Les algorithmes évolutionnaires (AE) constituent une famille d’algorithmes inspirés de l’évolution naturelle. Ces algorithmes sont particulièrement utiles pour la résolution de problèmes où les algorithmes classiques d’optimisation, d’apprentissage ou de conception automatique sont incapables de produire des résultats satisfaisants. On propose dans cette thèse une approche méthodologique pour le développement de systèmes intelligents basés sur les AE. Cette approche méthodologique repose sur cinq principes : 1) utiliser des algorithmes et des représentations adaptés au problème ; 2) développer des hybrides entre des AE et des heuristiques du domaine d’application ; 3) tirer profit de l’optimisation évolutionnaire à plusieurs objectifs ; 4) faire de la co-évolution pour résoudre simultanément plusieurs sous-problèmes d’une application ou favoriser la robustesse ; et 5) utiliser un outil logiciel générique pour le développement rapide d’AE non conventionnels. Cette approche méthodologique est illustrée par quatre applications des AE à des problèmes difficiles. De plus, le cinquième principe est appuyé par l’étude sur la généricité dans les outils logiciels d’AE. Le développement d’applications complexes avec les AE exige l’utilisation d’un outil logiciel générique. Six critères sont proposés ici pour évaluer la généricité des outils d’AE. De nombreux outils logiciels d’AE sont disponibles dans la communauté, mais peu d’entre eux peuvent être véritablement qualifiés de génériques. En effet, une évaluation de quelques outils relativement populaires nous indique que seulement trois satisfont pleinement à tous ces critères, dont la framework d’AE Open BEAGLE, développée durant le doctorat. Open BEAGLE est organisé en trois couches logicielles principales, avec à la base les fondations orientées objet, sur lesquelles s’ajoute une framework gén érique comprenant les mécanismes généraux de l’outil, ainsi que plusieurs frameworks spécialisées qui implantent différentes saveurs d’AE. L’outil comporte également deux extensions servant à distribuer des calculs sur plusieurs ordinateurs et à visualiser des résultats. Ensuite, trois applications illustrent différentes approches d’utilisation des AE dans un contexte de reconnaissance des formes. Premièrement, on optimise des classifieurs basés sur la règle du plus proche voisin avec la sélection de prototypes par un algorithme génétique, simultanément à la construction de mesures de voisinage par programmation génétique (PG). À cette co-évolution coopérative à deux espèces, on ajoute la co-évolution compétitive d’une troisième espèce pour la sélection de données de test, afin d’améliorer la capacité de généralisation des solutions. La deuxième application consiste en l’ingénierie de représentations par PG pour la reconnaissance de caractères manuscrits. Cette ingénierie évolutionnaire s’effectue par un positionnement automatique de régions dans la fenêtre d’attention jumelé à la sélection d’ensembles flous pour l’extraction de caractéristiques. Cette application permet d’automatiser la recherche de représentations de caractères, opération généralement effectuée par des experts humains suite à un processus d’essais et erreurs. Pour la troisième application en reconnaissance des formes, on propose un système extensible pour la combinaison hiérarchique de classifieurs dans un arbre de décision flou. Dans ce système, la topologie des arbres est évoluée par PG alors que les paramètres numériques des unités de classement sont détermin és par des techniques d’apprentissage spécialisées. Le système est testé avec trois types simples d’unités de classement. Pour toutes ces applications en reconnaissance des formes, on utilise une mesure d’adéquation à deux objectifs afin de minimiser les erreurs de classement et la complexité des solutions. Une dernière application démontre l’efficacité des AE pour la conception de syst` emes de lentilles. On utilise des stratégies d’évolution auto-adaptatives hybridées avec une technique d’optimisation locale spécialisée pour la résolution de deux problèmes complexes de conception optique. Dans les deux cas, on démontre que les AE hybrides sont capables de générer des résultats comparables ou supérieurs à ceux produits par des experts humains. Ces résultats sont prometteurs dans la perspective d’une automatisation plus poussée de la conception optique. On présente également une expérience supplémentaire avec une mesure à deux objectifs servant à maximiser la qualité de l’image et à minimiser le coût du système de lentilles. / Evolutionary Algorithms (EA) encompass a family of robust search algorithms loosely inspired by natural evolution. These algorithms are particularly useful to solve problems for which classical algorithms of