Notre travail porte sur la définition d'outils de conception préliminaire de mécanismes, capables de construire des solutions admissibles à partir d'un cahier des charges donné et de débuter le processus de conception (esquisse et dimensionnement approché des formes des pièces).<br /><br />Dans cette optique, nous proposons une méthode de conception adaptée à la classe des mécanismes de transmission de mouvement rotatif, à structure linéaire, à 1 degré de mobilité et à rapport constant. Le logiciel CASYMIR (Conception Assistée de SYstèmes Mécaniques de transmIssion en Rotation) a été développé pour illustrer cette démarche qui comporte 3 étapes :<br /><br />À l'étape de synthèse topologique, un algorithme créatif génère l'ensemble des mécanismes-solutions admissibles. Il est basé sur l'exploration combinatoire d'une base de mécanismes (engrenages, courroies, trains épicycloïdaux, accouplements, etc.) et sur des règles de conception permettant d'éliminer les combinaisons inadaptées. Les mécanismes-solutions sont classés par ordre de préférence grâce à une méthode multi-critères ou par un algorithme de logique floue.<br /><br />Pour le pré-calcul dimensionnel, nous proposons la notion de squelette de mécanisme, qui est une représentation filaire spatiale des arbre, des entraxes et des angles du mécanisme. On peut alors construire un modèle géométrique basé sur celui de Denavit-Hartenberg puis l'optimiser pour trouver la position et l'orientation des étages minimisant l'encombrement et vérifiant les conditions de fermeture du mécanisme.<br /><br />La dernière étape de synthèse dimensionnelle permet de calculer les dimensions principales du mécanisme en intégrant des contraintes à la fois géométriques (non interférence des pièces, continuité géométrique et cinématique) et technologiques (résistance des dentures d'engrenages, rapport de réduction, etc.) au sein d'un même problème d'optimisation.<br /><br />Enfin, l'étude d'un réducteur industriel permet de valider le logiciel et la démarche.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse est consacrée à l'étude de la manipulation et de la coordination robotique à deux bras ayant pour objectif le développement d'une approche unifiée dont différentes tâches seront décrites dans le même formalisme. Afin de fournir un cadre théorique compact et rigoureux, les techniques présentées utilisent les quaternions duaux afin de représenter les différents aspects de la modélisation cinématique ainsi que de la commande. Une nouvelle représentation de la manipulation à deux bras est proposée - l'espace dual des tâches de coopération - laquelle exploite l'algèbre des quaternions duaux afin d'unifier les précédentes approches présentées dans la littérature. La méthode est étendue pour prendre en compte l'ensemble des chaînes cinématiques couplées incluant la simulation d'un manipulateur mobile. Une application originale de l'espace dual des tâches de coopération est développée afin de représenter de manière intuitive les tâches principales impliquées dans une collaboration homme-robot. Plusieurs expérimentations sont réalisées pour valider les techniques proposées. De plus, cette thèse propose une nouvelle classe de tâches d'interaction homme-robot dans laquelle le robot contrôle tout les aspects de la coordination. Ainsi, au-delà du contrôle de son propre bras, le robot contrôle le bras de l'humain par le biais de la stimulation électrique fonctionnelle (FES) dans le cadre d'applications d'interaction robot / personne handicapée. Grâce à cette approche générique développée tout au long de cette thèse, les outils théoriques qui en résultent sont compacts et capables de décrire et de contrôler un large éventail de tâches de manipulations robotiques complexes.

