Ce mémoire a pour objectif de communiquer les principales étapes ayant mené à l'élaboration d'une stratégie de mesure des efforts appliqués sur un assistant ergonomique robotisé. Ces efforts peuvent notamment être communiqués de façon intentionnelle par l'utilisateur dans le but de guider les mouvements du robot d'assistance. Deux interfaces de communication tactile sont explorées à cette fin, soit la surface d 'une membrure de robot et une poignée sensible. Les efforts appliqués sur un assistant ergonomique peuyent également provenir d 'une collision avec un obstacle. Cette problématique est combinée à la communication des intentions sur une membrure afin d 'apporter une solution commune aux deux situations. La stratégie adoptée pour l'ensemble des cas étudiés consiste à assembler un certain nombre de capteurs de force uni-axiaux afin de permettre l'évaluation des composantes désirées de l'effort. Un capteur de force est développé à cette fin. Ce dernier fonctionne par l'entremise d'un élément flexible capable de se déformer suffisamment pour générer un mouvement mesurable à l'aide d'un capteur de déplacement. L'approche adoptée pour la mesure des forces sur une membrure permet l'évaluation des six composantes de l'effort tout en démontrant un comportement isotrope. Cette propriété offre l'avantage d 'une plage de mesure également distribuée dans toutes les directions. L'assemblage de capteurs développé pour la poignée sensible vise pour sa part l'évaluation de trois forces et d 'un moment dans l'optique de guider les mouvements d'un assistant ergonomique selon quatre degrés de liberté. Un prototype de la poignée sensible est réalisé afin de valider son fonctionnement dans le contexte d'une chaîne d'assemblage automobile.

