Les mécanismes parallèles entraînés par câbles sont une classe spéciale de mécanismes parallèles pours lesquels les liaisons rigides sont remplacées par des câbles. Ces mécanismes comprennent une plateforme mobile et une base fixe, qui sont reliées par plusieurs câbles. Le contrôle des longueurs des câbles produit le mouvement désiré de la plateforme mobile. Ces mécanismes ont le potentiel de fournir des espaces de travail à grande échelle comparativement aux mécanismes parallèles conventionnels car les câbles peuvent être enroulés sur des bobines sur de grandes longueurs. Cependant, cette caractéristique est limitée par la nature des câbles, qui doivent demeurer en tension afin de produire un mouvement désiré de la plateforme principale. L'objectif principal de cette thèse est de concevoir des méthodes efficaces pour la synthèse dimensionelle optimale des mécanismes parallèles entraînés par câbles surcontraints, c'est-à-dire, des mécanismes pour lesquels le nombre de câbles excède le nombre de degrés de liberté. Plus précisément, nous souhaitons obtenir la géométrie des mécanismes parallèles entraînés par câbles dont l'espace des poses polyvalente (EPP) comprend des espaces de travail prescrits. L'espace des poses polyvalentes d'un mécanisme parallèle entraîné par câbles est l'ensemble des poses (les positions et les orientations) de l'organe terminal pour lesquelles tous les torseurs appliqués sont réalisables. Un torseur appliqué est dit réalisable, s'il peut être produit par un ensemble de câbles dont les tensions sont non-négatives. Une fois le problème de la synthèse dimensionnelle résolu, nous pouvons appliquer la solution à plusieurs reprises pour différents nombres de câbles afin d'effectuer la synthèse de la structure. Cette thèse est divisée en trois parties principales. Tout d'abord, l'espace des poses polyvalentes des mécanismes parallèles plans entraînés par câbles et les caractéristiques de leurs frontières sont étudiés. Cette étude révèle les relations jusqu'ici inconnues entre l'EPP à orientation constante (EPPOC) et les aires orientées. Un algorithme graphique est proposé afin de déterminer les types de sections coniques formant les frontières de l'EPPOC . Puis, sur la base des expressions mathématiques obtenues, une méthodologie est proposée pour résoudre le problème de la synthèse dimensionnelle des mécanismes parallèles plans entraînés par câbles pour les orientations discrètes c'est-àdire, les translations. L'algorithme est basé sur des techniques de relaxation convexe qui nous amènent à formuler la synthèse dimensionnelle comme un programme non linéaire. L'idée est de maximiser la taille de plusieurs boîtes qui représentent une approximation d'un espace de travail prescrit, tout en essayant de les garder à l'intérieur de l'EPP du mécanisme parallèle plan entraîné par câbles pendant la procédure d' optimisation. Une telle approximation de l'espace de travail prescrit est obtenue via la méthode d'analyse par intervalles. L'algorithme obtenu est étendu au cas de l'orientation en continu pour un intervalle donné d'angles d'orientation. En fait, nous introduisons un programme non linéaire permettant de varier la géométrie du mécanisme parallèle plan entraîné par câbles et maximiser le facteur d'échelle de l'ensemble prescrit de boîtes. Lorsque le facteur d'échelle optimal est supérieur ou égal à un, l'EPP du mécanismes parallèle plan entraîné par câbles résultant contient l'ensemble des boîtes prescrit. Sinon, l'EPP obtenu offre généralement une bonne couverture des boîtes prescrites. Enfin, sur la base des résultats obtenus pour des mécanismes parallèles plans entraînés par câbles, un algorithme est proposé pour résoudre la synthèse dimensionelle de mécanismes parallèles spatiaux entraînés par câbles. Comme pour le cas plan, nous proposons un programme non linéaire à grande échelle dont les solutions optimales peuvent fournir des geometries de mécanismes parallèles spatiaux entraînés par câbles pour un espace de travail prescrit dans une plage donnée des angles d'orientation. L'efficacité de ces méthodes est émontrée par plusieurs exemples en utilisant un logiciel développé. En outre, cette thèse fournit un outil efficace pour les concepteurs de robots parallèles entraînés par câbles

Ce mémoire propose une stratégie d'implantation du concept du « Lean Maintenance » pour assurer une production efficiente et sécuritaire au sein d'une installation de traitement et de valorisation des sables bitumineux. La problématique est introduite via les pratiques en vigueur dans un site actif d'exploitation de sables bitumineux. Elle est supportée par un ensemble d'observations et de données disponibles dont l'accès et la publication ont été préalablement autorisés par les autorités de l'entreprise. Les concepts du "Lean maintenance" sont introduits en prenant en considération les réalités du terrain et les apports potentiels de cette approche. Une attention particulière a été accordée à la stratégie de mise en oeuvre des concepts du "Lean Maintenance". Le mémoire examine également les contributions de la maintenance productive totale (TPM) dans un contexte où les activités de maintenance ne sont pas effectuées exclusivement par le personnel interne de l'entreprise et dans un contexte où le risque d'accident est omniprésent. Le mémoire cite plusieurs références pertinentes et fait état de quelques extensions des travaux réalisés.