L’adaptation motrice renvoie à la capacité de notre système nerveux à produire continuellement des mouvements précis et ce malgré le fait que notre environnement ainsi que notre corps puissent être soumis à des modifications. Le transfert d’adaptation entre les membres découle de notre habilité à généraliser ce que l’on a appris, par exemple, avec un bras au bras opposé. Le transfert entre les membres est un objet d’étude complexe. Les conditions amenant au transfert sont largement débattues dans la littérature car les résultats d’une étude à l’autre peuvent être contradictoires. Ce travail de thèse s’inscrit dans une tentative d’apporter une explication concernant l’hétérogénéité des performances et les divergences observées dans les différentes études portant sur le transfert entre les membres. Les deux premières expériences avaient pour but d’identifier si des conditions paradigmatiques ou idiosyncratiques pouvaient influencer les performances du transfert au bras opposé. L’objectif de la troisième expérience était d’étudier l’influence des processus sous-jacents à l’adaptation sur le transfert entre les membres d’après le modèle de Smith et collaborateurs (2006). Nos résultats nous ont permis d’éclaircir certains aspects du transfert concernant les facteurs prédictifs et les processus mis en jeu. Nos deux premières études suggèrent que les différences individuelles sont une source d’information pertinente pour expliquer certains comportements tels que le transfert entre les membres. Notre troisième étude nous a permis de caractériser les processus qui, durant l’adaptation, prédisposent au transfert. / Motor adaptation refers to the capacity of our nervous system to produce accurate movements while the properties of our body and our environment continuously change. Interlimb transfer is a process that directly stems from motor adaptation. It occurs when knowledge gained through training with one arm change the performance of the opposite arm movements. Interlimb transfer of adaptation is an intricate process. Numerous studies have investigated the patterns of transfer and conflicted results have been found. The attempt of my PhD project was to identify which factors and processes favor interlimb transfer of adaptation and thence may explain the discrepancies found in the literature. The first two experiments aimed at investigated whether paradigmatic or idiosyncratic features would influence the performance in interlimb transfer. The third experiment provided some insights on the processes allowing interlimb transfer by using the dual-rate model of adaptation put forth by Smith et al. (2006). Our results show that inter-individual differences may be a key factor to consider when studying interlimb transfer of adaptation. Also, the study of the different sub-processes of adaptation seems helpful to understand how interlimb transfer works and how it can be related to other behaviors such as the expression of motor memory.

Un bras de chargement de gaz est une structure articulée dans laquelle du méthane peut s’écouler à température cryogénique. En haute mer, ces bras sont installés sur le pont de navires-usines et se connectent à des méthaniers pour leur transférer du gaz. En raison de problèmes de sécurité et de performances, il est souhaité que le bras de chargement soit robotisé pour qu’il se connecte automatiquement. Cette thèse a pour objectif l‘automatisation de la connexion. Cette opération nécessite un pilotage de grande précision vis à vie de la taille du bras. Pour cette raison le bras est d’abord étalonné pour augmenter sa précision statique. Ensuite, des analyses modales expérimentales mettent en évidence l’importante souplesse de la structure des bras de chargement. Pour cette raison un générateur de trajectoires « douces », à jerk limité, est développé afin de piloter le bras sans le faire vibrer. Enfin, un système de compensation actif visant à compenser les mouvements relatifs des deux navires est mis en place. Cette compensation combine la génération de trajectoires douces avec une composante prédictive basée sur des réseaux de neurones. Cette dernière permet de prédire et d’anticiper les mouvements des navires sur l’océan, afin d’annuler tout retard dans la compensation. Finalement, cette thèse présente la première connexion automatique d’un bras de chargement, et démontre la validité de cette approche. / Marine loading arms are articulated structures that transfer liquefied gas between two vessels. The flanging operation of the loading arm to the receiving tanker is very sensitive. This thesis aims to robotize a loading arm so it can flange automatically. The required accuracy for the connection is very high. A calibration procedure is thus proposed to increase the accuracy of loading arms. Moreover a jerk-limited trajectory generator is developed to smoothly drive the arm without inducing oscillation. This element is important because the structures of loading arms have a very low stiffness and easily oscillate, as highlighted by modal analyses.A predictive active compensation algorithm is developed to track without delay the relative motion between the two vessels. This algorithm relies on an artificial neural network able to predict the evolution of this relative motion. Finally this thesis presents the first automatic connection of an offshore loading arm. The success of the final tests validate the feasibility the automatic connection and the validity of this approach.

