Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'analyse de la biocinématique tridimensionnelle du genou est nécessaire à une bonne compréhension de l'état du genou et au rétablissement de sa fonction après une blessure. Le système Geni (pour Genou Non-Invasif) développé au sein du groupe de recherche en Biomécanique et Biomatériaux permet de mesurer cette biocinématique. Le système enregistre le mouvement du tibia par rapport au fémur grâce à des capteurs magnétiques de mouvement fixés à la jambe. Le système permet d'exprimer le mouvement de ces capteurs suivant une convention clinique établie et naturelle : flexion-extension, abduction-adduction, rotation tibiale interne-externe et translations le long d'axes médio-latéral, antéropostérieur et proximo-distal. Pour exprimer le mouvement du genou sous la forme d'indices cinématiques suivant cette convention, une définition d'axes cinématiques sur modèle numérique virtuel ainsi qu'un calibrage de ce modèle numérique sur le genou réel sont nécessaires avant chaque expérimentation. Ces opérations peuvent engendrer des erreurs qui se répercutent nécessairement sur la valeur des indices cinématiques. Afin de caractériser l'importance de ces erreurs et leur répercussion sur les résultats d'analyse cinématique, il a fallu dans un premier temps identifier et quantifier les principales sources d'erreur associées au système lorsqu'il est utilisé dans deux contextes différents : expérimentation in vitro sur pièce cadavérique et expérimentation in vivo sur sujet. Il a ainsi été déterminé que l'utilisateur génère une erreur plus importante dans le contexte in vivo que dans le contexte in vitro, principalement à cause de la difficulté d'identification des repères anatomiques utilisés pour définir les axes cinématiques. Ainsi, il a été déterminé que les mesures sont plus précises sur le modèle virtuel de l'os (0.23 mm et 1.37 mm respectivement pour des points facilement et difficilement identifiables) que sur le genou réel (1.9 mm et 7.0 mm respectivement pour des points facilement et difficilement identifiables). Dans un second temps, il a été possible d'estimer l'effet de ces erreurs sur le calcul des indices cinématiques. En expérimentation in vitro, une erreur moyenne de 2 degrés est obtenue pour la mesure des indices cinématiques de rotation et c'est l'étape d'identification des axes cinématiques sur les modèles virtuels qui est la source la plus importante de cette erreur. En expérimentation in vivo, une erreur moyenne de 10 degrés est obtenue pour la mesure des indices cinématiques et c'est l'identification de repères de calibrage qui est la principale source de cette erreur. Il a aussi été démontré que les résultats des expérimentations in vivo ne sont pas comparables d'une expérimentation à l'autre. Diverses avenues possibles afin d'améliorer la reproductibilité inter-expérimentale de ces résultats sont abordées.

Mettre en oeuvre un retour d'effort pour un système robotique dédié à la chirurgie mini-invasive impose d'adresser deux difficultés principales. La première est d'ordre métrologique, puisqu'il est technologiquement très difficile de procéder à une mesure directe de l'interaction distale à l'intérieur du patient, tout en respectant les contraintes de stérilité et d'encombrement. La seconde concerne le contrôle d'interactions dont la géométrie et la dynamique sont fortement variables et mal connues (contacts avec des organes, le chirurgien, ou d'autres instruments) dans un contexte particulier où la contrainte cinématique induite par le passage des instruments par un point fixe ne permet pas l'asservissement de toutes les composantes du torseur d'interaction.<br />La réponse apportée à ces questions prend ici la forme d'un système robotique bâti autour :<br />- d'un bras compact de cinématique sphérique ;<br />- d'un capteur d'efforts placé à l'extérieur du patient permettant une estimation fine des interactions distales ;<br />- d'une commande en effort dont la passivité est garantie pour toutes les interactions ; celle-ci est déclinée selon plusieurs modes (retour explicite, commande en impédance, téléopération à retour d'efforts).<br /><br />L'ensemble des propositions méthodologiques est validé de façon systématique sur un prototype de laboratoire développé dans le cadre de ce travail. Les expériences incluent des validations in vivo sur animal, depuis des tâches élémentaires jusqu'à l'utilisation du prototype comme "main gauche" pour une opération de cholécystectomie.

