et qu'elle procure d'autres nutriments essentiels à la santé, limiter la consommation de ces aliments n'est pas une option viable et l'amélioration du suivi de la qualité alimentaire est donc capitale. Dès lors, le développement d'une plateforme de détection qui serait facile à utiliser, peu coûteuse à produire et qui présenterait une faible empreinte spatiale permettrait d'accomplir le suivi de la qualité directement sur le terrain, favorisant alors l'autonomie de ces communautés. Compte tenu de ce qui précède, l'objectif principal encadrant les travaux de cette thèse était de développer une sonde moléculaire fluorescente pour la détection sélective et sensible du mercure en bénéficiant de la simplicité instrumentale associée à la récolte de signaux optiques. La mise au point de cette stratégie a d'abord exigé la synthèse d'un fluorophore sensible au Hg et l'étude de ses propriétés de détection. Dans un deuxième temps, la photostabilité et la sensibilité au Hg de la molécule ont été améliorées par son assemblage sur des nanoparticules d'argent ayant des propriétés plasmoniques propices à l'exaltation de la fluorescence par le métal (MEF). Troisièmement, le capteur hybride argent-fluorophore développé a été intégré dans un dispositif microfluidique facilitant l'utilisation de la sonde en éliminant la manipulation des solutions typiquement requise par l'utilisateur pour faire l'analyse du mercure. De plus, comme une préparation d'échantillon précède généralement l'analyse en laboratoire, le potentiel de la méthode de détection dans un dispositif portatif qui intégrerait des étapes de préparation d'échantillon a aussi été évalué et discuté. / Mercury is universally established as a contaminant widely distributed in the environment due to natural and anthropogenic activities. As some of its species can distribute and accumulate through the food chain, this pollutant can cause a significant threat to human health. Fortunately, these hazards are alleviated by establishing policies and monitoring this contaminant in analytical laboratories equipped with state-of-the-art instruments designed to provide a precise and sensitive analytical response. Regardless, this approach is sometimes ill-suited to meet the specific needs of populations living in remote regions where access to facilities is limited and high shipping costs impede timely and reasonably priced food monitoring. Yet, the indigenous peoples inhabiting the Artic, such as the Inuits, are at a higher risk of mercury exposure due to the latter's preferential accumulation at the poles combined with a livelihood that strongly relies on traditional hunting and fishing. Since country food is an integral part of their culture and provides other essential nutrients, limiting the consumption of these foods is not a sustainable route and improving the efficiency of quality monitoring is therefore imperative. This could be achieved through the development of a field-deployable detection platform that would be easy to operate, inexpensive to produce and would exhibit a small spatial footprint. This strategy would eventually enable northern communities to have a better autonomy with regards to food monitoring and the ensuing decision-making. The main objective of the project presented in this thesis was to design a fluorescent molecular probe for the sensitive and selective sensing of mercury by benefitting from the instrumental simplicity associated with the detection of optical signals. Developing this strategy first required the synthesis of a Hg-sensitive fluorophore and the study of its detection properties. In a second stage, the molecule's photostability and Hg-sensitivity was enhanced by its assembly onto silver nanoparticles which exhibit plasmonic properties that are conducive to fluorescence enhancement through a phenomenon called metal-enhanced fluorescence (MEF). Thirdly, the MEF assembly was integrated into a microfluidic cartridge that facilitates the usage of the developed sensor without requiring the complex handling of solutions to perform mercury analysis. Moreover, as a sample preparation is usually carried out beforehand in a laboratory set-up, the compatibility of the detection method in a portable device that would also integrate sample preparation steps was evaluated and discussed.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Ce mémoire présente les travaux de recherche menés afin de concevoir un robot parallèle collaboratif rétroentraînable à faible impédance mécanique. L'hypothèse est qu'en utilisant des moteurs sans réducteur à la sortie et qu'en réduisant la masse et l'inertie des pièces en mouvement du robot, une rétrocommandabilité intuitive est obtenue. Le prototype physique permet de valider l'hypothèse en faisant l'objet de tests expérimentaux. Les travaux présentés dans ce mémoire abordent également l'exploitation de la redondance du robot afin d'opérer une pince à son effecteur. L'architecture parallèle SPARA utilisée est bonifiée d'un préhenseur à prise parallèle qui permet de conserver sa rotation illimitée à l'effecteur. La méthodologie des simulations qui permettent l'optimisation et la validation du prototype est présentée. L'optimisation de l'architecture du robot ainsi que de sa pince est expliquée en détail. La conception mécanique du robot est ensuite présenté ainsi que le montage du prototype, suivi des validations expérimentales menées sur le robot. / This Master's thesis presents the research work carried out in order to design a parallel backdrivable collaborative robot with low mechanical impedance. The assumption is that using direct drive motors and by reducing the mass and the inertia of the moving parts of the robot, intuitive backdrivability is achieved. The physical prototype confirms the hypothesis through experimental testing. The work presented in this thesis also addresses the exploitation of the robot's redundancy in order to operate a gripper at its end-effector. The SPARA parallel architecture used is enhanced with a gripper with parallel grasping which allows the end-effector to retain its unlimited rotation. The simulation methodology that allows the optimization and validation of the prototype is presented. The optimization of the architecture of the robot and its gripper is explained in detail. The mechanical design of the robot is then presented as well as the assembly of the prototype, followed by the experimental validations carried out on the robot.