L'objectif de cette thèse est la conception et le développement de bras espaceurs auto-immolables originaux situés entre le substrat peptidique et un fluorophore à phénol. Une première partie de ces travaux porte sur le développement de bras réactifs auto-immolables adaptés à la détection d'exopeptidases et à leur application pour la synthèse de sondes destinées à l'imagerie in-vivo de la caspase 3, une enzime impliquée dans le processus apoptotique. La seconde partie de ce travail relate les efforts effectués afin d'étendre l'utilisation des bras réactifs auto-immolables à la détection des endopeptidases, notamment les MMPs, une famille d'enzimes fortement impliquée dans la progression cancéreuse. / The aim of this PhD work is the design and development of novel self-immolative species linking a peptide susbstrate to a phenolic fluorophore. A first part was dedicated to the development of self-immolative linkers for exopeptidases detection and their incorporation in caspase 3 probes to stain the apoptotic process. A second part was devoted to the extension of the strategy to endopeptidases, especially MMPs, an enzyme family mainly involved in cancer progression.

Le but de ce travail était de déterminer l’effet de déviations planaires tridimensionnelles in vitro du fémur sur l’évolution des variables biomécaniques de l’articulation du genou lors d’un mouvement de flexion de celle-ci. La cinématique du compartiment fémoro-tibial, les bras de levier de certains muscles de la cuisse ainsi que l’évolution du régime de contrainte de l’os sous-glénoïdien ont été étudiés. <p><p>Du point de vue de l’étude du régime de contrainte de l’os sous-glénoïdien, une méthodologie originale utilisant la jauge de contrainte enrobée d’une résine époxyde a été développée. Un électrogoniomètre à 6 DDL ainsi que 6 LVDT ont permis de mesurer respectivement la cinématique fémoro-tibiale et la course tendineuse des principaux muscles de la cuisse.<p><p>Trois designs expérimentaux ont été entrepris sur un total de 15 spécimens. Ces différents designs ont permis de réaliser des déviations de l’extrémité distale du fémur selon les plans transversal, frontal et sagittal suite à une ostéotomie fémorale localisée 10 cm au dessus de l’interligne articulaire fémoro-tibiale. Les variables biomécaniques ont été enregistrées avant section osseuse et suite à l’application de déviations par step de 6° compris entre des angulations de -18° à 18° selon les différents plans anatomiques. Les données des variables biomécaniques ont été obtenues lors du mouvement de flexion du genou.<p><p>Même si nous sommes conscients des limitations de nos travaux expérimentaux, les résultats de ceux-ci nous permettent d’apporter une réflexion nouvelle par rapport aux conséquences sur l’articulation du genou d’un désalignement du membre inférieur en intégrant la notion des tissus péri-articulaires (capsulaire, ligamentaire et musculaire) généralement absents des modèles théoriques employés.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse est consacrée à l'étude de la manipulation et de la coordination robotique à deux bras ayant pour objectif le développement d'une approche unifiée dont différentes tâches seront décrites dans le même formalisme. Afin de fournir un cadre théorique compact et rigoureux, les techniques présentées utilisent les quaternions duaux afin de représenter les différents aspects de la modélisation cinématique ainsi que de la commande.Une nouvelle représentation de la manipulation à deux bras est proposée - l'espace dual des tâches de coopération - laquelle exploite l'algèbre des quaternions duaux afin d'unifier les précédentes approches présentées dans la littérature. La méthode est étendue pour prendre en compte l'ensemble des chaînes cinématiques couplées incluant la simulation d'un manipulateur mobile.Une application originale de l'espace dual des tâches de coopération est développée afin de représenter de manière intuitive les tâches principales impliquées dans une collaboration homme-robot. Plusieurs expérimentations sont réalisées pour valider les techniques proposées. De plus, cette thèse propose une nouvelle classe de tâches d'interaction homme-robot dans laquelle le robot contrôle tout les aspects de la coordination. Ainsi, au-delà du contrôle de son propre bras, le robot contrôle le bras de l'humain par le biais de la stimulation électrique fonctionnelle (FES) dans le cadre d'applications d'interaction robot / personne handicapée.Grâce à cette approche générique développée tout au long de cette thèse, les outils théoriques qui en résultent sont compacts et capables de décrire et de contrôler un large éventail de tâches de manipulations robotiques complexes. / This thesis is devoted to the study of robotic two-arm coordination/manipulation from a unified perspective, and conceptually different bimanual tasks are thus described within the same formalism. In order to provide a consistent and compact theory, the techniques presented herein use dual quaternions to represent every single aspect of robot kinematic modeling and control.A novel representation for two-arm manipulation is proposed—the cooperative dual task-space—which exploits the dual quaternion algebra to unify the various approaches found in the literature. The method is further extended to take into account any serially coupled kinematic chain, and a case study is performed using a simulated mobile manipulator. An original application of the cooperative dual task-space is proposed to intuitively represent general human-robot collaboration (HRC) tasks, and several experiments were performed to validate the proposed techniques. Furthermore, the thesis proposes a novel class of HRC taskswherein the robot controls all the coordination aspects; that is, in addition to controlling its own arm, the robot controls the human arm by means of functional electrical stimulation (FES).Thanks to the holistic approach developed throughout the thesis, the resultant theory is compact, uses a small set of mathematical tools, and is capable of describing and controlling a broad range of robot manipulation tasks.

