<p> Understanding human movement requires that biomechanists have knowledge of the kinematics and kinetics of the motion. Calculating the internal kinetics of a movement requires the input of segment inertial characteristics. Errors in the estimations of these body segment parameters (BSPs) may have detrimental effects on segmental kinetic calculations. </p> <p> The purposes of this study were to use i) investigate a new technique for measuring BSPs using dual photon absorptiometry (DPX) and ii) to investigate population differences in BSP values, develop geometric models to predict BSPs and compare geometric predictions with other prediction methods. </p> <p> In study 1, DPX measured whole body mass of humans with a group mean percent difference of -1.05% from criterion measurements. DPX also measured mass, centre of mass along a transverse axis (CM) and moment of inertia about the centre of mass (ICG) of a homogeneous object and a human cadaver leg with percent errors less than 4% from criterion measurements. </p> <p> In Study 2, 1 00 subjects were selected from four subpopulation groups according to gender (males/females) and age (19-30/ 55+ years). Using DPX, six body segments were measured for mass (forearm, hand, thigh, leg, foot, head) and four were measured for CM and radius of gyration (forearm, thigh, leg, head). Linear regression equations were developed and compared with geometric predictions and prediction equations from a popular literature source (Winter, 1990). </p> <p> Population differences were statistically significant for all body segments and all segment parameters except hand mass. Large segmental differences between individuals of similar size were also observed. The results showed the linear regression equations to provide the best estimations of BSPs. The geometric models and the predictions from Winter (1990) were poor for most segments. </p> <p> This study provided the foundation for a new method of BSP prediction. The population specific linear regression equations developed in this study should be used to predict BSPs for individuals similar to those examined in this experiment. While geometric models provided poor predictions, future improvements may increase their performance. </p> / Thesis / Candidate in Philosophy

Ce travail de recherche présente les résultats concernant à la modélisation et identification des paramètres d’un robot sériel pour une utilisation en usinage dans le but d’améliorer la précision de la position de l’outil dans un espace de travail dédié. Dans ce sens, les travaux présentés permettent de proposer une méthodologie de modélisation géométrique pertinente avec la précision de la tâche et la maîtrise des erreurs d’assemblage et de fabrication des éléments du robot. Avec l’utilisation des modèles géométriques appliqués au robot ABB IRB 6660 nous avons développés des modèles avec des paramètres liés à la structure physique du robot et nous avons complémenté ces modèles avec la modélisation des paramètres géométriques d’une broche dédiée à l’usinage implémenté dans le dernier axe du robot. / This work presents the results concerning the modeling and identification of the parameters of a serial robot for use in machining in order to improve the precision of the position of the tool in a dedicated workspace. In this sense, the presented works allow to propose a methodology of geometrical modeling pertinent with the precision of the task and the control of the errors of assembly and manufacture of the elements of the robot. With the use of the geometric models applied to the ABB IRB 6660 robot we have developed models with parameters related to the physical structure of the robot and we complemented these models with the modeling of the geometric parameters of a spindle dedicated to the machining implemented in the last axis of the robot.