optimization, learning, or automatic design cannot produce good results. In this thesis, we propose a common methodological approach for the development of EA-based intelligent systems. This methodological approach is based on five principles : 1) to use algorithms and representations that are problem specific ; 2) to develop hybrids between EA and heuristics from the application field ; 3) to take advantage of multi-objective evolutionary optimization ; 4) to do co-evolution for the simultaneous resolution of several sub-problems of a common application and for promoting robustness ; and 5) to use generic software tools for rapid development of unconventional EA. This methodological approach is illustrated on four applications of EA to hard problems. Moreover, the fifth principle is explained in the study on genericity of EA software tools. The application of EA to complex problems requires the use of generic software tool, for which we propose six genericity criteria. Many EA software tools are available in the community, but only a few are really generic. Indeed, an evaluation of some popular tools tells us that only three respect all these criteria, of which the framework Open BEAGLE, developed during the Ph.D. Open BEAGLE is organized into three main software layers. The basic layer is made of the object oriented foundations, over which there is the generic framework layer, consisting of the general mechanisms of the tool, and then the final layer, containing several specialized frameworks implementing different EA flavors. The tool also includes two extensions, respectively to distribute the computations over many computers and to visualize results. Three applications illustrate different approaches for using EA in the context of pattern recognition. First, nearest neighbor classifiers are optimized, with the prototype selection using a genetic algorithm simultaneously to the Genetic Programming (GP) of neighborhood metrics. We add to this cooperative two species co-evolution a third coevolving competitive species for selecting test data in order to improve the generalization capability of solutions. A second application consists in designing representations with GP for handwritten character recognition. This evolutionary engineering is conducted with an automatic positioning of regions in a window of attention, combined with the selection of fuzzy sets for feature extraction. This application is used to automate character representation search, which is usually conducted by human experts with a trial and error process. For the third application in pattern recognition, we propose an extensible system for the hierarchical combination of classifiers into a fuzzy decision tree. In this system, the tree topology is evolved with GP while the numerical parameters of classification units are determined by specialized learning techniques. The system is tested with three simple types of classification units. All of these applications in pattern recognition have been implemented using a two-objective fitness measure in order to minimize classification errors and solutions complexity. The last application demonstrate the efficiency of EA for lens system design. Selfadaptative evolution strategies, hybridized with a specialized local optimisation technique, are used to solve two complex optical design problems. In both cases, the experiments demonstrate that hybridized EA are able to produce results that are comparable or better than those obtained by human experts. These results are encouraging from the standpoint of a fully automated optical design process. An additional experiment is also conducted with a two-objectives fitness measure that tries to maximize image quality while minimizing lens system cost.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2003-2004 / Ce mémoire porte sur l’analyse du canoë de béton de l’Université Laval, Apogée 2002. L’objectif principal est de comprendre le comportement du canoë sous les divers cas de chargement auxquels il est soumis. Un deuxième objectif est de déterminer des critères de conception pour ce type de structure. Ces critères et la compréhension du comportement serviront de base à la conception des prochains canoës. Ces objectifs sont atteints par un apport combiné de la modélisation et de l’expérimentation. Ce travail discute d’abord de la conception des mélanges de béton utilisés pour la construction du canoë de béton Apogée 2002. La caractérisation des propriétés physiques et mécaniques des composites qui ont servi à la construction de la structure est ensuite présentée. Puis, l’analyse du comportement structural du canoë et de ses sous-structures est réalisée à l’aide d’une analyse par éléments finis. Enfin, des essais in-situ sur le canoë sont