L'utilisation d'articulations compliantes permet de réduire le jeu mécanique dans les manipulateurs robotiques. Cependant les particularités de leur comportement qui diffère de celui des articulations conventionnelles ne peuvent pas être prises en compte dans les modèles actuels, ce qui a pour effet de diminuer le gain de précision espéré. Dans cette thèse, une modélisation qui respecte à la fois des contraintes géométriques et des contraintes statiques entre les variables articulaires est proposée. Elle permet de décrire avec précision le comportement de ces mécanismes compliants, notamment en pouvant considérer plusieurs degrés de liberté par articulation compliante. Les coordonnées généralisées, qui correspondent à un ensemble minimal de variables articulaires nécessaires pour décrire complètement la configuration du mécanisme, sont utilisées pour calculer la pose de l'effecteur à partir du modèle géométrique. Ces coordonnées ne sont pas directement fixées par l'utilisateur, mais elles s'ajustent de manière à ce que l'équilibre statique du mécanisme soit respecté. Elles sont donc fonction d'un certain nombre de paramètres extérieurs que le modèle géométrico-statique proposé peut prendre en compte: la position des actionneurs, les efforts extérieurs appliqués sur le mécanisme et le poids de ses membrures. Du fait de la complexité de certaines équations de ce modèle géométrico-statique, un modèle quasi-statique a également été développé. Ce dernier donne les relations linéaires qui existent entre les variations des paramètres extérieurs et celles de la configuration du mécanisme. Pour obtenir ces relations, la matrice de raideur des mécanismes parallèles compliants a été calculée de façon générale. La formulation de ce modèle quasi-statique est très simple et repose sur deux nouvelles matrices : la matrice de compliance cartésienne et la matrice jacobienne quasi-statique. Cette dernière matrice intègre les effets des déformations du mécanisme sur son comportement cinématique grà¢ce à une matrice des ratios de transmission du mouvement des actionneurs. Enfin, trois exemples d'applications ont été traités afin de montrer les apports de ces modèles, non seulement leur gain de précision, mais aussi les nouvelles possibilités qu'ils offrent. Désormais les mécanismes parallèles compliants, mais également mécanismes bistables, les mécanismes compliants sous-actionnés et même les mécanismes conventionnels peuvent être modélisés avec les mêmes équations. / L'utilisation d'articulations compliantes permet de réduire le jeu mécanique dans les manipulateurs robotiques. Cependant les particularités de leur comportement qui diffère de celui des articulations conventionnelles ne peuvent pas être prises en compte dans les modèles actuels, ce qui a pour effet de diminuer le gain de précision espéré. Dans cette thèse, une modélisation qui respecte à la fois des contraintes géométriques et des contraintes statiques entre les variables articulaires est proposée. Elle permet de décrire avec précision le comportement de ces mécanismes compliants, notamment en pouvant considérer plusieurs degrés de liberté par articulation compliante. Les coordonnées généralisées, qui correspondent à un ensemble minimal de variables articulaires nécessaires pour décrire complètement la configuration du mécanisme, sont utilisées pour calculer la pose de l'effecteur à partir du modèle géométrique. Ces coordonnées ne sont pas directement fixées par l'utilisateur, mais elles s'ajustent de manière à ce que l'équilibre statique du mécanisme soit respecté. Elles sont donc fonction d'un certain nombre de paramètres extérieurs que le modèle géométrico-statique proposé peut prendre en compte: la position des actionneurs, les efforts extérieurs appliqués sur le mécanisme et le poids de ses membrures. Du fait de la complexité de certaines équations de ce modèle géométrico-statique, un modèle quasi-statique a également été développé. Ce dernier donne les relations linéaires qui existent entre les variations des paramètres extérieurs et celles de la configuration du mécanisme. Pour obtenir ces relations, la matrice de raideur des mécanismes parallèles compliants a été calculée de façon générale. La formulation de ce modèle quasi-statique est très simple et repose sur deux nouvelles matrices : la matrice de compliance cartésienne et la matrice jacobienne quasi-statique. Cette dernière matrice intègre les effets des déformations du mécanisme sur son comportement cinématique grà¢ce à une matrice des ratios de transmission du mouvement des actionneurs. Enfin, trois exemples d'applications ont été traités afin de montrer les apports de ces modèles, non seulement leur gain de précision, mais aussi les nouvelles possibilités qu'ils offrent. Désormais les mécanismes parallèles compliants, mais également mécanismes bistables, les mécanismes compliants sous-actionnés et même les mécanismes conventionnels peuvent être modélisés avec les mêmes équations. / The use of compliant joints reduces the mechanical clearance in robotic manipulators. However, the particularities of their behaviour, which differs from that of conventional joints, cannot be taken into account in existing models, which mitigates the expected gain in accuracy. In this thesis, a model satisfying both the kinematic constraints and the static constraints between the joint variables is proposed. It enables to precisely describe the behaviour of a compliant mechanism, notably by allowing the consideration of several degrees of freedom for a single compliant joint. The generalized coordinates, which correspond to a minimal set of joint variables required to completely describe the configuration of the mechanism, are used to calculate the pose of the end-effector in the geometric model. These coordinates are not directly set by the user but adjust themselves such that the static equilibrium of the mechanism is satisfied. Therefore, they are function of some external parameters taken into account in the proposed kinemato-static model: the position of the actuators, the external efforts applied on the mechanism and the weight of its rigid links. Because of the complexity of some equations of this kinemato-static model, a quasi-static model was also developed. The latter gives linear relationships between the variations of the external parameters and the variations of the configuration of the mechanism. To obtain these relationships, the stiffness matrix of compliant parallel mechanisms was derived in a general form. The formulation of this quasi-static model is very simple and uses two new matrices: the Cartesian compliance matrix and the quasi-static Jacobian matrix. The latter matrix integrates the effects of the deformations of the mechanisms in its kinematic behaviour using a matrix of the transmission ratios of the motion of the actuators. Finally, three examples of applications are given in order to illustrate the contributions of these models, not only regarding the gain in precision, but also the novel possibilities they offer. From then on, compliant parallel mechanisms, but also bistable mechanisms, under-actuated compliant mechanisms and even conventional mechanisms can be modeled with the same equations. / The use of compliant joints reduces the mechanical clearance in robotic manipulators. However, the particularities of their behaviour, which differs from that of conventional joints, cannot be taken into account in existing models, which mitigates the expected gain in accuracy. In this thesis, a model satisfying both the kinematic constraints and the static constraints between the joint variables is proposed. It enables to precisely describe the behaviour of a compliant mechanism, notably by allowing the consideration of several degrees of freedom for a single compliant joint. The generalized coordinates, which correspond to a minimal set of joint variables required to completely describe the configuration of the mechanism, are used to calculate the pose of the end-effector in the geometric model. These coordinates are not directly set by the user but adjust themselves such that the static equilibrium of the mechanism is satisfied. Therefore, they are function of some external parameters taken into account in the proposed kinemato-static model: the position of the actuators, the external efforts applied on the mechanism and the weight of its rigid links. Because of the complexity of some equations of this kinemato-static model, a quasi-static model was also developed. The latter gives linear relationships between the variations of the external parameters and the variations of the configuration of the mechanism. To obtain these relationships, the stiffness matrix of compliant parallel mechanisms was derived in a general form. The formulation of this quasi-static model is very simple and uses two new matrices: the Cartesian compliance matrix and the quasi-static Jacobian matrix. The latter matrix integrates the effects of the deformations of the mechanisms in its kinematic behaviour using a matrix of the transmission ratios of the motion of the actuators. Finally, three examples of applications are given in order to illustrate the contributions of these models, not only regarding the gain in precision, but also the novel possibilities they offer. From then on, compliant parallel mechanisms, but also bistable mechanisms, under-actuated compliant mechanisms and even conventional mechanisms can be modeled with the same equations.