La conception des profilés en acier est généralement influencée par l’apparition d’instabilités au niveau local et global de l’élément. Le voilement, le flambement, le déversement ont été source de nombreuses recherches dans le but d’optimiser les coûts des constructions en acier. Une estimation plus précise des charges de ruines réelles devrait permettre des gains, en pratique, de par l’allègement de structures typiquement conçues de façon excessivement sécuritaires. En effet, les règles de conception, proposées par les normes, mènent à une estimation des résistances locales et globales des profilés en I et en H, dont la précision peut être améliorée, et certains chercheurs ont ainsi orienté leur travail vers une optimisation de ces règles. Dans ce contexte, l’O.I.C. (Overall Interaction Concept) qui a été développé dans un premier temps pour les sections tubulaires en acier, permet la conception de tous types de géométries de sections, et cas de chargement, d’une manière simple et efficace. Les formules de résistances ont été développées à partir de résultats expérimentaux et numériques, ceux-ci permettant de prendre en compte, de manière continue, l’interaction entre résistance et instabilité. Cette thèse s’inscrit dans la démarche de l’O.I.C., de par le développement de formules de conception pour les sections en I et en H. Suite à une étude numérique réalisée à partir d’un modèle aux éléments finis, dont la précision a été préalablement vérifiée, des schémas de contraintes résiduelles et imperfections géométriques ont pu être recommandés, afin de garantir l’obtention de résistances fiables. Des études paramétriques furent menées sur des éléments courts, soumis à des cas de chargement simples, telles que la compression pure, la flexion d’axe fort, et la flexion d’axe faible, ainsi que des cas de chargements combinés. Des formulations prédisant la résistance, dans un format O.I.C., ont été ensuite proposées. Davantage d’analyses numériques ont été réalisées afin d’étudier la réponse globale des poutres en I et en H, sujettes au phénomène de déversement, et une équation prédisant leur résistance a été développée. Les formulations proposées ont montré une meilleure fiabilité que celle obtenue selon les directives de l’Eurocode, tout particulièrement dans le cas des sections élancées de classe 4, dont les règles de conception préconisées présentent un manque de précision important. La formulation développée selon l’O.I.C., dans le cas des chargements combinés, bien que d’apparence complexe, permet d’obtenir une estimation de la capacité locale de façon très précise, là où la norme a montré d’importantes lacunes. La performance de la formulation a été préférée à la simplicité, pour assurer son apport vis-à-vis de la précision des normes actuelles. C’est pourquoi ce travail doit être considéré comme une première étape vers une formulation complète de conception des poutres en I et en H, et de futurs travaux pourraient s’intéresser à leur simplification. / Design of steel profiles is generally ruled by the occurrence of local and global instabilities which havebeen of major interest for many years now to reduce costs within steel applications. Closer estimate of actual ultimate strengths shall allow for some savings in practice since some structures typically designed through conservative rules provided by standards such as the Eurocode shall be lightened. The designguide lines currently suggested in codes to predict local and global strengths of I and H-shapes are broadly known to exhibit some conservatism and researchers have been directing their efforts towards an optimisation of such design. Accordingly, the O.I.C. (Overall Interaction Concept) which was first developed for tubular sections,provides a general approach for steel design with a common and straightforward formulation for all load cases and cross-section’s geometries. O.I.C. design equations are derived based on strengths mostly achieved by means of full non-linear analyses since F.E. simulations can provide accurate predictions of actual ultimate strengths and continuously account for the Resistance – Instability interaction. Through the present thesis, design formulae for I and H-shapes were developed as part of the development of the O.I.C. Subsequently to an extensive numerical study through a F.E. model whose reliability was first established by means of comparisons with tests data, reasonable local geometrical imperfections as well as appropriate residual stresses patterns were chosen so that reliable ultimate strengths could be reached with the F.E.models. Then, parametric studies were carried out on short members subject to simple load cases such assimple axial force, major-axis bending or minor-axis bending and combined loadings. Observations on local strengths tendencies allowed the determination of key parameters so that O.I.C. based design proposals predicting the local strengths of hot-rolled and welded I and H-sections could be established. Numerical investigations then focused on the member strength of I and H-sections prone to suffer fromLateral Torsional Buckling so that an accurate design proposal including local/global coupling effects waseventually derived. Accuracy showed great benefits from these O.I.C. based design proposals compared to Eurocode rules,especially for slender sections. The design for which coherence and accuracy was preferred to simplicity has shown drastic efficiency for simple and combined load cases. Owing to the complex strength tendencies observed for sections subject to combined loadings, no consequent simplification of theproposals could be achieved without losing the benefits in accuracy compared to the Eurocode one. This work shall be considered as a first step towards a more coherent and accurate design for steel I andH-sections since further work may be needed towards a simplification of such proposal