Je présente une approche cognitive pour la planification de trajectoire sous contraintes. Elle repose en premier lieu sur DKP: un planificateur de trajectoires par échantillonnage. DKP construit un arbre d'exploration dans les parties atteignables de l'environnement à la manière d'un A*. Les solutions sont des trajectoires splines quadratiques adaptées au contrôle de robots à deux roues indépendantes. La couche de propagation construit un espace des paramètres, contenant toutes les valeurs des paramètres laissés libres dans les solutions. Il est représenté sous la forme d'une surface contenant toutes les solutions locales qui respectent les contraintes du problème: vitesse, accélération, évitement d'obstacle... Ensuite, une recherche de solutions est effectuée sur l'espace des paramètres selon un critère d'optimisation. DKP a la propriété d'être entièrement déterministe: les résultats sont reproductibles et son comportement est complètement contrôlable. Ce contrôle me sert à définir des comportements de pilotage. Ils sont exprimés sous la forme d'un arbre de comportements: chaque comportement agit sur la manière dont l'arbre d'exploration produit par DKP progresse dans l'environnement. De plus, les comportements sont appliqués en fonction de la partie explorée. Ainsi, seuls les comportements faisables sont développés. TÆMS permet de décrire ces comportements de pilotage puis d'évaluer les solutions ainsi construites. Pour résumer, mon approche cognitive repose sur l'évolution conjointe d'un arbre de comportements de pilotage et d'un arbre d'exploration: elle fait ainsi le lien entre planification classique et planification de trajectoire sous contraintes.

Je présente une approche cognitive pour la planification de trajectoire sous contraintes. Elle repose en premier lieu sur DKP : un planificateur de trajectoires par échantillonnage. DKP construit un arbre d'exploration dans les parties atteignables de l'environnement à la manière d'un A∗ . Les solutions sont des trajectoires splines quadratiques adaptées au contrôle de robots à deux roues indépendantes. La couche de propagation construit un espace des paramètres, contenant toutes les valeurs des paramètres laissés libres dans les solutions. Il est représenté sous la forme d'une surface contenant toutes les solutions locales qui respectent les contraintes du problème : vitesse, accélération, évitement d'obstacle. . . Ensuite, une recherche de solutions est effectuée sur l'espace des paramètres selon un critère d'optimisation. DKP a la propriété d'être entièrement déterministe : les résultats sont reproductibles et son comportement est complètement contrôlable. Ce contrôle me sert à définir des comportements de pilotage. Ils sont exprimés sous la forme d'un arbre de comportements : chaque comportement agit sur la manière dont l'arbre d'exploration produit par DKP progresse dans l'environnement. De plus, les comportements sont appliqués en fonction de la partie explorée. Ainsi, seuls les comportements faisables sont développés. TÆMS permet de décrire ces comportements de pilotage puis d'évaluer les solutions ainsi construites. Pour résumer, mon approche cognitive repose sur l'évolution conjointe d'un arbre de comportements de pilotage et d'un arbre d'exploration : elle fait ainsi le lien entre planification classique et planification de trajectoire sous contraintes.