Ce mémoire présente le développement d'une transmission à variation continue pour les articulations robotiques. Le domaine de la robotique pourrait considérablement augmenter l'efficacité et la performance de ces systèmes en intégrant de nouveaux types de transmission au niveau de ses actionneius. En effet, les transmissions à ratio variables sont utilisées dans une multitude de domaines (transport, production d'énergie etc.) et permettent d'obtenir une plus grande polyvalence en gérant adéquatement la source de puissance disponible. Dans le cadre de ce projet, la transmission développée est principalement basée sur un mécanisme à cinq barres. Dans un premier temps, l'analyse cinématique et l'optimisation des dimensions du mécanisme sont exposées. Grâce à cette optimisation, un comportement performant et uniforme est atteint. En second lieu, une étude comparative avec un autre concept potentiel de transmission est présenté. Cette étude permet de démystifier le potentiel des train épicycloïdaux à double actionnement. Finalement, un prototype du mécanisme a été conçu et fabriqué. Ainsi, un chapitre est consacré aux composantes et aux méthodes de commande nécessaires au bon fonctionnement du prototype. Cette section inclut aussi une validation expérimentale du comportement espéré de la transmission et des essais expérimentaux qui permettent d'estimer l'efficacité effective du prototype fabriqué.

Ce mémoire présente le développement d'un préhenseur pour une prothèse du membre supérieur à fermeture volontaire actionné à l'aide d'un harnais. Le préhenseur (main) comprend trois articulations par doigt (15 au total) et différentes fonctionnalités afin d'offrir une grande adaptabilité à la forme des objets, et ce, de façon purement mécanique. Le produit final permettra à l'utilisateur de saisir un plus grand nombre d'objets de forme différente tout en nécessitant une force d'actionnement raisonnable et en respectant tous les autres critères caractérisant une bonne prothèse. Afin d'atteindre ces objectifs, plusieurs travaux ont d'abord porté sur l'avancement des connaissances générales du sous-actionnement appliqué aux mains prothétiques. Dans un premier temps, différents mécanismes permettant de sous-actionner quatre doigts à partir d'une seule entrée ont été développés. Ensuite, un prototype de main plastique a été conçu afin de tester expérimentalement ces mécanismes et de mieux comprendre les principaux défis reliés à la réalisation du design d'une telle main. Cette main est entièrement sous-actionnée, c'est-à-dire qu'elle comprend 15 degrés de liberté pour un seul degré d'actionnement. Aussi, une étude a été effectuée sur la stabilité de prise dans les doigts sous-actionnés. Finalement, toutes ces connaissances acquises, combinées avec plusieurs idées de design sont utilisées afin d'orienter le design mécanique du préhenseur dans le but d'obtenir un produit final innovateur, respectant les critères et objectifs fixés.