Les robots parallèles entraînés par câbles (RPEC) permettent d'augmenter grandement l'espace de travail. Cependant, il est possible d'améliorer le ratio entre le volume de travail utile d'un RPEC et son volume replié en concevant un système capable de se rétracter pour laisser la place à d'autres types d'activités. L'objectif de ce mémoire consiste à concevoir un actionneur prismatique rétractable maximisant le volume de travail et résistant au ambage. Notre système est composé de deux chaînes de maillons qui s'emboîtent l'une dans l'autre à l'aide d'un guide convergent a n de former une poutre rigide. A l'extrémité de cette poutre, trois câbles sont implantés a n de la maintenir en compression et un e ecteur pourrait être installé. Dans un premier temps, nous avons présenté le système dans son ensemble, déterminé le volume de travail à maximiser ainsi que les contraintes à respecter. Nous avons sélectionné et dimensionné le système d'emboitement des maillons : les snap- ts. Ensuite, nous avons conçu une crémaillère intégrée aux maillons et les engrenages permettant de translater et assembler ces deux chaînes. Nous avons alors paramétrisé notre système a n de l'optimiser pour obtenir un volume de travail maximal. En n, nous avons conçu les réservoirs accueillant les deux chaînes et réalisé le prototype. Cela nous a permis de mesurer le rapport du volume de travail sur le volume rétracté égal à 11,58, ce qui signi e que nous avons atteint notre objectif. Nous avons testé la résistance au ambage du système qui pourrait être améliorée en corrigeant les jeux entre les maillons.

Le fonctionnement du cerveau humain est fascinant. En seulement quelques millisecondes, des milliards de neurones synchronisés perçoivent, traitent et redirigent les informations permettant le contrôle de notre corps, de nos sentiments et de nos pensées. Malheureusement, notre compréhension du cerveau reste limitée et de multiples questions physiologiques demeurent. Comment sont exactement reliés le fonctionnement neuronal et le comportement humain ? L’imagerie de l’activité neuronale au moyen de systèmes miniatures est l’une des voies les plus prometteuses permettant d’étudier le cerveau des animaux se déplaçant librement. Cependant, le développement de ces outils n’est pas évident et de multiples compromis techniques doivent être faits pour arriver à des systèmes suffisamment petits et légers. Les outils actuels ont donc souvent des limitations concernant leurs caractéristiques physiques et optiques. L’un des problèmes majeur est le manque d’une lentille miniature électriquement réglable et à faible consommation d’énergie permettant l’imagerie avec un balayage en profondeur. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau type de dispositif d’imagerie miniature qui présente de multiples avantages mécaniques, électriques et optiques par rapport aux systèmes existants. Le faible poids, la petite dimension, la capacité de moduler électriquement la distance focale à l’aide d’une lentille à cristaux liquides (CL) et la capacité d’imager des structures fines sont au cœur des innovations proposées. Dans un premier temps, nous présenterons nos travaux (théoriques et expérimentaux) de conception, assemblage et optimisation de la lentille à CL accordable (TLCL, pour tunable liquid crystal lens). Deuxièmement, nous présenterons la preuve de concept macroscopique du couplage optique entre la TLCL et la lentille à gradient d’indice (GRIN, pour gradient index) en forme d’une tige. Utilisant le même système, nous démontrerons la capacité de balayage en profondeur dans le cerveau des animaux anesthésiés. Troisièmement, nous montrerons un dispositif d’imagerie (2D) miniature avec de nouvelles caractéristiques mécaniques et optiques permettant d’imager de fines structures neuronales dans des tranches de tissus cérébraux fixes. Enfin, nous présenterons le dispositif miniaturisé, avec une TLCL intégrée. Grâce à notre système, nous obtenons ≈ 100 µm d’ajustement électrique de la profondeur d’imagerie qui permet d’enregistrer l’activité de fines structures neuronales lors des différents comportements (toilettage, marche, etc.) de la souris. / The functioning of the human brain is fascinating. In only a few milliseconds, billions of finely tuned and synchronized neurons perceive, process and exit the information that drives our body, our feelings and our thoughts. Unfortunately, our understating of the brain is limited and multiple physiological questions remain. How exactly are related neural functioning and human behavior ? The imaging of the neuronal activity by means of miniaturized systems is one of the most promising avenues allowing to study the brain of the freely moving subjects. However, the development of these tools is not obvious and multiple technical trade-offs must be made to build a system that is sufficiently small and light. Therefore, the available tools have different limitations regarding their physical