L'objet de cette thèse porte sur la compréhension des structures cohérentes d'une couche limite turbulente soumise à un fort gradient de pression adverse, et qui a aussi subie une transition brusque de fort gradient de pression favorable à un gradient de pression adverse. L'installation expérimentale permet d'obtenir des conditions d'écoulement correspondant au décrochage d'une aile. De grands ensembles de champs de vitesse instantanée sont acquis par "Particle Image Velocimetry" dans des plans à la paroi alignés avec l'écoulement à trois positions différentes dans la direction de l'écoulement dans la région de gradient de pression défavorable. Les investigations sur les champs instantanés de vitesse prouvent que la région supérieure de la couche limite est densément peuplée avec des signatures de tourbillons hairpin et des paquets de hairpins qualitativement semblables à ceux rencontrées dans la couche limite turbulente à gradient de pression nul. Puisque les paquets de hairpin voyagent avec la petite dispersion de vitesse, les groupes de hairpin semblent être arrangés de façon cohérente dans la direction de l'écoulement. On constate que les paquets de hairpins se prolongent parfois au-delà d'une longueur de 2[delta] et contiennent 3 à 12 tourbillons. En plus, l'estimation stochastique linéaire et les corrélations spatiales entre l'intensité des tourbillons "pro-grade/prograde" indiquent également que les empreintes sont qualitativement semblables aux paquets de hairpin trouvés dans les champs instantanés. L'angle moyen de croissance des paquets de hairpin dans la direction de l'écoulement est approximativement 11°, ce qui est plus important que dans la couche limite turbulente à gradient de pression nul. Les hairpins individuels sont aussi légèrement plus inclinés par rapport à la paroi et plus rapprochés dans la couche limite turbulente avec gradient de pression adverse. Ces différences de propriétés de hairpin sont consistantes avec les différences de taux de déformations moyens dans les deux écoulements. L'intensité des têtes de hairpin normalisée par l'échelle de temps de Zagarola-Smits a une valeur plus élevée dans le cas à gradient de pression nul par rapport à l'écoulement présent et, dans la moitié inférieure de la couche limite diminue dans la direction de l'écoulement dans ce dernier. Tout proche de la paroi, la population de hairpins diminue dans la direction de l'écoulement, alors qu'elle augmente dans la région supérieure. Ces différentes tendances des populations et d'intensité de hairpin sont compatibles avec celles des tensions de Reynolds et de la production de turbulence. C'est également compatible aux résultats rapportés que des hairpins sont la source majeure de la production de turbulence. Finalement, la taille des tourbillons normalisée par l'épaisseur de la couche limite diminue légèrement dans la direction de l'écoulement. Puisque l'écoulement moyen évolue rapidement, il est donc possible que les structures turbulentes répondent avec un certain retard aux changements de l'écoulement moyen.

