Notre projet de recherche consiste à détecter des postures et des mouvements contraignants menant à l’apparition des troubles musculo-squelettiques en milieu de travail. Ce problème de détection a été considéré comme étant un problème de classification supervisée dont le classificateur est un réseau de neurones et les classes sont les différentes postures et mouvements adoptés par un opérateur lors de la réalisation de ses tâches quotidiennes en milieu de travail. Un problème de classification supervisée se réalise en général en trois étapes : 1) l’étape de l’acquisition des signaux, 2) celle du prétraitement, et enfin, 3) celle de la classification. À la première étape, l’acquisition des signaux consiste à mesurer les postures et les mouvements de l’opérateur à l’aide d’un instrument de mesure non-invasif, non-intrusif capable de fonctionner dans son milieu de travail in-situ. L’étape de prétraitement consiste à réduire les signaux acquis à un ensemble de caractéristiques permettant de bien distinguer entre les différentes classes. Pour recueillir les caractéristiques, nous avons utilisé une méthode directe, qui regroupe les caractéristiques globales du déplacement du centre de pression utilisées généralement dans les études de posturologie et d’autres caractéristiques relatives aux accélérations de la tête. Nous avons également proposé une nouvelle méthode, dite graphique qui consiste à discrétiser la surface de la semelle sur laquelle le centre de pression se déplace. D’autre part, afin de réduire le nombre de ces caractéristiques et n’en retenir que les plus pertinentes, nous avons mis en place un nouveau modèle hybride de sélection des caractéristiques dont la singularité réside dans la combinaison de techniques utilisées. Enfin, lors de l’étape de classification, il s’agit d’utiliser les caractéristiques retenues à l’étape de prétraitement comme entrées pour le réseau de neurones. Les résultats de classification obtenus à la fin sont de 95% avec 11 caractéristiques (huit (8) provenant de la méthode directe et trois (3) de la méthode graphique). Bien qu’utilisées seules, les caractéristiques de la méthode graphique ne nous donnent pas les meilleurs résultats de classification (près de 60%), en les ajoutant aux caractéristiques de la méthode directe, le taux de reconnaissance est passé de 90% à 95%. Sans l’étape de réduction de dimensionnalité, nous n’aurions pas pu dépasser un taux de reconnaissance de 70% avec seulement huit (8) caractéristiques de la méthode directe. Enfin, nous avions également développé nos propres fonctions de validation croisée et de sélection de caractéristiques sur MatLAB, ce qui a nettement amélioré nos résultats, en passant de 85% (comme étant le meilleur taux de classification obtenu), à 95% à l’aide de nos propres fonctions.

L’aluminium primaire est produit à partir de l’alumine (Al2O3) selon le procédé Hall-Héroult. Le procédé consiste à la réduction de l’alumine en aluminium par le carbone dans des cuves électrolytiques. L’anode de carbone représente donc un élément incontournable dans ce processus. Non seulement elle est source de carbone, mais elle joue le rôle de conducteur électrique. La qualité des anodes en carbone utilisées dans les cuves d’électrolyse représente ainsi l'un des paramètres les plus importants qui affectent la production de l'aluminium primaire. La pâte d’anode, qui est préparée en utilisant un mélange de coke de pétrole, de brai de houille et de matériaux recyclés, est compactée dans un vibro-compacteur pour former des anodes crues. Dans leur fabrication, le brai agit comme un liant. Sa bonne distribution aura forcément un impact positif sur leur qualité. Ces anodes sont cuites dans des fours de cuisson avant leur utilisation dans les cuves électrolytiques. La qualité de la matière première et les paramètres du processus de fabrication ont un impact significatif sur les caractéristiques de l’anode, notamment la composition chimique, la conductivité électrique, la résistance aux chocs thermiques, l’homogénéité et les réactivités à l’air et au dioxyde de carbone (CO2). Aussi, la qualité des anodes joue un rôle majeur dans la consommation d’énergie, le coût de production et les émissions de gaz à effet de serre. Les études développées pour déterminer le niveau de brai dans les anodes crues utilisent pour la plupart le microscope électronique à balayage ou le microscope optique. Ce qui donne de bons résultats au laboratoire sur de petits échantillons. Toutefois, ces méthodes ne sont pas pratiques sur les lignes de production qui exigent des résultats instantanés. Ainsi, la détection de la distribution du brai sur une surface d'anode est faite visuellement dans les usines. L’objectif de cette étude est de développer une méthode pour déterminer de façon instantanée