and optical characteristics. One of the major problems is the lack of an electrically adjustable and energy-efficient miniature lens allowing to scan in depth. In this thesis, we propose a new type of miniature imaging device that has multiple mechanical, electrical and optical advantages over existing systems. The low weight, the small size, the ability to electrically modulate the focal distance using a liquid crystal (LC) lens and the ability to image fine structures are among the proposed innovations. First, we present our work (theoretical and experimental) of design, assembling and optimization of the tunable LC lens (TLCL). Second, we present the macroscopic proof-of-concept optical coupling between the TLCL and the gradient index lens (GRIN) in the form of a rod. Using the same system, we demonstrate the depth scanning ability in the brain of anaesthetized animals. Third, we show a miniature (2D) imaging device with new mechanical and optical features allowing to image fine neural structures in fixed brain tissue slices. Finally, we present a state-of-the-art miniaturized device with an integrated TLCL. Using our system, we obtain a ≈ 100 µm electrical depth adjustment that allows to record the activity of fine neuronal structures during the various behaviours (grooming, walking, etc.) of the mouse.

Ce mémoire présente la démarche de conception d’un générateur d’inertie à trois degrés de liberté. Un tel dispositif, conçu pour être tenu en main, utilise une ou plusieurs masses au sein d’un bâti, qui sont réorientées afin d’induire des couples à un utilisateur. Ceci influence l’effort requis par l’utilisateur et modifie sa perception de l’inertie déplacée. Pour y parvenir, un modèle réduit à un degré de liberté est élaboré puis implémenté dans un prototype. Avec une commande en couple, un rendu haptique plus que satisfaisant est obtenu, permettant des inerties jusqu’à 10 fois l’inertie intrinsèque. Par la suite, cinq concepts de générateurs à trois degrés de liberté sont modélisés et simulés. Trois de ceux-ci s’avèrent impossible ou complexes à mettre en oeuvre, laissant deux possibilités : utiliser trois roues d’inertie, ou réaliser un gyroscope à deux axes avec une roue d’inertie centrale. En simulation, le second offre une plus grande efficacité au niveau des requis des moteurs et surtout au niveau de la masse. Il est donc sélectionné pour le développement d’un prototype. Les différentes sections du modèle CAO, les instruments de mesure, et le modèle de contrôle en temps-réel sont détaillés. Avec toutes ces composantes fonctionnelles, des résultats intermédiaires sont obtenus. Le modèle dynamique est d’abord validé comme étant précis à l’aide de capteurs d’efforts, puis il est vérifié que le dispositif est en mesure de suivre des consignes de couple. Enfin la commande de génération d’inertie est implémentée. Des problèmes surviennent comme la limitation des mouvements par les câbles d’alimentation et l’instabilité inhérente du gyroscope. Ils empêchent d’utiliser l’appareil comme prévu, soit avec une roue tournant à haute vitesse. En démarrant le dispositif à 0 RPM, il réussit à simuler des inerties entre 0.5 fois et 1.5 fois son inertie intrinsèque. Ces variations sont de bonne qualité au niveau haptique, et sont suffisantes pour ressentir l’effet du dispositif. Enfin, pour améliorer ses capacités, il est suggéré de retourner vers le concept à trois roues d’inertie. / This thesis presents the synthesis and design of a three-degree-of-freedom inertia generator. Such a device, intended as a hand-held apparatus, uses one or many masses within a frame which are accelerated in order to render torques to a user. This influences the effort required by the user to move the device, and modifies their perception of its inertia. To achieve this, a simplified one-degree-of-freedom model is first elaborated and implemented in a prototype. With a torque command, a satisfying haptic rendering is obtained, capable of rendering nearly 10 times the intrinsic inertia of the device. Then, five three-degree-of-freedom torque generation concepts are modelled. Three of those are impossible or too complex to implement, leaving only two options : using three orthogonal flywheels, or using a double gimbal gyroscope with one central flywheel. When compared in simulations, the gyroscope concept offers a better efficiency in terms of mass and motor capabilities. As such, it is selected for the prototype. Then, details are given on the various components of the CAD model, the measuring tools, and the real-time model used for the control. Using these, a series of results are obtained. The dynamic model is first validated as accurate using force/torque sensors. Then the device’s ability to produce torque profiles is confirmed. Finally, its inertia generation capabilities are tested. Problems arise due to movement limitations from the power cables and the instability inherent to the gyroscope. They prevent the device to be used as intended, i.e., with the flywheel initially rotating with a large velocity. Instead, by setting it initially at 0 RPM, the device is able to render inertias equivalent to 0.5 to 1.5 its intrinsic inertia. The haptic quality of these renderings is very good, and they are sufficient to demonstrate the validity of the concept as a whole. Finally, to improve the capabilities of the device, it is suggested to use the three flywheels concept instead. .