L'objectif de cette étude est de valider les mesures prises avec le système de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Dans ce but, l'écoulement dans une conduite à section rectangulaire est ici étudié. Les résultats de Hussain et Reynolds (1975) et de Moser et al (1999) servent d'éléments de comparaison. Des mesures 2D de la totalité de la hauteur de la conduite furent faites avec le système PIV. Les nombres de Reynolds choisis pour ces mesures sont de 32300 et 42600. Les résultats montrent que l'écoulement observé ne semble pas pleinement développé. Par ailleurs, deux modes d'interrogation d'images sont testés, ainsi qu'une validation locale. Le mode d'interrogation qui donne les meilleurs résultats est la corrélation avec décalage des zones d'interrogation. Cependant, les deux modes d'interrogation, pâtissent de l'effet de " peak-locking ". Les structures turbulentes de petite échelle ne sont pas observées dans cette étude.

De nos jours, presque tous les produits industriels sont vendus avec une garantie. Chaque vente est accompagnée d'un contrat de garantie comportant de nombreux articles dont : les modalités d'usage, la performance du produit et la période de garantie. Cette dernière est importante pour le client qui se trouve dans une situation où il doit choisir entre plusieurs produits. Elle est aussi importante pour le manufacturier (vendeur), qui doit tenir compte des coûts encourus pendant la période de garantie. Une plus grande période de garantie engendrera des coûts additionnels. Le problème consiste à déterminer la période de garantie qui permet de séduire le client sans ruiner le vendeur. Nous allons présenter des modèles d'optimisation qui permettent de déterminer la période de garantie qui tient compte des coûts totaux encourus pour la production et la garantie. Le premier modèle traite le cas où le manufacturier établit un seuil limite de coût du produit vendu avec une période de garantie et cherche à déterminer le niveau de fiabilité qui maximise cette période. Le deuxième modèle, traite le cas bayésien où l'historique d'un produit similaire est disponible. Cet historique permet de prévoir le comportement futur du produit. Le modèle permet de déterminer la période de garantie en introduisant une fonction d'utilité qui tient compte des coûts, du niveau de fiabilité et de la satisfaction du client. Deux modèles d'analyses sont également développés pour l'optimisation des coûts de la garantie. Le premier modèle traite le cas où le manufacturier fixe la période de garantie, et cherche à déterminer le niveau de fiabilité qui minimise le coût de cette garantie. Le deuxième modèle propose une procédure pour déterminer les coûts de garantie, pour des produits réparables et pour des produits non réparables. Ce modèle suppose que la panne du produit est une fonction du nombre de fois où le produit a été utilisé plutôt que de son âge. Dans le dernier modèle traité on cherche à déterminer la période optimale de remplacement pour des produits réparables sous une politique de garantie du type FRW (Free Repair Warranty). Finalement, un abaque a été élaboré pour déterminer la période de garantie pour un produit assujetti à des défaillances purement aléatoires avec un taux de panne constant.

Le phénomène de fatigue par petits débattements est tributaire des conditions de contact où il se produit. Dépendamment de ces conditions, des contraintes ainsi que des microglissements prennent forme. Dans le cas du contact entre le berceau d'une pince de suspension et un fil de conducteur électrique, la fatigue par petits débattements est observable près du dernier point de contact (DPC) entre les deux corps. Une étude en deux parties des conditions de contact en cette zone a eu lieu. En premier lieu, des mesures de déformations ont été prises sur les fils les plus susceptibles de rupturer lors d'essais de fatigue. Deux conducteurs ont été étudiés: un ACSR Drake et un ACSR Bersfort. Ces mesures ont permis de connaître la nature des efforts agissant sur ces fils. Lors du chargement statique, des déformations plastiques sont observables à une tension équivalente à 30\% de la résistance maximale en tension. Le mode de déformation le plus important près du DPC est par flexion binormale, quoique les déformations en traction soient aussi importantes. Lors d'un essai de fatigue, le chargement alterné découlant de la vibration du conducteur est principalement ressenti par un fil comme étant une traction alternée. Suite à cette constatation, un modèle par éléments finis n'impliquant qu'un chargement en traction (outre l'application d'une force de contact reproduisant le serrage du chapeau de la pince de suspension) a été développé. La technique de l'analyse globale locale a été utilisée afin de rendre plus efficace la modélisation 3D du problème. Des simulations en domaine élastique et élastoplastique ont permis de déduire les conditions de contact existant entre un fil de conducteur et le berceau d'une pince de suspension, avec un intérêt particulier pour les microglissements. Les microglissements jouent un rôle important dans le processus de fatigue par petits débattements. Il est donc important d'obtenir un ordre de grandeur de leur amplitude. Il a été observé que les microglissements maximaux pour le cas d'un contact entre un fil et le berceau d'une pince de suspension seraient inférieurs ou du même ordre de grandeur que ceux obtenus dans le cas du contact entre deux spheres. Ce dernier modèle peut donner une évaluation raisonnable des microglissements permettant de développer un indicateur de fatigue tenant compte de la mécanique du contact. Les microglissements et les contraintes de contact obtenus numériquement peuvent servir à calculer divers indicateurs de fatigue. Le critère de Ruiz et Chen est utilisé afin d'illustrer le fait.