Les systèmes simples et les systèmes plus évolués tels que les robots aident l’être humain à accomplir plusieurs tâches depuis fort longtemps. Dans certains cas, le système en question remplace carrément l’humain alors que dans d’autres, le système agit en coopération avec celui-ci. Dans le dernier cas, le système représente plus un outil servant à augmenter les performances ou bien à éviter des tâches ingrates. L’avantage principal de cette augmentation humaine est de laisser à l’opérateur une certaine latitude dans le processus décisionnel de la tâche. Les forces propres aux humains et aux robots sont donc combinées afin d’obtenir une synergie, c’est-à-dire d’obtenir un meilleur système que la somme de ses composantes. Cependant, accomplir des tâches de coopération complexes de manière intuitives représente un défi de taille. Alors qu’auparavant les robots étaient isolés et donc conçus et programmés en conséquence, la nouvelle génération de robots doit être capable de comprendre son environnement et les intentions de l’humain, et d’y répondre adéquatement et de manière sécuritaire, intuitive, conviviale et ergonomique. Ceci apporte de nombreux débouchés dans différents domaines tels que la manutention, l’assemblage manufacturier, la réadaptation physique, la chirurgie, l’apprentissage via des simulations haptiques, l’aide aux personnes handicapées et bien d’autres. Cette thèse comporte trois parties. La première traite de la commande des robots d’interaction physique. L’approche pour parvenir à une commande intuitive, les bonnes pratiques, un algorithme d’interaction s’adaptant aux intentions de l’humain et l’adaptation d’une commande par couple pré-calculé à l’interaction humain-robot sont présentés. La deuxième partie traite de systèmes mains sur la charge qui sont plus intuitifs à utiliser pour l’opérateur. Le développement de ces systèmes comprend des innovations mécaniques et de commande avancées. La troisième partie traite finalement d’éléments de sécurité. Elle présente d’abord le développement d’un algorithme d’observation et de contrôle des vibrations et ensuite le développement d’un capteur détectant à distance la proximité humaine. Cette thèse se propose d’apporter plusieurs contributions, tant dans un esprit scientifique que pour des applications industrielles requérant des réponses immédiates. / For a long time, simple and advanced systems such as robots have been helping humans to accomplish several tasks. In some cases, the system simply replaces the operator while in other cases, the system cooperates with him/her. In the latter case, the system is more a tool used to increase performance or to avoid unpleasant tasks. The principal advantage of this human augmentation is to leave a certain latitude to the operator in the task decision process. Specific strengths of humans and robots are then combined to obtain a synergy, that is obtaining a more complete system than the sum of its parts. However, achieving complex tasks in a way that is intuitive to the human represents a huge challenge. While robots were previously segregated from humans and then designed and programmed accordingly, the new generation of robots must be able to perceive their environment and the human intentions and to respond to them safely, adequately, intuitively and ergonomically. This leads to several opportunities in a wide range of fields such as materials handling, assembly, physical rehabilitation, surgery, learning through haptic simulations, help to disabled people and others. This thesis comprises three parts. The first one deals with the control of physical interaction robots. The approach to an intuitive control, good practices, an interaction algorithm adapting to human intentions and the adaptation of a computed-torque control scheme for human-robot interaction are presented. The second part presents hands on payload systems which are more intuitive to use for the operator. These system developments include mechanical and advanced control innovations. The third part introduces safety features. First, the development of a vibration observer/controller algorithm is presented and then the development of a sensor detecting human proximity is reported. This thesis attempts to provide contributions, in a scientific spirit as much as for industrial applications requiring immediate solutions.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Ce mémoire de maîtrise porte sur la modélisation numérique de la problématique d'ingestion de gaz chauds dans la cavité rotor-stator du premier étage d'une turbine à gaz moderne. Dans le contexte de développement d'une aviation plus écologique, ce sujet mérite une attention marquée car des gains importants en ce qui a trait à l'efficacité globale du moteur peuvent être atteints par de meilleurs designs de joints rotor-stator limitant l'ingestion. La modélisation physique des phénomènes affectant l'ingestion devient alors essentielle afin de développer une meilleure compréhension des écoulements et mécanismes en présence. C'est dans cette optique que Pratt & Whitney Canada a mandaté le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l'Université Laval afin de conduire une étude approfondie du phénomène d'ingestion. Ce mémoire a donc pour objectif principal de décrire le développement, l'application et la validation de certaines techniques de simulation numérique visant à caractériser qualitativement et quantitativement le phénomène d'ingestion observé à travers le joint et dans la cavité du groupe rotor-stator d'une turbine à gaz. Une investigation des limites de fiabilité d'une telle modélisation numérique dans un contexte réel d'opération du moteur est également présentée. La paramétrisation adéquate du problème et la validité d'extrapoler des résultats numériques d'ingestion obtenus aux conditions "banc d'essai" afin de prédire l'ingestion réelle aux conditions "moteur" font également partie des sujets abordés dans ce mémoire. La méthodologie développée considère deux phases de calculs menant à des diagnostics d'ingestion par le biais d'un marqueur passif. Une série de validations numériques et des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont également présentées. La méthodologie de modélisation numérique est considérée robuste et fiable, mais seulement partiellement validée.