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Sediment delivery to a basin exerts a first-order control over sedimentation, and therefore study of sedimentary rocks can reveal information about the nature of sediment delivery in the past. This dissertation examines several aspects of this problem using experimental, outcrop, and subsurface data. Flume experiments were undertaken to test the combined effects of autogenic alluvial aggradation and forced regression on the development of fluviodeltaic stratigraphy. Alluvial aggradation occurred in response to steady relative sea-level fall, and eventually consumed the entire sediment budget as the river lengthened in response to forced regression. The Campanian Lower Castlegate Sandstone (Utah) was studied as a potential ancient analog resulting from similar autogenic behaviors as observed in the experiments. Extensive measurement of grain-size distributions and paleo-flow depths from outcrop were utilized to explore downstream changes in paleo-hydraulics of the ancient fluvial systems in the Lower Castlegate in response to extensive alluvial aggradation and consequent loss of sediment from transport. An interesting finding was the stratigraphic signature of backwater hydraulic conditions in the distal reaches of the Lower Castlegate paleo-rivers. Finally, a simple and novel inversion scheme was developed for estimating paleo-sediment flux from ancient shelf-margin successions. An advantage of the methodology is that it allows for both spatial and temporal reconstruction of paleo-sediment flux patterns. The inversion scheme was applied to shelf-margin successions in the Washakie-Sand Wash Basin of Wyoming, the New Jersey Atlantic margin, the North Slope of Alaska, and the Zambezi margin of East Africa using published subsurface datasets. The Neogene passive margins within the studied datasets were found to consistently deposit around one-third of their total sediment budget on the shelf-margin topset, and bypass two-thirds of their budget beyond the shelf edge. The implications of this finding on the flux of terrestrial-derived particulate organic carbon (POC) from rivers to the ocean were explored, and a long-term average flux of POC to deepwater storage was estimated. The sediment-flux inversion scheme was also applied to derive input parameters for stratigraphic modeling of the Ebro margin. The modeling results indicate that the autostratigraphic behavior of the margin may have been previously underestimated. / text

En fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre, la géométrie et les caractéristiques mécaniques des pièces produites sont générées au cours de la fabrication. Ces deux aspects sont grandement influencés par les trajectoires du spot laser et par la maîtrise de l'énergie apportée à la poudre localement. La commande numérique dont le rôle est de générer les consignes à envoyer aux actionneurs a donc un impact conséquent sur la qualité des pièces produites.Ces travaux proposent d'étudier l'impact des traitements effectués dans la commande numérique sur les trajectoires réalisées et sur l'énergie apportée à la matière. Dans la littérature, peu de travaux traitent de ces aspects en fabrication additive. C'est pourquoi une plateforme expérimentale est mise en œuvre et utilisée afin d'analyser et de mieux comprendre les opérations actuellement implémentées dans les commandes numériques industrielles.Un modèle mathématique représentatif de la géométrie de la machine est d'abord établi. Ce modèle permet de convertir les trajectoires du spot laser en consigne pour les actionneurs. Le modèle développé est utilisé afin d'améliorer l'étape de calibration des machines. Une fois le système calibré, les consignes envoyées aux actionneurs sont étudiées. Les différents traitements effectués dans la commande numérique industrielle sont analysés, des limitations sont mises en évidence et plusieurs propositions d'améliorations sont implémentées. Tous ces développements sont ensuite utilisés afin de maîtriser finement l'énergie apportée à la matière dans le cas de certaines trajectoires adaptées au procédé. Les développements scientifiques proposés dans ces travaux sont tous validés expérimentalement sur une machine de fabrication additive ou sur le banc d'essai développé. Les travaux effectués permettent d'envisager de nombreuses perspectives concernant l'amélioration des traitements réalisés dans la commande numérique en fabrication additive. / In metal additive manufacturing by laser powder bed fusion, the geometry and mechanical characteristics of the produced parts are generated during the manufacturing process. These two aspects are greatly influenced by the laser spot trajectories, and by the control of the energy provided to the powder locally. The numerical control system, whose purpose is to generate instructions to be sent to actuators, has therefore a significant impact on the quality of the parts produced.This work proposes to study the local impact of the operations carried out in the numerical control on both the trajectories executed and the energy provided to the material. In the literature, few studies have addressed these aspects in additive manufacturing. For this reason, an experimental platform is implemented and used to analyze and better understand the operations currently implemented in industrial numerical controls.First, a mathematical model representative of the machine geometry is established. This model converts the laser spot trajectories into instructions for actuators. The model developed is used to improve the calibration step of the machines. Once the system is calibrated, the instructions sent to the actuators are studied. The various processes carried out in the industrial numerical control are analysed, limitations are highlighted and several proposals for improvements are implemented. All these developments are then used to precisely control the energy supplied to the material in the case of certain trajectories adapted to the process. The scientific developments proposed in these works are all validated experimentally on an additive manufacturing machine or on the test bench developed. The work carried out makes it possible to envisage many perspectives concerning the improvement of the treatments carried out inside the numerical control in additive manufacturing.