Etre capable de marcher sans ressentir de douleur, fatigue ou autres altérations est considéré comme une priorité pour les activités quotidiennes et est étroitement lié à la qualité de vie de chacun. De nombreuses atteintes du système neuro-musculo-squelettique peuvent engendrer des altérations de la marche. Une compréhension précise de ces altérations est nécessaire pour optimiser les stratégies thérapeutiques. Parmi ces atteintes, la rétraction musculaire est l'une des plus fréquentes. Elle correspond à un raccourcissement permanent du complexe musculotendineux limitant ainsi la mobilité des articulations. Elle est impliquée dans de nombreuses pathologies (paralysie cérébrale, hémiplégie, pieds bots, brûlures, etc.) L'objectif global de ce travail de thèse était d'étudier les effets des rétractions sur la marche humaine. Pour cela, un dispositif permettant d'émuler des rétractions a été mis en place et évalué. Ce dispositif est composé d'un exosquelette et de cordes permettant de limiter les amplitudes articulaires, simulant ainsi la rétraction des principaux muscles des membres inférieurs atteints par cette pathologie. Grâce à ce dispositif, l'effet des rétractions des muscles a été analysé. Des rétractions isolées ont été émulées sur 35 participants unilatéralement et bilatéralement et une analyse quantifiée de la marche a été réalisée. Les patterns cinématiques obtenus sur chaque articulation ont été ensuite utilisés pour analyser les liens entre altérations de marche et rétractions musculaires. Il a été montré que la rétraction des gastrocnemius peut provoquer un pattern de marche genoux fléchis, alors qu'une rétraction du soleus montre peu de modifications de la cinématique du genou. De plus, le lien entre la sévérité de la rétraction des gastrocnemius / soleus et la progression de la marche digitigrade (augmentation de la flexion plantaire pendant la marche) n'est pas linéaire. La marche «genoux fléchis» peut être causée par les rétractions des ilio-psoas, ischio-jambiers et gastrocnemius. Des patterns cinématiques particuliers ont été identifiées en lien avec les muscles responsables de la marche «genoux fléchis». Il a été également montré que les rétractions des muscles du membre inférieur ont des effets importants spécifiques sur la position moyenne du tronc et du bassin dans le plan sagittal. Derrière son objectif scientifique, les résultats obtenus dans ce projet ont le potentiel d'améliorer le choix des stratégies de traitement et donc d'avoir un impact sur la qualité de vie des patients / Preserving or restoring the ability to walk without pain, fatigue or any gait alterations is considered a priority for activities of daily living and is closely related to quality of life. Numerous alterations of the neuro-musculo-skeletal system lead to gait deviations. To treat these alterations, a precise understanding of gait deviations is required. For patients with gait disorders, instrumented gait analysis can be performed to measure precisely the gait deviations. Among the varied causes of gait alterations, one of the most frequent is contractures that affect numerous pathologies. It corresponds to a permanent shortening of a musculo-tendinous complex limiting the mobility of the joints. It is involved in many pathologies (cerebral palsy, stroke, clubfoot, burns, etc.) The global objective of this thesis was to study the effects of contractures on human walking. For this purpose, a device for emulating contractures has been built and evaluated. This device consists of an exoskeleton and ropes to limit joint range of motion of the major lower limb muscles affected by contractures. With this device, the effect of contractures of the musculo-tendinous complex was analysed. Isolated contractures were emulated on 36 participants unilaterally and bilaterally and an instrumented gait analysis was performed. The kinematic patterns obtained for each joint were then used to link kinematic gait alterations with muscle contractures. It has been shown that contracture of gastrocnemius can cause a knee flexion pattern, while a contracture of the soleus shows moderate changes in knee kinematics. Moreover, the relationship between the level of contracture of gastrocnemius / soleus and the progression of the equinus gait (increase in plantar flexion during walking) is not linear. «Knee flexion» gait pattern may be caused by the contractures of the iliopsoas, hamstrings and gastrocnemius. Particular kinematic patterns have been identified in relation to the muscles responsible to the «knee flexion» gait pattern. It has also been shown that retractions of the muscles of the lower limb have important specific effects on the mean position of the trunk and pelvis in the sagittal plane. Behind the scientific objective, the results of this project have the potential to improve the choice of treatment strategies and therefore to have an impact on patient’s quality of life