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

Ce mémoire s'inscrit dans le cadre plus général d 'un projet multidisciplinaire mené à l'Université Laval sur la technologie des aéro/hydrogénérateurs à ailes oscillantes. Cette partie du projet s'intéresse plus particulièrement à une mesure expérimentale des forces s'exerçant sur une aile oscillante. Pour y arriver, cette étude se découpe en deux phases bien distinctes. Tout d 'abord, il s'est révélé primordial de caractériser et d 'optimiser au mieux l'environnement de travail. Au cours de cette première phase, la mise en place de pertes de charge accompagnée par des mesures de vitesse dans le canal furent effectuées. De même, le système mécanique devait être piloté afin de reproduire le plus fidèlement possible les mouvements demandés. Par la suite, la deuxième phase impliquait la création puis l'utilisation d 'un instrument de mesure. Une comparaison avec des résultats issus de simulation numérique a alors permis de valider le concept de la balance hydrodynamique. Toutefois, plusieurs problèmes furent identifiés et des recommandations faites en vue de travaux futurs.

Cette thèse présente des travaux récents relatifs à la modélisation d'impact de projectiles mous et le développement d'une méthode numérique sans maillage. En premier lieu, la théorie rattachée aux impacts d'oiseaux ainsi que les méthodes numériques et résultats expérimentaux disponibles sont donnés afin d'établir des normes pour les simulations d'impact d'oiseaux. Les connaissances générales concernant les impacts d'oiseaux sont ensuite améliorées par des tests récents qui utilisent un substitut pour l' oiseau. Une recette pour le substitut est donnée afin de servir de référence dans les procédures de certification pour les impacts d'oiseaux. Les résultats sont également fournis afin de valider les modèles numériques et promouvoir l'utilisation des outils numériques dans le design de structures aéronautiques ainsi que dans le processus de certification. Les détails du montage expérimental sont donnés ainsi qu'une analyse de la précision des résultats obtenus et quelques sources d'erreurs à éviter dans l'éventualité où d'autres tests auraient lieu. Finalement, la méthode sans maillage smoothed particles hydrodynamics (SPH) est modifiée afin qu'un algorithme maison puisse traiter le problème d'impact d'oiseaux. Afin de rencontrer cet objectif, des améliorations sont apportées à la formulation mathématique afin de traiter les problèmes d'instabilités numériques rapportés dans la littérature. Ensuite, des lois de comportement et des équations d'état ont été ajoutées. L'algorithme résultant peut être utilisé pour plusieurs types de problèmes, ce qui rend la méthode SPH très attrayantes pour les simulations numériques avec grandes déformations.

Cette maîtrise s'inscrit dans la continuité d'un projet multidisciplinaire de grande envergure se déroulant à l'Université LAVAL, qui a pour but d'analyser les différentes caractéristiques et d'étudier la faisabilité d'une nouvelle technologie de production d'énergie : l'hydrogénérateur à ailes oscillantes. On s'intéresse ici à l'étude expérimentale des forces hydrodynamiques créées par un écoulement d'eau autour de ces ailes. M. Jean-Frederick Faure ayant déterminé dans un précédent mémoire les différentes technologies permettant la mesure de ces forces, ce mémoire présente essentiellement les travaux concernant l'amélioration du montage (installation et étalonnage des nouveaux instruments de mesure) et les résultats et analyses découlant des différents essais réalisés. Des efficacités énergétiques supérieures à 30% ont pu être trouvées et comparées favorablement avec les valeurs de simulations numériques effectuées à l'Université Laval. Une campagne d'essai a en outre permis d'évaluer l'influence des différents paramètres du mouvement (fréquence de cycle, amplitudes de pilonnement et de tangage) sur cette efficacité.