Les Personnes à Mobilité Réduite (PMR) souffrent souvent de limitation au cours de la locomotion. Plusieurs outils sont à leurs dispositions pour les aider et les assister dans leur déplacement, plus particulièrement le Fauteuil Roulant Manuel (FRM) ou électrique. Ces travaux de thèse se focalisent sur les interactions entre le sujet et le FRM afin de déterminer des éléments prédictifs du déplacement à venir dans l’optique d’une aide à la locomotion. Comprendre l'Interaction Homme-FRM (IHF) est un enjeu actuel afin d'améliorer le déplacement et d’optimiser la performance ainsi que le confort, en minimisant la fatigue et les risques des blessures. Pour contribuer à mieux comprendre voire améliorer cette IHF, un ensemble d'études centrées sur une analyse biomécanique et électromyographique des éléments d'anticipation de l'Initiation du Déplacement en FRM (ID-FRM) a été réalisé au cours de ces travaux de thèse. Cet ensemble d’études porte sur i) les Activités Musculaires Anticipatoires (AMA) en position assise pour interroger la prédictibilité des mouvements au regard de ses paramètres préalables ; ii) l’évolution des patterns musculaires et des pressions sur l'assise lors de l'ID-FRM, pour interroger l’adaptabilité ou la spécificité des paramètres initiaux lors de différents déplacements en FRM chez des sujets valides. ; iii) l’évolutions des patterns musculaires et des pressions sur l'assise lors de l'ID-FRM chez des sujets blessés médullaires et ; iv) l’analyse multi-variée des paramètres de l'ID-FRM. Le SNC présente des capacités d'adaptabilité importantes au mouvement à venir en ajustant les commandes motrices aux conditions physiologiques globales du sujet. Cette adaptabilité a conduit à des pourcentages importants de prédiction et elle peut être enregistrée au travers d'éléments macroscopiques permettant d'envisager des systèmes d'aide au déplacement, notamment pour les PMR. / People with Disabled Mobility (PDM) often suffer from limitation during locomotion. Several tools are at their disposal to help and assist them in their displacement, specifically the electric or the Manual Wheelchair (MW). This thesis works focuses on the Human-MW-Interaction (H-MW-I) subject to determine elements predictors of forthcoming displacement with a view of aid to locomotion. Understanding (H-MW-I) is a current challenge to improve the displacement and optimize the performance as well as comfort, by minimizing fatigue and injury risk. In order to enhance understanding and even improving the (H-MW-I), a set of studies focusing on Biomechanics and electromyographic analysis of anticipation elements of the Manual Wheelchair Initiation Displacement (MW-ID) was performed during the thesis works. This set of studies focuses on i) Anticipatory Muscular Activities (AMA) in the sitting position to question the predictability of the movements in relation to its prior parameters; ii) evolution of muscular patterns and pressures on the seat when MW-ID to question the adaptability or specificity of the initial parameters during various displacements using MW in healthy subjects ; iii) evolution of muscular patterns and pressures on the seat when MW-ID in spinal cord injury subjects and; iv) multivariate analysis of the MW-ID parameters. The CNS presents an important capacity of adaptability to the forthcoming movement by adjusting motor commands to the global physiological condition of the subject. This adaptability has led to significant percentages prediction and it can be saved through macroscopic elements to envisage help systems to displacement for PDM.