The author developed a computational framework for the study of the correlation between airway morphology and aerosol deposition based on a population of human subjects. The major improvement on the previous framework, which consists of a geometric airway model, a computational fluid dynamics (CFD) model, and a particle tracking algorithm, lies in automatic geometry construction and mesh generation of airways, which is essential for a population-based study. The new geometric model overcomes the shortcomings of both centerline (CL)-based cylindrical models, which are based on the skeleton and average branch diameters of airways called one-dimensional (1-D) trees, and computed tomography (CT)-based models. CL-based models are efficient in terms of pre- and post-processing, but fail to represent trifurcations and local morphology. In contrast, in spite of the accuracy of CT-based models, it is time-consuming to build these models manually, and non-trivial to match 1-D trees and three-dimensional (3-D) geometry. The new model, also known as a hybrid CL-CT-based model, is able to construct a physiologically-consistent laryngeal geometry, represent trifurcations, fit cylindrical branches to CT data, and create the optimal CFD mesh in an automatic fashion. The hybrid airway geometries constructed for 8 healthy and 16 severe asthmatic (SA) subjects agreed well with their CT-based counterparts. Furthermore, the prediction of aerosol deposition in a healthy subject by the hybrid model agreed well with that by the CT-based model. To demonstrate the potential application of the hybrid model to investigating the correlation between skeleton structure and aerosol deposition, the author applied the large eddy simulation (LES)-based CFD model that accounts for the turbulent laryngeal jet to three hybrid models of SA subjects. The correlation between diseased branch and aerosol deposition was significant in one of the three SA subjects. However, whether skeleton structure contributes to airway abnormality requires further investigation.

Les vis à rouleaux convertissent la rotation en translation de manière très efficace et sont utilisées dans des nombreuses industries. Mais même s'il présente beaucoup d'avantages, le mécanisme reste complexe et relativement difficile à comprendre. Le principal but de cette thèse est de quantifier la puissance dissipée par les vis à rouleaux standard et inversées, qui est un résultat important pour toute étude liée à l'efficacité ou la distribution de température. De plus, il s'agit d'un critère de conception dans le choix de paramètres optimaux pour une certaine application. À cause des travaux peu nombreux en termes de recherche et des hypothèses restrictives faites dans la littérature courante, ce mémoire commence avec une analyse géométrique de base du mécanisme et envisage de généraliser les équations des surfaces filetées pour les différents types de profils et conditions de jeu. La position des points de contact peut ensuite être déduite avec un algorithme de type Newton-Raphson très rapide. Cette information est cruciale pour toute étude ultérieure de force. Après, les équations classiques de Hertz sont adaptées à des contacts peu conformes pour déterminer la forme, les dimensions et l'orientation des ellipses de contact rouleau-vis et rouleau-douille. Il est prouvé que les directions principales de courbure obtenues ici par géométrie différentielle sont différentes de celles supposées dans les précédents travaux de recherche. Ensuite, la cinématique du mécanisme est étudiée avec un modèle stationnaire, qui établit des liens entre les mouvements uniformes de tous les composants et permet de calculer d'une manière simplifiée le champ de vitesse de glissement en tout point de l'aire de contact. Le mouvement local apparaît comme une combinaison de spin et de glissement uniforme. Le modèle est calibré sur un seul degré de liberté qui prend la forme d'un quotient de glissement, qui dépend de conditions de lubrification et équations d'équilibre dynamique. Un banc expérimental est conçu pour mesurer ce quotient et permettre donc la comparaison avec des valeurs numériques, ainsi que les quelques modèles analytiques disponibles dans la littérature. Les résultats montrent que les mesures sont très proches des conditions de fonctionnement idéales, ce qui fait que les propriétés du lubrifiant et les coefficients de frottement deviennent les paramètres les plus influents dans le peu de marge disponible pour l'amélioration