Les travaux présentés ici portent sur le domaine de la conception de produits industriels manufacturés et plus particulièrement la conception collaborative. Nous posons le postulat que la conception est un processus d'action collectif instrumenté basé sur la constitution et la confrontation de connaissances, l'établissement de relations entre les acteurs, et dont le but est de créer un artefact matériel. Nos travaux sont le résultat d'une collaboration interdisciplinaire originale entre les sciences sociales et les sciences pour l'ingénieur débutée dans les années 90 et impliquant les laboratoires CRISTO et 3S du site Grenoblois. Cette confrontation et ce croisement ont conduit au développement d'une méthodologie de recherche originale dans le domaine de la mécanique : la recherche intervention. Nous soutenons la thèse suivante : La coopération en tant que mode particulier de coordination en conception nécessite une instrumentation particulière, c'est-à-dire une approche complète du développement de l'outil et du processus d'appropriation et de transformation dans l'action. Ceci nous a conduit à développer deux axes de recherche : le développement d'espaces de coopération et le développement d'outils métiers dédiés aux interfaces.

Le Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM) souhaite affiner sa maîtrise des références de pression afin de réaliser des appareillages de tout premier rang au niveau international. L'incertitude relative visée sur les références de pression est de l'ordre de 10-6. Cet objectif se traduit par une problématique de métrologie dimensionnelle où une mesure de la forme des pistons/cylindres utilisés dans les balances manométriques doit être menée. La mesure de cylindricité est également impliquée dans un très grand nombre d'applications industrielles comme la qualification d'étalons de référence destinés à la qualification d'appareillages de mesure. Notre travail de recherche, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la SAS GEOMNIA, concerne la réalisation d'un instrument de référence de très haute précision permettant la mesure de forme de cylindres creux ou pleins. Nous proposons un saut technologique pour satisfaire un niveau d'incertitude sur la mesure de l'écart de cylindricité de l'ordre de 10 nanomètres dans un volume de mesure cylindrique de Ø350 mm et de hauteur 150 mm. La mesure de forme est habituellement pratiquée en déplaçant un capteur par rapport à la surface à mesurer par un guidage de haute précision. Il n'est cependant pas possible de réaliser un guidage entre deux solides d'un niveau de précision permettant de garantir les incertitudes souhaitées, même en utilisant les techniques de correction d'erreurs dont la précision est limitée par le défaut de répétabilité des guidages. Pour satisfaire à ce niveau d'incertitude, nous proposons une démarche basée sur le concept de structure métrologique dissociée. La mesure d'une pièce consiste alors à comparer sa forme à celle d'une pièce cylindrique de référence. Cette dernière doit seulement présenter une stabilité de forme parfaite. La cartographie d'écart de forme de la référence cylindrique doit cependant être identifiée au même niveau d'incertitude visé.Le travail de recherche développé propose une analyse détaillée des machines actuelles et de leurs limitations. Suite à cette analyse, une architecture de machine a été proposée pour lever ces limitations. Cette architecture tient compte des écarts « secondaires » liés à la position des capteurs et des effets de second ordre, pour satisfaire le niveau de précision visé. Une procédure complète d'étalonnage de la machine a été élaborée en s'inspirant des méthodes de séparation d'erreurs. Cette procédure originale permet de séparer les défauts de forme du cylindre de référence de ceux d'une pièce de qualification cylindrique mesurée simultanément. La méthode employée ne présente pas de limitations en termes d'exactitude. Cette procédure a été expérimentalement validée. Une analyse des effets liés à la mesure de surfaces cylindriques par des capteurs capacitifs a été menée. Ces essais ont conduit au développement de stratégies d'étalonnage de ces capteurs in situ utilisant des interféromètres à laser intégrés dans la machine. La traçabilité métrologique des résultats des mesures est ainsi garantie. Deux bancs de tests ont été développés pour caractériser les diverses influences et valider les procédures d'étalonnage des capteurs. La conception détaillée de l'instrument est issue de la synthèse des réflexions menées sur l'architecture, sur l'étalonnage et sur la maîtrise de la mesure de déplacements par capteurs capacitifs. Ce travail a abouti à la réalisation de ce nouvel instrument de référence ; sa conception, son montage et son réglage sont présentés. / The “Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM)” seeks to improve the measurement of primary pressure standards done using pressure balances, to an order of 10-6 relative uncertainty. Therefore, it is appropriate