Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / Ce mémoire présente les travaux effectués dans le cadre d’une association entre le laboratoire de robotique ainsi que celui des nouvelles technologies de l’image, du son et de la scène (Lantiss), tous deux issus de l’Université Laval, relativement au développement d’une scène de spectacle dynamiquement reconfigurable. Une part importante de l’analyse traite de l’aspect esthétique des mouvements et des poses d’une telle surface, face à son utilisation dans le monde du spectacle. L’autre champ d’étude fait référence à des aspects techniques. Ainsi, les solutions qui sont artistiquement intéressantes sont analysées et optimisées afin de pouvoir être réalisées mécaniquement. C’est à cet effet que des études cinématiques et dynamiques de mécanismes ainsi que des optimisations de paramètres géométriques sont exposées. Finalement, ces démarches théoriques mènent à la fabrication et à la commande d’un prototype respectant les attentes artistiques de la scène mobile. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2019

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Cette thèse présente les travaux de recherche doctorale en génie mécanique de Louis- Alexis Allen Demers effectués au Laboratoire de robotique de l’Université Laval sous la supervision du professeur Clément Gosselin. Cette étude comporte la synthèse, l’optimisation et le prototypage d’une main robotique sous-actionnée à cinq doigts. Le principe du sousactionnement mécanique est utilisé pour développer une main robotique qui a des capacités de préhension similaires à la main humaine, tout en limitant le nombre d’actionneurs requis pour la commander. Cette main a des dimensions semblables à la main humaine de manière à ce qu’elle soit fonctionnelle dans un milieu conçu pour les humains. De plus, une adaptation de la prise de la main est possible, autant en modifiant la force de préhension que la position des doigts et du pouce. L’analyse statique d’un doigt sous-actionné est d’abord effectuée. Plus particulièrement, les conditions permettant d’atteindre une prise stable pour laquelle toutes les forces de contact sont positives sont obtenues. Ainsi, les valeurs optimales pour les dimensions des poulies sont déterminées en fonction des longueurs des phalanges et des distributions élémentaires de forces établies. En utilisant ces deux distributions complémentaires efficacement, l’éjection de l’objet à saisir par un doigt à trois phalanges et deux réseaux de tendons est évitée. Par la suite, le problème général de positionnement d’un axe de rotation permettant d’obtenir des poses initiale et finale imposées est résolu. Cette analyse géométrique permet de concevoir un système de rotation du pouce afin d’obtenir les différentes configurations typiques de la main humaine. Un système d’abduction des doigts soit complètement plan, soit un hybride sphérique-plan est ensuite couplé à ce mécanisme. Ces architectures sont analysées afin de s’assurer d’obtenir les amplitudes d’abduction imposées ainsi que de minimiser l’erreur de coordination entre les métacarpiens. En dernier lieu, les différents mécanismes conçus dans cette thèse sont fabriqués, en plus d’un prototype de poignet et de système de sous-actionnement entre les doigts. Le prototype de main intégrant toutes ces parties est finalement utilisé pour prendre différents types d’objets. / This thesis presents the doctoral research in Mechanical Engineering of Louis-Alexis Allen Demers completed at the Laboratoire de robotique of Université Laval under the supervision of Prof. Clément Gosselin. This project covers the synthesis, optimization and prototyping of a five-finger robotic hand. The principles of mechanical underactuation are used to develop a robotic hand that has grasping capabilities similar to that of the human hand, while limiting the number of actuators required to control it. This hand has dimensions similar to those of the human hand in order to be functional in an environment designed for humans. In addition, an adaptation of the hand grip is possible, either by changing the grasping force or by varying the position of the fingers and thumb. A static analysis of an underactuated finger is first performed. In particular, the conditions for achieving stable grasp in which all contact forces are positive are obtained. Thus, the optimal values for the dimensions of the pulleys as a function of the lengths of the phalanges and the primary force distributions established are determined. Using these two complementary distributions effectively, the ejection of the object to be grasped by a finger with three phalanges and two tendon networks is avoided. Then, the general problem of positioning an axis of rotation to obtain initial and final prescribed poses is solved. This geometric analysis allows to design a system of rotation of the thumb in order to obtain the various typical configurations of the human hand. A system of abduction of the fingers, first completely planar, than a hybrid planar-spherical mechanism is then coupled with this mechanism. These architectures are analyzed in order to ensure that they can provide the prescribed abduction amplitudes and that the coordination error between the metacarpals is minimized. Finally, the various mechanisms designed in this thesis are built, in addition to a prototype of a wrist and the mechanism of underactuation between the fingers. The prototype hand integrating all these parts is ultimately used to grasp different types of objects.