effectués et les résultats sont comparés à ceux prédits par le modèle numérique. Les essais expérimentaux comprennent des essais statiques et dynamiques. Les essais dynamiques permettent de déterminer l’amplification des déformations causées par les coups de rame et les virages. Les critères de conception sont déterminés et présentés en fonction des résultats des analyses par éléments finis et finalement des essais expérimentaux. / This thesis presents bares the analyses of Laval University’s Apogee 2002 concrete canoe. The predominant objective is to investigate and understand the canoe’s reaction under various loading patterns. A second objective is to elaborate design criteria for these types of structures. These criteria and comprehension of the structural behavior will be used for the upcoming canoes. These objectives are achieved coalescing experimentation and modeling. The present work begins with the elaboration of the concrete design used for Apogee’s construction. The characterization of the physical and mechanical properties of the composites used in the structure follows. Additionally, the sub-structures of the canoe and the entire canoe’s structural reaction analyses are predicted fulfilled using a finite element software. Finally, in-situ tests are performed on the canoe and the results compared to that obtained with the numerical model. The experimentation comprised both static and dynamic tests. Dynamic testing is used to determine the strain amplification due to paddling and turning. The design criteria are determined and presented according to the results obtained from the finite element software followed by experimentation.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017 / Cette thèse synthétise la conception d'une plateforme de marche destinée à la réadaptation des membres inférieurs pour le mouvement de la marche. L'automatisation du travail des thérapeutes, la réduction de leur charge de travail et la diversification des exercices pour les patients est un atout par rapport aux outils existants sur le marché tels que les tapis roulants ou les allées instrumentées pour la réadaptation. La conception d'une interface de locomotion pour la simulation de la marche présente des défis en terme de performance et de stabilité du mécanisme, de même que pour assurer la sécurité de l'utilisateur. L'équilibre de l'utilisateur doit être préservé grâce à une interaction humain-robot souple durant la phase d'élancement du pied et une sensation de rigidité lors de la phase d'appui. Dans un premier temps, la thèse présente le mouvement de la marche humaine pour trois types de milieux, c'est-à-dire la marche au sol, la marche d'escalier ascendante et la marche d'escalier descendante. Entre autres, le chapitre 1 cible les points essentiels de la cinématique et de la dynamique des membres inférieurs afin d'établir les exigences physiques pour la conception de la plateforme de marche. Le chapitre 2 introduit l'architecture mécanique de l'interface de locomotion basé sur deux systèmes indépendants de courroies déplaçant les deux effecteurs dans les translations horizontale et verticale, correspondant au plan sagittal dans lequel la majeure partie du mouvement de marche s'effectue. L'architecture du routage de courroies découple les degrés de liberté et simplifie ainsi la commande de la plateforme en séparant chaque degré de liberté en système indépendant. Cette architecture augmente également le rendement des efforts articulaires transmis aux effecteurs comparativement à un système dont les degrés de liberté sont co-dépendants. La thèse introduit ensuite la commande mise en place pour l'interaction entre le mécanisme et l'opérateur. Les exigences cinématiques et dynamiques diffèrent selon la phase d'élancement et la phase d'appui de la marche. Ainsi, le chapitre 3 présente la stratégie mise en place dans la direction horizontale pour minimiser les forces d'interaction entre l'utilisateur et l'effecteur. La commande en force permet, dans un premier temps, de diminuer l'inertie apparente de l'effecteur ressentie par l'utilisateur. Par la suite, un mécanisme passif à câbles est utilisé en tant qu'interface pour réduire davantage l'impédance ressentie du système. Le chapitre 4, quant à lui, décrit la stratégie mise en place pour gérer la phase d'appui de la marche afin de générer la contrainte rigide nécessaire à la simulation du sol virtuel. Le chapitre introduit la commande pour générer la limite virtuelle ainsi que la mise en place du système d'équilibrage statique à ressort à gaz pour diminuer le travail des moteurs et supporter le poids de la personne. Finalement, le chapitre 5 introduit la commande haut niveau pour générer le mouvement infini sur l'interface de locomotion avec un