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

La transformation martensitique thermoélastique apparaissant dans les alliages à mémoire de forme (AMF) de type Nickel-Titane (NiTi) est un mécanisme de déformation conférant à ces matériaux des propriétés remarquables de plus en plus utilisées. Les forts phénomènes de localisation des déformations lors d'essais de traction superélastique remettent en cause l'utilisation de cet essai pour bâtir des lois de comportement, alors que d'autres essais comme la torsion et le cisaillement apparaissent comme plus homogènes.<br />Ce travail de thèse est dédié à l'analyse des mécanismes de déformation des AMF NiTi. Les comportements homogènes et localisés ont été étudiés en fonction des géométries d'échantillons, des types de sollicitations et des conditions d'essais. L'originalité de cette étude est d'utiliser deux méthodes de mesures de champs : (i) la corrélation d'images afin d'obtenir les champs cinématiques et d'observer les localisations de déformation ; (ii) la thermographie infrarouge pour mesurer les champs de température et analyser les phénomènes de changement de phase. Afin d'utiliser ces techniques simultanément, des outils de recalage spatial et temporel des données ainsi que des techniques d'estimation de sources de chaleur ont été développés. Lors d'essais superélastiques, cette étude a permis d'une part de mettre en évidence la présence de changement(s) de phase homogène en début de charge et de décharge, d'autre part de caractériser de manière quantitative les différentes morphologies de localisation. Les outils développés sont une première tentative pour disposer, à l'issue de ce travail, d'une DSC locale sous chargements mécaniques.

Ma thématique de recherche s'intéresse à l'étude de la fatigue des matériaux, et se focalise plus particulièrement sur l'analyse de la plasticité cyclique et des endommagements induits dans les matériaux métalliques. Elle s'inscrit dans une démarche globale conjointe d'analyse expérimentale et de modélisation numérique.<br />Les travaux présentés se focalisent sur l'étude du comportement d'un acier inoxydable austéno-ferritique et s'articulent suivant quatre thèmes :<br />- Etude expérimentale du comportement mécanique en fatigue oligocyclique. Un certain nombre de résultats expérimentaux en fatigue oligocyclique sont présentés, en particulier, l'importance de caractériser le comportement mécanique sous sollicitations multiaxiales est soulignée. Deux méthodes sont comparées permettant la mesure des caractéristiques de l'écrouissage : la mesure de surfaces de plasticité en cours d'essai, et l'analyse a posteriori des boucles d'hystérésis.<br />- Modélisation du comportement mécanique observé. Deux approches ont été utilisées, d'une part une approche phénoménologique qui nécessite des mesures des caractéristiques de l'écrouissage, et d'autre part une approche micromécanique qui s'appuie sur l'analyse de la structure biphasée de l'acier étudié. L'identification de ce deuxième modèle a été réalisée sur une base expérimentale particulièrement réduite sans cependant amoindrir sa capacité de prédiction. Une proposition originale pour la modélisation de l'adoucissement cyclique a été faite à partir d'observations au microscope électronique à transmission.<br />- Etude de la déformation progressive. A partir de résultats expérimentaux biaxiaux, il est montré que les niveaux de déformation progressive obtenus peuvent s'expliquer par la direction d'écoulement plastique observée, due à la distorsion de la surface de plasticité. Un modèle simulant cette distorsion est alors identifié.<br />- Analyse et simulation de la plasticité à l'échelle de la microstructure. La plasticité cyclique et l'amorçage en fatigue étant fortement liés aux caractéristiques de la microstructure, une analyse locale a été entreprise. Un dispositif expérimental original a été développé afin d'analyser les mécanismes de déformation in-situ pendant un essai mécanique. Plusieurs moyens d'analyse sont utilisés conjointement (microscopie, champs cinématiques calculés à partir d'images obtenues entre deux instants, cartographie EBSD, profilométrie). Une comparaison est faite entre les champs cinématiques obtenus et un calcul d'agrégat polycristallin reprenant les lois cristallines identifiées précédemment.