Dans le but de concurrencer l’utilisation des dalles de béton et du bois dans les tabliers de pont, on étudie dans ce mémoire la possibilité de dimensionner un tablier de pont tout en aluminium et économiquement intéressant. Le cahier des charges spécifie que le nouveau concept soit de 15 mètres de portée, fabricable en usine et assemblable en chantier. Ce mémoire s’inscrit plus globalement dans la stratégie québécoise de développement de l’aluminium (2015-2025) et est en partenariat avec le ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des transports québécois (MTMDET). Après avoir écarté la possibilité d’un platelage en aluminium totalement faisable au Québec de 15 mètres de long sans système d’attache entre les panneaux, on a proposé une conception innovante en ayant recours simplement à des extrusions dont le diamètre circonscrit est inférieur à 460 mm. En voulant valider la conception au regard de la norme CAN/CSA S6-2014 et par la méthode des éléments finis, on s’est aperçu que le chapitre 17 concernant les ouvrages d’aluminium de ladite norme était très sécuritaire et parfois incomplet. On a proposé alors de nouvelles méthodes pour avoir accès aux fractions de charge de camion ou à la largeur effective pour un platelage en aluminium. Une fois ces considérations techniques étudiées, une analyse économique a été menée, s’intéressant particulièrement aux coûts de production d’un platelage en aluminium et en le comparant au coût de production d’une dalle de béton ou d’un platelage en bois. Enfin, fort des analyses faites au cours de ce mémoire, on a proposé une conception finale répondant aux critères de la norme et qui pourrait être économiquement viable. / This thesis studies the possibility of designing a full aluminum deck which would be economically interesting in order to compete with the use of concrete slab and wood for bridge decks. The requirements for this project are that the new concept has a span of 15 meters, can be built in a factory and can be assembled in the field. This thesis is part of the Quebec aluminum development strategy (SQDA 2015-2025) and is done in partnership with the ministry of Transportation, of durable Mobility and of transport Electrification (MTMDET). Having rejected the possibility of a 15 meters long aluminum deck without any clamp system between panels and entirely made in Quebec, an innovating concept has been proposed using only extrusion with a circumscribed diameter lower than 460 mm (18 inches). Seeking to validate the new concept with the CAN/CSA S6-2014 code and by the finite element method, it has been realized that chapter 17 of this code, related to aluminum structures, is very conservative and sometimes incomplete. Consequently, new methods have been proposed to have access to truck load fractions or to effective length of an aluminum deck. An economic analysis has been made after having studied the technical considerations. It focused on production costs of an aluminum deck and a comparison with the production cost of a concrete slab or a wooden deck. Finally, considering the results, a final conception has been proposed which qualifies for the code and is economically viable.

Thèse en cotutelle présentée au département des mines, de la métallurgie et des matériaux, Université Laval, Québec et École doctorale Jean-Henry Lambert, Université de Haute-Alsace, Mulhouse. / Les prothèses vasculaires textiles en polyethylene téréphtalate (PET) sont utilisées depuis plus de cinquante ans en chirurgie cardiovasculaire. Elles sont fiables pour les grands diamètres (>8mm), cependant des occlusions se présentent souvent après implantation pour les petits diamètres (6-8mm). L'occlusion survient, car la surface des prothèses est peu hémocompatible. Or, l'hémocompatibilité des prothèses serait largement améliorée si ces dernières se recouvraient d'une couche de cellules endothéliales qui tapissent naturellement les vaisseaux sanguins. Cependant, ce recouvrement n'est pas ou peu observé sur les prothèses implantées. Les matrices protéiniques qui servent avant tout à perméabiliser la prothèse et qui recouvrent les prothèses n'ont pas d'effet positif sur l'endothélialisation. Ce projet vise à mettre en évidence que les textiles bruts ne sont pas un support viable pour le développement de ces cellules endothéliales, puis propose de remplacer les matrices protéiniques par un recouvrement synthétique. Pour ce faire, de l'acide poly-L-lactique solubilisé a été filé sous forme de nanofibres non tissées et déposées sur la surface luminale de la prothèse textile de PET. L'étirage par jet d'air utilisé pour former ces fibres a été d'abord caractérisé selon un modèle plan, puis adapté à la forme tubulaire des prothèses. Les nanofibres ont été évaluées sur le plan de la cytocompatibilité, de l'adhérence et de la prolifération avec un modèle de cellules endothéliales animales. Enfin, ce travail vise à optimiser l'adhérence de ces fibres sur le PET par l'emploi d'une technique de modification de surface par plasma à pression atmosphérique. Les résultats montrent qu'il est possible de produire des nanofibres d'acide polylactique et de contrôler leur diamètre en ajustant la concentration de la solution. Ces nanofibres permettent de sceller la paroi de la prothèse textile et présentent des taux de cristallinité variables en fonction des paramètres de filage. Enfin, les cellules endothéliales prolifèrent en monocouche sur des prothèses recouvertes de nanofibres. Par ailleurs, il est possible d'optimiser l'adhérence des nanofibres sur le PET avec un traitement par plasma à pression atmosphérique. En conclusion nous avons proposé une alternative prometteuse à l'enduction traditionnelle des prothèses pour favoriser la prolifération en monocouche des cellules endothéliales.