algorithme de recul, ramenant l'utilisateur dans la direction opposée à son mouvement pour générer l'espace nécessaire aux prochaines phases de marche, dans la direction horizontale comme pour le fonctionnement d'un tapis de course et dans la direction verticale, comme pour le fonctionnement d'un escalier mécanique inversé. / This thesis summarizes the design of a locomotion interface for gait rehabilitation. The aim of the mechanism is to alleviate the workload of therapists by automating the repetitive movements involved in the rehabilitation exercises. Moreover, by offering a larger panel of exercises, the locomotion interface should be an asset compared to standard treadmills or rehabilitation walkways. Walking simulation is a challenge in terms of performance, power and safety since the mechanism includes the user in the workspace of the effectors. The balance of the user should be ensured during the swing phase with a reduced human-robot interaction and reliable during the stance phase. First, Chapter 1 describes the walking motion, the stair climbing up and down movement and highlights their main kinematic and dynamic features. Chapter 2 then introduces the architecture of the locomotion interface based on independent belt routings which transmit the movement to two end-effectors that carry the user. Each foot platform has two degrees of freedom (dofs) corresponding to the horizontal and vertical translations in the sagittal plane. Decoupling the dofs simplifies the control of the locomotion interface and increases the efficiency of the torque of the motor sent to the end-effectors compared to systems with co-dependent degrees-of-freedom. Then, the thesis presents the strategies used to supervise the human-robot interaction. The kinematic and dynamic requirements are different during the swing phase and the stance phase of the human gait. Therefore, Chapter 3 introduces the force controllers that lighten the apparent inertia of the mechanism as well as the additional mechanism based on passive cables in order to further alleviate the impedance of the effector. Chapter 4 presents the controller that generates the vertical virtual constraint in order to produce the required reliable floor during the stance phase. The rendering of the virtual environment is improved with the implementation of a static balancing system based on gas springs that alleviates the workload of the motors that handle the weight of the user. Finally, Chapter 5 introduces the cancellation algorithm that generates the infinite environment. Horizontally, the user is brought backward such as on a treadmill. Vertically, the user is moved in the opposite direction of his/her movement such as in a reversed escalator.

Cette maîtrise a été financée à l'aide une bourse en milieu pratique «BMP innovation» dans le cadre d'un partenariat entreprise-université. La société Opsens a développé un capteur de pression de type interférométrique à fibre optique pour le monitorage de la pression dans le fond de puits de pétrole. Ce capteur (OPP-W GEN I) a déjà fait ses preuves dans des environnements corrosifs à des températures et pressions allant jusqu'à 300°C et 5000kPa. La société désire produire une nouvelle version du produit (OPP-W GEN II) avec une plage d'utilisation plus grande (300°C, 35000kPa). Toutefois, la technique de liaison (soudure) actuelle entre la membrane et la base du capteur ne permet pas une plage de pression aussi grande. Le but du projet de maîtrise est de développer une nouvelle soudure répondant aux exigences de la deuxième version du produit. La recherche se divise en trois différentes méthodes. Le brasage dur avec aluminium a d'abord été expérimenté. Il s'agit de chauffer sous vide un métal entre deux surfaces jusqu'à liquéfaction et de refroidir doucement par la suite. L'oxydation de l'aluminium a ensuite été testée par différentes façons. L'objectif était de produire une stoechiométrie semblable à celle du saphir (AI₂O₃). La deuxième méthode utilise un laser continu Nd-YAG au lieu du four pour chauffer le métal. L'énergie du faisceau focalisé permet de liquéfier très localement le milieu absorbant. En opérant ainsi, on espérait créer des zones de stress et une structure de l'aluminium plus encline à la diffusion de l'oxygène. Toutefois, les résultats montrent que cette technique ne facilite aucunement l'oxydation. La dernière méthode expérimentée utilise un laser femtoseconde. La microsoudure par ce type de laser se démarque des autres techniques de soudure sur plusieurs points. D'abord, elle ne nécessite aucun matériau d'apport. Les effets non linéaires des impulsions ultra-brèves créent la chaleur nécessaire à la soudure. De plus, la zone thermiquement affectée est très réduite (de l'ordre du micromètre).