Les mécanismes parallèles entraînés par câbles permettent d'obtenir de grands espaces de travail puisque les plages de mouvement des câbles enroulés sur des treuils sont beaucoup plus grandes que celles des mécanismes à barres. De plus, les mécanismes entraînés par câbles possèdent un rapport charge utile sur poids propre avantageux et ils sont capables de produire de grandes vitesses. Toutefois, dans les mécanismes parallèles entraînés par câbles d'architecture classique, les câbles sont enroulés sur des treuils actionnés. Cette approche conduit à des imprécisions puisque le rapport entre la rotation du treuil et l'extension du câble n'est généralement pas constant. Par ailleurs, les mécanismes parallèles entraînés par des câbles sont habituellement actionnés de façon redondante en raison de l'unilatéralité de la force transmise par un câble. Cela conduit à une infinité de solutions au problème statique (ou dynamique) inverse et rend la commande du mécanisme plus compliquée. L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles architectures de mécanismes parallèles entraînés par câbles construites à l'aide de boucles de câbles afin d'obtenir une meilleure précision et/ou éviter la redondance. Tout d'abord, des mécanismes plans à actionnement redondant utilisant des boucles de câbles sont proposés. Dans ces architectures, les câbles forment des boucles fermées fixées à l'effecteur, et dont le mouvement est produit par des actionneurs prismatiques. Un mécanisme plan à deux degrés de liberté est proposé. En remplaçant le système câble-treuil par des boucles de câbles fermées, les difficultés de mesure de l'extension des câbles sont atténuées. Le problème géométrique inverse, les matrices jacobiennes et les équations d'équilibre statique de ces mécanismes sont présentés. En utilisant les matrices jacobiennes, les singularités des mécanismes sont aussi analysées. À partir de l'équation d'équilibre statique, l'ensemble des torseurs applicables à l'effecteur est déterminé. Il est montré que la trajectoire d'un point d'attache d'une boucle de câble sur l'effecteur est une portion d'ellipse. L'intersection des ellipses fournit les modes d'assemblage. Il peut y avoir plus d'un point d'intersection des ellipses pour une position donnée des actionneurs. Cette caractéristique géométrique est aussi analysée. Afin d'éliminer la redondance d'actionnement, des ressorts sont introduits dans les mécanismes entraînés par boucles de câbles. Grâce à un arrangement géométrique approprié des ressorts dans les boucles, le mécanisme ne requiert que n actionneurs pour le guidage de n degrés de liberté, éliminant ainsi la redondance d'actionnement. Les mécanismes proposés peuvent être actionnés soit à l'aide d'actionneurs prismatiques ou à l'aide d'actionneurs rotoïdes entraînant une courroie. Le design conceptuel de quelques architectures de mécanismes de ce type est proposé. Une architecture non-symétrique, dans laquelle le ressort est attaché à un seul des côtés des boucles de câbles, est d'abord analysée. Ensuite, une architecture symétrique dans laquelle les deux côtés des boucles de câbles sont atttachés au ressort, est proposée. Une comparaison des architectures est établie pour des mécanismes plans. Puis, l'architecture symétrique est appliquée aux mécanismes spatiaux. Les analyses cinématiques et statiques sont présentées pour ces mécanismes. À l'aide des équations statiques, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur des mécanismes parallèles entraînés par boucles de câbles incluant des ressorts est déterminé. Pour fins de comparaison, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur de mécanismes plans et spatiaux entraînés par des câbles et des treuils classiques est également déterminé. Une étude dynamique est aussi réalisée afin de déterminer les limites de performance des mécanismes. La méthode de Newton-Euler est utilisée pour l'analyse dynamique et la détermination de la fréquence naturelle de même que des rapports d'amplitude entrée-sortie. Les mécanismes à boucles de câbles avec ressorts permettent d'éviter la redondance d'actionnement. Les paramètres des ressorts doivent être ajustés correctement afin d'obtenir de bonnes caractéristiques pour ces mécanismes. Toutefois, l'utilisation de ressorts augmente le coût et la complexité des mécanismes. Par conséquent, il est proposé de réaliser la condition d'équilibre des forces sans ressorts. À cet effet, un mécanisme à deux degrés de liberté découplé non redondant à boucles de câbles entraînées par actionneurs prismatiques est proposé. Les actionneurs sont situés sur les arêtes de l'espace de travail. La redondance d'actionnement est éliminée tout en fournissant la condition de fermeture de force (force closure) partout dans l'espace de travail. De plus, l'encombrement du mécanisme est essentiellement égal à son espace atteignable et le mécanisme ne souffre d'aucune singularité. Deux boucles de câble sont utilisées pour chacune des directions de mouvement. Une première boucle agit comme boucle d'actionnement alors que la seconde, qui est passive, est la boucle de contrainte. Grâce à une conception géométrique simple, les équations cinématiques et statiques du mécanisme sont très compactes. Une étude de la raideur effective du mécanisme montre que celle-ci est excellente. Finalement, une analyse dynamique est proposée en considérant l'élasticité et l'amortissement des câbles.