L’obésité et les maladies cardiométaboliques sont des problèmes de santé publique dans les populations nordiques du Canada ainsi qu’à travers le monde. Il est actuellement proposé que l’augmentation de ces désordres est en partie causée par divers facteurs environnementaux qui génèrent des changements importants du microbiote intestinal. Cette communauté microbienne qui peuple notre tractus gastrointestinal joue un rôle clé dans le métabolisme de nutriments, mais peut aussi avoir des effets néfastes lorsque son équilibre avec l’hôte est perturbé. Cette compréhension a mis en évidence le manque d’outils prédictifs permettant un diagnostic rapide et efficace dans le domaine biomédical. L’analyse actuelle du microbiote est réalisée à posteriori au niveau des selles, ce qui requiert du personnel hautement qualifié de même que des procédures longues et dispendieuses. L’objectif de ce projet est de concevoir un capteur optique qui, une fois implanté dans l’intestin, permettra de détecter en temps réel des biomarqueurs clés produit par le microbiome intestinal. Dans le cadre d’une preuve de concept, une architecture fibrée simple permettant de mesurer quantitativement des variations de pH est démontrée. Contrairement aux capteurs fibrés traditionnels, la sonde optique de ce projet exploite l’onde évanescente générée sur la périphérie de l’interface pour exciter des nanomatériaux greffés dont les propriétés de fluorescence varient selon leur environnement chimique. Les mesures sont possibles grâce à un système optique mobile contrôlé par un logiciel convivial qui permet à un utilisateur nonexpert d’utiliser l’appareil. Les résultats confirment qu’avec un étalonnage préalable il est possible avec cette sonde modèle de prendre des mesures quantitatives du pH en temps réel in vitro. Les expériences préliminaires suggèrent que la sonde permet aussi de mesurer le pH en temps réel dans l’intestin in vivo. / Obesity and cardiometabolic diseases (CMD) are major public health issues among Canada’s northern population and throughout the world. It is believed that the exponential rise in CMD incidence is due to numerous environmental factors, which are driving important changes in the gut microbiome. This microbial community which populates our intestinal tract plays a key role in nutrient and energy metabolism, but can also drive pathogenic mechanisms when its interaction with the host is disrupted. This understanding has highlighted the lack of predictive tools and biomarkers for rapid and efficient diagnostic of various diseases within the medical field. Current analysis of the gut microbiota is mostly based on sequencing technologies to determine microbial composition and gene expression, while functional analyses are limited to surrogate markers of microbial activities through stool metabolites. The goal of this study is to develop a “Sensor-in-Fibre” probe with the capacity to detect key microbiome-derived molecules relevant to CMD pathogenesis in real time in vivo. The optical probe takes advantage of evanescent fields generated on its peripheral interface to excite species-selective surface-grafted sensing nanomaterials that have varying fluorescent properties based on the target molecules present in the surrounding environment. As a model system, FITC functionalized with (3-aminopropyl)triethoxysilane was grafted on the periphery of an optical fiber, leading to qualitative pH measurements revealed through fluorescence emission qualities. These measurements are possible due to the use of a mobile signal collection apparatus in conjunction with custom software made to enable a non-expert technician to use it. The experimental results demonstrate that, with the appropriate preparation, it is possible to quantitatively measure pH with this probe structure in vitro and preliminary studies suggest that the probe is also capable of measuring pH in vivo in real time. / Résumé en espagnol