Pour mieux comprendre et traiter les troubles musculosquelettiques présents à l’épaule, une meilleure connaissance de la contribution et de la fonction de chaque muscle de l’articulation glénohumérale est nécessaire. L’analyse des forces musculaires et articulaires est une étape importante pour comprendre les mécanismes de blessures et les pathologies. Ces forces musculaires peuvent être estimées de façon non invasive grâce à des modèles musculosquelettiques. Le défi est de prédire de façon physiologique les trajectoires musculaires et les bras de levier afin de s’assurer d’avoir une cohérence des forces musculaires dans les modèles musculosquelettiques. L’objectif de cette thèse était d’améliorer la géométrie musculaire des modèles musculosquelettiques de l’épaule en passant par plusieurs méthodes différentes d’implémentation des trajectoires musculaires. À cet égard, nos objectifs spécifiques étaient de : (1) améliorer la géométrie musculaire des modèles multicorps rigides grâce à l’implémentation de contraintes transverses; (2) évaluer la fiabilité d’un modèle éléments finis pour l’estimation des bras de levier et (3) tester la sensibilité de la prédiction des bras de levier aux incertitudes sur les zones d’insertions musculaires; (4) établir une base de données de bras de levier 3D pour des mouvements de grande amplitude; (5) quantifier de façon expérimentale les changements architecturaux des muscles entre l’état au repos et différents niveaux de contraction isométrique. (1) Deux modèles multicorps rigides de la coiffe des rotateurs ont été développés : un modèle classique intégrant une représentation des lignes d’action en 1D et un modèle possédant des contraintes transverses entre les lignes d’action permettant une représentation 2D. La représentation 2D avec des contraintes transverses permet une représentation plus physiologique des trajectoires musculaires et des bras de levier que les modèles classiques 1D. Toutefois, lors de mouvement allant au-delà de 90° d’élévation du bras, lorsque les points d’origine et d’insertion se rapprochent, les bras de levier et les longueurs musculaires sont mal estimés, car le modèle ne prend pas en compte les déformations du volume musculaire. (2) Un modèle éléments finis a été développé à partir de données d’imagerie médicale. Ce modèle permet une estimation des bras de levier fidèle aux données d’IRM. Contrairement aux modèles multicorps rigides, notre modèle élément finis rend compte du fait qu’un même muscle peut avoir plusieurs actions selon la position de sa ligne d’action par rapport au centre de rotation de l’articulation. (3) Le modèle a également servi à faire une étude de sensibilité des bras de levier : les zones d’insertion des différents muscles de la coiffe des rotateurs et du deltoïde ont été déplacées et les bras de levier associés calculés. Les résultats montrent qu’une variation de 10 mm des points d’insertion sur la tête humérale peut amener un muscle à changer de fonction (par exemple adduction plutôt que d’abduction). (4) Une collecte de données expérimentales effectuées sur quatre épaules a permis de collecter les bras de levier du deltoïde et des muscles de la coiffe des rotateurs pour des mouvements de grande amplitude. Ces résultats permettent de mieux comprendre le rôle des muscles de l’articulation glénohumérale lors de la réalisation de différents mouvements. Le deltoïde antérieur a une grande action en flexion et en adduction; le deltoïde moyen est un fort abducteur; le deltoïde postérieur agit en extension. Contrairement au deltoïde, l’infra-épineux et le petit rond ont principalement une fonction de rotateur externe. (5) Une collecte de données impliquant 14 sujets a été réalisée dans le but de quantifier les changements de géométrie musculaire et d’angle de pennation associés à la contraction pour les muscles du biceps, triceps et deltoïde. Les angles de pennation ont été obtenus grâce à un système d’échographie et les changements de géométrie externe des muscles ont été mesurés grâce à un capteur de structure. Les résultats montrent que les changements architecturaux pour les muscles étudiés se produisent principalement entre 0 et 25% de contraction maximale volontaire (aucune différence significative observée entre 25 et 50%). Le muscle le plus affecté par les changements architecturaux est le biceps. Cette thèse a évalué différentes approches de modélisation de la géométrie musculaire : l’approche la plus bio-fidèle étant finalement la modélisation par éléments finis, car elle permet de prendre en compte les interactions entre les structures et les déformations musculaires. De plus, nous avons montré l’importance d’estimer avec rigueur les paramètres d’entrée (zones d’insertions musculaires) des modèles et de bien évaluer la bio-fidèlité des modèles développés avant de les utiliser dans des contextes cliniques. Dans ce but, de nouvelles données ont été acquises en termes de déformations musculaires et d’angle de pennation pour permettre l’évaluation de modèle intégrant de l’activation musculaire. / Understanding and treating musculoskeletal disorders of the shoulder requires additional knowledge of the contribution and function of each muscle of the glenohumeral joint. The analysis of muscle and joint forces is an important step in understanding injury mechanisms and pathologies. These muscle forces can be estimated non-invasively using musculoskeletal models. The challenge is to physiologically predict muscle trajectories and moment arms to ensure consistency of muscle forces in musculoskeletal models. The aim of this thesis was to improve muscle geometry in musculoskeletal models of the shoulder by testing several different techniques for implementing muscle trajectories. Our specific objectives were to: (1) improve muscle geometry of rigid multibody models by using transverse constraints; (2) assess the reliability of a finite element model for estimating moment arms and (3) evaluate the sensitivity of moment arm predictions to uncertainties in muscle insertion areas; (4) create a database of 3D moment arms for movements with high ranges of motion; (5) experimentally quantify muscles’ architectural changes between resting state and different levels of isometric contractions. (1) Two rigid multibody models of the rotator cuff were developed: a classic model representing muscles with lines of action in 1D and a 2D model with transverse constraints between lines of action of a single muscle. The 2D model (with transverse constraints) gives a more physiological representation of muscle trajectories and moment arms than the classical 1D model. However, for arm movements beyond 90° of elevation, when the origin and insertion points get closer, moment arms and muscle lengths are misestimated due to the mode’s inability to account for muscle volume deformations. (2) A finite element model of the glenohumeral joint was developed based on medical imaging. Moment arms were computed and compared to the literature and MRI data. Our finite element model produces moment arms consistent with the literature and MRI data. Unlike rigid multibody models, our finite element model accounts for the fact that one muscle can have several actions depending on the position of its line of action relative to the centre of rotation of the joint. (3) The model was used to study moment arm sensitivity: insertion areas of rotator cuff muscles and the deltoid were moved, and associated moment arms have been computed. Results showed that a 10 mm variation in insertion points on the humeral head could cause a muscle to change function (for example performing adduction rather than abduction). (4) The 3D moment arms were assessed on four post-mortem human surrogates during movements with high ranges of motion. Results of the study gave us a better understanding of muscle functions during different movements. The main findings of the study were that the anterior deltoid was the largest flexor and had an adduction component, the median deltoid was a strong abductor, and the posterior deltoid acted in extension. Unlike the deltoid, the infraspinatus and teres minor were the largest external rotators of the shoulder. (5) Experimental measurements were performed on 14 subjects in order to quantify changes in muscle geometry and pennation angles associated with different levels of contraction for the biceps, triceps and deltoid. Pennation angles were measured on subjects using a portable ultrasound system. External muscle deformations were measured with an iPad equipped with a structure sensor. Changes in muscle architecture for the biceps, triceps and deltoid during isometric contractions occurred mostly between 0 and 25% of maximal voluntary contraction (no significant difference was observed between 25 and 50%). Changes were higher for the biceps than other muscles. This thesis evaluated different approaches to model muscle geometry: the approach leading to the most physiological result was the finite element model due to modeling of the interactions between structure and muscle deformations. Additionally, we demonstrated the importance of rigorously estimating input parameters (muscle insertion areas) and of properly evaluating the bio-fidelity of the models developed before using them in clinical contexts. New data was acquired regarding muscle deformations and pennation angles to evaluate models integrating muscle activation.