Un système robotique agit par le mouvement dans un monde physique. La capacité deplanification de mouvement est donc une composante essentielle de l'autonomie du système et constitue un domaine de recherche très actif en Robotique. Le champ d'application de ces méthodes dépasse aujourd'hui le cadre de la Robotique et intéresse des domaines aussi diversifiés que la CAO, la logistique industrielle, l'animation graphique ou la biologie moléculaire. Dans tous ces domaines on est confronté au mouvement de systèmes complexes contenant des chaînes cinématiques fermées. Cette thèse traite de la planification de mouvement pour de tels systèmes. La première partie présente notre contribution théorique et technique. Après avoir proposé une formulation générale de la planification de mouvement sous contrainte de fermeture cinématique, nous décrivons une méthode qui s'inscrit dans le cadre des techniques d'exploration par échantillonnage. Les outils algorithmiques que nous proposons permettent une application efficace de ces techniques à des systèmes mécaniques complexes. La deuxième partie traite de l'utilisation de ces outils pour la résolution de divers problèmes. En Robotique, nos algorithmes ont été appliqués à la synthèse de mouvement de mécanismes parallèles, à la manipulation coordonnée ainsi qu'à la planification de tâches de manipulation d'objets. Enfin, nous abordons une application originale à la biologie structurale pour l'étude des capacités de mobilité de boucles protéiques. Les résultats obtenus à travers ces applications montrent l'efficacité et la généralité de notre approche.

La capacité opérationnelle axiale en service de pieux battus reste une zone d'incertitude, en particulier pour les structures offshore. La recherche sur le terrain a montré que le frottement latéral peut augmenter au cours des mois ou des années après le battage. Si des tendances similaires se retrouvent dans des ouvrages offshore, les avantages en terme d'ingénierie de réalisation peuvent être très importants. D'autre part, les fondations sur pieux de plates-formes de gaz, de pétrole sont soumises à des chargements cycliques à long terme qui peuvent influencer leur capacité à l'arrachement. Les pieux battus en eau profonde connaissent un grand nombre de cycles complets de charge-décharge pouvant contribuer à la dégradation du frottement latéral lors de l'installation. Cette thèse vise à mieux comprendre les principaux résultats obtenus avec des pieux réels en sable siliceux, par le biais d'une recherche à échelle de laboratoire sous conditions environnementales contrôlées. Ce travail fait partie d'un programme de recherche commun entre le Laboratoire 3SR de Grenoble, l'Imperial College London, et le projet français de recherche ANR- SOLCYP. La réponse de l'interface sol-pieu lors de l'installation ainsi que les périodes de vieillissement et de chargements cycliques axiaux ont été étudiés au laboratoire en utilisant des pieux-modèles installés dans la chambre d'étalonnage de Grenoble. Plusieurs essais avec le pieu modèle Mini-ICP (instrumenté avec des capteurs de tension totale à la surface du pieu (SST) pour les mesures de contraintes radiales de cisaillement à 3 sections) ont permis l'analyse de chemin de contrainte locale à l'interface du pieu. Des capteurs miniatures ont en outre été installés dans le massif de sable pour une mesure de contrainte lors de l'installation du pieu et son chargement ultérieur. Les effets des méthodes d'installation, de la taille des particules de sable, ou de la saturation du sable et du chargement de l'environnement, ont été pris en compte pour le vieillissement de la capacité. Les évolutions locales de l'interface radiale et du cisaillement sont en accord avec les prédictions des méthodes de conception modernes basées sur le CPT. Des preuves d'effets d'échelle soulignent l'importance des conditions aux limites appliquées à la modélisation physique. Des séries d'essais non-alternés purement en traction, ainsi que des essais alternés ont été réalisés sous contrôle en charge ou en déplacement. Les mesures locales effectuées dans les chemins de contraintes effectives montrent une contraction radiale de la masse de sable au voisinage du pieu. Les incréments de l'amplitude de charge et du déplacement imposé accélèrent les taux de dégradation cyclique. Un nouveau diagramme de stabilité cyclique a été réalisé, en résumant les essais de chargement cycliques axiaux pour les pieux foncés et battus dans du sable siliceux moyennement dense. Des mécanismes complexes comme la rupture des grains et des