L'analyse de structure réticulée plane nous donne toujours un nombre considérable d'équations â plusieurs inconnus à résoudre. Une méthode d'analyse exacte par ordinateur électronique s'avère très utile pour résoudre ce problème. Plusieurs auteurs ont travaillé sur le sujet en utilisant des méthodes approximatives pour résoudre manuellement un grillage rectangulaire. Des méthodes de calcul matriciel ont été développées afin de résoudre ces problèmes et se plier aux exigences du calcul électronique. Depuis l'avènement des calculateurs électroniques, plusieurs volumes et articles ont été publiés sur l'utilisation du calcul matriciel pour la résolution des problèmes de structure. Laursen, Wang, Martin, Weaver, Nelson, Tezcan et plusieurs autres appliquent les équations matricielles à l'analyse des structures.

Que ce soit à des fins d'amélioration de la performance ou de réhabilitation physique, l'analyse de la condition physique et de la locomotion occupe de nos jours une importante place dans le domaine des soins santé. La récente démocratisation des microcontrôleurs et de leur suite de capteurs a permis la venue de nouvelles modalités d'évaluation de la locomotion (p. ex. l'analyse cinématique avec systèmes inertiels). Ce mémoire présente le développement d'un véhicule autonome de petite taille permettant la capture vidéo d'un participant selon un suivi adaptatif utile à des fins d'analyse du mouvement et la réalisation d'évaluation de la condition physique en dehors des milieux de laboratoires et cliniques (p. ex. Salle instrumentée, tapis roulant). Le robot, fabriqué à faibles coûts, est basé sur la plateforme Raspberry Pi. De façon à conduire une collecte en milieu écologique, celui-ci est placé sur une piste d'athlétisme intérieure sur laquelle il peut se déplacer de manière autonome dans les corridors en suivant les lignes selon un algorithme de reconnaissance visuelle et d'automatisation. L'instrumentation embarquée du véhicule permet l'évaluation du participant en mode « suivi », c'est-à-dire en suivant la cadence en conservant une distance constante et sécuritaire. Le mode meneur de train » impose quant à lui une cadence au participant. Ce mode peut aussi être utilisé à des fins d'analyse de la performance ou d'entrainement. Au cours de ce document, les modalités de conception et de fabrication seront présentées. Les méthodes de vision par ordinateur pour la conduite autonome développée pour un ordinateur à faible coût et de faible puissance seront détaillées. Les résultats d'essais effectués sur une piste d'athlétisme intérieure permettant de démontrer les performances et limitations du véhicule sont présentés. Les résultats obtenus sont discutés. Finalement, de nouvelles approches pour l'évaluation de la condition physique seront proposées. / Whether for performance enhancement or physical rehabilitation, the analysis of fitness and locomotion occupies an important place in today's healthcare. The recent democratization of microcontrollers and their suite of sensors has allowed the emergence of new methods for evaluating locomotion (e.g., kinematic analysis with inertial systems). This dissertation presents the development of an autonomous vehicle of small size allowing the video capture of a participant according to an adaptive tracking that could be used for movement analysis and physical condition evaluations performed outside of laboratory environments and clinics (e.g., Instrumented room, treadmills). The robot, manufactured at low cost, is based on the Raspberry Pi platform. In order to conduct a video data acquisition in an ecological environment, it is placed on an indoor running track on which it can move independently in the corridors by following the lane lines according to a visual recognition and automation algorithm. The onboard instrumentation of the vehicle allows the participant to be evaluated in "follow-up" mode, that is to say by following the pace while maintaining a constant and safe distance with the assessed participant. The "pacesetter" mode, for its part, imposes a pace on the participant. This mode can also be used for performance analysis or training purposes. Throughout this document, the design and manufacturing methods will be presented. Computer vision methods for autonomous driving developed for a low cost, low-power computer will be detailed. The results of tests carried out on an indoor running track to demonstrate the performances and limitations of the vehicle are presented. Finally, new approaches for fitness assessment will be proposed.