la répartition du brai sur la face des anodes industrielles crues par l’analyse d’images. Pour ce faire, un logiciel d'analyse d'images a été mis au point et peut rapidement déterminer la répartition du brai sur la surface de l'anode. Le logiciel peut déterminer si la surface de l’anode est en sur-brai ou en sous-brai. Il permet aussi de déterminer la non-homogénéité de la répartition du brai. La mise en oeuvre de ce logiciel est basée sur le fait que toute couleur résulte de la combinaison des trois couleurs primaires que sont le rouge, le vert et le bleu (RGB). Ainsi, en se fixant des seuils pour ces différentes couleurs primaires, il est possible de trouver quelques critères pour identifier le haut niveau de brai. Par ailleurs, le niveau de brai influence l’état de surface des anodes. L’algorithme de Canny est utilisé pour déterminer les limites de particules, et le filtre de Gauss permet d’annuler les bruits générés par l’algorithme de Canny. Le logiciel d’analyse d’images développé est utilisé pour analyser les images d’anodes crues obtenues à l’aide d’un système de prise d’images. Ce système est constitué essentiellement d’un dispositif d'éclairage pour l'éclairage uniforme de surface de l'anode et d’une caméra numérique pour la capture des images. Pour mener à bien cette étude, il a été nécessaire de travailler à l'aluminerie et au laboratoire de l'UQAC pour collecter des données de niveau de brai des anodes crues dans des conditions d’opération différentes et de les analyser. Il s’agit aussi de colliger les résultats de ces différentes analyses d’images avec les caractéristiques des anodes. C’est dans ce sens que plusieurs anodes industrielles avec différentes spécificités ont été fabriquées pour être analysées. Par ailleurs, des anodes de laboratoire avec différentes spécifications couvrant le pourcentage de brai dans les recettes, la répartition granulométrique et différentes conditions de fabrication de l'anode crue ont été produites à l’UQAC. Une analyse chimique a permis de confirmer les résultats de l’analyse d’images. Il s’agit par ailleurs d’une analyse spectrophotométrique des échantillons prélevés dans les zones d’anodes industrielles et de laboratoire indiquées en sur-brai ou en sous-brai par le logiciel d’analyse d’images. Ces zones ont été préalablement sectionnées et moulinées. Les échantillons obtenus ont ensuite été immergés dans du solvant durant un temps bien déterminé pour dissoudre le brai avant l’analyse au spectrophotomètre. Certains résultats de l’analyse chimique de l’ensemble de ces anodes ont permis de parfaire le logiciel d’analyse d’images, et les résultats non utilisés de l’analyse chimique ont été comparés avec ceux de l’analyse d’images pour la validation du logiciel. Primary aluminum is produced from alumina (Al2O3) using the Hall-Heroult process. The method consists of reducing alumina to aluminum using carbon in electrolytic cells. The carbon anode represents an essential element in this process. It is a source of carbon as well as an electrical conductor. The quality of the carbon anodes used in the electrolytic cells is one of the most important parameters that affect the production of primary aluminum. The anode paste, which is prepared by using a mixture of petroleum coke, coal tar pitch, and recycled material, is compacted in a vibro-compactor to form green anodes. These anodes are baked in furnaces before being used in the electrolytic cells. The quality of the raw material and the parameters of the manufacturing process have a significant impact on the anode properties such as the chemical composition, electrical conductivity, thermal shock resistance, homogeneity, and air and CO2 reactivities. The anode quality plays a major role in energy consumption, production cost, and emissions of greenhouse gases. During their manufacture, the pitch acts as a binder. A good distribution of pitch has a positive impact on anode quality. Most of published studies show the use of the optical or scanning electron microscope to determine the pitch distribution. This works well in the laboratory for small samples. The objective of this study is to determine the distribution of pitch on the surface of industrial green anodes by image analysis. To do this, an image analysis software using the Canny algorithm and the distribution of primary colors red, green and blue (RGB) has been developed that can rapidly determine the distribution of pitch on the surface of the anode. This software can determine if the surface of the anode is over-pitched or under-pitched. It can determine the non-homogeneity of the distribution of pitch on the anode surface. In addition, the Gauss filter is used to cancel the noise generated by the Canny algorithm. The developed image analysis software is used to