cinématique. Finalement, un modèle numérique en forces est développé et permet de calculer la puissance dissipée pendant l'équilibre stationnaire. L'algorithme itératif détermine d'abord le quotient de glissement atteint à l'équilibre et utilise ensuite le résultat pour déduire les autres variables cinématiques et dynamiques liées au calcul. Une étude paramétrique est réalisée dans le but d'identifier les facteurs importants pour l'efficacité et la puissance dissipée, ainsi que leur contribution relative. / Roller screws are highly efficient rotation-translation converters used in a variety of industries. Despite its numerous advantages, the mechanism remains complex and rather difficult to understand. The main goal of this thesis is to quantify the amount of power dissipated by standard and inverted roller screws, which is an important result for any study related to efficiency or temperature distribution. Furthermore, it is used as a design criterion in choosing optimal parameters for a given application. Due to the limited amount of available research and the restrictive assumptions made in current literature, this memoir starts with a basic geometric analysis of the mechanism and attempts to generalize threaded surface equations for different types of profiles and backlash conditions. The contact point locations can then be deduced using a very fast Newton-Raphson algorithm. This information is crucial for any subsequent force analysis. Classic Hertzian equations are then adapted to slightly conforming contacts in order to calculate the shape, size and orientation of the roller-screw and roller-nut contact ellipses. It is shown that the principal directions of curvature obtained here by differential geometry are different from the ones assumed by previous research. Next, the mechanism kinematics is investigated using a stationary model, which relates the steady-state movement of all the different components and allows a simplified calculation of the sliding velocity field at any point within the contact areas. The local motion proves to be a combination of spin and uniform sliding. The model is set to have only one degree of freedom in the form of a slip ratio, which depends on lubrication conditions and force balance equations. An experimental setup is designed to measure this ratio and thus allow comparison to numerical values, as well as the few analytical models available in the literature. Results show that measurements are very close to ideal operating conditions, which makes lubricant properties and friction coefficients the most influential parameters in the little room available for kinematic improvement. Finally, a numerical force model is developed, which calculates the power dissipated during the steady-state regime. The iterative algorithm first determines the value of the slip ratio reached during stationary equilibrium and then uses the result to deduce the other kinematic and dynamic unknowns involved. A parametric study is conducted to identify the important factors in efficiency and power dissipation, as well as their relative influence.

This study presents Computer-Aided Fixture Design Verification (CAFDV) - the methods and implementations to define, measure and optimize the quality of fixture designs. CAFDV verifies a fixture for its locating performance, machining surface accuracy, stability, and surface accessibility. CAFDV also optimizes a fixture for its locator layout design, initial clamping forces, and tolerance specification. The demand for CAFDV came from both fixture design engineers and today's supply chain managers. They need such a tool to inform them the quality of a fixture design, and to find potential problems before it is actually manufactured. For supply chain managers, they will also be able to quantitatively measure and control the product quality from vendors, with even little fixture design knowledge. CAFDV uses two models - one geometric and one kinetic - to represent, verify and optimize fixture designs. The geometric model uses the Jacobian Matrix to establish the relationship between workpiece-fixture displacements, and the kinetic model uses the Fixture Stiffness Matrix to link external forces with fixture deformation and workpiece displacement. Computer software for CAFDV has also been developed and integrated with CAD package I-DEAS TM. CAD integration and a friendly graphic user interface allows the user to have easy interactions with 3D models and visual feedback from analysis results.