Pour les structures en béton armé, la corrosion des armatures représente la plupart des pathologies observées. Aujourd'hui, pour réduire les coûts de maintenance, une détection avant l'apparition de la corrosion permettrait d'optimiser la gestion des infrastructures. Il est observé que les détériorations les plus rapides sur les structures en béton armé se développent en présence simultanée d'eau liquide et d'ions chlorure qui accélèrent l'apparition et le développement de la corrosion des armatures. Lorsque la concentration de chlorures dans le béton d'enrobage dépasse un certain seuil, la couche de passivation est détruite, et la corrosion des aciers d'armature s'initie. Ce phénomène est accentué dans les pays où les sels de déglaçage sont utilisés pour la sécurité routière, ainsi qu'en bordure de zones maritimes. Ce mémoire propose une nouvelle méthode de monitorage non destructive permettant d'observer l'évolution des concentrations en ions chlorure dans le béton d'enrobage. Ce monitorage permet de surveiller en continu, et en temps réel, la concentration en chlorures libres dans les pores de béton afin d'évaluer la phase d'initiation de la corrosion. Le monitorage consiste en un capteur chimique à fibres optiques qui a été développé et testé. Des études théoriques et expérimentales ont permis la calibration et validation du capteur dans des échantillons de mortier. Une lumière bleue transite à l'intérieur des fibres optiques, atteignant à leur extrémité une pastille sensible aux ions chlorure. Avec l'analyse par spectroscopie de fluorescence, souvent utilisée dans le domaine de la biochimie et de la médecine, les concentrations d'ions chlorure libres dans l'eau interstitielle du béton sont déterminées. Ce capteur de petite taille, est facile à placer à différentes profondeurs dans le béton d'enrobage permettant de suivre en continu la concentration des chlorures contenue dans l'eau interstitielle à l'intérieur des pores du béton. / For reinforced concrete structures, corrosion of reinforcements represents most of the pathologies observed. Today, to reduce maintenance costs, detection before the onset of corrosion would optimize infrastructure management. It is observed that the fastest deterioration on reinforced concrete structures develop in the simultaneous presence of liquid water and chloride ions which accelerate the appearance and development of reinforcement corrosion. When the concentration of chlorides in the concrete coating exceeds a certain threshold, the passivation layer is destroyed, and the corrosion of reinforcing steel is initiated. This phenomenon is accentuated in countries where de-icing salts are used for road safety, as well as, in marine regions. This research work proposes a new non-destructive monitoring method allowing to observe the evolution of the chloride ion concentrations in the cover concrete. This sensor makes it possible to continuously monitor, in real time, the concentration of free chlorides in the concrete pores in order to evaluate the initiation phase of the corrosion. The innovative instrument consists of a fiber optic chemical sensor that has been developed and tested. Theoretical and experimental studies allowed the calibration and validation of the sensor in mortar samples. Blue light travels inside the optical fibers, reaching at their ends a patch sensitive to chloride ions. With fluorescence spectroscopy analysis, often used in the field of biochemistry and medicine, the concentrations of free chloride ions are determined. This small-sized sensor is easy to place at different depths into concrete structures, to continuously monitor the concentration of chlorides contained in the pore solution.

Dans le cadre d'un projet multidisciplinaire impliquant le génie mécanique et la chirurgie vasculaire, notre équipe travaille à la mise au point d'un bioréacteur destiné au développement de techniques de construction de substituts valvulaires par génie tissulaire. L'objectif global de ce projet consiste à reproduire à l'intérieur de ce bioréacteur des conditions précises d'écoulement, physiologiques ou non-physiologiques, dans lesquelles pourra être conditionné un substitut de valve aortique. Ce mémoire présente le développement du premier module fonctionnel de ce bioréacteur, soit celui de la pompe ventriculaire qui y sera intégrée. Cette pompe permettra de reproduire des débits puisés analogues aux écoulements physiologiques produits par le ventricule gauche du coeur humain. Elle devra fournir une excellente dynamique de pulsation et ce, en offrant un niveau élevé de contrôle du débit et de la fréquence de pulsation de l'écoulement. Le système doit également demeurer mécaniquement simple pour faciliter la stérilisation et limiter les manipulations afin de favoriser la stérilité à long terme de l'appareil. La réalisation de ce projet a fait intervenir des disciplines très variées et a impliqué des connaissances provenant des domaines de l'ingénierie, mais également de la physiologie humaine. La corrélation entre ces expertises est présentée dans ce document qui expose l'ensemble des étapes qui ont mené à la conception, la fabrication et la mise en service de ce nouveau modèle de pompe ventriculaire.