changements de densité locale à l'interface du pieu peuvent affecter la réponse des pieux. La cinématique derrière leur installation et l'interaction avec le sol environnant reste encore très limitée. Comprendre comment un matériau granulaire interagit avec le pieu est important pour étudier la réponse globale du pieu. Les observations globales du comportement des pieux dans la chambre d'étalonnage ont été modélisées à une échelle micro en utilisant la tomographie aux rayons X du Laboratoire 3SR à Grenoble. Le programme expérimental comprenait des essais sur une chambre d'étalonnage modèle afin d'analyser le champ de déplacement lors de l'installation d'un pieu modèle, à l'aide des techniques de corrélation d'images (DIC) en trois dimensions. Des analyses micromécaniques d'échantillons «intacts» récupérés post mortem à l'interface du pieu ont été également effectuées pour mettre en évidence de possibles changements radiaux de densité ainsi que la rupture des grains. / The operational in-service axial capacity of driven piles remains an area of uncertainty, especially for offshore structures. Field research has demonstrated that axial shaft capacities may increase over the months or years after driving. If similar trends apply offshore, the realisable engineering benefits are very significant. On the other hand, the piled foundations of oil/gas platforms and wind/water turbines are subject to long term environmental and in service cyclic loading due for example to waves, vibrations and storms that may also affect their shaft capacity. Deep driven piles experience large numbers of full load-unload cycles that contribute to shaft capacity degradation during installation. This thesis aims to improve understanding of the main results obtained with full-scale piles in silica sand through a laboratory scale investigation performed under controlled environmental conditions. This work was part of a joint research programme between the Grenoble Laboratory 3SR and Imperial College London, and the French National SOLCYP research project. The response of the soil-pile interface during installation, ageing periods and cyclic loading tests have been studied using laboratory model piles installed in the large Grenoble Calibration Chamber. Several tests with the Mini-ICP pile allow the analyses of local stress path at the pile's interface. This model pile is instrumented with surface stress transducers (SST) for local measurements of total and radial shear stresses at 3 different sections along the pile's shaft. In addition, miniature soil stress transducers were installed into the sand mass for total stress measurements during pile installation and loading. Possible ageing effects as installation methods, sand particle size, sand saturation and environmental loading were studied. Local evolution of interface radial and shear stresses agree with predictions from modern CPT based design methods. Evidence of possible scale effects remark the importance of the boundary conditions applied in physical modelling. Series of one-way purely tensile and two-way axial cyclic loading tests were performed under load and displacement control. Local measurements made of the effective stress paths shows radial contraction of the sand mass in the vicinity of the pile. Increments in loading amplitude and imposed displacements accelerate cyclic degradation rates. A new interactive shaft stability chart was produced as a summary of axial cyclic loading tests for both jacked and driven piles in medium dense silica sand. Laboratory tests confirm findings from field tests where one-way low amplitude cycles lead to beneficial increases in tensile pile capacity of up to 20%. Complex mechanisms as grain breakage and local density changes at the pile's interface. The kinematics behind the installation of piles and its interaction with the surrounding soil is still limited. Understanding how granular material interacts with the pile may reveal important to understand the global pile response. The global observations of the pile behaviour from calibration chamber tests were modelled at a micro scale using Micro Computed Tomography at the Grenoble Laboratory 3SR. The experimental campaign included tests on a model calibration chamber devoted to the displacement field analyses during the installation of a model piles using three dimensional (3D) digital image correlation (DIC). Micromechanical analysis of « intact » post-mortem samples recovered at the pille's interface were also conducted for evidences of radial density gradient and grain breakage.