analyze the images of green anode surfaces obtained using an image capture system. This system contains essentially a light for the uniform illumination of the anode surface and a digital camera for capturing images. This study was carried out partly in an aluminum smelter and partly in the carbon laboratory of the UQAC/AAI Chair in order to collect information on the pitch level of green anodes fabricated under different operating conditions, and the results were analyzed. These results from the image analyses were correlated with the characteristics of the anodes. For this purpose, a number of anodes with different properties were produced at the plant. In addition, laboratory anodes with different specifications, including the percentage of pitch, the distribution of particle size, and different green anode manufacturing conditions, were produced in the carbon laboratory at UQAC. A method based on chemical analysis was used to validate the results of the image analysis software developed in the current study. This involved the spectrophotometric analysis of samples taken from different parts of industrial and laboratory anodes that were identified as over-pitch and under-pitch by the image analysis software. The samples were crushed and then were soaked in solvent for a certain time to dissolve pitch before the analysis in the spectrophotometer. Some results of the chemical analysis of lab and industrial anodes helped further improve the image analysis software, and the remaining chemical analysis results allowed the validation of the software by comparing them with those of the image analysis.

Les machines asynchrones sont omniprésentes dans les systèmes de production automatisé à cause de leur robustesse et leur facilitée de mise en oeuvre. Néanmoins, ces moteurs électriques concèdent tout de même des défauts (ex : court-circuit entre spires, barre rotoriques rompues) menant à des arrêts non planifiés. Par conséquent, les industries manufacturières investissent des ressources importantes afin de les éviter avec des programmes de maintenance qui sont partiellement inefficace. C’est dans ce contexte que, depuis plusieurs décennies, des chercheurs proposent des travaux permettant de diagnostiquer l’état des machines asynchrones. Cependant, les solutions ne donnent que très rarement la localisation et l’estimation du degré de sévérité des anomalies qui ne permet pas de prioriser les actions pour l’amélioration de la maintenance. De plus, la majorité des moyens de diagnostic ne sont pas adaptifs à d’autres gammes de moteur et les études ne prennent pas en compte la commande des machines asynchrones pour les applications à vitesse et couple variables. Ainsi, nous proposons dans cette thèse une nouvelle approche pour l’amélioration du processus de maintenance par la reconnaissance des défauts de la machine asynchrone reposant principalement sur l’exploitation des modèles d’intelligence artificielle. Celle-ci permettra de détecter, de localiser et d’estimer le degré de sévérité des anomalies du moteur grâce à ses courants statoriques. La solution donnée dans cet ouvrage est adaptif et surtout a été testé pour une machine possédant une commande et un asservissement de vitesse avec des différents profils de vitesse et couple variables. Pour ce faire, la recherche proposée exploite les modèles mathématiques de la machine asynchrone et de ses défauts afin de simuler les différents comportements de celle-ci. Les simulations serviront à créer des bases de données grâce à l’extraction de caractéristiques issue du traitement des signaux. Chacune des séries de données appartient à une catégorie décrivant le défaut du moteur. Par la suite, des algorithmes de classification permettront de reconnaître les anomalies de la machine asynchrone. Nous présentons également une approche hiérarchique qui améliore le taux de reconnaissance des défectuosités du moteur à induction. Ce projet se situant à la frontière des domaines du génie électrique, du génie informatique et des mathématiques constitue un défi complexe et formidable de recherche scientifique. Induction machines are omnipresent in production systems because of their sturdiness and their ease of implementation. Nevertheless, these electrical motors still concede failures (e.g. inter-turn short circuit, broken rotor bar), which may lead to unplanned shutdowns. Consequently, manufacturing industries invest significant resources to avoid them with maintenance, which is partially inefficient. In this context, some studies propose solutions to abnormal diagnostic conditions of the induction machine. Nevertheless, they rarely localize the defect and estimate the severity of the failure, which does not allow prioritizing action for the maintenance improvement. In addition, solutions