Le développement d'une sonde de traînée pour la mesure instantanée de la vitesse de l'aluminium en fusion dans une cellule d'électrolyse est l'objectif principal de ce projet de maitrise. L'effet de l'hydrodynamique des fluides sur l'efficacité énergétique d'une cuve d'électrolyse a incité les chercheurs à étudier ce phénomène par le biais de simulations numériques depuis plusieurs décennies. Cependant, il existe peu de données expérimentales disponibles pour valider les profils de vitesse obtenus à partir de ces simulations numériques. Une revue de la littérature sur les méthodes possibles de mesure de la vitesse dans une cellule d'électrolyse en aluminium a été réalisée. Cependant, la plupart des méthodes suggérées dans la littérature ne permettent pas de résoudre les problèmes de vélocimétrie à l'intérieur de la cellule d'électrolyse. La force du champ magnétique généré par le passage d’un fort courant dans les cuves d’électrolyse affecterait fortement les instruments électroniques. Une température élevée de l’aluminium allant jusqu'à 960°C est la raison pour laquelle de nombreuses techniques suggérées sont écartées. En outre, un environnement agressif de la cuve limite le choix des matériaux pour les méthodes avec des pièces immergées dans la cellule. Compte tenu de ces difficultés, une nouvelle tentative est entreprise pour mesurer la vitesse de l'aluminium en fusion avec une sonde de traînée inspirée par un dispositif éprouvé initialement utilisé pour la mesure de la vitesse du vent. Ce nouveau dispositif est conçu pour minimiser les effets de vortex, pour augmenter le coefficient de traînée et pour être applicable dans les cuves d’électrolyse. Ce document présente la sonde adaptée à la cuve d'électrolyse, son procédé de calibration et de validation dans un canal d'eau à température ambiante et les résultats obtenus en cuve d'électrolyse. Enfin, une conclusion sur les résultats obtenus et une suggestion de travaux futurs possibles est fournie / The development of a drag probe for instantaneous velocity measurement of molten aluminium in an electrolysis cell is performed in this master project. Because of the strong effects of flow hydrodynamics on energy efficiency of electrolysis cell, researchers studied this phenomenon through numerical simulations for decades. However, there is little experimental data to validate velocity profiles obtained from these numerical simulations. A literature review over possible methods for velocity measurement in aluminium electrolysis cell has been done. However, the challenges of velocimetry inside the electrolysis cell are beyond capabilities of most of methods suggested in literature. The high magnitude of the magnetic field from the passage of high DC current through the process would strongly affect electronic instruments. The high temperature of molten aluminium (up to 960°C) is reason to discard many suggested techniques. Besides, the aggressive environment of reduction cell limits the choice of materials for measurement methods with parts immersing inside the cell. Considering all those difficulties, a new attempt is undertaken to measure molten aluminium velocity with a drag probe inspired from a proven device first used for wind velocity measurement. The new device is designed to minimize vortex shedding, to increase the drag coefficient and to be applicable in the harsh environment of aluminium reduction cell. This document presents the probe developed for the electrolysis cell, its calibration in a water channel at room temperature, and the velocity results obtained within electrolysis cell.

Ce mémoire présente la conception et la validation expérimentale d'un système mécatronique visant à faciliter la manipulation de composantes lourdes dans des situations industrielles d'assemblage, par exemple l'assemblage de panneaux de fuselage d'avion. Le principe de la redondance sous-actionnée est utilisé pour que l'interaction entre l'opérateur humain et le robot soit sécuritaire, intuitive et réactive, tout en permettant une charge utile relativement élevée. Ce principe consiste à utiliser un mécanisme passif à basse impédance couplé à un système actif avec la charge utile à manipuler directement attachée à l'effecteur du mécanisme passif. Lors du fonctionnement du dispositif, l'opérateur humain manipule directement la charge utile et induit ainsi des mouvements dans le mécanisme passif. Les variations mesurées dans les articulations passives sont ensuite utilisées pour contrôler les articulations actives à haute impédance du robot. Dans les travaux réalisés antérieurement, le principe a été appliqué aux mouvements translationnels. Le but de ce mémoire est donc d'appliquer le principe de la redondance sous-actionnée aux mouvements rotatifs a n d'orienter une charge utile dans l'espace tridimensionnel. Tout d'abord, le principe est appliqué à un manipulateur plan à un degré de