to back-up these pressure balances with a measurement of the topology of the piston-cylinder devices used on these balances. Cylindricity measurement is also found in many industrial applications such as the measurement of standards used for the calibration of measuring machines. This research project, conducted in collaboration with SAS GEOMNIA under a CIFRE agreement, has a main objet to develop a new ultra-high precision machine for cylinders form measurement. We pushes with this project the leading edge of the cylinders form measurement area; we propose indeed a technological leap which leads to reduce the uncertainty associated to cylindricity errors up to 10 nm in a cylindrical working volume of 350 mm diameter rand 150 mm height. Form measurement is usually done using a measurement probe moved about the surface to be measured with high precision guiding systems. Nonetheless, these guiding systems are not precise enough to offer the low uncertainty required even when error correction techniques are used. This is because the precision of the guides is limited by their low repeatability. To meet this uncertainty level, we propose an approach based on the “dissociated metrological structure” concept. The measurement consists of comparing the artifact's form with the form of a cylindrical reference which should have perfect form stability. However, the mapping form deviation of this cylindrical reference needs to be identified at the same level of uncertainty referred.The present work exposes a detailed analysis of the existing measuring machines and their limitations. Consequently, an optimized machine architecture is proposed in order to overcome the present limitations. The proposed machine architecture takes into account the "secondary" error terms relative to the probes positions and second order effects in order to satisfy the level of accuracy sought. A complete calibration procedure of the machine has been elaborated based on the error separation methods; it allows the separation of the form errors of each of the reference cylinder and a qualification cylindrical part simultaneously measured. This procedure does not present any accuracy limitations and has been experimentally verified. An analysis of the effects related to the measurement of cylindrical artifacts using capacitive sensors has also been investigated. These experiments have led to the development of in-situ calibration strategies using laser interferometers integrated in the machine. Thus, the metrological traceability of the measurements is guaranteed. Two test benches have been developed to characterize the error sources that influence the measurement and to validate the calibration procedures of the probes used. The detailed design of the instrument synthesizes all the conceptual thoughts about the architecture, the calibration and the displacement measurement of the capacitive probes. This work has resulted in the development of this new reference instrument; its design, installation and adjustment are detailed.

L'objectif principal de tout dispositif médical implantable est d'améliorer l'état de santé du patient en lui assurant un risque minimum. Dans ce but, l'étude de l'implant rachidien B Dyn comporte plusieurs volets : - la réalisation d'un suivi clinique, - l’analyse et la proposition de solutions techniques (actions correctives), - la création d'un outil numérique pour des évolutions ultérieures (actions préventives).L’étude bibliographique initiale permet d'appréhender l'anatomie fonctionnelle du rachis lombaire, de comprendre les états pathologiques et leurs conséquences et enfin de faire un inventaire des techniques chirurgicales associées (résection osseuse, implantation de dispositifs...).Le suivi clinique d'une population de trente patients souligne ensuite les apports (somatiques et fonctionnels) du B Dyn dans sa conception première. Pour quelques cas, l'analyse des clichés radiographiques en position de flexion montre une détérioration naissante de l'anneau liée, probablement, à une surcharge accidentelle de l'implant. Ce constat impose une évolution de la conception de l'implant.Une analyse de la conception initiale et la caractérisation mécanique en traction, permettent de cibler les actions correctives à appliquer dans le cadre de cette évolution. La démarche mise en place s'appuie sur l'évaluation expérimentale pour sélectionner des solutions techniques satisfaisant aux critères fonctionnels ; elle conduit à une évolution du choix de matériau de l'anneau.Pour la réalisation d'évolutions ultérieures, un modèle éléments finis est créé. L’approche numérique se substitue ainsi à l’approche expérimentale contraignante et coûteuse. La caractérisation préalable des élastomères est nécessaire à l'obtention de données matériaux pour élaborer ce modèle. Les résultats des premières simulations d'un essai de traction sont comparés aux données expérimentales dans la perspective de la validation du modèle.A ce stade, l'étude du B Dyn propose une