De nos jours, le seul procédé industriellement applicable pour la production de l’aluminium est connu sous le nom du procédé de Hall-Héroult. Le procédé utilise essentiellement des matériaux à base de carbone comme électrodes (anode et cathode). La productivité et l’efficacité énergétique du procédé sont étroitement liées à la qualité de l’anode (uniformité et stabilité des propriétés requises). Dans ce projet, nous avons étudié différents paramètres pouvant influencer l’uniformité des propriétés finales des anodes lors de leur cuisson principalement par la détermination de la résistivité électrique. Le processus de cuisson est la dernière étape du procédé de fabrication des anodes. Il s’agit d’une étape très critique, car c’est ici que les anodes subissent les plus importantes transformations microstructurales leur conférant les propriétés requises à leur utilisation dans le procédé de Hall-Héroult. Pendant la cuisson, les anodes sont empilées dans un four et cuites suivant des profils de température prédéfinis. Cela entraine la génération de contraintes mécaniques dans les anodes, causées par l’empilement, combinées aux transformations thermochimiques, causées par le processus de cuisson. La conséquence de ce phénomène peut mener à une anisotropie au niveau des propriétés des anodes. L’hypothèse est que lors de la cuisson, les anodes supérieures peuvent générer des pressions externes sur les anodes inférieures, provoquant ainsi le réarrangement des particules de coke dans la structure interne de l’anode. Ce changement pourrait mener à la réduction de la distance entre les particules affectant possiblement la résistivité électrique. Dans ce travail, la variation de la résistivité électrique d’une série d'anodes industrielles en fonction de leur position dans les fours de cuisson a été examinée dans un premier temps. Ensuite, à travers des travaux expérimentaux, menés en laboratoire, des échantillons d'anodes ont été fabriqués et cuits sous différentes pressions externes. Enfin, leur résistivité électrique a été déterminée afin d’établir une relation entre la force mécanique appliquée et la résistivité électrique. / Nowadays, the only industrially applicable process to produce aluminum is known as the Hall-Héroult process. The process essentially uses carbon-based materials as electrodes (anodes and cathodes). The productivity and energy efficiency of the process is closely linked to the quality of the anodes (uniformity and properties variations). In this project, we studied different parameters that could influence the uniformity of the anode final properties by mainly determining their electrical resistivity. The baking process is the last step in the anode manufacturing process. This is a very critical step while the anodes undergo the most significant microstructural transformations giving them the properties required for their use in the Hall-Héroult process. During baking, the anodes are stacked in the furnace and baked according to predefined temperature profiles leading to the generation of mechanical stresses, due to stacking, combined with thermochemical transformations, due to the baking process. The consequence of this phenomena can lead to anisotropy in terms of anode internal properties. The hypothesis is that during baking, the upper anodes can exert an external pressure on the lower anodes, thus causing the rearrangement of the coke particles in the internal structure of the anode. This change could lead to a reduction in the distance between particles, possibly affecting the electrical resistivity. In this work, the variations in the electrical resistivity of a series of industrial anodes as a function of their position in the baking furnace were first examined. Then, through experimental work carried out in the laboratory, anode samples were fabricated and baked under different external pressures. Finally, their electrical resistivity was determined to establish a relationship between the applied mechanical force and the electrical resistivity.