are not adaptive for other motors, and studies do not include the control part very useful for speed and torque variable applications. Thus, in this thesis, we propose a new approach improving the maintenance process by the recognition of the induction machine failures. It relies mainly on Artificial Intelligence models and will allow to detect, localize and to estimate the degree of severity of the asynchronous motor faults thanks to the exploitation of current signals. The solution given in this project is adaptive and have been tested for induction machines operating with a speed and drives control. In addition, several speed and resistant torque profiles have been applied. To do this, the research proposed exploits the mathematical models of the induction machine operating under the healthy and faulty conditions. Simulations allow creating some datasets thanks to the feature extractions and the signals processing. Each vector of data belongs to a category describing the failure. Then, classification algorithms will recognize the induction machine defects. We also present a hierarchical approach, which improves the recognition rate. This project being a mix of electrical engineering, informatics and mathematic is a complex and amazing challenge of scientific research.

Friction stir welding, FSW, is a solid-state joining method that is ideally suited for welding aluminum alloys. Welding of the aluminum is accomplished by way of a hardened steel tool that rotates and is pushed with great force into the work pieces. Friction between the tool and the aluminum causes heat to be generated, which softens the aluminum, rendering it easy to deform plastically. In recent years, the FSW process has steadily gained interest in various fabrication industries. However, wide spread acceptance has not yet been attained. Some of the main reasons for this are due to the complexity of the process and the capital cost to procure the required welding equipment and infrastructure. To date, little attention has been paid towards finding optimal process parameters that will increase the economic viability of the FSW process, thus offsetting the high initial investment most. In this research project, a robust and efficient numerical simulation code called SPHriction-3D is developed that can be used to find optimal FSW process parameters. The numerical method is meshfree, allowing for all of the phases of the FSW process to be simulated with a phenomenological approach. The dissertation starts with a focus on the current state of art. Next an in-depth development of the proposed meshfree formulation is presented. Then, the emphasis turns towards the presentation of various test cases along with experimental validation (the focus is on temperature, defects, and tool forces). The remainder of the thesis is dedicated to the development of a robust approach to find the optimal weld quality, and the associated tool rpm and advancing speed. The presented results are of engineering precision and are obtained with low calculation times (hours as opposed to days or weeks). This is possible, since the meshfree code is developed to run in parallel entirely on the GPU. The overall outcome is a cutting edge simulation approach for the entire FSW process. Le soudage par friction malaxage, SFM, est une méthode idéale pour relier ensemble des pièces en aluminium. Lors du procédé, un outil en acier très dur tourne à haute vitesse et est presser dans les plaques avec beaucoup de force. L’outil frotte sur les plaques et génère la chaleur, ce qui ramollie l’aluminium, ceci le rendant plus facile à déformé mécaniquement. Récemment, le SFM a connu une croissance de reconnaissance important, par contre, l’industrie ne l’as pas encore adopté unilatéralement. Il existe encore beaucoup de terrain à défricher avant de bien comprendre comment les paramètres du procédé font effet sur la qualité de la soudure. Dans ce travail, on présente une approche de simulation numérique sans maillage pour le SFM. Le code développé est capable de prendre en considération des grandes déformations plastiques, le ramollissement de l’aluminium avec la température, et la condition de frottement complexe. Cette méthode permet de simulé tous les phases du procédé SFM dans une seule modèle. La thèse commence avec un mis en contexte de l’état actuel de la simulation numérique du SFM. Une fois la méthodologie de simulation sans maillage présenté, la thèse concentre sur différents cas de vérification et validation. Finalement, un travail d’optimisation des paramètres du procédé est réalisé avec le code numérique. La méthode de simulation présentée s’agit d’une approche efficace et robuste, ce qui le rend un outil de conception valable pour les ingénieurs qui travaille dans le domaine de SFM.