liberté pour évaluer la validité du concept pour les mouvements rotatifs. Ensuite, il est appliqué à un manipulateur spatial à deux degrés de liberté. Des contrepoids actifs sont utilisés pour équilibrer statiquement les deux manipulateurs. Il est à noter que le dernier mouvement rotatif n'est pas étudié puisqu'il est facile à implémenter ; l'équilibrage statique n'étant pas requis pour la rotation autour de l'axe vertical. Finalement, le système rotatif obtenu précédemment est combiné avec un système translationnel existant dans le but de manipuler librement une charge utile dans l'espace à six dimensions. Les validations expérimentales sont présentées pour montrer que le manipulateur est intuitif, réactif et sécuritaire pour l'opérateur humain. / This Master's thesis presents the design and experimental validation of a mechatronic system aimed at facilitating the handling of heavy components in industrial assembly situations, for example the assembly of aircraft fuselage panels. The principle of underactuated redundancy is used to make the interaction between the human operator and the robot safe, intuitive and responsive, while allowing a relatively high payload. This principle consists in using a low-impedance passive mechanism paired with an active system with a payload directly attached to the passive mechanism's end e ector. In the operation of the device, the human operator directly manipulates the payload and thereby induces movements in the passive mechanism. The measured joint variables in the passive mechanism are then used to control the high-impedance active joints of the robot. In previous works, the principle of underactuated redundancy has been applied to translational movements. The aim of this Master's thesis is therefore to apply the principle of underactuated redundancy to rotations in order to rotate a payload in three-dimensional space. First, the principle is applied to a one-degree-of-freedom planar manipulator in order to evaluate the validity of the concept for rotational motions. Then, it is applied to a two-degree-of-freedom spatial manipulator. Active counterweights are used to statically balance the two manipulators. It should be noted that the last rotational motion is not studied since it is easy to implement; static balancing is not required for the rotation around the vertical axis. Subsequently, the rotational system obtained previously is combined with an existing translational system with the objective of freely manipulating a payload in six-dimensional space. The experimental validations are presented to show that the manipulator is safe, intuitive and responsive for the human operator.

La détection d'ADN par fluorescence est un sujet chaud au cours des dernières années. Un bon nombre de méthodes sont aujourd'hui instaurées et jouent un rôle important dans divers domaines tels que les sciences judiciaires, le diagnostique de maladies infectieuses, l'identification de mutations génétiques ou encore la détection d'agents pathogènes biologiques pour n'en nommer que quelques uns. Dans la majorité des cas, le nombre de séquences cible est si faible qu'il faut avoir recours à l'amplification enzymatique (PCR) avant ou encore pendant le processus analytique afin d'amener la concentration de Panalyte au delà du seuil de détectabilité. Pour contourner la PCR, plusieurs méthodes alternatives ont été développées mettant plutôt l'emphase sur une amplification du signal analytique généré lors d'événements de reconnaissance. L'exaltation plasmonique de la fluorescence (MEF) se distingue au sein de ces nouvelles stratégies. En positionnant un fluorophore à proximité d'une nanoparticule métallique, il est possible de rehausser son efficacité d'excitation mais également d'améliorer son taux d'émission radiative. De plus, le temps de vie de l'état excité est diminué, ce qui conduit à une photostabilité améliorée mais surtout à une meilleure détectabilité optique de l'espèce luminescente. L'objectif principal de cette thèse est de combiner la plasmonique à un polymère transducteur de la réaction d'hybridation, afin de développer un biocapteur ultra sensible pour des applications de détection d'ADN et de génotypage. La première partie de ce document est consacrée à la présentation des différents concepts théoriques retrouvés dans cette thèse soient la fluorescence, les mécanismes de transfert énergétiques intermoléculaires, le génotypage et la plasmonique. Ensuite suit la section expérimentale, dans laquelle les principales techniques instrumentales utilisées dans le cadre de ce projet y compris celles dédiées à la caractérisation de systèmes nanoparticulaires sont présentées. Pour finir, les résultats obtenus pour le développement, la caractérisation et l'utilisation d'un nouveau biocapteur nanoparticulaire combinant le MEF et un polymère transducteur sont détaillés dans trois articles publiés récemment.