Au cours des dernières années, innombrables produits ont été conçus en utilisant des modèles numériques 3D, où les courants logiciels pour la conception et le dessin technique utilisent des modèles CAO (Conception Assistée par Ordinateur). Ces logiciels sont utilisés dans de nombreux domaines, tels que l'automobile, la marine, l'aérospatiale et plus encore. À l'intérieur de d'une entreprise qui utilise ces systèmes, il est possible d'avoir accès à des modèles CAO de produits déjà développés puisque la conception de nouveaux produits fait souvent référence à des modèles existants depuis que produits similaires permettent à l'avance la connaissance des éventuels problèmes et leur solutions. Par conséquent, il est utile de disposer de solutions technologiques capables d'évaluer les similitudes de différents produits afin que l'utilisateur puisse récupérer des modèles existants et avoir ainsi accès à des informations utiles pour la nouvelle conception.Le concept de similarité a été largement étudié dans la littérature et il est bien connu que deus objets puissent être similaire de plusieurs façons. Ces multiples possibilités rendent complexe l'évaluation de la similarité entre deux objets. À ce jour, de nombreuses méthodes ont été proposées pour l’identification de différentes similitudes entre les pièces, mais peu de travaux abordent cet problème en évoquant d’assemblages de pièces. Si l’évaluation de la similarité entre deux pièces a beaucoup de points de vue, quand on va examiner des assemblages de pièces, les combinaisons de similarité augmentent vertigineusement puisqu'il y a plus de facteurs à considérer.Sur la base de ces exigences, nous proposons de définir un système qui permettant la récupération des assemblages des pièces similaires en fonction de multiple critères de similarité. Pour ce faire, il faut avoir un descripteur qui peut gérer les informations nécessaires pour caractériser les différentes similitudes entre les deux modèles. Par conséquent, l'un des points principaux de ce travail sera la définition d'un descripteur capable de coder les données nécessaires à l'évaluation des similarités. De plus, certaines des informations du descripteur peuvent être disponibles dans le modèle CAO, tandis que d'autres devront être extraites de manière appropriée. Par conséquent, des algorithmes seront proposés pour extraire les informations nécessaires pour remplir les champs du descripteur. Enfin, pour une évaluation de la similarité, plusieurs mesures entre les modèles seront définies, de sorte que chacune d'entre elles évaluent un aspect particulier de leur similarité. / The large use of CAD systems in many industrial fields, such as automotive, naval, and aerospace, has generated a number of 3D databases making available a lot of 3D digital models. Within enterprises, which make use of these technologies, it is common practice to access to CAD models of previously developed products. In fact, designing new products often refers to existing models since similar products allow knowing in advance common problems and related solutions. Therefore, it is useful to have technological solutions that are able to evaluate the similarities of different products in such a way that the user can retrieve existing models and thus have access to the associated useful information for the new design.The concept of similarity has been widely studied in literature and it is well known that two objects can be similar under different perspectives. These multiple possibilities make complicate the assessment of the similarity between two objects. So far, many methods are proposed for the recognition of different parts similarities, but few researches address this problem for assembly models. If evaluating the similarity between two parts may be done under different perspectives, considering assemblies, the viewpoints increase considerably since there are more elements playing a meaningful role.Based on these requirements, we propose a system for retrieving similar assemblies according to different similarity criteria. To achieve this goal, it is necessary having an assembly description including all the information required for the characterizations of the possible different similarity criteria between the two assemblies. Therefore, one of the main topics of this work is the definition of a descriptor capable of encoding the data needed for the evaluation of similarity adaptable to different objectives. In addition, some of the information included in the descriptor may be available in CAD models, while other has to be extracted appropriately. Therefore, algorithms are proposed for extracting the necessary information to fill out the descriptor elements. Finally, for the evaluation of assembly similarity, several measures are defined, each of them evaluating a specific aspect of their similarity.