Les robots ont un rôle fondamental dans la fabrication industrielle. Non seulement ils augmentent l'efficacité et la qualité des lignes de production, mais aussi diminuent considérablement la charge de travail des humains.Cependant, en raison des limites des robots industriels en termes de flexibilité, de perception et de sécurité,Leur utilisation est limitée à un environnement structuré bien connu. En outre, il n'est pas toujours rentable d'utiliser des robots autonomes industriels dans de petites usines à faibles volumes de production.Cela signifie que des travailleurs humains sont encore nécessaires dans de nombreuses chaînes d'assemblage pour exécuter des tâches spécifiques.Par conséquent, ces dernières années, une grande impulsion a été donnée à la co-manipulation homme-robot.En permettant aux humains et aux robots de travailler ensemble, il est possible de combiner les avantages des deux; La compréhension des tâches abstraites et la perception robuste typique d'un être humain avec la précision et la force d'un robot industriel.Une approche réussie pour faciliter la co-manipulation homme-robot, est l'approche de guides virtuels qui contraint le mouvement du robot sur seulement certaines trajectoires pertinentes. Le guide virtuel ainsi réalisé agit comme un outil passif qui améliore les performances de l'utilisateur en termes de temps de tâche, de charge de travail mentale et d'erreurs.L'aspect innovant de notre travail est de présenter une bibliothèque de guides virtuels qui permet à l'utilisateur de facilement sélectionner, générer et modifier les guides grâce à une interaction intuitive haptique avec le robot.Nous avons démontré, dans deux tâches industrielles, que ces innovations fournissent une interface novatrice et intuitive pour l'accomplissement des tâches par les humains et les robots. / Robots have a fundamental role in industrial manufacturing. They not only increase the efficiency and the quality of production lines, but also drastically decrease the work load carried out by humans.However, due to the limitations of industrial robots in terms of flexibility, perception and safety, their use is limited to well-known structured environment. Moreover, it is not always cost-effective to use industrial autonomous robots in small factories with low production volumes.This means that human workers are still needed in many assembly lines to carry out specific tasks.Therefore, in recent years, a big impulse has been given to human-robot co-manipulation.By allowing humans and robots to work together, it is possible to combine the advantages of both; abstract task understanding and robust perception typical of human beings with the accuracy and the strength of industrial robots.One successful method to facilitate human-robot co-manipulation, is the Virtual Guides approach which constrains the motion of the robot along only certain task-relevant trajectories. The so realized virtual guide acts as a passive tool that improves the performances of the user in terms of task time, mental workload and errors.The innovative aspect of our work is to present a library of virtual guides that allows the user to easily select, generate and modify the guides through an intuitive haptic interaction with the robot.We demonstrated in two industrial tasks that these innovations provide a novel and intuitive interface for joint human-robot completion of tasks.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Face à l'augmentation de la taille et de la complexité des systèmes logiciels, il convient de les décrire à un plus haut niveau d'abstraction (\ie au-delà du code) avant de concrètement les implémenter. Toutefois, l'utilisation de ces descriptions de haut niveau dans les processus de construction et de vérification des systèmes reste très rudimentaire, ne permettant pas de véritablement guider et faciliter le développement logiciel. Cette thèse propose une nouvelle approche pour rendre plus simple et plus sûr le développement de systèmes logiciels. Cette approche repose sur l'utilisation de langages dédiés et sur un couplage fort entre une couche de spécification et d'architecture et une couche d'implémentation. Elle consiste tout d'abord à décrire à un haut niveau d'abstraction différents aspects, à la fois fonctionnels et non fonctionnels, d'un système dans la couche de spécification et d'architecture. Ces descriptions sont ensuite analysées et utilisées pour personnaliser la couche d'implémentation, afin de faciliter la construction et la vérification du système logiciel. Nous illustrons notre approche dans le domaine de l'informatique ubiquitaire. À la suite d'une analyse complète du domaine, nous avons conçu deux langages dédiés à l'orchestration d'objets communicants, Pantaxou et Pantagruel.