Les moteurs à combustion interne utilisés pour propulser les véhicules routiers produisent des gaz à effet de serre, l’une des causes probables des changements climatiques actuellement observés partout sur la planète. L’utilisation de véhicules électriques représente une alternative intéressante à cette problématique. Grâce aux nouvelles générations de piles, il est désormais possible de recharger les véhicules électriques rapidement, ce qui peut favoriser leur adoption. Afin de réduire l’impact de cette recharge rapide sur le réseau électrique, une solution est d’emmagasiner de l’énergie lors de périodes creuses de consommation énergétique pour recharger les véhicules électrique rapidement lors des périodes de forte demande. La présente thèse fait état de travaux visant le développement d’un système de stockage inertiel d’énergie à moyen terme destiné à cette problématique des véhicules électriques. La conception de ce type de système nécessite l’étude de plusieurs domaines du génie mécanique et du génie électrique. Les recherches présentées dans cette thèse s’intéressent principalement à la dynamique des rotors, à la mécanique des matériaux et aux roulements magnétiques passifs. Plusieurs outils théoriques ont été développés pour prévoir le comportement dynamique du système et pour prédire les contraintes internes induites par la rotation. Plusieurs parmi ceux-ci ont été validés théoriquement grâce à des cas présentés dans la littérature, ainsi qu’expérimentalement à l’aide d’un système de stockage expérimental original. Ce dernier a aussi été utilisé pour valider plusieurs concepts théoriques de la dynamique des rotors qui sont peu discutés dans la littérature, c’est-à-dire l’influence des imperfections des roulements magnétiques passifs radiaux et du moteur à aimants permanents sur le comportement du système. Pour ce faire, des roulements magnétiques passifs radiaux réduisant les pertes mécaniques dans le système ont été conçus, fabriqués et caractérisés en utilisant une méthodologie novatrice. Il a été démontré expérimentalement qu’il est possible d’utiliser le principal défaut de ce type de roulements, c’est-à-dire leur instabilité, afin de réduire les pertes induites par une butée axiale à bille. Finalement, les premières étapes du développement d’un composite lourd utilisant l’acier comme renfort sont présentées. Mots-clés : Dynamique de rotor; Roulement magnétique passif; composite lourd; renfort d’acier; validation expérimentale; Moteur synchrone à aimants permanents; Stockage inertiel. / Internal combustion engines used to propel road vehicles produce greenhouse gases, one of the probable causes of global warming, a phenomenon currently observed everywhere on the planet. The use of electric vehicles is an interesting alternative to reduce the production of those gas emissions. New battery technologies enable rapid electric vehicles recharge, a feature which might increase their adoption. In order to reduce the impact of this rapid charging on the grid, an attractive solution is to store energy during periods of low consumption and then use it rapidly to recharge the onboard batteries during high demand periods. This thesis reports the work aimed at the development of a flywheel energy storage system that would solve this problem for electric vehicles. The design of such a system requires the study of multiple disciplines related to both mechanical and electrical engineering. The areas of research presented in this thesis are rotor dynamics, materials strength and behavior and passive magnetic bearings. Several theoretical tools were developed in order to predict the behavior of the system during operation and to estimate the internal stresses induced by the rotation. These tools were theoretically validated using reference cases presented in the literature and experimentally with the help of an actual storage system developed for this research. This system was also used to validate several rotor dynamics theoretical concepts that are rarely discussed in the literature, namely the influence of the imperfections in the passive magnetic bearings on the behavior of the system. To achieve this study, radial passive magnetic bearings were developed, fabricated and characterized using a novel technique. It has been demonstrated that it is possible to use the main flaw of this type of bearing, its instability, to reduce the mechanical losses induced by the mechanical thrust bearing. Finally, the first steps of the development of a new heavy composite that uses steel wires as reinforcement are presented. Keywords: Passive magnetic bearing; Rotor dynamics; Heavy composite; Steel reinforced plastics; Experimental validation; Permanent magnet synchronous motor; Flywheel energy storage.