première solution d'évolution de l'implant et un outil numérique pour l'analyse future de solutions techniques. / The main focus of any implantable medical device is to improve the health of the patient by providing minimum risk. For this purpose, the study of the B Dyn spinal implant comprises several constituents: - The carrying out of a clinical follow up, - The analysis and choice of technical solutions (corrective actions) - The creation of a digital tool for further development (preventive actions).The initial bibliographical study enables to comprehend the functional anatomy of the lumbar spine, to understand the pathological states and their consequences and finally to list the associated surgical techniques (osseous resection, implantation of devices…).The clinical follow-up of a population of thirty patients then underlines the contributions (somatic and functional) of the B Dyn in its first design. For a few cases, the analysis of radiographs in flexion shows an incipient deterioration in the ring probably related to an accidental overloading of the implant. This observation requires an evolution in the design of the implant.An analysis of the initial design and the mechanical characterization in traction, allow targeting the corrective actions to be applied in the context of this evolution. The developed approach is based on the experimental evaluation in order to select technical solutions that would satisfy the functional criteria; this leads to an evolution of the choice of the ring material.To conduct subsequent developments, a finite element model is created. Thus the digital approach replaces the restrictive and expensive experimental approach. The preliminary characterization of elastomers is necessary to obtain materials data to work out this model. The results of the first simulations of a tensile test are compared to experimental data in the perspective of the model validation.At this stage, the B Dyn study provides a first solution of implant evolution and a numerical tool for the future analysis of technical solutions.

Ma thèse vise à contribuer au développement et l’amélioration de la cinématique de la partie supérieure du robot HYDROïD pour des tâches bi-manuelles, tout en basant sur une étude biomécanique de cette partie chez l’être humain.Pour atteindre notre objectif majeur, ce travail adopte dans un premier temps une nouvelle structure hybride de 4 degrés de liberté (ddl) pour le torse du robot, distribués en 3 ddl au niveau lombaire et un ddl au niveau thoracique. Cette structure était identifiée après une analyse de l’espace de travail d’un modèle multi-corps simulant la colonne vertébrale d’un être humain, et une étude d’optimisation de ce modèle permettant la synthèse de la structure envisagée.Dans un second temps, une amélioration de la cinématique du bras du robot a été mise en place, en introduisant la notion de l’épaule complexe au présente structure. Le choix de ce nouveau degré de liberté était le fruit d’une approche systématique pour augmenter l’anthropomorphisme géométrie du bras souhaité vers un bras humain de la même taille.Les 2 structures proposées ont passé par la suite par la phase de conception mécanique tout en respectant les contraintes géométriques et en se basant sur l’énergie hydraulique comme étant l’énergie d’ actionnement de ces systèmes. Enfin, le Modèle Géometrique Inverse (MGI) pour la solution générique du torse a été établi et son adaptation à notre cas particulier a été identifiée. Une solution optimisée pour ce mécanisme basée sur 2 différents critères a ensuite été donnée. / My thesis aims at contributing to the development and improvement of the upper body of HYDROïD robot for bi-manual tasks, while basing on a bio-mechanical study of this part of the human being. To reach our major goal, this work adopts, at first, a novel hybrid structure of 4 degrees of freedom (DOF) for the trunk of the robot, distributed in three DOF at the lumbar level and one DOF at the thoracic level. This structure was identified after an analysis of the work-space of a multi-body model feigning the vertebral column of a human being, and an optimization study of that model allowing the synthesis of the envisaged structure. Secondly, an improvement of the kinematics of the robor arm was organized, by introducing the notion of the shoulder complex in the present structure. The choice of this new degree of freedom was the fruit of a systematic approach to increase the anthropomorphism geometry of the arm wished towards a humanitarian arm of the same size.The two proposed structures crossed afterward by the mechanical design phase while respecting all the geometrical constraints and by using the hydraulic energy as being the type of actuation of these systems. Finally, the Inverse Geometrical Model (IGM) for the generic solution of the trunk was established and its adaptation to our particular case was identified. An optimized solution for this mechanism based on 2 various criteria was then given.