Dans ce mémoire nous traitons le problème de localisation du (des) composant(s) responsable(s) de la défaillance. Chaque composant est assujetti à des défaillances aléatoires. La détection de l’état d’un composant ou d’un sous-système est effectuée à l’aide de tests. L’objectif de cette recherche est d’exploiter les techniques et connaissances disponibles pour générer la séquence de tests qui permet de localiser rapidement le(s) composant(s) responsable(s) de la défaillance du système. On considère un système opérant suivant une structure série pour lequel on connaît le coût de tests et la probabilité conditionnelle qu’un composant (i) soit responsable de la défaillance. On analyse les différentes stratégies de diagnostic. Des exemples, empruntés à la littérature, sont utilisés pour illustrer chaque procédure traitée. Des extensions sont proposées pour traiter le cas où le diagramme de fonctionnement du système n’est pas nécessairement "série". Les algorithmes traités font appel à l’analyse probabiliste des systèmes, à la théorie de l’information, à l’approche heuristique et à la programmation dynamique. / In this paper, we address the problem of the localization of the component(s) responsible(s) for the failure. Each component is subjected to random failures. Some tests help the detection of the state of a component or a subsystem. The objective of this research is to exploit the available knowledge and techniques to generate the tests sequence that locate quickly the (s) component (s) responsible (s) of system failure. We consider a system which operates according to a structure series and of which we know the test costs and the conditional probability that a component (i) is out of service. We analyze the different diagnostic strategies. Some examples, taken from the literature, are used to illustrate each procedure covered. Many extensions are proposed to handle the case where the diagram of the system is not necessarily "series". The algorithms treated are based of probabilistic analysis of systems, the information theory, the heuristic approach and the dynamic programming.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire font état des avancées réalisées concernant l'évaluation du potentiel des technologies de fenestration intelligente à opacité variable face à la réduction de la consommation énergétique dans les bâtiments. Pour ce faire un modèle numérique de bâtiment a été développé, puis les propriétés optiques des fenêtres intelligentes ont été optimisées afin d'atteindre un coût minimal de chauffage et de climatisation du bâtiment. Les recherches ont tout d'abord commencé par une estimation des performances des fenêtres intelligentes en analysant les résultats d'optimisation énergétique pour une semaine typique à chaque saison de l'année, et ce, pour un bâtiment situé au Québec considérant un mur avec fenêtre intelligente orientée au sud. Les résultats obtenus et présentés en 2011 dans le cadre d'une conférence sur les matériaux intelligents ont démontré la pertinence d'approfondir les recherches dans ce domaine. Par la suite, une étude plus détaillée des bénéfices des fenêtres intelligentes a été menée en précisant les résultats à chaque heure du jour pour une année complète, en utilisant un modèle de lumière naturelle plus réaliste et en évaluant l'impact de quatre orientations du mur avec fenêtre intelligente, i.e. nord, sud, est et ouest. Ces résultats ont fait le sujet d'un article de journal scientifique et permettent d'évaluer précisément les économies potentielles qu'une technologie de fenêtre intelligente peut entraîner. Enfin, une méthode expérimentale a été développée afin de caractériser l'ensemble des propriétés optiques d'une fenêtre intelligente nécessaires à la modélisation numérique. Cette méthode sera utilisée afin de caractériser les prototypes de fenêtres intelligentes développés au sein de l'Université Laval.

Le but de la présente recherche est le développement d'un instrument de mesure du vent adapté aux conditions climatiques froides et à la présence de glace en milieux nordiques. Dans le cadre de ce projet, plusieurs prototypes adaptés aux climats nordiques ont été conçus, développés, mis en service et testés sous des conditions contrôlées et sur des sites réels d'exploitation éolienne. La thèse qui suit présente la méthodologie utilisée ainsi que les travaux qui ont été réalisés lors du développement de cet anémomètre anti-glace chauffant. Les prototypes développés dans le cadre de ce projet sont des anémomètres à coupoles dont certains éléments sont chauffés. Les endroits critiques où la formation de glace affecte la mesure de la vitesse du vent ont été identifiés à l'aide d'essais expérimentaux. Les différents aspects de la mesure et du contrôle de l'instrument ont été étudiés et ont conduit à un prototype optimisé (prototype de 4eme génération). Le dernier prototype présenté dans cette thèse inclut l'intégration d'un microprocesseur permettant la mesure de différentes quantités. Les données recueillies en temps réel permettent de faire un contrôle sans précédent du chauffage, une compensation dynamique du signal de vitesse du vent pour diminuer la survitesse (« overspeeding ») et permettent de fournir une indication sur la présence et l'intensité des conditions propices à la formation de glace. Cette thèse démontre la nécessité d'utiliser des instruments chauffants développés adéquatement par des essais expérimentaux et une étude théorique de leur fonctionnement.