Actuellement au Québec il n'existe pas de méthode de dimensionnement pour les chaussées revêtues de pavés de béton. Pourtant, l'utilisation de pavés de béton comme revêtement de chaussées apporte des avantages certains tant sur le plan esthétique que sur plan climatique en contexte municipal et nordique. En effet, ils permettent de structurer l'espace urbain et peuvent être mis en place à de faibles températures, permettant ainsi d'augmenter la période de construction durant l'année. Du point de vue structural, sous l'effet du trafic, le transfert de charges d'un pavé à l'autre et vers les couches inférieures de la chaussée permet à ce type de structures de se comporter comme une chaussée souple, ce qui rend possible leur installation dans des zones fortement sollicitées. Lors d'une première étape de ce projet, 18 sites répartis dans les villes de Montréal, Québec et Longueuil ont été étudiés et ont permis de montrer que l'orniérage était la principale dégradation pour ce type de chaussées en contexte municipal et nordique. Les méthodes traditionnelles de dimensionnement des chaussées souples ne sont pas adaptées aux chaussées revêtues de pavés de béton puisque plusieurs des hypothèses généralement posées pour ces méthodes ne sont pas valides pour ces structures : les couches doivent être homogènes et isotropes, les modules doivent être décroissants d'une couche à l'autre du haut de la structure vers le bas. Enfin, les méthodes de dimensionnement traditionnelles consistent à vérifier entre autre que la traction à la base du revêtement ne dépasse pas une valeur critique. Cependant, la présence du sable du lit de pose sous les pavés ne permet pas d'utiliser ce critère. En conséquence, il apparaît important de déterminer les caractéristiques d'une couche unique, homogène et isotrope qui permet de reproduire adéquatement le comportement du revêtement de pavés de béton. L'orniérage étant la principale dégradation pour ce type de chaussées, une méthodologie de dimensionnement peut alors être développée en déterminant l'accumulation de la déformation permanente dans la chaussée sous l'effet du trafic, en incluant les variations de caractéristiques que subit la chaussée suivant la période de l'année.

Le vent contient de l'énergie. Cette ressource naturelle est la base de l'économie de l'industrie éolienne. La mesure extrêmement précise de la vitesse du vent est essentielle pour deux raisons principales. Premièrement, l'intérêt commercial des éoliennes découle de leurs performances calculées à partir de mesures du vent, ces mesures permettant la localisation au mètre près des éoliennes. Deuxièmement, la régulation du fonctionnement des éoliennes, par le biais d'anémomètres, optimise le rendement de ces machines. Les régions nordiques, ayant un potentiel éolien intéressant, verront une croissance inévitable de l'implantation d'éoliennes. L'anémomètre à coupoles est l'appareil le plus utilisé par cette industrie principalement grâce à sa simplicité, ses bonnes performances et son bas prix. En milieu nordique, la glace s'accumule sur les coupoles et affecte la mesure du vent. Des anémomètres chauffants sont nécessaires pour ces climats rigoureux et, actuellement, aucun de ces appareils chauffants ne satisfait les exigences de l'industrie éolienne. Ce mémoire fait partie d'un projet plus vaste de développement d'un anémomètre antigivre performant. Différentes techniques de chauffage pour déglacer ou prévenir la formation de glace ont été étudiées. Un prototype d'anémomètre à coupoles chauffantes par effet joule a été conçu. Le présent projet visait le développement du procédé de mise en forme des coupoles incluant l'encastrement d'un fil chauffant dans la coupole faite de polymère. Au cours du développement et suite aux tests des performances en laboratoire, des améliorations à apporter étaient évidentes. La suite du projet était d'utiliser les concepts gagnants de ce premier prototype et de poursuivre le développement en concevant et en réalisant la seconde génération de l'anémomètre. La nouvelle conception a été assistée par des simulations numériques de la distribution de température. Des éléments chauffants additionnels ont été intégrés au design, notamment dans les bras des coupoles, dans la région centrale du rotor et dans le support fixe sous le rotor. Le design des coupoles et leur procédé de mise en forme ont été révisés pour limiter l'inertie du rotor et pour uniformiser la distribution du chauffage. De plus, toutes les composantes électroniques ont été miniaturisées et assemblées sur un circuit imprimé qui a été intégré dans la base de l'appareil. Les tests antigivre, anti-verglas et dégivrants ont été effectués en laboratoire pour évaluer les performances antigivre de l'appareil. Ces tests ont montré que la deuxième génération de l'anémomètre peut prévenir la formation de givre et de verglas dans diverses conditions climatiques tout en consommant moins d'énergie.

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