Les systèmes logiciels tendent à se doter de facultés d'adaptation, d'évolution et d'ouverture. Ces capacités requièrent une grande flexibilité et dynamicité de l'environnement d'exécution, ainsi que de nouveaux outils d'assistance à la fabrication de ces systèmes. En électronique, des outils ont été déployés pour faire face à l'hétérogénéité et au nombre de composants, ainsi qu'aux besoins d'adaptation de produits existants à de nouvelles technologies. L'ouverture de la documentation et des spécifications a permis une grande richesse de solutions venant tant de bricoleurs que d'industriels. Inspiré par l'électronique, cette thèse contribue à l'amélioration de la flexibilité des systèmes logiciels tout en conservant un haut niveau de fiabilité. Les apports se font à trois niveaux. (1) Un nouveau modèle de composants qui offre une grande flexibilité et permet la connection de composants hétérogènes. (2) Des outils issus de l'ingénierie des modèles, pour créer, modifier, simuler et valider la structure et le comportement des assemblages de composants avant leur déploiement. (3) Un environnement d'exécution bati sur une architecture à base de services, pour supporter les évolutions, les adaptations et l'ouverture requises par le modèle de composant proposé. Cette thèse a été validée sur un cas concret dans un projet d'aide à domicile. Dans ce domaine, les systèmes logiciels doivent être adaptables et flexibles, pour répondre aux évolutions des besoins et pathologies des personnes âgées. Les bénéfices acquis de l'utilisation de cette approche dans ce contexte ont prouvé la pertinence de cette thèse.

Cette thèse concerne l'étude de différentes techniques modernes de génie logiciel qui peuvent être mises en ¦uvre pour développer des systèmes de Traitement Automatique des Langues Naturelles de façon générique et extensible. La première partie fait le point sur l'état de l'art en TALN à propos des Langages Spécialisés pour la Programmation Linguistique et permet d'identifier l'intégrabilité, l'extensibilité et la généricité comme trois qualités qu'il est souhaitable de fournir aux systèmes de TALN. La définition d'un modèle à objets (LEAF) et l'affinage d'un modèle d'architecture (tableau blanc) constituent deux premiers éléments de réponse au problème de l'intégration. Une première approche de la généricité et de l'extensibilité est également présentée avec une expérience de réingéniérie du langage LT. La seconde partie approfondit les problèmes de généricité et les illustre avec la définition d'un langage original de représentation linguistique (DECOR). L'introduction de protocoles internes et externes permet de rendre ce langage particulièrement générique et dynamique. La troisième partie fait état de la réingériérie de deux langages spécialisés (ATEF et ROBRA). Cette expérience permet d'introduire une grande extensibilité dans les moteurs de ces langages par une programmation par objets et protocoles. Une question transverse à ces trois parties concerne l'identification des limites et des écueils liés à la recherche de l'intégrabilité, de l'extensibilité et de la généricité. Ces difficultés viennent principalement de la complexité croissante des protocoles adéquats, dont la maîtrise pourrait rapidement échapper au développeur si l'on n'y prend garde.