Ce travail de thèse Cifre, réalisé dans le cadre de la collaboration avec la société Elbi, porte sur la modélisation de la géométrie et de la cinématique du système vis à rouleaux. Ce travail analyse la cinématique et la géométrie du mécanisme de vis à rouleaux satellites (RSM) pour fournir une base fondamentale pour soutenir ses diverses applications. Un modèle 3D du système vis à rouleaux est développé. Un code numérique a été développé en fonction de la géométrie et la cinématique du système de vis à rouleaux. Le champ d’effort et le champ de pression en fonction des défauts de forme et de la géométrie sont obtenus dans ce travail. Ensuite, un modèle 3D du moment de frottement dans le contact entre les surfaces de la vis à rouleaux est développé. La vitesse de glissement et la force de frottement se produisant entre vis/rouleau et entre rouleau/écrou a été calculé conformément à la cinématique, la géométrie et les erreurs de forme. L’efficacité, les pertes par frottement et la durée de vie du mécanisme de la vis à rouleaux en fonction des défauts de forme, de la cinématique et de la géométrie sont obtenues. Ces résultats numériques montrent le rendement important du système de vis à rouleaux en fonction des défauts de forme (autour de 97%). Par ailleurs, une partie expérimentale a été faite sur un banc d’essais électromécanique en collaboration avec le laboratoire Ampère d’Insa de Lyon afin de comparer les résultats expérimentaux avec les résultats théoriques. Ces expériences nous permettent de découvrir plusieurs sources de pertes de frottement dans l’ensemble du banc d’essais, ce qui confirme le faible rendement obtenu expérimentalement (autour de 50 %) pour tout l’ensemble (vérin électromécanique, réducteur). Quelques optimisations ont été effectuées pour améliorer l’efficacité de l’ensemble. Mais il reste difficile de quantifier l’efficacité de système (vis-rouleaux-écrou) expérimentalement. Pour cela, des essais manuels effectués en utilisant le système vis à rouleaux seul confirme les résultats numériques. Une autre partie expérimentale (en utilisant les machines MTM et HFRR) a été faite afin d’obtenir l’influence du lubrifiant sur le coefficient de frottement. Quatre huiles de différentes caractéristiques ont été utilisées. Ces huiles ont été utilisées sur le banc d’essais, mais l’influence du lubrifiant sur le rendement de l’assemblage n’est pas obtenue à cause de la rugosité importante des surfaces de contact du système vis à rouleaux. / This PhD work, carried out in collaboration with the Elbi company concerns the modeling of the geometry and the kinematics of the roller screw system. This work analyzes the ki- VII Résumé nematics and the geometry of the planetary roller screw mechanism (RSM) to provide a fundamental basis to support its various applications. A 3D model of the roller screw system is developed. A numerical code has been developed as a function of the geometry and the kinematics of the roller screw system. The force and the contact pressure distribution as a function of form errors and geometry are obtained in this work. Then, a 3D model of the frictional moment was developed. The sliding speed and the frictional force (between screw/roller and roller/nut) was calculated as a function of the kinematics, the geometry and the form error. Efficiency, frictional losses and the lifetime of the roller screw mechanism as a function of the form errors, the kinematics and geometry are obtained. These numerical results show the high efficiency of the roller screw system (around 97 %). Furthermore, experiments were performed on an electromechanical bench in collaboration with the laboratory Ampére of INSA Lyon, to compare these results with theoretical predictions. These experiments reveal several sources of friction losses, which confirms the low efficiency obtained experimentally (around 50 %) for the complete system (electromechanical actuator and gearbox). Some optimizations have been made to improve the efficiency of the assembly. But it remains difficult to quantify the efficiency of the set (screw-roller-nut) experimentally because of the presence of many sources of friction. To attain this goal, manual tests using the single roller screw system confirm the numerical results. Furthermore, another experimental part (using the HFRR and MTM Machines) was carried out to obtain the influence of the lubricant on the friction coefficient. Four oils of different characteristics were used. These four oils were used on the test bench, but the influence of the lubricant on the performance of the system was not obtained due to the high roughness of the contact surfaces of the roller screw system.